أهرامات غير المريخ: دراسة شكل مجموعات البلورات النانوية تحت طبقة الجرافين

تعتمد العديد من الخصائص ، وبالتالي أساليب استخدام شيء ما ، على شكل هذا الكائن. كل شيء بسيط للغاية وبنفس المنطق: ستدور العجلات المستديرة بشكل أفضل من العجلات المربعة ، ويكون لجناح الطائرة شكل معين يحسن الديناميكا الهوائية. حتى أقلام الرصاص العادية لها شكل مسدس ، بحيث تكون أكثر راحة في الإمساك بيدك أثناء الكتابة وعدم البحث عنها في جميع أنحاء الشقة تحت جميع الأرائك والخزائن في وضع الشخص الذي أطلق لأول مرة Dark Souls. يمكن أن يؤدي تغيير الشكل إلى تغيير في الخصائص ، وإذا كنت تتحكم في هذه التغييرات ، يمكنك الحصول على بعض الخصائص التي تحتاجها. هذا هو بالضبط ما فعله العلماء في الدراسة التي ندرسها اليوم. لقد ابتكروا نموذج "مرونة ثابتة" لمجموعات النحاس النانوية تحت غشاء الجرافين. كيف ولماذا "طمس" العلماء النحاس باستخدام الجرافين ، وما هي النتائج التي أظهرتها التجارب العملية ، هل يتفقون مع الحسابات الأولية ، وماذا يعني هذا "الشطيرة" على مقياس النانومتر بالنسبة إلى العلم؟ الإجابات على هذه الأسئلة تنتظرنا في تقرير المجموعة البحثية. دعنا نذهب.

أساس الدراسة

كما يقول العلماء أنفسهم ، ليس هناك ما هو أكثر أهمية من بنية وشكل البلورات الوظيفية (للعلماء أولويات الحياة الخاصة بهم ، ونحن لن نخوضها). أثناء تخليق هذه الأشياء الصغيرة ، من الممكن حدوث بعض الانحرافات عن بنية التوازن ، والتي يمكن أن تكون إما ناقصًا غير سارٍ للغاية أو علامة زائد كبيرة. إذا فهمت جوهر بنية التوازن ، فيمكنك تعلم فهم هذه الهياكل بشكل أفضل ، وبالتالي ، معالجتها.

وتلعب البلورات النانوية (NCs) دورًا مهمًا في هذا الأمر ، والتي تنقسم إلى عدة فئات: البلورات النانوية ثلاثية الأبعاد غير المدعومة التي تم الحصول عليها عن طريق تخليق الطور السائل ، ودعم البلورات النانوية ثلاثية وثنائية الأبعاد التي تم الحصول عليها بواسطة الترسب على سطح الركيزة.

إذا قمنا بتوصيل الكلمة المفضلة لدينا "الكم" بكل هذا ، فسوف نكتشف ما يلي: بالنسبة للنقاط الكم ، أي يدعم التشوه دورًا مهمًا للغاية في التحكم في الشكل ، مدعومًا بأجهزة NC ثلاثية الأبعاد مكونة من عدم توافق شعرية داخل heteroepitaxy * .

Heteroepitaxy * هو نوع من epitaxy (نمو مادة بلورية فوق أخرى في درجات حرارة منخفضة) ، عندما تختلف الطبقة المتنامية عن الركيزة في التركيب الكيميائي.

في هذه الدراسة ، يفكر العلماء في نوع جديد من البلورات النانوية ثلاثية الأبعاد (التجمعات) ، والتي تقع تحت مادة الطبقات. وبالتالي ، يتم ضغط هذه البلورات النانوية تحت واحد أو عدة طبقات أحادية (أعلاه) ومجموعة من الطبقات شبه اللانهائية (أدناه).

لماذا يفعل العلماء ذلك ، تسأل. سوف يجيبون: الغرض من هذه الدراسة هو تطوير وتحليل نموذج من المرونة الثابتة (PE) ، والذي يجمع بين طاقة تشوه طبقة الجرافين العليا ، والالتصاق وطاقات سطح النحاس (النحاس) ، والجرافين والجرافيت ، والذي يسمح لك بالتحكم في شكل توازن المجموعات السطحية / المغلفة .

تمكن العلماء من إنشاء مثل هذا النموذج ، وبعد ذلك اختبروا صلاحيته ليس على الورق ، ولكن في الواقع. ما هي النتائج التي أظهرها التحليل ، وما هي الاختلافات التي لوحظت بين النظرية والتطبيق ، سننظر أكثر في ذلك.

إعداد الدراسة

في البداية ، كان من الضروري تحضير الجرافيت للتفاعل مع محاضرات النحاس النانوية. لهذا ، تم إنشاء عيوب على سطحه عن طريق قصف Ar +. بعد ذلك ، اصطدمت ذرات النحاس بسطح الجرافيت ، واخترقت بعض العيوب وكانت بالفعل تحت سطح الجرافيت. خلال هذا الإجراء ، يتم تسخين الركيزة من الجرافيت إلى 600-800 K. يتم اختيار نظام درجة الحرارة هذا لسبب: الجزر (المجموعات) من Cu على سطح الجرافيت تبدأ في التحليق عند درجة حرارة 550-600 K ، وبالتالي ، ينبغي تحقيق كسر رابطة Cu-Cu بسهولة عند 600 K وأعلى. نتيجة لذلك ، تشكلت جزر النحاس في هذه الدراسة عند درجة حرارة 800 K.


الصورة رقم 1

في صورة STM 1a ، لا نرى الأهرامات على سطح الكوكب الأحمر ، ولكن جزر النحاس نفسها التي يظهر ملف تعريف STM بها في 1a ' .

يوجه العلماء انتباهنا إلى شكل هذه الجزيرة النحاسية: مسدس مسطح. يشير تسطيح الجزء العلوي ، ووفقًا لذلك ، إلى أن الجزء الأوسط من الجزيرة محدود بطبقة الركيزة (القاع) وطبقة الجرافين (أعلى). نرى أيضًا منحدرات تشكل حلقة حول قمة مسطحة. ووفقًا للملاحظات ، يمكن أن يكون سمك طبقة الكربون في هذه الجزر عدة أحادي الطبقة أحادية الطبقة ، حتى ثلاثة.

بعد ذلك ، حلل العلماء شكل هذه الجزيرة ( 1 ب ). أصبح من الواضح أن الارتفاع (ح) يتقارب تقريبًا مع عرض الحلقة (أ). علاوة على ذلك ، فإن المنحدرات (h / a) ، أي ميل الجوانب ، ثابتة في أحجام مختلفة. لكن القطر ، على عكس عرض الحلقة ، يتغير بشكل ضعيف مع الارتفاع ، أي أن نسبة العرض إلى الارتفاع (d / h) ليست ثابتة. يوضح الرسم البياني 1c نسبة ارتفاع وعرض الحلقة ، ويوضح الرسم البياني 1d ارتفاع وعرض طرف الجزيرة. في الوقت نفسه ، تم تحليل حوالي 140 جزيرة من النحاس في المجموع.

نحن الآن واضحون بشأن الوضع الحقيقي مع تشكيلات النانو النحاسية تحت طبقة من الجرافين. بعد هذه الملاحظات ، شرع العلماء في إنشاء نموذجهم للمرونة الثابتة (PE).

نموذج PE

في عملية النمذجة ، قرر العلماء تطبيق التقريب (تقريب) لشكل جزيرة النحاس ، وبالتالي ، لم يكن الهرم سداسي الذي تم استخدامه ، ولكن الهرم الأسطواني. تنمو أسطوانة نحاسية بين غشاء أحادي الطبقة واحد / عدة طبقات من الجرافين.

من المفترض أن الركيزة الجرافيتية صلبة ، وتخضع طبقة التغطية (فوق الجزر النحاسية) للتشوهات المرنة والشدية ، مما يسمح لها بالتكيف مع الجزيرة النامية.

توضيح بسيط للمصطلحات: في المستقبل ، في عملهم ، يسمي العلماء الجزر مجموعة من كتلة النحاس ، وغشاء الجرافين المشوه وركيزة الجرافيت ، والمجموعات - فقط الجزء المعدني المركزي.

عنصرا هاما من شكل الجزر هي سفوح الجانبين. هذه المنحدرات أصغر بكثير من تلك الموجودة في الطائرات ذات المؤشر المنخفض (111) أو (100) من النحاس ، والتي تربط بشكل طبيعي الوجه العلوي (111) لمجموعة وحدات النحاس المدعومة. ويترتب على ذلك أن الفضاء الحلقي المملوء بالنحاس ليس تكوينًا حيويًا بسبب السطح ذي المؤشر العالي والطاقة السطحية Cu.

ميزة أخرى مهمة هي وجود ثنايا من الحلقة ، واحدة منها يمكن رؤيتها في الزاوية اليسرى السفلى في 1a. تشير هذه التشوهات إلى أن الغشاء (طبقة التغطية) غير قابل للتأثير على امتداد المادة الأساسية ، مما يحد من قابليته للطي.

يمكن نمذجة طاقة النظام (Π) على أنها مجموع طاقات الضغط المرنة لفيلم الجرافين المشوه (U _e ) ومزيج من المتغيرات التي تمثل مكونات السطح البيني (IS - السطح البيني / السطحي) من إجمالي الطاقة للنظام. تشمل الواجهات والأسطح ما يلي: النحاس النقي ، الجرافين - الجرافيت (GnGt) ، النحاس - الجرافين والنحاس - الجرافيت (تعيين لكل منهما - CuG). طاقات IS التالية تتوافق مع ما ورد أعلاه:

• تكاليف الطاقة المرتبطة بالطاقة السطحية من Cu، U _Cu وفقدان التصاق Gn - Gt، U _GnGt ؛
• تخفيض الطاقة المرتبطة التصاق Cu - Gn و Cu - Gt، U _GnGt .

معًا ، سيتم الإشارة إليهم بواسطة المصطلح العام - U _IS . فيما يلي صيغة إجمالي الطاقة:

Π = U _Cu + U _GnGt + U _CuG + U _e

تم الحصول على شكل التوازن عن طريق تقليل Π لحجم ثابت (V) من كتلة النحاس.

علاوة على ذلك ، تم حساب U _IS ، أي المكونات السطحية والسطحية لإجمالي الطاقة للنظام. يمكن التعبير عن كل مكون مثل مجموع منتجات الطاقة السطحية (γ) أو طاقة التصاق (β) مضروبة في المنطقة المقابلة.


الجدول رقم 1: صيغ لحساب U _IS (يسار) وإدخال البيانات (يمين).

تم الحصول على قيم γ و using باستخدام نظرية الكثافة الوظيفية. تم الحصول على (111) اتجاه كتلة النحاس من البيانات التجريبية.

بعد ذلك ، استنتج العلماء قيمة U _e باستخدام نموذج حساب SLBT (اختبار نفطة مع قضيب أسطواني ذو سطح مسطح) ، حيث يتحرك قضيب أسطواني من خلال الفتحة في سطح صلب ، مع الضغط على الغشاء المرن وتشويهه.

الغشاء يخضع لتشوهات الشد وانثناء. في نموذج SLBT ، يتم تقريب هذين النوعين من التشوه كمساهمات مستقلة. أظهرت الحسابات أن تشوه الانحناء صغير جدًا عند أخذ حجم التركيب التجريبي في الاعتبار ؛ لذلك ، كان من الممكن وضع نماذج لطاقة الطاقة المرنة للأغشية (U _e ) فقط مع السماح بسلالة الشد.

يمكن للفضاء الحلقي أن يستجيب لنمو الجزيرة دون قيود ، ولكن الالتصاق بين جزء الجرافين في الجزء العلوي من الجزيرة والنحاس يمكن أن يمنع التمدد الجانبي للجرافين. إذا استمر التمدد بحرية ، فيمكن لهذا الجزء أيضًا التشوه بحرية فوق الجزء العلوي من الجزيرة.

بالنظر إلى هذا البيان ، تم اشتقاق الصيغة U _e (رقم 5 في الجدول 1). من خلاله يمكننا أن نفهم أن قيمة U _e تعتمد على نسبة Poisson (v) ، معامل المرونة الطولية (Y) وسمك الجرافين (t). كانت قيمة v 0.165 ، Y - 1.1 TPa ، لأن هذا يتوافق مع القيم التجريبية لكثافة العيب (7.3 ± 0.4) x10 ³ μm ^-2 .

فيما يتعلق بسمك الجرافين ، نعلم بالفعل أن الجرافين الموجود أعلى الجزر يمكن أن يزيد سمكه عن طبقة أحادية. هذا يسمح لنا بحساب سمك الطبقة العليا من الهيكل المدرسي باستخدام الصيغة t = L · t _GML ، حيث L هو عدد طبقات الجرافين و t _GML هو 0.34 نانومتر (مسافة البينية في الجرافيت البلوري).

نتائج البحوث

و كذلك. مع فرز بيانات الملاحظة ، مع جزء الحساب أيضًا ، حان الوقت لبدء نتائج تحليل كل هذا بشكل إجمالي.

بالنظر إلى الصيغ U _IS و U _e ، فضلاً عن البيانات الواردة في الجدول 1 (يمين) ، Π تصبح دالة لثلاثة معلمات مستقلة فقط - a و h و d. يمكن حل هذه المشكلة عن طريق تحديد قيمة حجم الكتلة بدقة V = πhd 2/4 ، مما يسمح لنا بالتخلص من h أو d. وبالتالي ، يتم الحصول على معلمتين فقط ، وليس ثلاثة: Π = Π (a، h) أو Π = Π (a، d). بالنسبة إلى العرض التوضيحي ، استخدم العلماء Π (a ، h) ، وتم أخذ حجم الكتلة من البيانات المستخدمة - _exp V _exp 〉 = 4x10 ⁴ nm ³ (الصورة رقم 2).


الصورة رقم 2

يلاحظ العلماء نقطة مهمة للغاية: هناك حد أدنى معين لقيمة Π ، وهي حالة من التوازن. مع هذا الحد الأدنى ، يتنبأ نموذج المرونة الثابتة بالقيم التالية: a _e = 38.8 nm و h _eq = 9.4 nm و d _eq = 73.6 nm. في التجارب ، كانت للجزر التي كانت قريبة من _exp V _exp 〉 المعلمات التالية: 〉a _exp 〉 = 31 ± 11 nm و 〈h _exp 〈= 7.3 ± 2.6 nm و 〈d _exp 〉 = 88 ± 21 nm. كما نرى ، فإن البيانات النظرية والعملية في توافق جيد للغاية.

يوضح الرسمان 2c و 2 d قسمين متعامدين من خلال Π (a، h) ، يمر كل منهما بالحد الأدنى العام.

يمكن تكرار العمليات المذكورة أعلاه على نطاق كامل من وحدات التخزين الكتلة لاحظ تجريبيا (1.8 × 10 ³ نانومتر ^{3 3} V ≤ 6.9 × ^{5 5} نانومتر ³ ). لذلك ، من الممكن مقارنة أحجام الجزر التي تنبأ بها النموذج والملاحظ في التجارب. لمقارنة أبسط بين النموذج والتجربة ، يتم استخدام نسبة أحجام الجزر وقيمة h (الصورة رقم 3).


الصورة رقم 3

توضح الرسوم البيانية أعلاه h / a و d / h و d / a لكل من النموذج والتجربة. المخططات 3a - 3c عبارة عن مقارنة بين البيانات التجريبية ونموذج SLBT ، حيث يتم توسيع الغشاء بدون قيود ، بينما يعد ثلاثي الأبعاد - 3f بالفعل بيانات تجريبية ونموذجًا ذا تمدد محدود.

قيمة h / a في التجارب ثابتة وتساوي 0.24 ± 0.03 في النطاق الكامل لأحجام الجزيرة. من الناحية النظرية ، تم استخدام حجم المجموعات 1 ≤ L ≤ 5 ، وتم العثور على أفضل اتفاق بين مؤشرات النظرية والتطبيق في L = 4.

في قيمة d / h (وبالتوازي مع d / a) ، لوحظت تغييرات غير عادية. كما يتضح من الرسم البياني 3 ب ، تبدأ القيمة التجريبية لـ d / h عند 40 ، ولكن بعد ذلك تبدأ في الانخفاض بشكل حاد مع زيادة قيمة h. عندما تصل قيمة h إلى n 10 نانومتر ، تكون قيمة d / h مساوية لـ 7.3 ± 2.8 (الخط الأفقي المتقطع عند 3b). أظهر النموذج النظري قيم d / h في النطاق من 5.6 إلى 8.0 لـ L = 1 ... 5.

من خلال نموذج SLBT الثابت ، يشبه الأداء نموذج SLBT المجاني. الفرق الوحيد المهم هو أنه بالنسبة لأي قيمة L ، تكون نسبة h / a في النموذج الثابت أقل قليلاً من النموذج الحر. وبالتالي ، فإن أفضل اتفاق بين النظرية والتطبيق في حالة نموذج SLBT الثابت يتضح عند L = 3.

لدراسة أكثر تفصيلاً للدراسة ، أوصي بشدة أن تنظر في تقرير مجموعة الأبحاث .

خاتمة

ماذا لدينا مشترك؟ ابتكر العلماء نموذجًا نظريًا يتوافق بشكل ممتاز مع البيانات التجريبية. يوضح هذا النموذج أن شكل تجمعات النحاس البلورية النانوية مستمر ، على الأقل في حالة المقاييس التي تكون فيها سلالة الانحناء غير قوية جدًا. ووجد الباحثون أيضًا أن التعرية في الفضاء الحلقي هي رد فعل على إزاحة الغشاء (طبقة التغطية) للأعلى حصريًا في المنطقة الوسطى (المحيط الداخلي للحلقة) ويعكس خصائص الجرافين / الجرافيت ، وليس النحاس نفسه.

بالإضافة إلى ذلك ، تبين أن الملاحظات المشابهة الموصوفة أعلاه حقيقية بالنسبة للأنظمة التي يتم فيها تضمين مجموعة معدنية بالقرب من سطح مادة ثلاثية الأبعاد أو تحت غشاء ثنائي الأبعاد مدعوم ، ولكن فقط في حالة وجود شكل توازن. في هذه الحالة ، من الضروري (وربما كما أظهرت النتائج) استخدام الخواص الميكانيكية للغشاء والالتصاق والطاقات السطحية للتنبؤ بالشكل المتوازن للجسم المغلف ، أي المجموعات المعدنية (في هذا العمل ، النحاس). يعمل هذا المبدأ أيضًا في الاتجاه المعاكس - يمكن للمرء معرفة خصائص الطاقة والميكانيكية من خلال قياس أحجام الكتلة. يعطي العلماء مثالًا قصيرًا: من خلال قياس h و a ومعرفة الخواص الميكانيكية للغشاء ، من الممكن إنشاء طاقة التصاق للطبقة الغشائية.

يمكن استخدام هذا العمل على أفضل وجه في التقنيات الحديثة التي تعتمد على المواد ذات الطبقات - الجرافيت أو مشتقاته ، مثل الجرافين. وإذا أخذنا في الاعتبار أن الاتجاه نحو الانخفاض في الأبعاد المادية للأجهزة الإلكترونية لم ينخفض ​​بعد ، فإن مثل هذه الدراسات سيكون لها ثمن كبير ، وبالتالي سننتظر اكتشافات مروعة جديدة وتجارب مذهلة.

شكرا لك على اهتمامك ، ابقَ فضوليًا ولديك أسبوع عمل جيدًا يا شباب

شكرا لك على البقاء معنا. هل تحب مقالاتنا؟ تريد أن ترى المزيد من المواد المثيرة للاهتمام؟ ادعمنا عن طريق تقديم طلب أو التوصية به لأصدقائك ، خصم 30٪ لمستخدمي Habr على تناظرية فريدة من خوادم الدخول التي اخترعناها لك: الحقيقة الكاملة حول VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1 جيجابت في الثانية من 20 $ أو كيفية تقسيم الخادم؟ (تتوفر خيارات مع RAID1 و RAID10 ، ما يصل إلى 24 مركزًا وما يصل إلى 40 جيجابايت من ذاكرة DDR4).

VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 مراكز) 10GB DDR4 240GB SSD بسرعة 1 جيجابت في الثانية حتى الصيف مجانًا عند الدفع لمدة ستة أشهر ، يمكنك طلب هنا .

ديل R730xd 2 مرات أرخص؟ لدينا فقط 2 x Intel Dodeca-Core Xeon E5-2650v4 128GB DDR4 6x480GB SSD بسرعة 1 جيجابت في الثانية 100 TV من 249 دولارًا في هولندا والولايات المتحدة الأمريكية! اقرأ عن كيفية بناء البنية التحتية فئة باستخدام خوادم V4 R730xd E5-2650d تكلف 9000 يورو عن بنس واحد؟