ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы данной диссертационной работы обуславливается тем, что к настоящему времени одним из наиболее интенсивно развивающихся разделов науки является физика поверхностных явлений.

Степень разработанности.

массоперенос в компьютерном эксперименте, согласуются с экспериментальными и теоретическими результатами российских и иностранных исследователей, что позволяет комплексно оценить адекватность используемых нами методов и подходов при сравнении результатов как с экспериментальными данными, данными компьютерных экспериментов, так и с теоретическими результатами.

Объекты исследования. В качестве объектов исследования нами использовались металлические пленки/нанопокрытия (золото, серебро, хром) на диэлектрических поверхностях/подложках (слюда, стекло). Особое внимание было уделено исследованию морфологических характеристик, определению фрактальной размерности профиля и поверхности металлических пленок. Важным, но вспомогательными объектом исследования является туннельный контакт зонд-образец - для изучения его ВАХ в процессе сканирования.

Целью данной работы являлось экспериментальное исследование и теоретический анализ морфологических и фрактальных характеристик металлических пленок (золото, серебро, хром) на диэлектрических поверхностях (слюда, стекло) методом сканирующей туннельной микроскопии.

В работе были поставлены следующие основные задачи:

1. Разработка методики подготовки образцов (получение металлической пленки на диэлектрической поверхности) для сохранения информации об особенностях морфологии отдельных объектов поверхности размером менее 100 нм для изучения фрактальных свойств.

2. Изучение морфологии отдельных участков профиля и поверхности нанопокрытий золота, серебра на наличие фрактальных структур, расчет фрактальной размерности профиля и поверхности образцов.

3. Исследование вольт-амперной характеристики туннельного контакта металл - металл для нанопокрытий золота, серебра и хрома с острием из вольфрама и оценка параметров, влияющих на туннельный ток, для извлечения информации об электронной структуре образца.

4. Разработка интерфейса компьютерной программы для моделирования и визуализации взаимодействия зонда туннельного микроскопа и образца. Моделирование методом Монте-Карло с использованием многочастичного потенциала Гупта взаимодействия в системе зонд (медь) - образец (золото) при термическом расширении в зависимости от расстояния между ними для двух конфигураций острия: стержень и конус с использованием модернизированной программной оболочки (X-Shell). Определение характера теплового расширения острия по отношению к ширине туннельного промежутка и описание лавинообразного процесса теплового расширения острия, приводящего к возникновению контакта между острием зонда и поверхностью образца.

Научная новизна работы:

1. Впервые проведено комплексное исследование профиля и поверхности нанопокрытий золота и серебра на наличие фрактальных структур, определены соответствующие фрактальные размерности, а также построены гистограммы распределения вероятности обнаружения на поверхности металлических пленок структур с определенной фрактальной размерностью профиля и поверхности.

2.

3. Проведенное исследование ВАХ контакта металл - металл для образцов золота, серебра и хрома с острием из вольфрама показывает необходимость тщательного контроля параметров, влияющих на туннельный ток при получении изображений поверхности металлической пленки. Отмечено, что тепловое расширение острия может достигать величин, сравнимых с шириной туннельного промежутка, и возможно возникновение лавинообразного процесса теплового расширения острия, приводящего к возникновению контакта между острием зонда и поверхностью образца.

4. Впервые проведено моделирование методом Монте-Карло с использованием многочастичного потенциала Гупта взаимодействия в системе зонд (медь) - образец (золото) при термическом расширении в зависимости от расстояния между ними для двух конфигураций острия: стержень и конус. Показано, что характер теплового расширения острия по отношению к ширине туннельного промежутка может приводить к возникновению контакта между острием зонда и поверхностью образца.

Теоретическая и практическая значимость работы:

1. Разработана методика получения металлических пленок на диэлектрической поверхности с кластерной структурой поверхности методом термовакуумного испарения и конденсации с целью сохранения информации об особенностях морфологии отдельных объектов поверхности для изучения морфологических и фрактальных характеристик с помощью сканирующего туннельного микроскопа.

2. Проведено комплексное изучение отдельных участков профиля и поверхности нанопокрытий золота и серебра на наличие фрактальных структур и исследование вольт-амперной характеристики туннельного контакта металл-металл для нанопокрытий золота, серебра и хрома с острием из вольфрама, также продемонстрирована перспективность объектов исследования в качестве базы для элементов микро- и наноэлектроники, в частности для использования технологии «выращивания» структур с заранее прогнозируемыми свойствами и структурой.

3.

4. На основе оценки размерного и температурного интервалов штатного функционирования сканирующего туннельного микроскопа для изучения

отдельных участков поверхности возможно прогнозировать границы применимости методики определения фрактальной размерности профиля и поверхности для металлических нанопокрытий.

Личный вклад автора. Лично автором получены и проанализированы экспериментальные данные для определения морфологических и фрактальных характеристик металлических пленок (золото, серебро, хром) на диэлектрических поверхностях (слюда, стекло) и электрических характеристик туннельного контакта зонд-образец, получены и описаны в результате моделирования методом Монте-Карло закономерности взаимодействия зонда туннельного микроскопа и поверхности нанопокрытия с модернизацией программной оболочки (X-Shell), которая позволяет упростить запуск расчёта различных вычислительных движков (отдельные ее структурные элементы разработаны сотрудником кафедры общей физики д. ф.-м. н. П.В. Комаровым, к. ф.-м. н. Д.Н. Соколовым и научным руководителем доцентом кафедры общей физики к. ф.-м. н. Н.Ю. Сдобняковым). Автор лично выполнил обработку и анализ всех экспериментальных данных, провел расчеты физических параметров и участвовал в обобщении и интерпретации результатов совместно с научным руководителем и соавторами. Автор принимал участие в представлении результатов на научных конференциях и подготовке публикаций в научных журналах.

Положения, выносимые на защиту:

1. Металлические нанопокрытия (золото, серебро), сформированные на диэлектрической подложке (слюде), имеют фрактальную структуру.

2. Методика определения фрактальной размерности профиля/поверхности и распределения вероятности обнаружения структур с определенной фрактальной размерностью профиля/поверхности в образцах исследуемых нанокластеров.

3. Экспериментальные закономерности изменения формы ВАХ контакта зонд (вольфрам) - образец (золото, серебро и хром) с оценкой общих черт и различий.

4. Модель взаимодействия в системе зонд (медь) - образец (золото) при термическом расширении острия для различных конфигураций острия (стержень, конус) и определенные на её основе значения температурных интервалов при термическом расширении зонда до контакта с образцом.

Обоснованность и достоверность полученных в работе результатов обусловливается как корректностью постановки задачи, так и использованием промышленного оборудования СТМ «УМКА - 02G». При этом основные результаты данной работы по исследованию морфологических и фрактальных характеристик были дополнительно верифицированы с использованием сканирующего зондового микроскопа MFP-3D (Asylum Research, США) в режиме АСМ (НИТУ «МИСиС», Москва). Все проведенные расчеты в рамках компьютерного эксперимента являются воспроизводимыми, используемая модель применительно к исследуемым задачам адекватна и тщательно протестирована, потенциал взаимодействия в достаточной степени апробирован, полученные нами результаты моделирования термического расширения острия для различных конфигураций острия (стержень, конус) согласуются с известными экспериментальными данными и данными компьютерных экспериментов.

Апробация работы. Результаты данной работы были доложены и обсуждены на ряде как российских, так и международных конференций, а именно: XVII региональных Каргинских чтениях и областной научно­технической конференции молодых ученых «Физика, химия и новые технологии» (Тверь, 2010 г.), IV Всероссийской конференции по наноматериалам (Москва,

2011 г.), 15-м Международном симпозиуме «Упорядочение в минералах и сплавах» (Ростов-на-Дону, 2012 г.), 8-х, 9-х Курдюмовских чтениях «Синергетика в естественных науках» (Тверь, 2012-2013 гг.), Международной научно­технической конференции «Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения» (Москва, 2012 г.), VII Международной научной конференции «Кинетика и механизм кристаллизации и материалы нового поколения» (Иваново,

2012 г.), IX Российской ежегодной конференции молодых научных сотрудников и аспирантов «Физико-химия и технология неорганических материалов» (Москва, 2012 г.), Международных междисциплинарных симпозиумах «Физика поверхностных явлений, межфазных границ и фазовые переходы» (Нальчик, 2012-2014 гг.), Международном симпозиуме «Физика кристаллов» (Москва, 2013 г.), IX, X Международных научно-практических конференциях «Нанотехнологии - производству» (Фрязино, 2013-2014 гг.), XXV Российской конференции по электронной микроскопии и 2-й Школе молодых ученых «Современные методы электронной и зондовой микроскопии в исследовании наноструктур и наноматериалов» (Черноголовка, 2014 г.), XIX, XX International conference on chemical thermodynamics in Russia (Moscow, 2013, 2015 гг.), 18-м Международном симпозиуме «Упорядочение в минералах и сплавах» (Ростов-на-Дону, 2015 г.), Российском симпозиуме по растровой электронной микроскопии и аналитическим методам исследования твердых тел и 3-й Школе молодых ученых «Современные методы электронной и зондовой микроскопии в исследованиях наноструктур и наноматериалов» (Черноголовка, 2015 г.), XXVI Российской конференции по электронной микроскопии и 4-й Школе молодых ученых «Современные методы электронной и зондовой микроскопии в исследованиях наноструктур и наноматериалов» (Зеленоград, 2016 г.), IX Международной научно-технической конференции «Микро- и нанотехнологии в электронике» (Нальчик, 2017 г.), 7-й Международной конференции «Кристаллофизика и

деформационное поведение перспективных материалов» (Москва, 2017 г.), Международном форуме «Техноюнити - Электронно-лучевые технологии для микроэлектроники - 2017» (Зеленоград, 2017 г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликована 21 печатная работа, из них 9 статей в рецензируемых научных изданиях, рекомендованных ВАК РФ, и одно свидетельство о государственной регистрации программы на ЭВМ.

Структура и объём работы. Данная диссертация состоит из введения, четырех глав, основных результатов и выводов, приложения, а также списка цитируемой литературы, включающего 255 наименований. Объем работы составляет 198 страниц, включая 72 иллюстрации и 5 таблиц.