Терещук В. В. Динаміка формування впорядкованих квазі-одновимірних твердотільних наносистем

Формування квазіодновимірних структур базується на використанні наностержнів в якості базових елементів. Дана дисертаційна робота присвячена дослідженню двох варіантів еволюції їх морфології. В першому з них поперечний переріз наностержня стає періодично промодульованим в результаті спонтанної трансформації поверхні в предплавільному режимі (температура нанодроту набагато нижча температури плавлення матеріалу з якого він був синтезований). На заключній стадії такі модуляції приводять до розпаду нанодроту на ланцюжок ізомерних нанокрапель. За умови забезпечення належного контролю над кінетикою процесу ефект термічної нестійкості наностержнів може використовуватися для створення хвильоводів субхвильової оптики. В другому варіанті базовий нанодріт використовується як квазіодновимірна підкладка для подальшого синтезу на ній впорядкованої системи нанокластерів, тобто створення наностержнів типу ядро-оболонка. Однорідні за діаметром нанодроти значно поступаються системам ядро-оболонка в спроможності «захоплювати» світло розрахованою на одиницю маси. Тому визначення методів керування геометричними параметрами наностержнів типу ядро-оболонка дозволить різко зменшити масу «дзеркала»-детектора в оптичному резонаторі з подальшими можливостями детектувати механічні рухи досліджуваних об’єктів впритул до квантових ефектів. Основна частина дисертаційної роботи складається з чотирьох розділів, які присвячені: (і) встановленню фізичних механізмів, що відповідальні за спонтанну періодичну модуляцію поверхні і подальший розпад наностержня; (іі) визначенню закономірностей формування нанокластерів на нанодроті в режимі синтезу; (ііі) розробці методів контролю параметрів як процесу розпаду, так і процесів синтезу для формування систем з наперед заданою морфологією та фізичними властивостями. Перший розділ даної дисертаційної роботи присвячено детальному аналізу процесів розпаду циліндричних наностержнів з гранецентрованою кубічною кристалічною граткою в залежності від температури системи. В цьому ж розділі представлено опис моделі Монте-Карло на базі якої проводились дослідження. На основі проведених чисельних експериментів було встановлено, що прояв анізотропії густини поверхневої енергії може суттєво впливати на кінетику процесу розпаду та в ряді випадків спричиняти значні відхилення значень довжини хвилі модуляцій поперечного перерізу з максимальним інкрементом росту від передбачень існуючих моделей. У зв'язку з цим було побудовано аналітичну модель, на основі якої отримано вираз де враховується залежність довжини хвилі модуляцій радіусу нанодроту від анізотропії густини поверхневої енергії, що дозволив з високою точністю передбачити значення довжини хвилі модуляцій поверхні для наностержнів різних орієнтацій. У другому розділі кінетичний метод Монте-Карло було застосовано для вивчення фізичних механізмів, що відповідають за розпад нанодротів із кубічною кристалічною структурою типу алмаза на ланцюжки наночастинок. Залежно від температури та орієнтації осі нанодроту відносно його внутрішньої кристалічної структури, довжини хвиль модуляцій поперечного перерізу перевищують його початковий радіус у 4-18 разів. Показано, що причиною формування модуляцій поверхні наностержнів з ультра-короткими довжинами хвиль 4.5<λ<2π є ефект roughening transition, що в залежності від температури системи може проявлятися на окремих або усіх гранях, які формують бічну поверхню наноструктури. У третьому розділі досліджуються особливості кінетики нанодротів з кубічною об’ємноцентрованою кристалічною граткою на різних стадіях їх розпаду та проаналізовано залежність довжини хвилі поверхневих збурень наностержнів з ГЦК та ОЦК кристалічними гратками від зовнішнього впливу, що призводить до інтенсифікації поверхневої дифузії на наностержнях. На базі кінетичної моделі Монте-Карло визначено, що для певних орієнтацій наностержнів з ОЦК граткою ефект roughening transition грає основну роль в процесі розпаду та є причиною утворення терас на їх боковій поверхні та розвитку короткохвильових збурень поперечного перерізу. В четвертому розділі проаналізовано фізичні механізми, відповідальні за формування впорядкованої послідовності нанокластерів, синтезованих на нанодротах з алмазоподібною кристалічною граткою в дифузійному режимі осадження вільних атомів. Встановлено, що основними факторами, що визначають самовпорядкування системи нанокластерів є поверхнева дифузія атомів та ефект тіні, за рахунок якого густина дифузійного потоку атомів в міжкластерну область суттєво падає на кінцевих стадіях синтезу чим заважає утворенню нанокластерів другого покоління. На основі отриманих результатів визначено, що зміна швидкості постачання атомів в систему є дієвим методом забезпечення високого рівня періодичності у розташуванні нанокластерів вздовж базового нанодроту та дає можливість синтезувати наноструктури з бажаними геометричними параметрами.