Регистрация / Вход
Прислать материал

Моделирование методами молекулярной динамики процесса нанотрибологической модификации свойств поверхности кристаллических материалов зондом атомно-силового микроскопа

Сведения об участнике
ФИО
Прасолов Никита Дмитриевич
Вуз
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики"
Тезисы (информация о проекте)
Область наук
Математика. Механика
Раздел области наук
Механика
Тема
Моделирование методами молекулярной динамики процесса нанотрибологической модификации свойств поверхности кристаллических материалов зондом атомно-силового микроскопа
Резюме
Целью работы является изучение и моделирование процессов, происходящих при взаимодействии зонда атомно-силового микроскопа и поверхностью твердого кристаллического материала. Основным исследуемым процессом является эффект трибоэлектризации поверхности арсенида галлия. Моделирование производится с помощью метода молекулярной динамики.
Ключевые слова
Молекулярная динамика, трибология, атомно-силовая микроскопия, арсенид галлия
Цели и задачи
— изучение физических основ метода молекулярной динамики и программного обеспечения, необходимого для его реализации.
— проведение анализа применимости методов моделей молекулярной динамики для описания механических свойств реальных кристаллов GaAs.
— проведение сравнения результатов, полученных методами молекулярной динамики и механики сплошных сред при описании взаимодействия зонда АСМ с поверхностью кристалла GaAs.
Введение

Трибологические явления возникают при механическом взаимодействии поверхностей в процессе трения при их относительном движении. Существенную роль в этом процессе играют отдельные микроконтакты, возникающие при соприкосновении поверхностей. Для описания физических свойств в нанотрибологических системах необходимо развитие методов численного моделирования. Практическая значимость работы заключена в проведении анализа результатов, полученных с помощью методов механики сплошных сред и молекулярной динамики для описания взаимодействия зонда атомно-силового микроскопа с кристаллическими объектами, и установлении, что методы молекулярной динамики могут быть использованы для описания взаимодействия тел на атомном уровне.

Методы и материалы

Один из основных инструментов описания нанотрибологических процессов – это молекулярная динамика (МД), дающая возможность перейти от механики сплошных сред к атомистическому моделированию. МД основана на классической динамике, где атомы представлены как точки массы, взаимодействующие друг с другом согласно межатомным потенциалам. Траектории атомов и молекул определяются путем численного решения уравнений движения Ньютона для системы взаимодействующих частиц, где силы между частицами и потенциальная энергия определяются межатомными потенциалами.

Исходя из известных условий (радиус закругления зонда, сила взаимодействия, материал исследуемого образца, его размеры и т. д.) можно поставить задачу для МД – наноиндентирование без адгезии слоя GaAs, анализ и сравнение полученных выходных данных с известными экспериментальными и полученными с помощью модели сплошных сред.

Поверхность GaAs моделируется с параметрами:

— высота — 62.2 Å;

— длина — 226.13 Å;

— ширина  226.13 Å.

Устанавленные граничные условия:

— вертикальная плоскость конечна;

— нижний слой, высотой 2.8 Å жестко закреплен;

— горизонтальная плоскость бесконечна;

— ставим индентор на небольшом расстоянии от поверхности

— радиус индентора — 50.9 Å.

Выходные параметры:

— глубина вхождения индентора d — 39.6 Å;

— среднее значение радиуса пятна контакта на максимальной глубине – 50.3 Å;

— ширина напряженной зоны под индентором на глубине 1.5 нм – 13.1 Å;

— посчитан тензор напряжений для каждого атома.

Описание и обсуждение результатов

Для сравнения результатов, полученных МД, с результатами, полученными при моделировании в МКЭ были построены графики зависимости радиуса пятна контакта a от глубины d проникновения индентора.

Сравнивая данные, полученные при моделировании молекулярной динамикой и методом конечных сред можно заметить различия в значении радиуса области контакта индентора и плоскости. Если в модели сплошных сред из-за упругих свойств слоя GaAs прогибается не только область под индентором, но и на некотором расстоянии от его поверхности, то в молекулярной среде, эти области практически не затронуты, что сказывается на радиусе пятна контакта.

Тензор деформаций, рассчитанный в МД схож с тензором деформаций, полученным в МКЭ и принимает значения в диапазоне от -0.49 до 0.03.

Так же, был проведен ряд экспериментов индентирования на небольшие глубины (до 1 нм), в ходе которых была получена информация о наличии в слое GaAs вакансий и междоузлий, их концентрацию и распределение в ходе симуляции.

Дальнейшая работа предполагает нахождение решения следующих задач:

— индентирование и возврат индентора в исходную точку;

— движение индентора по поверхности;

— замена жесткого индентора на индентор, состоящий из атомов;

— проведение индентирования при различных температурах;

— согласование различных потенциалов взаимодействия в рамках одной задачи;

— построение модели наиболее близкой по параметрам к реальной (размеры, материалы, время).

Таким образом, можно сделать следующие выводы:

Было смоделировано наноиндентирование методом модели конечных элементов и молекулярной динамики, сравнены значения действующих сил, радиуса контакта, тензора напряжений.

Используемые источники
1. Боуден Ф., Тейбор Д. Трение и смазка твердых тел / 1968
2. Попов В. Л. Механика контактного взаимодействия и физика трения. От нанотрибологии до динамики землетрясений / 2013
3. B. Bhushan. Principles and Applications of Tribology / 2013
4. Nanotribology and Nanomechanics: Measurement Techniques and Nanomechanics, ed. B. Bhushan / 2011
5. Nanotribology and Nanomechanics: Nanotribology, Biomimetics and Industrial Applications, ed. B. Bhushan / 2011
6. G. Binnig, C. F. Quate, Ch. Gerber. Atomic force microscope / 1986
7. G. Binnig, H. Rohrer, Ch. Gerber, E. Weibel. Surface studies by scanning tunneling microscopy / 1982
8. Дедков Г. В. Нанотрибология: экспериментальные факты и теоретические модели / 2000
9. J. M. Hauile. Molecular Dynamics Simulation / 2002
10. Markus J. Buehler. From nano to macro: Introduction to atomistic modeling techniques / 2006
Information about the project
Surname Name
Prasolov Nikita
Project title
Molecular dynamics simulations of nanotribological process of crystalline materials surface properties modification by the probe of an atomic force microscope
Summary of the project
The aim of the project is to studying and modeling of processes, occurring in the interaction of the probe of an atomic force microscope and the surface of the solid crystalline material. The main effect of the studied process is triboelectrization surface of gallium arsenide. The simulation is performed using the method of molecular dynamics.
Keywords
Molecular dynamics, tribology, atomic force microscopy, gallium arsenide