Исследование особенностей формирования слоистых наноразмерных структур на основе металлических пленок

Коноваленко, Иван Сергеевич

Исследование особенностей формирования слоистых наноразмерных структур на основе металлических пленок тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

Коноваленко, Иван Сергеевич АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Томск МЕСТО ЗАЩИТЫ

2008 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.07 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Исследование особенностей формирования слоистых наноразмерных структур на основе металлических пленок»

Автореферат диссертации на тему "Исследование особенностей формирования слоистых наноразмерных структур на основе металлических пленок"

На правах рукописи

□□3450245

Коноваленко Иван Сергеевич

ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ ФОРМИРОВАНИЯ СЛОИСТЫХ НАНОРАЗМЕРНЫХ СТРУКТУР НА ОСНОВЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПЛЕНОК

Специальности: 01.04.07 - физика конденсированного состояния 01.02.04 - механика деформируемого твердого тела

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Томск-2008

003450245

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте физи' ки прочности и материаловедения Сибирского отделения РАН.

Научные руководители:

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Псахье Сергей Григорьевич

доктор физико-математических наук Зольников Константин Петрович

доктор физико-математических наук, профессор Скрипняк Владимир Альбертович

доктор физико-математических наук, профессор Тюменцев Александр Николаевич

Ведущая организация:

Учрезкдение Российской академии наук Институт теоретической и прикладной механики Сибирского отделения РАН, г. Новосибирск

Защита состоится « 26 » сентября 2008 г. в 16.00 часов на заседании диссертационного совета Д 003.038.01 при ИФПМ СО РАН по адресу: 634021, г. Томск, пр. Академический, 2/4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИФПМ СО РАН. Автореферат разослан «22-» августа 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор технических наук О.В. Сизова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Изучение закономерностей формирования и поведения объектов наноскопического масштаба сегодня является одним из приоритетных направлений развития науки и техники. Свойства наноразмерных структур существенно отличаются от свойств материала на макромасштабном уровне, как в кристаллическом, так и в аморфном состоянии. Многие наноструктуры возникают в процессе самоформирования и самоорганизации различных нанообъектов, а также ансамблей атомов и молекул. В последнее время процессы самоорганизации начинают широко использоваться в науке и технике для получения наноразмерных структур, в том числе в рамках стандартных технологий. В технологии получения наноразмерных структур, как правило, используются различные подходы. Наиболее распространенный из них основан на том, что из исходного материала, например, сверхтонкой гетерогенной пленки с кристаллической структурой, получаемой методом молекулярной эпитаксии, с последующим использованием методов литографии и выборочного травления синтезируется наноразмерный объект. В связи с этим формирование наноструктур осуществляется из заранее готовых наноразмерных блоков материала. Такими блоками, например, могут являться гетерогенные пленки с кристаллической структурой. Существуют методы, позволяющие с молекулярной точностью на основе сверхтонких кристаллических гетерогенных пленок формировать широкий класс наноструктур: трубок, колец, спиралей, кантиливеров и т.д.

Несмотря на успехи, достигнутые в области получения наноструктур, мало изученными остаются атомные механизмы, ответственные за процессы формирования и особенности поведения наноструктур при внешних воздействиях. Например, недостаточно изучены особенности преобразования наноразмерными структурами одного вида энергии в другой. Это представляет значительный интерес как с научной, так и с практической точек зрения. Отметим, что экспериментальные исследования наноструктур сталкиваются со значительными трудностями, связанными с малостью их размеров (единицы и десятки нанометров) и характерных времен рассматриваемых процессов (доли и единицы наносекунд). Преодолеть вышеуказанные трудности при исследовании наноразмерных структур возможно в рамках использования методов компьютерного моделирования.

Одним из наиболее эффективных методов компьютерного моделирования для решения задач, связанных с изучением наноразмерных структур, является метод молекулярной динамики. Он позволяет в явном виде учесть дискретность структуры и интерфейсные границы, которые играют важную роль при формировании наноструктур из сверхтонких пленок и оказывают существенное влияние на особенности их поведения при внешних воздействиях. Компьютерное моделирование наноструктур, основанное на методе молекулярной динамики, позволяет подробно исследовать атомные механизмы, играющие ключевую роль в процессе их формирования и определяющие их отклик в условиях различных видов внешних воздействий. Кроме того, это позволяет в динамике проследить за изменениями атомной структуры, распределения скоростей, сил, напряжений рассматриваемой системы, рассчитать ее энергетические и физико-механические параметры.

Целью диссертационной работы является изучение поведения слоистых наноразмерных структур, получаемых на основе металлических пленок, в условиях внешних воздействий. В соответствии с общей целью в диссертационной ра-

боте были поставлены следующие задачи:

1. В рамках метода молекулярной динамики развить подход для изучения процессов формирования слоистых наноразмерных структур различной формы на основе металлических пленок.

2. Изучить влияние геометрических параметров исходных двухслойных металлических пленок на свойства формируемых слоистых наноструктур.

3. Исследовать кинематические параметры незамкнутых слоистых наноструктур в зависимости от кристаллографической ориентации и степени несоответствия параметров решеток слоев исходных двухслойных металлических пленок.

4. Исследовать особенности структурных перестроек в тонких слоистых пленках с кристаллической структурой при самосворачивании в незамкнутые наноструктуры.

5. Исследовать возможность преобразования незамкнутыми слоистыми наноструктурами подводимой к ним тепловой энергии в другие виды энергии. Научная новизна:

1. Впервые на основе молекулярно-динамического метода проведено исследование динамики процесса формирования наноразмерных структур из металлических гетерогенных пленок.

2. На основе результатов численного моделирования показана возможность направленного изменения кинематических параметров незамкнутых наноразмерных структур путем варьирования геометрических размеров (длина и толщина) исходных бислойных пленок.

3. Изучено влияние кристаллографической ориентации и степени несоответствия параметров решеток слоев исходных двухслойных пленок на свойства формируемых незамкнутых наноструктур.

4. Исследованы атомные механизмы структурных перестроек, определяющие особенности формирования и поведения незамкнутых металлических наноструктур. Показано, что самосворачивание исходной пленки в незамкнутую наноструктуру сопровождается генерацией в ней вихревых коллективных движений атомов.

5. Проведено исследование поведения незамкнутых наноразмерных структур при импульсном тепловом воздействии и показана возможность трансформации подводимой тепловой энергии в другие виды энергий.

Научная и практическая ценность. Развитый на основе метода молекулярной динамики подход позволяет моделировать динамику формирования и особенности поведения при различных внешних воздействиях наноразмерных структур сложной геометрии, полученных из кристаллических гетерогенных пленок.

В работе показано, что свойства незамкнутых наноразмерных структур можно направленным образом варьировать путем изменения химического состава, геометрических параметров, а также кристаллографической ориентации исходных гетерогенных пленок.

Использование развитого подхода применительно к наноразмерным структурам представляет интерес как для расширения фундаментальных научных знаний, так и для разработки компонентов наноустройств и систем различного функционального назначения. В частности, способность незамкнутых бислойных наноструктур трансформировать тепловую энергию в другие виды энергии позволяет

использовать их при разработке и проектировании нанодвигателей различного назначения.

Положения, выносимые на защиту:

1. Подход, позволяющий моделировать динамику формирования и поведения слоистых наноразмерных структур, получаемых на основе двухслойных металлических пленок различной конфигурации.

2. Результаты расчета влияния кристаллографической ориентации исходных двухслойных металлических пленок на кинематические параметры формируемых незамкнутых слоистых наноструктур.

3. Особенности атомных смещений в двухслойных металлических пленках в процессе их самосворачивания.

4. Возможность преобразования незамкнутыми слоистыми наноразмерными структурами тепловой энергии в энергию механического движения. Обоснованность и достоверность результатов, представленных в диссертации и сформулированных на их основе выводов, обеспечиваются: корректностью постановок рассматриваемых задач и методов их решения; хорошо апробированными потенциалами межатомного взаимодействия, позволяющими с высокой точностью описывать свойства атомных систем, которые наиболее важны при решении поставленных в диссертации задач; надежно протестированными компьютерными программами; хорошим согласием расчетных данных с опубликованными результатами работ других авторов и имеющимися экспериментальными данными.

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на международных конференциях по физической мезомеханике (г. Томск, 2004, 2006, 2008; Патрас, Греция, 2004), школах-семинарах молодых ученых «Современные проблемы физики, технологии и инновационного развития» (г. Томск, 2003, 2004, 2005), международной конференции «Computer Aided Design of Advanced Materials and Technologies» - CADAMT (г. Томск, 2003), региональной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука. Техника. Инновации» (НТИ-2004) (г. Новосибирск, 2004), всероссийских конференциях молодых ученых «Физика и химия высокоэнергетических систем» (г. Томск, 2004, 2005), международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (г. Томск, 2004, 2005), международных конференциях по вычислительной механике и современным прикладным программным системам «ВМСППС» (г. Алушта, Украина, 2005, 2007); международной конференции «Advanced Problems in Mechanics» - АРМ (г. Санкт-Петербург, 2008), международных конференциях «Solid state chemistry and modern micro- and nanotechnologies» (Кисловодск, Россия, 2006, 2007, 2008).

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 18 работах. Перечень важнейших из них приведен в конце автореферата.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения и списка литературы, включающего 135 наименований. Объем диссертации составляет 138 страниц, в том числе 55 рисунков и 6 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи работы, перечислены полученные в диссертации новые результаты, их научно-практическая ценность, приведены положения, выносимые на защиту, дана краткая характеристика разделов диссертации.

Первый раздел диссертационной работы носит обзорный характер и посвящен формализму численного исследования особенностей поведения материала на атомном уровне в условиях различных внешних воздействий. Для моделирования формирования наноструктур и исследования их поведения в условиях внешних воздействий в данной работе использовался метод молекулярной динамики, который позволил в явном виде учесть влияние дискретности структуры и протяженных границ раздела на свойства моделируемых объектов. Дано краткое описание метода молекулярной динамики, специфики выбора и использования различных типов граничных условий. Рассмотрены существующие типы межатомных потенциалов, наиболее часто использующихся в рамках метода молекулярной динамики. В частности, достаточно подробно изложен метод погруженного атома и то, каким образом получаемые на его основе потенциалы могут быть адаптированы для молекулярно-динамических расчетов.

Второй раздел посвящен вопросам, связанным с изучением формирования замкнутых наноразмерных структур (нанотрубок) и исследованием их свойств в условиях различных внешних воздействий. Анализ существующих в данной области работ показывает, что большинство из них выполнено на основе использования квазистатических моделей. В настоящей работе в рамках метода молекулярной динамики развит подход для моделирования процессов формирования наноструктур из сверхтонких многослойных пленок, начиная с их начального плоского прототипа и заканчивая их трехмерной равновесной конфигурацией, рис. 1. Развиваемый подход условно можно разбить на два основных этапа. На первом этапе из исходного материала (в данной работе - алюминий) формируется кристаллическая пленка, равновесная структура которой определяется минимизацией внутреннего давления и последующей релаксацией методом искусственного демпфирования. На втором этапе отрелаксированная структура делится на два слоя, рис. 1, а, равных или, в общем случае, отличающихся по толщине. Один из слоев состоит из атомов исходного монокристалла (алюминия), а другой «объявляется» состоящим из атомов другого элемента (в данном случае - меди). Созданная таким образом двухслойная структура релаксирует-ся. Подобный прием исключает из рассмотрения процесс травления «жертвенного» слоя, соединяющего двухслойную пленку с подложкой. Это значительно ускоряет процесс самосворачивания исходно напряженной пленки и позволяет описать динамику процесса формирования наноструктуры. В процессе релаксации пленки, из-за различия параметров кристаллических решеток ее слоев, в ней возникают моменты сил, вызывающие ее самосворачивание, рис. 1, б-г. Подход позволяет исследовать особенности формирования наноструктур различной геометрии в зависимости от размеров исходной пленки, температурного режима и т.д.

На основе данного подхода проведено моделирование формирования нанотрубок системы Al-Cu с различным внутренним диаметром, толщиной стенки и геометрической формой, рис. 2.

а) 6) в) г)

Рис. 1. ¡'ащпрц (ыс мома тты времэш формирования нани ¡рубки с та ш воюй сге; «л !:= 6 атом!ьк ги юсюхггей: а-? = 0 с, й-/=9 не, а- Г=24 гк; <*- г=240 ] к\ Чер11ым I даегом выдае> 1ы атомы А1; свето-серым-атомы Си

Исследована атомная структура сформированных нанотрубок, рис. 3, и проанализировано ее отличие от соответствующих параметров исходной наноразмерной пленки. Показано, что с ростом толщины стенок нанотрубок их структура в боль-щей степени соответствует структуре идеального кристалла, в частности, по такому параметру, как заселенность координационных сфер, рис. 3. Выполнено моделирование поведения нанотрубок при различных типах воздействий; имлульсное механическое нагружен не, налет на абсолютно жесткую стенку, одноосное нагружение, радиационное воздействие.

При импульсном механическом ма-гружении, рис. 4, структурные изменения и генерируемые в нанотрубке возмущения исследовались в зависимости от интенсивности, рис. 4, б, и продолжительности, рис. 4, е, натр ужения.

Нанотрубка имела толщину стенки А = 8 атомных плоскостей и ее длина в направлении продольной оси состав-

я)

б)

Ри;. 2. Нш1спру6ю^ 0-,£)=8 нм (О-иаутрежий ддамегр),й=8 (й.-кипшесгво атомных плоскостей ляла 8 нм. Схема нагружения предстаю: 1 тспрубки); В=9 им, ><. = №,(*- даю- ставлена на рис. 4, а. трубка с несимметричным профилем пси к.-речз Ю1 о сечения, А=4. Черным цветом аьдагены ¡помы АЗ, евегпо-серьм - атомы Си

м га и го 1« \г

0 12 4

* 5 п

я)

6 7 3 9

32 26 24 20 г 16 12 8 4 О

10 12

б)

Рис:. 3. Завнеимошъ раепрецегкния камчества атомов # в нанотрубке на первых трех коорцри и и-ю! п н,к сферам А7, от выбора I юпожения атома а ее редналы юм | и ]раи книи. {» -1 юмер атомной I июскосш в стенке ншютрубки): а- И=8,6-/7= ¡2. Пу1 панр—характер! клики идеалы Ю1 о кристалла

Ударное воздействие варьировалось в интервале от 100 до 500 м/с. Время приложения нафузки составляло 72 фс. Затухание импульса (Л) при прохождении через нанотрубку оценивалось выражением Л = -Ушзх)/К>, где Уд - начальное зна-

чение атомной скорости в нагружаемой области; -максимальная атомная скорость при достижении возмущением противоположного горца. Расчеты показали, что с увеличением скорости нагружения затухание импульса уменьшается, рис. 4,6. Продолжительность нагружения варьировалась в интервале от 12 до 73 фс. Скорость нагружения составляла 500 м/с. Обнаружено, что с увеличением продолжительности воздействия затухание первоначального импульса линейно уменьшается, рис. 4, е.

V*. м/с (, фс

а) б) в)

Рис. 4. Схема нагружения нантрубки. Стрелка ука&гааеп ¡а травление импульсного механического нагружения, Свеню-серым цветом отмечены нагружаемые атом) ые плоскости (а). Зависимость за-тухат им им |ульса И) в 1 и гстгрубке от скорости (б) и про до!!жтетьноети(е)(И1)туже1П1я

Рассмотрена устойчивость нанотрубок при столкновении с абсолютно жесткой стенкой, рис. 5. Показано, что кристаллическая структура нанотрубки сохраняется до высоких значений скорости столкновения (до 300 м/с).

Рассмотрены структурные изменения ¿Щ^К нанотрубок при одноосном торцевом ИДИ» сжатии, рис.6, и растяжении. Скорость г«^ нагружения варьировалась от 10 до Е^ИИШ ■■ I Ю0 м/с. Показано, что с ростом скорости а) 6) нагружения происходит увеличение по-

Рис. 5. Структура ¡ик^боктюспесгажтюшвм роговой деформации, при достижении с абсошпгожеспюйпрярадй ли различных которой возникают необратимые локаль-скоросгей столкновения: ¿г-300 мЬ; 6-400 ные структурные изменения в моделируемой нанотрубке. При торцевом сжатии со скоростью 10 м/с по роговая деформация составляла 2,9%, а для скорости 100 м/с - 3,5%. В случае растяжения нанотрубок значения пороговой деформации были существенно ниже и составляли 0,3% для скорости 10 м/с и 0,7%-для скорости 100 м/с.

Рис. 6. Структура нантрубки при одноосном тор| ктадм сжшкеосквросгао ( '= 10 м/с. Величина деформщкиесосшвляш: з-б=0,01;б-£=0,05. Черным цветом вычтены атомы алюминия; темно-серым -атомы меди; свспо-сфым -группа атомов Л1 поверхностного спеятрубки (для ушбетва в1вуа;1изации искажения ее структуры)

Такая особенность поведения наноразмерных структур связана с тем, что скорость наружения превосходит скорости характерных структурных релаксационных процессов. Поэтому с ростом скорости нагружения увеличивается пороговая величина деформации, при которой и нанотрубке начинают генерироваться необратимые локальные структурные изменения.

Моделируемые наногрубки исследовались также при радиационном воздействии. С этой целью а них генерировались каскады атомных смещений заданием импульса первично выбитому атому (ПВА)- Расчеты показали, что используемые потенциалы межатомного взаимодействия позволяют достаточно точно рассчитать такой важный параметр необходимый для моделирования каскадов, как пороговая энергия смещений (отличие от экспериментальных данных не превышает 10%).

Изучение поведения нанотрубок при радиационном воздействии проводилось применительно к нанотрубке с толщиной стенки из 12 атомных плоскостей. Величина энергии ПВА варьировалась от 10 sB до 50 эВ. Результаты расчета максимального числа дефектов в каскаде атомных смещений в зависимости от энергии ПВА как в нанотрубке, гак и в кристаллических пленках AI и Си представлены на рис. 7, а. Из рисунка видно, что в рассматриваемом интервале энергий ПВА максимальное количество дефектов в каскаде можно достаточно хорошо аппроксимировать линейной зависимостью. Огмегим, что число дефектов с увеличением энергии ПВА в нанотрубке нарастает быстрее, чем в соответствующих кристаллических пленках AI и Си. Такое отличие в поведении связано с тем, что стенки нанотрубки находятся в напряженном состоянии вследствие несоответствия параметров решеток различных слоев.

После релаксационных процессов число и характер распределения радиационных дефектов н материале будет определяться диффузионными процессами (основной этап). Расчеты числа дефектов на основном этапе в нанотрубке и в кристаллических пленках AI и Си в зависимости от энергии ПВА приведены на рис. 7, б. Из рисунка видно, что число "выживших" после релаксации френкелев-скях пар в нанотрубке нарастает быстрее, чем в пленках. Отметим, что данные зависимости можно аппроксимировать линейным законом.

20 30 Елвд

а)

40 50 60

20 30 ^пал

б)

40 50 60

Рис. 7. Зависимость чис® фреккеяевских i ар «„„.шпике баллистической стадии от энергии ПВА (а). Зависимость числа френкелевских пар«», после релаксации отэнергииПВА (б). (1—алюминиево-медкая нанотрубка; 2-алюминиевая пленка; 3-мецная пленка)

Третий раздел посвящен исследованию особенностей формирования незамкнутых наноразмерных структур различной геометрической формы из сверхтонких

бинарных пленок. Моделируемые незамкнутые наноструктуры состояли из включений, обладающих кристаллической структурой и составленных из атомов одного материала (Al и Си), рис. 8. Конечная форма моделируемых незамкнутых наноструктур определялась катальными параметрами исходник ка««размернык пленок, в частности, размерами медных включений и их взаимным расположением в исходной алюминиевой пленке.

г) д) е)

Рис. 8. Формы жзамю !>тых I пжхлруктур. Медные включения рам ичной даны находятся: а-виз прегтвэпаг/ожньк аг- ет одной сгорите аяюлимквой шенки. Сйда&арбш (щегом выделены шдаы Си; ташасерым - отэмы А1Топшнва пленок /г=8 атомных плоскостей

Исследовано влияние толщины исходной бислойной пленки на основе Си и А1 и режимов ее релаксации на особенности формирования и свойства незамкнутых наноструктур. Исходная моделируемая пленка имела толщину 28 атомных плоскостей и содержала 125 ООО атомов. Расчеты показали, что при низких температурах формируется бездефектная наноструктура, рис. 9, а, а при более высоких - ускоряется процесс самое в ора чн в ан и я, но происходит отделение одного слоя пленки от другого, рис.9, б. Такое поведение пленок связано с существенным отличием (около 10%) в параметрах решеток меди и алюминия.

Особое внимание при исследовании закономерностей формирования незамкнутых наноструктур уделялось пленкам на основе системы Си-№, различие в параметрах решеток которых составляет 2,6%. Выбор данных металлов обоснован также тем, что медь и никель образуют непрерывный ряд твердых растворов во всем концентрационном интервале. Малое отличие в параметрах решеток позволяет моделировать исходные бислойные пленки с толщиной в десятки меж плоскостных атомных расстояний. Динамика самосворачивания исходной двухслойной пленки определяется как ее химическим составом, так и выбором материала кристаллической подложки, на которую наносится эта пленка, В связи с этим, в работе изучено влияние выбора подложки на процессы формирования незамкнутых наноструктур.

Металлы, составляющие разные слон в пленке, подобраны таким образом, что один из слоев находится а сжатом состоянии (это ближний к подложке слой меди), а другой - в растянутом (никель). Созданная таким образом пленка характеризовалась внутренними напряжениями, определяемыми степенью несоответствия параметров решеток различных слоев.

Рис. 9. | фовш гне I га кюявмд)ной ] иламкт (утой струкгуры а-щи я гской и б-при комнатной темперпуре. Черщм цветом показаны агамы А], офом - атомы Си

Из-за несоответствия параметров решеток слоев исходной двухслойной пленки, в ней возникают моменты сил, вызывающие ее самосворачивание. В отсутствие внешнего сопротивления края структуры совершают слабозатухающие механические колебания. Вследствие внутреннего трения, механическая энергия колебаний постепенно переходит в тепловую энергию, а сами колебания затухают. Расчеты показали, что в случае, когда в исходной двухслойной пленке равновесный параметр решетки одного из слоев совпадает с параметром решетки подложки, амплитуда собственных колебаний пленки больше на 15% по сравнению со случаем, когда равновесные параметры решеток обоих слоев исходной пленки отличны от соответствующего параметра подложки, рис. 10.

Изучено влияние геометрических размеров исходных двухслойных кристаллических пленок на кинематические параметры формируемых незамкнутых наноструктур. Толщины рассматриваемых двухслойных пленок составляли 5, 10, 15, 20 и 25 атомных плоскостей в каждом слое. При этом длины исходных пленок подбиралась так, чтобы колебания незамкнутых наноструктур были близки к гармоническим. а изменение их геометрических размеров при колебаниях составляло примерно 70% длины исходных пленок. Такое ограничение на изменение размеров при колебаниях связано с ве-шкхшых. т тодтокку; П - сов1шает с пфиолом [КШН0С1ЪЮ возникновения необратимых решетки однош го слоев бинзрной тети структурных изменений в ходе осцил-данном случае с периодом решетки Си) ЛЯЩ1й „ замыкання краев струны.

Далее такие размеры исходных пленок и незамкнутых наноструктур будем называть оптимальными. Расчеты показали, что зависимость длины от толщины исходных пленок с оптимальными размерами носит линейный характер, рис. II, а. Амплитуда собственных колебаний Ат таких наноструктур также линейно связана с размерами исходных пленок, рис. 11, 6, в отличие от неоптимальных конфигураций, для которых Эта зависимость носит нелинейный характер, рис. 11, в.

Результаты расчетов показали, что частоты собственных колебаний незамкнутых наноструктур, как обладающих, рис. 12, а, так и не обладающих, рис. 12,й, оптимальными геометрическими размерами, нелинейно спадают с увеличением длин и толщин исходных двухслойных пленок.

15а 120 | 90 ОТ 60 30 о

! IИ И • И1

! »■ — II

15 30

I, НС

Рис. 10. Измена ие расстояния 5 между свободными краями гкдамкпу/ых нанострутур

при их собственных колебаниях от времс!1н. Перисл решетки подножки: 1 -равен среднему 31 ила »со периодов решеток атом ых слоев.

■ 200 100

15 И

; ш

50 0

10 15 20 25 И

120 160 200 Ц нм

а) б) в)

Рис. 11. Зависимость: а-длиныЬ оттагащшык (И-количесгао атомных плоскостей) для исходных пленок с опшмальными размерами; б-амплшуды Ат колебаний наноструктур от толщины А исход ных пленок с оптимальными размерами; в- приведет юй амплтуды колебаний АпЛ. от длины исходных пленок с толщиной по 15 атомных плоскостей Си и №

Для исследования влияния кристаллографической ориентации на свойства незамкнутых наноструктур исходная бислойная пленка ориентировалась тремя способами. В первом случае поверхность пленки была ориентирована перпендикулярно кристаллографическому направлению [001], во втором случае - перпендикулярно [111] и в третьем - [110]. Толщина гетерогенных пленок для всех случаев кристаллической ориентации составляла по 5 атомных плоскостей для каждого слоя, а длина Ь варьировалась.

Результаты расчетов показали, что приведенная амплитуда колебаний лри фиксированной толщине растет с увеличением длины Ь исходной пленки, рис. 13, а. Наибольший рост наблюдается для пленки с ориентацией [001], наименьший - для [110]. Частота колебаний V для всех случаев кристаллической ориентации пленок достаточно быстро уменьшается с ростом их исходных длин, рис. 13, б.

10 15 20 25 И

а) Цнм б)

Рис. 12. Зависимость частоты V колебаний незамкнутых наноструктур от. я-толшины пленок с опшмальными геометрическими размерами (/¡-количество атомных плоскостей в каждом из слоев); б- длины/. исходной пленки (толцщна пленки фиксирована: по 15 атомных плоскостей Си нЫГ)

Важным параметром, характеризующим свойства моделируемых наноструктур, является эффективность преобразования запасенной в них упругой энергии в энергию механических колебаний. Для определения эффективности преобразования энергии для каждой из наноструктур рассчитывалось изменение кинетической и потенциальной энергий от времени. Результаты расчетов для одной из моделируемых наноструктур приведены на рис. 13 в. Жирными линиями отмечены средние значения соответствующих энергий. Эффективность преобразования запасенной в незамкнутых наноструктурах упругой энергии в энергию механических колебаний определялась как разница максимального и минимального средних значений энергии АЕ на пиках колебаний. Результаты моделирования показали, что наибольшей

эффективностью преобразования упругой энергии в энергию механических колебаний характеризуются незамкнутые наноструктуры, поверхность которых была ориентирована перпендикулярно[110](АЕ= 70эВ), а наименьшей- [001] (ДЕ=20 эВ).

0,8 0,8

-I

Е<М <

0.2

0,0

1 - (001] 2 - [1111 3-[1101

20 40 60 80 100 120 и ни

20 40 $0 80 100 120 Ь, ни

1 МКС

а) 6) в)

Рис. 13. Зашга&юстш/риведашойамшотудыЛтеЦа) и чгстэты у(6) колебании пленок различных

кристаллографических ориентации ог их исходной длины Изменение кинетической Е и потенциальной {/энергий ог времени для пленки с металлографической ориентацией [111] (в).

Дмные соответствуют гпносфуетурамс огтпгматышми геометрическими размерами

В работе рассмотрено влияние дефектов структуры исходных бислойных кристаллических пленок на свойства и характер поведения сформированных на их основе незамкнутых наноструктур. Для этого сравнивались кинематические параметры наноструктур, полученных из одинаковых исходных пленок: бездефектной (кривая I на рис. 14) и содержащей около 2% вакансий (кривая II на рис. 14), разбросанных случайным образом в центральной трети исходной пленки. Анализ результатов моделирования показал, что введение вакансий в исходную пленку приводит к существенному уменьшению амплитуды колебаний наноструктуры (на 51 %) и практически не изменяет частоту ее собственных колебаний, рис. 14). По-видимому, это связано с тем, что введение столь большого числа вакансий приводит появлению дополнительного объема для сброса избыточных напряжений в исходной пленке.

Исследовано влияние изменения композиции исходной пленки на характеристики колебательного процесса формируемых из нее незамкнутых наноструктур. Замена атомов меди центральной части атомной плоскости из медного слоя, лежащей на границе раздела слоев, на атомы никеля приводит к существенному уменьшению амплитуды (~ 32%) (кривая Ш на рис. 14). При обратной замене атомов амплитуда практически не меняется, но существенно (~ 18%) понижается частота колебаний, по сравнению с бездефектной пленкой.

В работе проведены расчеты по самосворачиванию исходной бислойной пленки с моделированием свободных

5 х

(О 30

0 12 3

^ НС

Рис. 14. Зависимости изменения расстояния 51 между свободными краями незамкнутых нано-стругаур ог времени: I - идеальный образец, П-2%вакансий, Ш-замена атомов меди цешральной част атомной плоскости ш медного слоя, лежащей на границе раздела слоев пленки, на атомы никеля

поверхностей во всех направлениях, рис. 15, а, б. Обнаружено, что наноструктура колебалась в двух взаимно перпендикулярных направлениях (перпендикулярных к нормали исходной пленки). При этом колебания вдоль одного из этих направлений были значительно меньшими но амплитуде, чем в другом. Проведено сравнение характера колебаний для незамкнутых наноструктур, близких по геометрии {одинаковые толщины) для одной из которых во всех направлениях моделировались свободные поверхности, а для другой в одном из направлений были использованы периодические условия. Из ряс. 15,« видно, что образец со свободными поверхностями характеризуется меньшей частотой колебаний и большим значением амплитуды.

Рис. 15. Незамкнутая ганоструктура в момапы времени, вида еекрая мшеаоишю разведены (а)

и сведены (¿7), Тогоцина И наноструктуры составляет Ю атомных плоскостей, дйюв—¿=290 ¡Крамароврешаки, Зависимость изменения ра0сшяшя1$меяа&' свободами краями незамкнутых наворазмерньк структур от времени («); вривая I- все поверхшетмодгпад^мой пленки свободные;

2- вдоль одного из |травлении заданы периодические граничные условия

Четвертый раздел посвящен изучению эффекта трансформации подводимой к незамкнутым наноструктурам тепловой энергии в энергию их механических колебаний. Исследовано поведение незамкнутых наноструктур, рис. 8, при тепловом воздействии в интервале от 50 до 300 К. При нагреве края таких структур начинают совершать колебательные движения, обусловленные значительным различием коэффициентов тепловою расширения слоев и их температурных зависимостей. Расчеты показали, что частоты колебаний краев моделируемых наноструктур практически не зависят от скорости нагрева, а длина медных включений и их взаимное расположение в алюминиевой пленке оказывают существенное влияние на частоту и амплитуду колебаний краев. Таким образом, варьируя геометрией расположения и размерами медных включений, можно менять отклик моделируемой незамкнутой наноструктуры на тепловое воздействие.

Исследован отклик незамкнутой наноструктуры на тепловое воздействие в зависимости от увеличения массы ее колеблющихся частей. Увеличение массы проводилось нанесением дополнительных атомных слоев на свободный край, рис, 16, а, при жестко фиксированном плоском участке наност руктуры.

Полученная наноструктура нагревалась примерно на 300 К, что вызывало колебания ее свободного края. Расчеты показали, что увеличение длины свободной части наноструктуры ггри одинаковом значении кинетической температуры приводит к уменьшению частоты ее колебаний, рис. 16,6. Нанесение дополнительных атомных слоев на колеблющиеся края увеличивает амплитуду их колебаний и практически не меняет их частоту, рис. 16, в. При увеличении общей массы колеблющегося края на 4 % амплитуда колебаний увеличивалась более чем в 4 раза.

го ло во до юн 120 но

1Г1- , П1И

С, ПС

а) 6) в)

Рис. 16- На] »структура с пришел лзашымн сюяш атомов А1:I -1%, 2-2%, 3-3%. 4-4% от веса свобоуцюго к)жя наноструктуры (черные кружки - атомы Оц темно-серые-А£ сеето-серыс-дополнительные присоещоишые атомы А1) (а); зависимость частоты колебаний

наноструктуры отдпишл Ь ж свобшдаго края От): зависимость смещения 5 свободного края на]госгруктурьI зд р№Говштого 1 ююжамя от времени при увеличении массы ирая па 1,2,4%(в) Проведено моделирование трансформации тепловой энергии в механическую на примере наноструктуры, изображенной на рис. 8, д, в условиях последовательного охлаждения и нагрева, рис. 17. Температурный интервал варьировался от 130 до 230 К. Работа вязких сил среды, окружающей наноструктуру, не учитывалась, а кинетическая температура изменялась по линейному закону. Нагрев (охлаждение) изучаемой наноструктуры приводил к увеличению (уменьшению) амплитуды ее колебаний. Продолжительность теплового воздействия практически не влияла на час то гу колебаний.

11,4

11,1

г ю,в х

ОТ" 10.5 10,2 9,9

3] - Охлаждение Щ - Нагрев

11,4

11.1

2 10,8 х

ОТ Ю.5

10.2 9,9

№ - Охлаждение ® - Нагрев

0,0 0,6

1,2 I, НС

1,8 2,4

0,0 0,6

1,2 1,8 1 , НС

2,4 3,0

б)

Рис. 17. Зависимости расстош втя 5между кмкблкяцимися краями молелируемой незамкнутой пшюструкгуры от времени. Продолжттто ыивь па1рева (ок;иждсния) сосшвлд'а; а- один период колебаний; б- три перигеи ка'кбонин

Выявлены атомные механизмы, ответственные за формирование незамкнутых наноструктур на основе гетерогенных пленок и их отклик при тепловом воздействии. Исследованы медно-никелевые пленки различной толщины (от 10 до 30 атомных плоскостей), Особенности структурных изменений атомной системы были проанализированы на основе полей атомных смещений в различные моменты времени для различных участков моделируемой системы. Исследования показали, что в структуре пленки с момента ее отделения от подложки начинают генерироваться коллективные движения атомов, имеющие вихревой характер, рис. 18, Их

зарождение начинается вблизи свободных краев пленки. Возникновение вихревого движения связано со свободными поверхностями и границей раздела между слоями пленки. Продолжительность существования вихревого движения атомов для пленок, приведенных на рис. 18, не превышает значения порядка десятка пикосе-кунд, а смещение вихря происходит на расстояния до 5 параметров решетки.

в) V е)

Рис. 18. Поля смещений атомов для фрагментов (а), (г) моделируемых медоенниюеяешх пленок,

построенные для различных отрежов Еремени: 6- г=(43,54-44,02) пс; г)-/=(254-266) пс; е- ¿=(268-280) не. Смещения циклены дня фрагментов щенок, с длинами-. а- 50% иг-20% о ¡-длины июодных пленок. Толщины пленок: а- Юиг-30 атомныхплоскостей

Проведено моделирование наноструктуры с учетом вязкостных характеристик среды, в которую она помещена. Для этого к поверхностным атомам, рис. 19, а, прикладывалась вязкая сила, определяемая как гг=-кУ, где V - скорость атома, к -коэффициент пропорциональности. Исследован характер затухания колебаний изучаемой наноструктуры для различных значений вязкости (к менялся в интервале от 0 до 6-Ю"11 Н с/м), рис. 19,6.

Результаты расчетов показали возможность увеличения амплитуды колебаний незамкнутых наноструктур при высокоскоростном импульсном воздействии, рис. 19, е. Возрастание амплитуды колебаний краев при нагреве незамкнутой наноструктуры связано с тем, что часть подводимой тепловой энергии трансформируется в энергию механических колебаний свободных краев. Возможность преобразования подводимой к незамкнутым наноструктурам тепловой энергии в механическую представляет интерес для разработки компонентов нан о двигателей различного функционального назначения.

ид- 1 г 3 11,11

О 11,0 I (А «•«) > Л !. ' г1 | *

« цф я« у

ю.2 У ( V ; » НИ

10,0-и-г—---.-----Г—. !д 0 ■ _.--...........

5,0 О.г 0,4 0.) 0,В ' 00 02 01 Об 08 (О

I НС £ НС

а) 6) в)

Рис.! 9. МспеанруемаянаноструктураЧерный ивет-этомы А1.топю-серый-атомыСи; свсIлгккрьш - поверх: юстые атомы ]а»структуры, на которые действует вязкая сила (а). Зависимость тменеипя расстояния между колеблющимися краями наноструктуры иг времени в средах с различными вязкоспллми характеристиками: 1- 0 №Л1 (копебщ им в отсутствие сил вя!КОТО сен трет ганения); 2-£=26-10 12 Н-ь'м 3—А*=2610 '4 Н-с/м (б). Изменение расстояния между свободными краями наноструктуры, колеблющейся в вяжойереце. прт импульсном разогреве: 0- ко; кйи [ии ганоструктуры без учета силы ВЯМЭСШОГО еопротивго мя; I-колебания в вязкой среде (А-=26Ю 14 Ном); 2-импульсный рам реп наноструктуры в течение 1-го периода колебаний;

3- копеба] пив вяткой среде №=26' 10 14 НчУм) (в)

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Развит подход, позволяющий моделировать динамику формирования слоистых наноразмерных структур и исследовать их отклик на внешнее нагружение.

2. Рассчитаны кинематические параметры незамкнутых слоистых наноразмерных структур, сформированных на основе бислойных металлических пленок, и исследована их зависимость от исходных геометрических размеров системы. Показано, что при самосворачивании нанопленки фиксированной толщины увеличение ее длины приводит к нелинейному росту амплитуды и уменьшению собственной частоты механических колебаний исследуемой структуры.

3. Изучено влияние кристаллографической ориентации на кинематические параметры незамкнутых слоистых наноструктур. Показано, что наибольшей амплитудой осцилляпий при самосворачивании обладает пленка, поверхность которой образована плоскостью (001), а наименьшей — плоскостью (110).

4. Исследована динамика атомных смешений в слоистых гетерогенных пленках при самосворачивании в незамкнутые наноструктуры. Показано, что при этом имеют место эффекты коллективного вихревого движения атомных групп,

5. Показана возможность использования незамкнутых слоистых наноразмерных структур в качестве преобразователей подводимой к ним тепловой энергии в энергию их механических колебаний.

Основное содержание диссертации изложено я работах:

1 Коноваленко Ив.С., Зольников К.П., Псахье С,Г. Компьютерное конструирование интеллектуальных су пр а молекулярных структур и возможности их использования в качестве составных элементов для на ноу строй ств // Материалы докладов Всероссийской научной конференции молодых ученых в 6-ти частях. — Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2004. - Ч, 2.-С 106-108.

2 Коноваленко Ив.С. Молекулярно-динамическое моделирование синтеза супра-молекулярных объектов и исследование их отклика в условиях высокоэнергетических воздействий // Материалы докладов 1-ой Всероссийской научной конференции молодых ученых «Физика и химия высокоэнергетических систем». - Томск: Изд-во Том. ун-та, 2005. - С 103-105.

3 Коноваленко Ив.С., Зольников К.П., Псахье С.Г. Компьютерное моделирование наноструктур и возможности конструирования на их основе интеллектуальных наноустройств // Современные проблемы физики, технологии и инновационного развития: Сб. статей молодых ученых. - Томск: Изд-во Том. ун-та, 2004. -С 3SM1.

4 Зольников К.П., Коноваленко Ив.С., Псахье С.Г. Компьютерное конструирование интеллектуальных супрамолекулярных элементов для наноустройств // Физическая мезомеханика. - 2004. - Т. 9. - Ч. 2. - С. 14-17.

5 ZolnikovК.Р., Konovalenko Iv.S., Psakhie S.G. About possibility of nanostructures synthesis from binary metallic thin films and their mechanical and thermal properties // Proc. of the Sixth International Conference for Mesomechanics held in Patras, Greece. - 2004. - P. 371-373.

6 Коноваленко Ив.С., Зольников К.П., Псахье С.Г. Компьютерное конструирование нанотрубчатых объектов и возможность их использования в качестве составных элементов для наноустройств // Известия вузов. Физика. - 2005. - № 6. - С. 23-24.

7 Коноваленко Ив.С., Зольников К.П., Псахье С.Г. Моделирование формирования наноразмерных структур и изучение возможностей их использования в качестве «молекулярных моторов» // Известия вузов. Физика. - 2006. - № 3. - С. 38-39.

8 Псахье С.Г., Зольников К.П., Коноваленко Ив.С. Моделирование наномоторов и исследование их свойств // Физическая мезомеханика. - 2006. - Т. 9. - С. 9-12.

9 Псахье С.Г., Зольников К.П., Коноваленко Ив.С. Молекулярно-динамическое исследование формирования наноструктур и их поведения в условиях внешнего воздействия // Синтез и свойства нанокристаллических и субструктурных материалов / под ред. Коротаева А.Д. - Томск: Изд-во Том. ун-та, 2007. -С. 146-180.

10 Коноваленко Ив.С., Зольников К.П., Псахье С.Г. Молекулярно-динамическое моделирование формирования наноструктур и исследование их отклика в условиях высокоэнергетических воздействий // Материалы XIV международной конференции по вычислительной механике и современным прикладным программным системам (ВМСППС-2005). - М.: Вузовская книга, 2005. - С. 236-237.

11 Коноваленко Ив.С., Зольников К.П., Псахье С.Г. Наноразмерные преобразователи энергии // Материалы XV международной конференции по вычислительной механике и современным прикладным программным системам (ВМСППС-2007). - М.: Вузовская книга, 2007. - С.286-288.

12 Konovalenko Iv.S., Zolnikov К.Р., Psakhie S.G. Atomic mechanisms of thermal energy transformation into mechanical one by non-closed nanostructures // Proc. of the XXXVI International Summer School-Conference APM'2008 held in St. Petersburg (Repino), Russia. - 2008. - P. 361-367.

Тираж 100. Заказ 708. Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники. 634050, г. Томск, пр. Ленина, 40

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата физико-математических наук, Коноваленко, Иван Сергеевич

Введение

1 Формализм описания поведения материалов на атомном уровне ■

1.1 Основы методов компьютерного эксперимента при изучении материалов на атомном уровне.

1.2 Метод молекулярной динамики.

1.3 Описание межатомного взаимодействия в металлах и сплавах. Парные потенциалы межатомного взаимодействия.

1.4 Многочастичные потенциалы межатомного взаимодействия в методе погруженного атома.

1.5 Задание начальных и граничных условий в методе молекулярной динамики.

2 Замкнутые наноструктуры на основе двухслойных пленок

2.1 Моделирование наноструктур на основе кристаллических двухслойных пленок.

2.2 Формирование замкнутых наноструктур.

2.3 Отклик замкнутых наноструктур при динамических воздействиях.;.

3 Формирование незамкнутых наноразмерных структур 69 3.1 Формирование незамкнутых наноструктур различной конфигурации на основе двухслойных металлических пленок.

3.2 Влияние степени несоответствия параметров решеток слоев исходных двухслойных кристаллических пленок на кинематические параметры формируемых незамкнутых наноструктур.

3.3 Выбор оптимальных размеров исходных двухслойных пленок для формирования незамкнутых наноструктур.

3.4 Влияние кристаллографической ориентации и наличия дефектов в исходных двухслойных пленках на кинематические параметры незамкнутых наноразмерных структур.

4 Преобразование энергии незамкнутыми наноразмерными структурами

4.1 Преобразование тепловой энергии в механическую незамкнутыми наноразмерными структурами при тепловом воздействии.

4.2 Атомные механизмы, ответственные за формирование незамкнутых наноструктур на основе гетерогенных пленок и их отклик при тепловом воздействии.

4.3 Влияние вязкостных характеристик среды на поведение незамкнутых наноразмерных структур при импульсном разогреве.

Введение диссертация по физике, на тему "Исследование особенностей формирования слоистых наноразмерных структур на основе металлических пленок"

Объект исследования и актуальность темы.

Изучение закономерностей формирования и поведения объектов наноскопического масштаба сегодня является одним из приоритетных направлений развития науки и техники [1-6]. Свойства наноразмерных структур существенно отличаются от свойств материала на макромасштабном уровне, как в кристаллическом, так и в аморфном состоянии [2,4-7]. Многие наноструктуры возникают в процессе самоформирования и самоорганизации различных нанообъектов, а также ансамблей атомов и молекул. В последнее время процессы самоорганизации начинают широко использоваться в науке и технике для получения наноразмерных структур, в том числе в рамках стандартных технологий [8,9]. В технологии получения наноразмерных структур, как правило, используются различные подходы [8]. Наиболее распространенный из них основан на том, что из исходного материала, например, сверхтонкой гетерогенной пленки с кристаллической структурой, получаемой методом молекулярной эпитаксии с последующим использованием методов литографии и выборочного травления, синтезируется наноразмерный объект. В связи с этим формирование наноструктур осуществляется из заранее готовых наноразмерных блоков материала [10]. Такими блоками, например, могут являться гетерогенные пленки с кристаллической структурой. Существуют методы, позволяющие с молекулярной точностью на основе сверхтонких кристаллических гетерогенных пленок формировать широкий класс наноструктур: трубок, колец, спиралей, кантиливеров и т.д. [11, 12].

Несмотря на успехи, достигнутые в области получения наноструктур, мало изученными остаются атомные механизмы, ответственные за процессы формирования и особенности поведения наноструктур при внешних воздействиях. Например, недостаточно изучены особенности преобразования наноразмерными структурами. одного вида энергии в другой. Это представляет значительный интерес, как с научной, так и с практической точек зрения. Отметим, что экспериментальные исследования наноструктур сталкиваются со значительными трудностями, связанными с малостью их размеров (единицы и десятки нанометров) и характерных времен рассматриваемых процессов (доли и единицы наносекунд). Преодолеть вышеуказанные трудности при исследовании наноразмерных структур возможно в рамках использования методов компьютерного моделирования.

В связи с вышеизложенным, целью диссертационной работы является изучение поведения слоистых наноразмерных структур, получаемых на основе металлических пленок, в условиях внешних воздействий.

В соответствии с общей целью в диссертационной работе были поставлены следующие задачи:

5. Исследовать возможность преобразования незамкнутыми слоистыми наноструктурами подводимой к ним тепловой энергии в другие виды энергии.

Научная новизна:

Научная и практическая ценность.

Развитый на основе метода молекулярной динамики подход позволяет моделировать динамику формирования и особенности поведения при различных внешних воздействиях наноразмерных структур сложной геометрии, полученных из кристаллических гетерогенных пленок.

3. Особенности атомных смещений в двухслойных металлических пленках в процессе их самосворачивания.

4. Возможность преобразования незамкнутыми слоистыми наноразмерными структурами тепловой энергии в энергию механического движения.

Обоснованность и достоверность результатов, представленных в диссертации и сформулированных на их основе выводов, обеспечиваются: корректностью постановок рассматриваемых задач и методов их решения; хорошо апробированными потенциалами межатомного взаимодействия, позволяющими с высокой точностью описывать свойства атомных систем, которые наиболее важны при решении поставленных в диссертации задач; надежно протестированными компьютерными программами; хорошим согласием расчетных данных с опубликованными результатами работ других авторов и имеющимися экспериментальными данными. Апробация работы.

Результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

1. На международных конференциях по физической мезомеханике (г. Томск, 2004, 2006,2008; Патрас, Греция, 2004).

2. На школах-семинарах молодых ученых «Современные проблемы физики, технологии и инновационного развития» (г. Томск, 2003, 2004, 2005).

3. На международной конференции «Computer Aided Design of Advanced Materials and Technologies» - CADAMT (г. Томск, 2003).

4. На региональной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука. Техника. Инновации» (НТИ-2004) (г. Новосибирск, 2004).

5. На всероссийских конференциях молодых ученых «Физика и химия высокоэнергетических систем» (г. Томск, 2004, 2005).

6. На международных научно-практических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (г. Томск, 2004, 2005).

7. На международных конференциях по вычислительной механике и современным прикладным программным системам «ВМСППС» (г. Алушта, Украина, 2005, 2007).

8. На международной конференции «Advanced Problems in Mechanics» -АРМ (г. Санкт-Петербург, 2008).

9. На международных конференциях «Solid state chemistry and modern micro- and nanotechnologies» (Кисловодск, Россия, 2006, 2007, 2008). Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 18 работах. Перечень их наименований представлен в списке цитируемой литературы [98-106, 110, 115-118, 124-126, 128].

Заключение диссертации по теме "Физика конденсированного состояния"

Основные результаты, полученные в настоящей работе и выводы заключаются в следующем:

3. Изучено влияние кристаллографической ориентации на кинематические параметры незамкнутых слоистых наноструктур. Показано, что наибольшей амплитудой осцилляций при самосворачивании обладает пленка, поверхность которой образована плоскостью (001), а наименьшей - плоскостью (110).

4. Исследована динамика атомных смещений в слоистых гетерогенных пленках при самосворачивании в незамкнутые наноструктуры. Показано, что при этом имеют место эффекты коллективного вихревого движения атомных групп.

124

Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Коноваленко, Иван Сергеевич, Томск

1. Пул Ч., Оуэне Ф. Нанотехнологии. - М.: Техносфера, 2005. - 336 с.

2. Гусев А.И. Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии. — М.: Физматлит, 2005. 416 с.

3. Наноматериалы, нанотехнологии, наносистемная техника: Сб. ст. / Под ред. Мальцева П.П. М.: Техносфера, 2006. - 152 с.

4. Рит. М. Наноконструирование в науке и технике. Введение в мир нанорасчета. М., Ижевск: НИЦ «Регулярная и стохастическая динамика», 2005 - 160 с.

5. Бажин И.В., Лещева О.А., Никифоров И.Я. Электронная структура наноразмерных металлических кластеров // Физика твердого тела. -2006. Т. 48. - № 4. - С. 726-731.

6. Харрис. П. Углеродные нанотрубы и родственные структуры. Новые материалы XXI века. М.: Техносфера, 2003. - 336 с.

7. Головнев И.Ф., Головнева Е.И., Фомин В.М. Расчет термодинамических свойств наноструктур методом молекулярной динамики // Физ. мезомех. 2007. - Т. 10. - №5. - С. 71-76.

8. Moriarty P. Nanostructured materials // Reports on Progress in Physics. — 2001.-V. 64.-P. 297-381.

9. Vorob'ev A.B., Gutakovsky A.K., Prinz V.Ya, Preobrazhenskii V.V., Putyato M.A. Interface corrugation in GaAs/AlAs (311) A superlattices // Applied Physics Letters. 2000. - V. 77. - No 10. - P. 2976-2978.

10. Prinz V.Ya., Seleznev V.A., Gutakovsky A.K. Chehovskiy A.V., Preobrazenskii V.V., Putyato M.A. et al. Free-standing and overgrown InGaAs=GaAs nanotubes, nanohelices and their arrays // Physica E. 2000. -V. 6.-P. 828-831.

11. Prinz V.Ya., Grutzmacher D., Beyer A., David C., Ketterer В., Deccard E. A new technique for fabricating three-dimensional micro- and nanostructures of various shapes // Nanotechnology. 2001. - V. 12. - P. 399^102.

12. Prinz V.Ya. A new concept in fabricating building blocks for nanoelectronic and nanomechanic devices // Microelectronic Engineering. 2003. - V. 69. -P. 466^475.

13. Хеерман Д. В. Методы компьютерного эксперимента в теоретической физике. -М.: Наука, 1990 176 с.

14. Полухин В.А., Ватолин Н.А. Моделирование аморфных металлов. М.: Наука, 1985.-232 с.

15. ГулдХ., ТобочникЯ. Компьютерное моделирование в физике. М.: Мир, 1990.-Ч. 1.-350 с.

16. Балеску Р. Равновесная и неравновесная статистическая механика. — М.: Мир, 1978.-Т. 1.-406 с.

17. Trazzi G., Ciccotti G. Stationary nonequilibrium states by molecular dynamics. II Newton's law. // Phys. Rev. 1984. - V. 29. - No 1. -P. 916-925. к

18. Wagner N.J., HolianB.L., Voter A.F. Molecular-dynamics simulations of two-dimensional materials at high strain rates // Phys. Rev. A. — 1992. -V. 45. No. 12. - P. 8457-8469.

19. Wallace D.C. Molecular-dynamic simulations of many-particles systems: New face on old problems. Electronic structure, Dynamics, and quantum Structural properties of condensed matter / Edited by Devreese J.T, New York: Plenum, 1985. - P. 521-563.

20. Головнев И.Ф., Головнева Е.И., Фомин B.M. Исследование влияния примесей на термодинамику нанокластеров // Физ. мезомех. 2008.1. Т. 11.-№2.-С. 51-55.

21. Golovnev I.F., Golovneva E.I., Fomin V.M. Molecular-dynamic modeling of mechanical properties of free defect metal nanocrystals // Computational Materials Science. 2006. - V. 37. - No 3. - P. 336-348.

22. Норманн Г.Э., Стегайлов B.B., Янилкин A.B. Моделирование высокоскоростного растяжения кристаллического железа методоммолекулярной динамики // Теплофизика Высоких Температур. — 2007. — Т. 45.-№2.-С. 193-202.

23. Norman G.E., KuksinA.Yu., Stegailov V.V., YanilkinA.V. Atomistic simulation of plasticity and fracture of crystalline and polycrystalline metals under high strain rate // AIP Conf. Proc. 2008. - P. 329-334.

24. Поттер Д. Вычислительные методы в физике. М.: Мир, 1975, - 218 с.

25. Валуев А.А., Норманн Г.Э., Подлипчук В.Ю. Уравнения метода молекулярной динамики // В сб.: Термодинамика необратимых процессов. -М.: Наука, 1987. - С. 11-17.

26. Регель А.П., Глазов В.М. Закономерности образования структуры электронных расплавов. М.: Наука, 1982. — 264 с.

27. Полухин В.А., Ухов В.Ф., Дзугутов М.М. Компьютерное моделирование динамики и структуры жидких металлов. М.: Наука, 1981,-240 с.

28. Harrison W.A. Pseudopotentials in theory of metals. New York/ Amsterdam, 1966.-336 c.

29. Сена JI.А. Единицы физических величин и их размерности. М.: Наука, 1977.-432 с.

30. Woodcock L.V. Molecular Dynamics Calculations on Molten Ionic Salts / in Advanced in Molten Salt Chemistry Vol.3, Editors: Braunshtein J., Mamantov G., Cmith G.P., Plenum Press New York and London, 1974. P.l-74.

31. Alder B.J., Wainwright Т.Е. Studies in Molecular dynamics I.General method// J. Chem. Phys. 1959. -V. 31.-No 2.-P. 459-466.

32. Umar I.H., Yokoyama I., Young W.H. Entropies of mixing of liquid metals. A hard sphere description // Phill. Mag. 1976. - V. 34. - No 4. - P. 535548.

33. Методы Монте-Карло в статистической физике. Под ред. БиндераК. -М.: Мир, 1982.-315 с.

34. Панин В.Е., Лихачев В.А., Гриняев Ю.В. Структурные уровни деформации твердых тел. — Новосибирск: Наука, 1985. — 229 с.

35. Johnson R.A. Empirical potential and their use in the calculation of energies of point defects in metals // J. Phys. F: Metal Phys. 1973. - Vol. 3. - No 2. -P. 295-321.

36. Могилевский M.A., Мынкин И.О. Роль флуктуаций в зарождении сдвигов при одномерном сжатии решетки // ФГВ. — 1985. Т. 21. - № 6. - С. 85-98.

37. Плишкин Ю.М., Подчиненов И.Е. Модельные расчеты характеристик точечных дефектов в ГЦК-решетке // ФТТ. 1975. - Т. 12. - № 3. -С. 958-959.

38. Plishkin Yu.M., Podchinenov I.E. Vacancy migration energy calculation in F.C.C. copper lattice by computer simulation // Phys. Stat. Sol(a). — 1976. -V. 38.-No 1.-P. 51-55.

39. Brosense F., Cornelis J., Wallace D.C. A method to derive interatomic potentials in metals from experimental phonon spectra // Phys. Stat. Sol(b). — 1977.-V. 81.-No l.-P. 56-57.

40. Коростелев С.Ю., Псахье С.Г., Панин B.E., Фадеев А.В. Распространение ударной волны в неоднородной цепочке атомов. М., 1985. - Деп. в ВИНИТИ ред. ж. Известия ВУЗов СССР. Физика. Per. №6080-85 от 18.05.85. - 35 с.

41. PascinA., GoharA., Dienes G J. Simulation of shock waves in solids // J. Phys. Chem. Solids. 1978. -V. 39. - No 12. - P. 1307-1311.

42. Хейне В., Коэн M., Уэйр Д. Теория псевдопотенциала. М.: Мир, 1973. -557с.

43. Панин В.Е., ХонЮ.А., Наумов И.И., Псахье С.Г., ЛандаА.И., Чулков Е.В. Теория фаз в сплавах. Новосибирск: Наука, 1984. - 220с .

44. Физическая мезомеханика и компьютерное конструирование материалов: в 2т. Панин В.Е., Макаров П.В., Псахье С.Г. и др.

45. Новосибирск: Наука. — Сибирская издательская книга РАН, 1995. — Т. 2. -320с.

46. Geldart D.J.W., Vosko S.H. The screening function of interacting electron gas // Can. J. Phys. 1966. V. 44. - No 20. - P. 2137-2171.

47. Краско Г.Л., Гурский З.А. Об одном модельном псевдопотенциале // Письма в ЖЭТФ.- 1969.-Т. 9.-№ 10.-С. 596-601.

48. Бровман Е.Г., Каган Ю.М., Холас А. Свойство щелочных металлов // ФТТ.- 1970.-Т. 12.-№4.-С. 1001-1013.

49. Loisel В., Gorse L., Pontikis V., Lapujoulade J. Quasidynamic computation of multylayer relaxations, repulsion between steps and kink formation energy on copper vicinal surfaces // Surf. Sci. 1989. - V. 221. — No. 1-2. -P. 365-378.

50. Daw M.S., Baskes M.I. Embedded atom method: Derivation and application to impurities, surfaces, and other defects in metals // Phys. Rev. 1984. -V. B29. - No 12. - P. 6443-6453.

51. Foiles S.M., Baskes M.I., Daw M.S. Embedded-atom-method for the fee metals Cu, Ag, Au, Ni, Pd, Pt, and their alloys // Phys. Rev. 1986. -V. B33. - No 12. - P. 7983-7991.

52. Kumikov V.K., Khokonov Kh.B. On the measurment of surface free energy and surface tension of solid metals // J. Appl.Phys. 1983. - V. 54. - No 3. — P. 1346-1350.

53. Daw M.S. Model of metallic cohesion: The embedded atom method // Phys. Rev.-1989.-V. B39.-No. 11.-P. 7441-7452.

54. Foiles S.M. Calculation of the surface segregation of Ni-Cu alloys with the use of the embedded atom method // Phys. Rev. 1985. - V. B32. - No 12. -P. 7685-7693.

55. Rose J.H., Smith J.R., Guinea F., Ferrante J. Universal features of the equation of state of metals // Phys. Rev. 1984. - V. B29. - No 6. -P. 2963-2969.

56. БерчА.В., Липницкий А.Г., ЧулковЕ.В. Поверхностная энергия и многослойная релаксация поверхности ГЦК переходных металлов // Поверхность. - 1994. - № 6. - С. 23-31.

57. Русина Г.Г., Берч А.В., Скляднева И.Ю, Еремеев С.В., Липницкий А.Г., Чулков Е.В. Колебательные состояния на вицинальных поверхностях алюминия, серебра и меди // ФТТ. 1996. - Т. 38. - № 4. - С. 11201141.

58. Eremeev S.V., Lipnitskii A.G., Potekaev A.I., Chulkov E.V. Diffusion activation energy of point defects at the surfaces of FCC metals // Physics of Low Dimensional Structures. - 1997. - No 3/4. - P. 127-133.

59. Daw M.S., Hatcher R.L. Application of the embedded atom method to phonons in transition metals // Solid state Commun. 1985. - V. 56. - No 8. -P. 697-699.

60. Берч A.B., Еремеев C.B., Липницкий А.Г., Скляднева И.Ю., Чулков Е.В. Вибрационные состояния на поверхностях алюминия // ФТТ. 1994. -Т. 36.-№10. - С. 2935-2949.

61. Ningsheng L., Wenlan X., Shen S. С. Application of the embedded atom method to surface-phonon dispersions on Cu(100) // Solid State Commun. -1988. V. 67. - No 9. - P.837-840.

62. YangL., Rahman T. S., DawM. S. Surface vibrations of Ag(100) and Cu(100): A molecular-dynamic study // Phys. Rev. 1991. -V. B44. -No 24.-P. 13725-13733.

63. Nelson J. S., DawM. S., SowaE. C. Cu(lll) and Ag(lll) surface-phonon spectrum: The importance of avoided crossing // Phys. Rev. 1989. -B.V40. - No 3. - P. 1465-1480.

64. DitlevsenP. D., NorskovJ. K. Vibrational proerties of aluminium, nickel and copper surface // Surface Sci. 1991. - V. 254. - P. 261-274.

65. Foiles S.M. Application of the embedded-atom method to liquid transition metals // Phys. Rev. 1985. - V. B32. - P. 3409-3415.

66. Daw M.S., Baskes M.I. Semiempirical, Quantum mechanical calculation of hydrogen embrittlement in metals // Phys. Rev. Lett. 1983. - V. 50. — No 17.-P. 1285-1288.

67. Daw M.S., Foiles S.M. Summary abstract: Calculations of the energetic and structure of Pt(l 10) using the embedded atom method // J. Vac. Sci. Technol. 1986. -V. A4. - No 3. - P. 1412-1413.

68. Daw M.S. Calculations of the energetic and structure of Pt(110) reconstruction using the embedded atom method // Surf. Sci. 1986. — V. 166. - No 2-3. - P. L161-L169.

69. Foiles S.M. Calculation of the surface segregation of Ni-Cu alloys with the use of the embedded-atom method // Phys. Rev. 1985. - V. B32. - No. 12. -P. 7685-7692.

70. Felter Т.Е., Foiles S.M., Daw M.S., Stulen R.H. Oder-disorder transitions and subsurface occupation for hydrogen on Pd(lll) // Surf. Sci. 1986. -V. 171.-No l.-P. L379-L386.

71. Daw M.S., Foiles S.M. Theory of subsurface occupation, ordered structures, and order-disorder transitions for hydrogen on Pd(l 11)// Phys. Rev. 1987. -V. B35.-No5.-P. 2128-2136.

72. Foiles S.M., Adams J.B. Thermodynamic properties of fee transition metals as calculated with the embedded-atom method // Phys. Rev. 1989. -V. B40. -No9. - P. 5909-5915.

73. Cleveland C.L., Landman U. Dynamics of Cluster-Surface Collisions // Science. 1992. - V. 257. -P. 335-361.

74. Cheng H.P., Landman U. Controlled Deposition, Soft Landing, and Glass Formation in Nanocluster-Surface Collisions // Science. 1993. - V. 260. -P. 1304-1307.

75. Cheng H.P., Landman U. Controlled Deposition and Classification of Copper Nanoclusters // Phys. Chem. 1994. - V. 98. - No 13. - P. 35273537.

76. Xia Т.К., Landman U. Structure and Dynamics of Surface Crystallization of liquid n-alkanes// Phys. Rev.B. 1993.-V. 48.-No 15.-P. 11313-11316.

77. Xia Т.К., Landman U. Molecular Dynamics of Adsorption and Segregation from Alkane Mixture // Science. 1993. - V. 261. - P. 1310-1312.

78. Ribarsky M.W., Landman U. Dynamical Simulation of Stress, Strain, and Finite Deformations // Phys. Rev.B, 1988. - V. 38. - No 14 - P. 95229537.

79. Псахье С.Г., Уваров Т.Ю., Зольников К.П. О новом механизме генерации дефектов на границах раздела. Молекулярно-динамическое моделирование // Физ. мезомех. 2000. - Т. 3. - № 3. - С. 69-71.

80. Psakhie S.G., Zolnikov К.Р., Kadyrov R.I., Rudenskii G.E., Vassiliev S.A., Sharkeev Yu.P. About nonlinear mechanism of energy transformation at ion implantations //Journal of Materials Science & Technology. 1999. -V. 15. -No 6.-P. 1-2.

81. Зольников К.П., Кадыров Р.И., Наумов И.И., Псахье С.Г., Руденский Т.Е., Кузнецов В.М. О возможности нелинейного распространения тепловых импульсов в твердых телах при дебаевских температурах // ПЖТФ. 1999. - Т. 25 - В. 6. - С. 55-59.

82. Псахье С.Г., Зольников К.П., Костин И.А. О нелинейном механизме переноса энергии фронтом возмущения при локальном высокоэнергетическом нагружении // ПЖТФ. — 2002. Т. 28. — В. 2. — С. 30-36.

83. Псахье С.Г., Зольников К.П., Кадыров Р.И., Руденский Т.Е., Шаркеев Ю.П., Кузнецов В.М. О возможности формирования солитонообразных импульсов при ионной имплантации // ПЖТФ. — 1999. Т. 25. - В. 6. - С. 7-12.

84. BeelerJ.R.Jr. The role of computer experiments in material research // Advanced in Material Research. 1970. - V. 4. - P. 296.

85. Meyers M.A., Naresh N., Yu H.H., Chang S.N. Shock-wave consolidation of rapidly solidified metal powders // Prot. Int. Sem. High energy working frapidly solidified and high temperature superconducting materials. Novosibirsk. 1989. - P. 22-33.

86. Лисенков C.B., Виноградов Г.А., Лебедев Н.Г. Новый класс неуглеродных нанотрубок на основе элементов А1 и Р: структура и электронные свойства // ПЖТФ. 2005. - Т. 81. - вып. 4. - С. 222-227.

87. Лисенков С.В., Виноградов Г.А., Астаханова Т.Ю., Лебедев Н.Г. Геометрическая структура и электронные свойства NB планарных и нанотрубных структур типа «хаекелит» // Физика твердого тела. 2006. - Т. 48, - вып. 1. - С. 179-184.

88. Rubio A., Corkill J.L., Cohen M.L. Theory of graphitic boron nitride nanotubes // Phys. Rev. 1994. - V. B49. - P. 5081-5084.

89. Lee M., Lee Y.H., Hwang Y.G, Eisner J., Porezag D., Frauenheim T. Stability and electronic structure of GaN nanotubes from density-functional calculations // Phys. Rev. 1999. - V. B60. - P. 7788-7791.

90. Zhao M., Xia Y., Zhang D., Mei L. Stability and electronic structure of A1N nanotubes //Phys. Rev. -2003. -V. B68. P. 235415-235418.

91. Ивановский А.Л. Квантовая химия в материаловедении. Нанотубулярные формы вещества. Екатеринбург: УрО РАН, 1999. — 172 с.

92. Чернозатонский Л.А. Новый класс диоксидных нанотруб МО2 (М= Si, Ge, Sn, Pb) из «квадратных» решеток атомов их структура и энергетические характеристики // ПЖТФ. - 2004. -Т. 80. - Вып. 10. -С. 732-736.

93. Miyamoto Y., Rubio A., Louie S.G. Electronic properties of tubule forms of hexagonal BC3 // Phys. Rev. 1994. - V. B50. - P. 18360-18366.

94. Miyamoto Y., Rubio A., Cohen M.L., Louie S.G. Chiral tubules of hexagonal BC2N// Phys. Rev. 1994. - V. B50. -P. 4976^1979.

95. MenonM., RichterE., Mavrandonakis A. Froudakis G., Andriotis A.N. Structure and stability of SiC nanotubes // Phys. Rev. 2004. - V. B69. -P.115322-115325.

96. Prinz A.V., Prinz V.Ya., Seleznev V.A. Semiconductor micro- and nanoneedles for microinjections and ink-jet printing // Microelectronic Engineering. 2003. - V .B67-68. - P. 782-788.

97. Морозов Н.Ф., Семенов Б.Н., Товстнк П.Е. Моделирование методами механики сплошных сред процесса формирования нанообъектов // Физ. мезомех. 2002. - Т. 5. - № 3. - С. 5-8.

98. Морозов Н.Ф., Кривцов А.В. Аномалии механических характеристик наноразмерных объектов // Докл. РАН. 2001. - Т. 381. - №3. - С. 345347.

99. Зольников К.П., Коноваленко Ив.С. Моделирование синтеза наноразмерных структур и исследование их свойств при механическом нагружении // Материалы VII международной научной конференции «Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии»,

100. Кисловодск, 17-22 сентября 2007. Кисловодск - Ставрополь: Изд-во СевКавГТУ, 2007. - С. 43^15.

101. Зольников К.П., Коноваленко Ив.С., Псахье С.Г. Компьютерное конструирование интеллектуальных супрамолекулярных элементов для наноустройств // Физ. мезомех. 2004. - Т. 9. - Спецвыпуск. - 4.2. -С. 14-17.

102. Коноваленко Ив.С., Зольников К.П., Псахье С.Г. Компьютерное конструирование нанотрубчатых объектов и возможность их использования в качестве составных элементов для наноустройств // Изв. высших учебных заведений. Физика. — 2005. Т. 48, № 6. - С. 2324.

103. Bolesta A.V., Golovnev I.F., Fomin V.M. Molecular dynamics simulation of InGaAs/GaAs nanotubes synthesis// Fiz. Mesomekh. 2004. - V. 9. -Specvipusk. - Part 2. - P. 14-17.

104. Bolesta A.V., Golovnev I.F., Fomin V.M. InGaAs/GaAs nanotubes simulation: Comparison between continual and molecular dynamics approaches // Computational Materials Science. 2006. - V. 36, - No 1-2. -P. 147-151.

105. Псахье С.Г., Зольников К.П., Костин И.А. О нелинейном механизме переноса энергии фронтом возмущения при локальном высокоэнергетическом нагружении // ПЖТФ. 2002. - Т. 28, - вып. 2. — С. 30-36.

106. Torrens I.M. Computer simulation of atomic dynamics in copper at energies near the displacement threshold // J. Phys. F: Metal Phys. 1973. - V. 3. -P.1771-1780.

107. WolfendenA. Electron radiation damage near the threshold energy in aluminum// Radiation Effects and Defects in Solids. 1972. - V. 14. -P.225-229.

108. Prinz A.V., Prinz V.Ya. Application of semiconductor micro- and nanotubes in biology // Surface Science. 2003. - V. B532-535. - P. 911-915.

109. Псахье С.Г., Зольников К.П., Коноваленко Ив.С. Моделирование наномоторов и исследование их свойств // Физическая мезомеханика. — 2006. Т. 9. - Спецвыпуск. - С. 9-12.

110. Хансен М., Андерко К. Структуры двойных сплавов: Справочник / Пер с англ. М.: Металлургиздат, 1962. - Т. 1,2.- 1488 с.

111. Kuznetsov V., Tsai К., Turkebaev Т. Calculation of thermodynamic properties of the Ni-Al alloys in normal conditions and under pressure // J.Phys.: Condens. Matter. 1998. -V. 10. - No 10. - P. 8957-8971.

112. Cai J., Ye Y.Y. Simple analytical embedded-atom-potential model including a long-range force for fee metals and their alloys // Phys.rev.B. 1996. -V. 54. - No 12. - P. 8398-8410.

113. Browne W.R., Feringa B.L. Making molecular machines work // Nature nanotechnology. 2006. - V. 1. - P. 25-35.

114. Kline T.R., Paxton W.F., MalloukT.E., Sen A. Catalytic nanomotors: remote-controlled autonomous movement of striped metallic nanorods // Angew. Chem. Int. 2005. - Edn. 44. - P. 744-746.

115. Коноваленко Ив.С., Зольников К.П., Псахье С.Г. Моделирование формирования наноразмерных структур и изучение возможностей их использования в качестве «молекулярных моторов» // Изв. > высших учебных заведений. Физика. 2006. - Т. 49. -№ 3. - С. 38-39.

116. VicarioJ. EelkemaR., Browne W.R., MeetsmaA., Crois R.M.La., Feringa B.L. Catalytic molecular motors: Fueling autonomous movement by surface bond synthetic Manganese catalases // Chem. Commun. 2005. — Iss.31.-P. 3936-3938.

117. Zheng X., Mulcahy M.E., HorinekD., Galeotti F., Magnera T.F., Michl J. Dipolar and nonpolar altitudinal molecular rotors mounted on a Au (111) surface// J. Am. Chem. Soc. - 2004. -V. 126. - P. 4540-4542.

118. BrayD. Cell Movements: From Molecules to Motility. New York: Garland,-2001.-372 p.