Ученые Университета штата Айова разработали новую формулу, которая помогает объяснить принцип самосборки атомов в нанокластеры и углубить научные знания о соответствующих нанотехнологиях. Их исследования предлагают теоретическую основу для объяснения взаимосвязи между распределением "зон захвата", регионами, окружающими наноразмерные "острова", образующиеся в результате выпадений на поверхности, и лежащими в их основе процессами зарождения или образования. Нанотехнологии включают науку и инжиниринг размером в нанометр, или миллиардную долю метра. Она сыграла центральную роль в развитии таких инноваций, как тонкопленочные солнечные батареи, усовершенствованные батареи и недорогие датчики.
Самосборка атомов в нанокластеры представляет значительный интерес для нанотехнологов, так как открывает возможности для создания наноструктурированных систем с повышенными магнитными, каталитическими и плазменными свойствами, которые находят широкое применение в промышленности.
Нанокластеры представляют собой объемные 3Д-структуры, состоящие из атомов металла и несложных молекул. Форма нанокластеров зависит напрямую от их размеров.
"Если у вас есть возможность контролировать эти процессы самосборки для управления морфологией и пространственным расположением этих наноструктур, то вы можете улучшить интересующие вас свойства", - сказал Джеймс У. Эванс, профессор физики в Университете штата Айова.
Если ранее в ходе самосборки выпавших атомов сообщество физиков рассматривало вопрос о распределении размеров зародышевых островов, то в последнее время дискуссия была сосредоточена на распределении зон захвата. Эванс и его коллеги сосредоточились на создании теоретической основы для понимания того, как развиваются мелкие зоны поимки. Их развитие имеет важное значение для определения размера, которого должен достичь нуклеаризованный остров, чтобы стать стабильным. Их анализ сочетает уравнения скорости с элементами стохастической геометрии.
Одним из важных выводов, сделанных в результате их исследований, стало то, что при формировании новых, меньших по размеру промысловых зон важное значение имеет пространственное расположение явлений зарождения относительно существующих зон и островов, где происходит отлов.
"Если вы окажетесь прямо посередине тройки островов, которые находятся гораздо ближе друг к другу, чем обычно, то зона захвата нового острова будет намного меньше среднего размера", - сказал Эванс. Чтобы подчеркнуть эту взаимосвязь того, как размер зон отлова и их результирующее распределение могут зависеть от зарождения, в их работе показана взаимосвязь того, как размер зон отлова и их результирующее распределение могут зависеть от зарождения.
Эванс и его команда включили теоретическое исследование распределения зон захвата (ЧЖД) компактных островов, включая выведение уравнения для масштабирующей функции распределения зон захвата. В дополнение к теоретическим результатам, авторы включили результаты моделирования с использованием Kinetic Monte Carlo для подтверждения прогнозов распределения острова и поведения масштабирования, получив в целом хорошее согласие между теоретическими и численными результатами. Формулировки Эванса и его сотрудников подчеркивают важность тонких пространственных деталей процесса зарождения, и особенно связанных с ним количеств, таких как внутренние вероятности перекрытия и распределение фракционного перекрытия. В прошлом этим количествам уделялось мало внимания, но их подробная форма имеет важное значение, поскольку она влияет на состояние ЧЖД.
Одна из проблем этого исследования заключается в том, что оно базируется на системе, далекой от равновесия, которая бросает вызов многим традиционным аналитическим методам, используемым учеными-физиками.
Тот факт, что это далеко не равновесная система, означает, что не существует стандартных теоретических инструментов, которые можно было бы использовать для анализа процесса.
Тем не менее, благодаря обширному моделированию, которое отражает эксперименты по осаждению, обычно проводимые в камерах сверхвысокого вакуума, Эвансу и его команде удалось разработать структуру, объясняющую, как создаются более мелкие зоны захвата.
Ученые надеются, что их работа подтолкнет других исследователей к изучению вопроса о распределении зон захвата, а также к тому, что полученные коллективные знания будут способствовать более широкому пониманию научным сообществом того, как собираются нанокластеры.