شبیه سازی دینامیک مولکولی رشد نانولایه الماس روی سیلیسیم به روش رسوب بخار شیمیایی

در این پژوهش با استفاده از فن شبیه سازی دینامیک مولکولی تأثیر دمای زیرلایه و آهنگ سردکردن روی ساختار نانولایه های الماس رشدیافته بر روی سیلیسیم را بررسی کردیم. این کار با استفاده از نرم افزار شبیه سازی دینامیک مولکولی لمپس انجام شده و انرژی برهمکنش بین ذرات از پتانسیل ترسف محاسبه شده است. ابتدا رشد نانولایه های سیلیسیم روی سیلیسیم و نانولایه-های الماس روی الماس را با روش تولید اتم بالای زیرلایه انجام و تأثیر دمای زیرلایه و آهنگ تولید ذره را بر ساختار نانولایه های سیلیسیم و نانولایه های الماس رشدیافته بررسی کردیم. نتایج شبیه سازی ها نشان می دهد که نظم شبکه سیلیسیم برای نانولایه های سیلیسیم رشدیافته با آهنگ تولید ذره 0.5 اتم بر پیکوثانیه روی زیرلایه سیلیسیم با دمای 1500 تا 1700 کلوین قابل مشاهده است و برای زیرلایه سیلیسیم با دماهای پایین تر از 1500کلوین، ساختار آمورف (بی-نظم) تشکیل می شود. همچنین کاهش آهنگ تولید ذره باعث افزایش نظم شبکه سیلیسیم نانولایه های رشد یافته می شود. در مورد رشد نانولایه های الماس روی زیرلایه الماس به روش تولید اتم بالای زیرلایه با آهنگ تولید ذره 0.5 اتم بر پیکوثانیه مشاهده شد که تا دمای 2700 کلوین برای زیرلایه الماس، ساختارآمورف(بی نظم) تشکیل می شود و برای دمای 2700 کلوین زیرلایه علاوه بر مشاهده ساختار آمورف تشکیل شده ، زیرلایه دچار تغییر ساختار می شود و برای دماهای بالاتر از 2700 کلوین، به دلیل تغییر ساختار در زیرلایه الماس و از دست رفتن نظم کامل شبکه الماس ، پیش بینی می شود که به احتمال زیاد باز هم ساختار آمورف (بی نظم) تشکیل خواهد شود. همچنین با کاهش آهنگ تولید ذره به 0.33 و 0.25 اتم بر پیکو ثانیه با دمای 2000کلوین زیرلایه الماس باز هم ساختار آمورف(بی نظم) دیده می شود. درادامه با توجه به مشاهده نکردن نانولایه های الماس روی زیرلایه الماس با روش تولید اتم کربن بالای سطح زیرلایه، فرآیند رشد را به روش رسوب بخار شیمیایی و در فشار بالا (از شرایط لازم برای تشکیل الماس است) بر روی زیرلایه الماس با اتم های ساکن و دمای 300 کلوین با آهنگ سردکردن 10کلوین بر پیکوثانیه انجام دادیم و نتایج نشان داد که برای فاز گازی اتم های کربن در حدود 11000 کلوین که فشار بالای لازم برای تشکیل الماس را نیز تأمین می کند بالاترین نظم برای نانولایه های الماس رشد یافته روی زیرلایه الماس با اتم های ساکن و دمای 300 کلوین بدست می آید. سپس با همان دمای 11000 کلوین برای فاز گازی اتم های کربن، فرآیند رشد نانولایه های الماس روی زیرلایه الماس با دماهای 600، 700، 800، 1100، 1300، 1500، 1800 و 2300 کلوین انجام شد. هم چنین به منظور بررسی تأثیر آهنگ سرد کردن، فرآیند رشد با دماهای 300 و 1100 کلوین زیرلایه الماس و دو آهنگ سردکردن متفاوت دیگر،یعنی 5 و 2.5 کلوین بر پیکوثانیه انجام شد. نتایج شبیه سازی ها نشان می دهد که سیر مشخصی از افزایش یا کاهش نانولایه های منظم الماس با افزایش دمای زیرلایه الماس وجود ندارد و بیشترین نظم نانولایه های الماس رشد یافته برروی زیرلایه الماس با اتم های ساکن اتفاق می افتد و کاهش آهنگ سرد کردن با دمای 300 کلوین زیرلایه الماس باعث افزایش نانولایه های منظم الماس و با دمای 1100 کلوین زیرلایه الماس باعث کاهش نانولایه های منظم الماس می-شود. پس از رشد نانولایه های الماس روی زیرلایه الماس، چگالی کربن را افزایش داده و دوباره فرآیند رشد را روی زیرلایه الماس با اتم های ساکن و با دماهای 300، 500، 1100، 1500، 2000، 2300 و 2700 کلوین انجام دادیم. نتایج شبیه سازی ها نشان می دهد که در حالت زیرلایه با اتم های ساکن نانولایه های با ساختار الماسی مشاهده می شود که ثابت شبکه آن از ثابت شبکه الماس(3.56 آنگستروم) کوچکتر است ولی با دماهای متفاوت زیرلایه الماس، لایه-های گرافین مشاهده می شود. در مرحله ی آخر نیز با همان دمای 11000 کلوین برای فاز گازی اتم های کربن ، رشد نانولایه های الماس بر روی زیرلایه ی سیلیسیم با اتم های ساکن و با دماهای300، 500، 800، 1100، 1500 و 1700کلوین و آهنگ سردکردن 10 کلوین بر پیکوثانیه انجام شد. همچنین به منظور بررسی تأثیر آهنگ سرد کردن، فرآیند رشد با دو آهنگ سرد کردن متفاوت دیگر، یعنی 5 و 2.5 کلوین بر پیکوثانیه به عنوان نمونه بر روی زیرلایه ی سیلیسیم با دمای 300 و 1100 کلوین رشد داده شدند. نتایج شبیه سازی ها نشان می دهد که نانولایه های الماس روی سیلیسیم تشکیل نشده است و همچنین کاهش آهنگ سردکردن تأثیری بر نظم ساختار های رشدیافته ندارد. واژه های کلیدی: نانولایه الماس، دینامیک مولکولی، رسوب بخار شیمیایی