Анотація до роботи:

Покропивний О.В. Комп’ютерне моделювання зображень поверхонь i контактних взаємодiй в атомно-силовому мiкроскопi. – Рукопис.

Дисертацiя на здобуття наукового ступеня кандидата фiзико-математичних наук за спецiальнiстю 01.04.07 – фiзика твердого тiла. – Iнститут проблем матерiалознавства iм. I.М.Францевича НАН України, Київ, 2003.

Дисертацiйна робота присвячена теоретичним дослiдженням контактних взаємодiй в АСМ. Рух кiнчика вiстря вивчався за допомогою метода молекулярної динамiки, рух усьго кантилевера – за допомогою теорiї катастроф. Розроблено методику комп`ютерної побудови зображень поверхонь з дефектами в АСМ в режимах постiйної сили i висоти сканування. Вивчено вплив радiуса вiстря i режимiв на роздiльну здатнiсть i контраст зображень. Дослiджено механiзми деформацiй кiнчика вiстря, визначено критичнi висоти сближення i сили сканування. Мiкросистему “тримач кантилевера - кантилевер - вiстря - поверхня” запропоновано розглядати як адгезiйну i фрикцiйну машини катастроф. Детально вивченi явища “стрибкiв до контакту” i ”прилипання-ковзання”. Розраховано величини стрибкiв вiстря i сили, виявлено причини нестiйкого руху. Встановлено критерiї руху без стрибкiв, однократних та багатократних ковзань. Для запобiгання руйнування вiстрь запропонованi безкатастрофнi i беззноснi режими сканування.

1) Розвинено методику комп`ютерних дослiджень контактних взаємодiй в атомно-силовому мiкроскопi. Вперше для дослiдження контактної взаємодiї використано комплексне двохрiвневе моделювання: на наноскопiчному рiвнi iз залученням методу молекулярної динамiки i мiкроскопiчному рiвнi iз залученням теорiї катастроф.

Розроблено методику комп`ютерної побудови зображень поверхонь в АСМ методом молекулярної динамiки, що полягає в: а) забудовi вiстря i кристалiту, б) серiї сканувань в режимах постiйної сили i постiйної висоти, в) обчисленнi адгезiйних характеристик контакту i г) побудовi зображень iзосилових поверхонь, поверхонь нормальних i латеральних сил. Розроблено модель, що дозволяє спостерiгати структурнi перетворення при наближеннi, вiддаленнi i скануваннi вiстря одночасно iз змiнами чисельних характеристик, одержати умови нестабiльностi кiнчика голки, i визначити критичнi висоти зближення, при яких наступає деформацiя i руйнування кiнчика вiстря.

Мiкромеханiчну систему “тримач кантилевера - кантилевер - вiстря - поверхня” вперше розглянуто як машину катастроф. Розроблено алгоритм, що iмiтує зближення i сканування на мiкроскопiчному рiвнi з використанням теорiї катастроф, що дозволяє враховувати сумiсний вплив жорсткостi кантилевера i жорсткостi адгезiйної взаємодiї контакту. Модель дозволяє точно розрахувати величини стрибкiв вiстря i однозначно виявити причини нестiйкого руху.

2) Побудовано i вивчено комп`ютернi зображення поверхонь залiза (001), (114) i графiту (0001), в тому числi з дефектами, вiстрями рiзних радiусiв i в рiзних режимах сканування. Зображення поверхонь залежать вiд вибору вiстрiв, режимiв, сил i висот сканування. Зменьшення радiуса вiстря, з однiєї сторони, приводить до збiльшення роздiльної здатностi, а з iншої, - може привести до руйнування структури кiнчика вiстря i спотворення АСМ-зображень. Найкраще роздiлення i контраст отримується в контактних режимах при використаннi вiстрiв з одним атомом на кiнчику i незначних сил вiдштовхування (1-2 нН) i висотах (близько 0.2 нм). При збiльшенi цiєї критичної сили або зменшеннi цiєї критичної висоти кiнчик вiстря деформується або зношується, в залежностi вiд спiввiдношення мiцностей матерiалiв вiстря i пiдкладинки, структури контакту, швидкостi руху. Пiд час роботи АСМ в режимi сил притяжiння, роздiлення зменшується внаслiдок того, що зображаючим елементом стає не єдиний атом, а атомний кластер. Збiльшення радiуса (числа атомiв на кiнчику) вiстря приводить до бiльшого опору деформацiям, але за рахунок зменшення роздiльної здатностi. Для багатоатомних вiстрiв характернi також ефекти згортки зображень i збiльшення нормального i латерального контрастiв за рахунок збiльшення числа зображаючих атомiв. Виявлено, що вiдноснi значення нормальних контрастiв вище за латеральнi.

3) Дослiджено механiзми деформацiй кiнчика вiстря при скануваннi i сближеннi контактiв i умови переходу до нерегулярного руху вiстря. При русi над атомним виступом кiнчик вiстря деформується стисканням, а над центром октаедричної пустоти - розтягуванням. Стрибки атомiв кiнчика вiстря внаслiдок адгезiйних взаємодiй можуть проходити як вперед, так i назад по ходу руху, деформуючи кiнчик на декiлька десяткiв пiкометрiв. Початок переходу до нерегулярного руху вiстря можна виявити iз спектрально-часової дiаграми градиенту адгезiйних сил ще до помiтних деформацiй голки по передвiснику – розподiлу спектра на декiлька близьких гармонiк.

4) Тубулени, якi сладаються з вуглецевої нанотрубки, що закiнчуються напiвсферою бакмiнстерфулерена С₆₀, а також iз BN-нанотрубки з частиною молекули фулборена B₆₀N₆₀ запропоновано використовувати в якостi iдеального зонда АСМ - як мiцного, хiмiчно iнертного, iз строго визначеною структурою i високим роздiленням, як в контактних, так i в безконтактних режимах сканування. Двомiрну гратку (“лiс”) з таких тубуленiв запропоновано використовувати в якостi нанощiтки для очищення поверхонь.

5) Встановлено, що iснують особливi критичнi значення жорсткостей кантилевера, при зменшеннi яких, почергово, з`являються можливостi однократних, подвiйних, потрiйних i багатократних стрибкiв i ковзань (катастроф). В загальному випадку область значень жорсткостi k зручно роздiлити на три iнтервали: 1) (0;k⁺), з можливiстю багаторазових ковзань; 2) (k⁺;k*), з можливiстю тiльки однократних ковзань i 3) (k*;+), промiжок без стрибкiв. Критичнi значения жорсткостей кантилевера i величини стрибкiв голки, характеризуючих контраст зображень поверхонь при ковзаннi, можуть варiюватися в широких межах, зростаючи iз зменшенням висоти сканування, i зменшуючись iз зменшенням перiоду гратки. При зменшеннi жорсткостi кантилевера абсолютнi значення стрибкiв сил зменшуються, а стрибкiв координат вiстря - збiльшуються. Запропоновано метод iдентифiкацiї точкових вакансiй i атомiв, що базується на визначеннi кратностi стрибкiв вiстря кантилевера. Розглянута машина катастроф може стати прототипом елементiв нано-електромеханiчнних систем.

6) Запропоновано безкатастрофний режим сканування вiстря СЗМ, який полягає у тому, що для уникнення катастроф необхiдно вiдповiдним чином рухатися по поверхням керуючих параметрiв (k, Z_h) або (k, X_h), а саме в обхiд лiнiї катастроф i особливих точок зборок. Практично це можна реалiзувати за допомогою ланцюга зворотнього зв`язку, змiнюючи значення жорсткостi таким чином, щоб пiдтримувати параметри y=grad[Z_t(Z_h)] або y=grad[X_t(X_h)] близькими до нуля i завжди бiльшими нуля.

7) Запропоновано беззносний режим сканування вiстря СЗМ, який полягає в тому, що зонд на кожному кроцi спочатку змiщується по нормалi вiд поверхнi на значну вiдстань вiд контакту, потiм змiщується вздовж лiнiї сканування, а потiм змiщується до поверхнi до зрiвноваження з силою сканування. Таким чином, на протязi таких крокiв, що повторюються, вiстря перемiщується над поверхнею, вiдтворюючи її силовi контури, подiбно до голки швейної машинки. Ефект високої зносостiйкостi досягається за рахунок перемiщення зонда на недосяжному для дiї зношуючих сил вiдстанi i вiдсутностi сил тертя. Визначення вiдстаней зближення для роботи в такому режимi може бути проведено як експериментально, так i з залученням попереднього компьютерного моделювання. Безкатастрофнi i беззноснi режими сканування можуть бути практично використанi в СЗМ для запобiгання руйнуванню кiнчикiв вiстрiв.

Публікації автора:

1. Покропивный А.В., Покропивный В.В., Скороход В.В. Компьютерное моделирование сканирования поверхности (100)-ОЦК-Fe с вакансиями в атомно-силовом микроскопе // Письма в ЖТФ. – 1996. – Т. 22, № 2. – С. 1-7.

2. Покропивный А.В. Покропивный В.В. Скороход В.В. Моделирование влияния радиуса иглы на чувствительность атомно-силового микроскопа // ЖТФ. – 1997. – Т. 67, № 12. – С. 70-75.

3. Pokropivny A.V. Computer simulation of atomic mechanisms and adhesion dynamics in atomic force microscope // Phystech Journal. – 1997. – V.3, №1. – P. 98-102.

4. Красников Ю.Г., Покропивный А.В. Моделирование сканирования поверхности графита углеродной (5,5) нанотрубкой с полукуполом бакминстерфуллерена на конце // Поверхность. – 2000, №10. – С.13-17.

5. Покропивный А.В. Контакт иглы кантилевера с поверхностью как машина катастроф // Письма в ЖТФ. – 2000. – Т.26, №21. – С.67-75.

6. Покропивный А.В. О проблеме неустойчивого движения иглы кантилевера атомно-силового микроскопа // Поверхность. – 2001, №2. – С.105-112.

7. Pokropivny A.V. Cantilever tip-surface contact as adhesional and frictional catastrophe machines // Physics of Low-Dimensional Structures. – 2001, №3/4. – P.117-126.

8. Pokropivny A.V. Theoretical method for construction of surface images in atomic force microscope // Physics of Low-Dimensional Structures. – 2001, №3/4. – P.127-136.

9. Покропивный А.В. Микросистема сенсор-поверхность как машина катастроф // Микросистемная техника. – 2002, №2. – С.3-9.

10. Покропивный А.В., Покропивный В.В., Скороход В.В. Компьютерное моделирование изображений поверхностей в атомно-силовом микроскопе // Труды Украинского вакуумного общества. Т. 2. – Харьков: ННЦ ХФТИ. – 1996. – C. 229-234.

11. Покропивный А.В. Моделирование гистерезиса игл атомно-силового микроскопа при нагружении и разгрузке // Вопросы атомной науки и техники. Серия: Вакуум, чистые металлы, сверхпроводники. – 1998. – №6(7), 7(8). – С.200-202.

12. Покропивный А.В., Красников Ю.Г. Компьютерное моделирование перехода от цикличной динамики к хаотической в системах с трением // Атлас временных вариаций природных, антропогенных и социальных процессов. Т. 2. Циклическая динамика в природе и обществе. – М.: Научный мир, 1998. – Гл. 33. – С. 306-309.

13. Покропивный А.В. Моделирование гистерезиса силы и энергии адгезии при нагружении и разгрузке иглы атомно-силового микроскопа // Нанокристаллические материалы: Сб. науч. тр. / Институт проблем материаловедения им. И.Н.Францевича НАН Украины; Редкол.: Скороход В.В. (отв. ред.). – Киев, 1998. – С. 191-196.

14. Огородников В.В., Покропивный А.В. Аналитические модели атомно-силового микроскопа // Математические модели и вычислительный эксперимент в материало-ведении: Сб. науч. тр. / Институт проблем материаловедения им. И.Н.Францевича НАН Украины; Редкол.: Галанов Б.А. (отв. ред.) – Киев, 2001.– С. 113-128.

15. Красников Ю.Г., Покропивный А.В. Принцип безизносного атомно-силового микроскопа (БАСМ) // Тезисы докладов научной конференции МФТИ. Ч.1. Общая и прикладная физика, электроника. – Долгопрудный, 1998. – С. 138.

16. Pokropivny V.V., Skorokhod V.V., Pokropivny A.V., Ogorodnikov V.V. Interfaces transformation during indentation, shock, shear and friction of nanoparticles by MD-simulation // IX international conference on intergranular and interphase boundaries in materials: Abstracts. – Prague, 1998. – P.P115.

17. Pokropivny A.V. Modelling of stick-slip motion of metallic and nanotube tips in probe microscopy// Scanning probe microscopy-2002. Proceedings of International Workshop. / Institute for physics of microstructures RAS. – Nizhny Novgorod, 2002. – P.241-242.