Сравнительный анализ процесса формирования фрактальных металлических пленок: атомистическое моделирование
В.А. Анофриев, А.С. Антонов, С.А. Васильев, Н.Б. Кузьмин, Н.Ю. Сдобняков
ФГБОУ ВО «Тверской государственный университет»
DOI: 10.26456/pcascnn/2025.17.339
Оригинальная статья
Аннотация: В данной работе методом молекулярной динамики с использованием потенциала сильной связи проведено моделирование процесса молекулярно-лучевой эпитаксии для формирования фрактальных металлических пленок из элементов подгруппы меди (Ag, Au, Cu) на твердой поверхности более тугоплавкого металла – родия. Для моделирования молекулярно-лучевой эпитаксии использован авторский программный продукт. Установлено, что при различных параметрах молекулярно-динамического эксперимента возможно идентифицировать переход от формирования семейства островковых пленок с границей неправильной формы к более массивной пленке, но уже с симметричной границей. Также описаны условия, при которых формируются островковые пленки-спутники меньшего размера или пленки, имеющие общую границу («рукава») вокруг одной центральной пленки. При различных условиях молекулярно-динамического эксперимента показана возможность формирования фрактальных структур в исследуемых островковых пленках, проведена оценка фрактальной размерности в программном обеспечении FractalSurface 2.0.
Ключевые слова: молекулярно-лучевая эпитаксия, молекулярно-динамическое моделирование, потенциал сильной связи, фрактальная размерность, тонкие пленки, золото, серебро, медь, подложка, родий
- Анофриев Виталий Александрович – аспирант 3 года обучения кафедры общей физики, ФГБОУ ВО «Тверской государственный университет»
- Антонов Александр Сергеевич – к.ф.-м.н., научный сотрудник, ФГБОУ ВО «Тверской государственный университет»
- Васильев Сергей Александрович – к.ф.-м.н., доцент кафедры прикладной физики, научный сотрудник Управления научных исследований, ФГБОУ ВО «Тверской государственный университет»
- Кузьмин Николай Борисович – аспирант 1 года обучения кафедры общей физики, ФГБОУ ВО «Тверской государственный университет»
- Сдобняков Николай Юрьевич – д.ф.-м.н., доцент, профессор кафедры общей физики, ФГБОУ ВО «Тверской государственный университет»
Ссылка для цитирования:
Анофриев, В.А. Сравнительный анализ процесса формирования фрактальных металлических пленок: атомистическое моделирование / В.А. Анофриев, А.С. Антонов, С.А. Васильев, Н.Б. Кузьмин, Н.Ю. Сдобняков // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. - 2025. - Вып. 17. - С. 339-352. DOI: 10.26456/pcascnn/2025.17.339. ⎘
Полный текст: загрузить PDF файл
Библиографический список:
1. Иванов, Г.С. Фрактальная геометрическая модель микроповерхности / Г.С. Иванов, Ю.В. Брылкин // Геометрия и графика. – 2016. – Т. 4. – № 1. – С. 4-11. DOI: 10.12737/18053.
2. Брылкин, Ю.В. Тестирование алгоритма моделирования рельефа шероховатой поверхности на основе теории фракталов / Ю.В. Брылкин, А.Л. Кусов, А.В. Флоров // Известия Кабардино-Балкарского государственного университета. – 2014. – Т. IV. – № 5. – С. 86-89.
3. Сдобняков, Н.Ю. Морфологические характеристики и фрактальный анализ металлических пленок на диэлектрических поверхностях: монография / Н.Ю. Сдобняков, А.С. Антонов, Д.В. Иванов. – Тверь: Тверской государственный университет, 2019. – 168 с.
4. Антонов, А.С. Исследование фрактальных свойств наноразмерных пленок золота, серебра и меди: атомно-силовая и туннельная микроскопия / А.С. Антонов, Н.Ю. Сдобняков, Д.В. Иванов и др. // Химическая физика и мезоскопия. – 2017. – Т. 19. – № 3. – С. 473-486.
5. Zahn, W. Characterization of thin-film surfaces by fractal geometry / W. Zahn, A. Zösch // Fresenius' Journal of Analytical Chemistry. – 1997. – V. 358. – I. 1-2. – P. 119-121. DOI: 10.1007/s002160050360.
6. Белко, А.В. Фрактальная структура кластеров золота, образованных при осаждении в вакууме на диэлектрические подложки / А.В. Белко, А.В. Никитин, Н.Д. Стрекаль, А.Е. Герман // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. – 2009. – № 5. – С. 11-15.
7. Barabásy, A.L. Fractal concepts in surface growth / A.L. Barabásy, H.E. Stanley. – Cambridge: Cambridge University Press, 1995. – XX, 366 p.
8. Ашуров, Х.Б. Моделирование роста фрактального кластера на подложке при ионном облучении / Х.Б. Ашуров, С.Е. Максимов, Б.Л. Оксенгендлер, О.Е. Сидоренко, М.Б. Гусева // Поверхность. рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. – 2011. – № 6. – С. 89-92.
9. Van Put, A. Quantitative characterization of individual particle surfaces by fractal analysis of scanning electron microscope images / A. Van Put, A. Vertes, D. Wegrzynek, B. Treiger, R. Van Grieken // Fresenius' Journal of Analytical Chemistry. – 1994. – V. 350. – I. 7-9. – P. 440-447. DOI: 10.1007/BF00321787.
10. Mannelquist, A. Influence of tip geometry on fractal analysis of atomic force microscopy images / A. Mannelquist, N. Almquist, S. Fredriksson // Applied Physics A. – 1998. – V. 66. – Supplement I. 1. – P. S891-S895. DOI: 10.1007/s003390051262.
11. Douketis, C. Rough silver films studied by surface enhanced Raman spectroscopy and low temperature scanning tunnelling microscopy / C. Douketis, T.L. Haslett, Z. Wang, M. Moskovits, S. Iannotta // Progress in Surface Science. – 1995. – V. 50. – I. 1-4. – P. 187-195. DOI: 10.1016/0079-6816(95)00053-4
12. Zahn, W. The dependence of fractal dimension on measuring conditions of scanning probe microscopy / W. Zahn, A. Zösch // Fresenius' Journal of Analytical Chemistry. – 1995. – V. 365. – I. 1-3. – P. 168-172. DOI: 10.1007/s002160051466.
13. Anofriev, V.A. Fractal relief on the surface of molybdenum films / V.A. Anofriev, N.Yu. Sdobnyakov, A.S. Antonov, et al. // Proceedings of the 2025 Conference of Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (2025 ElCon), January 28 - 29, 2025, St. Petersburg, Russia. – St. Petersburg: Saint Petersburg Electrotechnical University «LETI», 2025. – P. 958-963.
14. Сдобняков, Н.Ю. Определение фрактальной размерности островковых плёнок золота на слюде / Н.Ю. Сдобняков, Т.Ю. Зыков, А.Н. Базулев, А.С. Антонов // Вестник ТвГУ, серия «Физика». – 2009. – № 41. – Вып. 6. – С. 112-119.
15. Иванов, Д.В. Получение наноразмерных пленок платины, обладающих фрактальными свойствами / Д.В. Иванов, А.С. Антонов, Е.М. Семенова и др. // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. – 2020. – Вып. 12. – С. 73-88. DOI: 10.26456/pcascnn/2020.12.073.
16. Ivanov, D.V. Determination of the fractal size of titanium films at different scales / D.V. Ivanov, A.S. Antonov, E.M. Semenova et al. // Journal of Physics: Conference Series. – 2021. – V. 1758. – Art. № 012013. – 6 p. DOI: 10.1088/1742-6596/1758/1/012013.
17. Иванов, Д.В. Моделирование процесса формирования фрактальных металлических пленок / Д.В. Иванов, С.А. Васильев, Н.Ю. Сдобняков и др. // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. – 2020. – Вып. 12. – С. 424-437. DOI: 10.26456/pcascnn/2020.12.424.
18. Иванов, Д.В. Моделирование послойного роста фрактальных металлических пленок Pt-Rh / Д.В. Иванов, В.А. Анофриев, В.А. Кошелев и др. // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. – 2021. – Вып. 13. – С. 682-692. DOI: 10.26456/pcascnn/2021.13.682.
19. Свидетельство № 2013610101 Российская Федерация. Компьютерная программа для молекулярно-динамического моделирования нанокластеров: свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ / В.М. Самсонов, А.Г. Бембель, М.Ю. Пушкарь; заявитель и правообладатель заявитель и правообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Тверской государственный университет». – № 2013610101; заявл. 08.11.2012; зарегистрировано в реестре программ для ЭВМ 09.01.2013. – 1 с.
20. Бембель, А.Г. Молекулярно-динамическое моделирование структурных и фазовых превращений в свободных нанокластерах и наночастицах на поверхности твердого тела: дис. … канд. физ.-мат. наук: 01.04.07: защищена 2.03.2012 / Бембель Алексей Глебович. – Тверь: ТвГУ, 2012. – 173 с.
21. Бембель, А.Г. Молекулярно-динамическое моделирование эпитаксиального роста наноразмерных гетероструктур свинца на никеле / А.Г. Бембель, С.А. Васильев, В.М. Самсонов // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. – 2012. – Вып. 4. – С. 10-18.
22. Бембель, А.Г. Смачивание в твердом состоянии и динамика нанорельефа твердой поверхности / А.Г. Бембель, И.В. Талызин, В.М. Самсонов // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. – 2018. – Вып. 10. – С. 83-92. DOI: 10.26456/pcascnn/2018.10.083.
23. Cleri, F. Tight-binding potentials for transition metals and alloys / F. Cleri, V. Rosato // Physical Review B. − 1993. − V. 48. – I. 1. − P. 22-33. DOI: 10.1103/PhysRevB.48.22.
24. Berendsen, H.J.C. Molecular dynamics with coupling to an external bath / H.J.C. Berendsen, J.P.M. Postma, W.F. van Gunsteren, A. DiNola, J.R. Haak // The Journal of Chemical Physics. – 1984. – V. 81. – I. 8. – P. 3684-3690. DOI: 10.1063/1.448118.
25. Свидетельство № 2021618928 Российская Федерация. FractalSurface: программа для анализа поверхности на наноуровне / Н.Ю. Сдобняков, В.А. Анофриев, В.А. Кошелев, А.С. Антонов,
Д.В. Иванов; заявитель и правообладатель ФГБОУ ВО «Тверской государственный университет».
– № 20216180353; заявл. 27.05.2021; зарегистрировано в реестре программ для ЭВМ 02.06.2021. – 1 с.