Предпосылки использования вычислительных экспериментов в технологической практике создания наноразмерных структур

Разработка эффективных, с практической точки зрения, теоретических моделей нанотехнологий сдерживается проблематикой, связанной с необходимостью учета взаимовлияния весьма широкого спектра элементарных физико-химических процессов, рассматриваемых на атомном уровне их реализаци. В первом приближении можно считать, что суммарное количество упомянутых элементарных процессов может достигать 50 – 200 [24], в зависимости от специфики функционального назначения наноразмерных изделий. Эта проблематика усугубляется и тем очевидным обстоятельством, что широко распространенные в научно-производственной практике макроскопические методы анализа и модели структур (основанные на физике сплошных сред) имеют весьма ограниченное применение для случая микро- и наномасштабных объектов и процессов (подробнее этот вопрос представлен разделе № 1).

В этой связи при рассмотрении нанотехнологий необходимо использовать математические модели, позволяющие эффективно описывать как поверхностные, так и объемные элементарные физико-химические процессы. Такая модель нанотехнологий должна иметь комплексный характер как в части широты охвата необходимой номенклатуры элементарных процессов и возможности учета факторов тепло - и массообмена с окружающей средой, так и в части учета факторов статистической природы (в частности, флуктуаций параметров рабочих сред). Помимо этого желательно чтобы эти модели имели открытый характер, т.е. имелась возможность включения в их состав новых технологических факторов (процессов) в зависимости от специфики технологии создания конкретного наноразмерного изделия.

Следует отметить, что в рамках традиционных (термодинамических) подходов принято оперировать со средними значениями физико-химических параметров, которые адекватно описывают только макроскопические объекты и процессы. В случае наномасштабных объектов и процессов случайные флуктуации этих усредненных макроскопических параметров могут достигать весьма значительных величин (см. раздел № 1), вызывая тем самым существенное расхождение с результатами детерминированных методов анализа рабочих сред, основанных на положениях физики сплошных сред.

Вышеизложенное позволяет сделать вывод, что для моделирования нанотехнологий необходимо использовать математический аппарат и подходы, адекватные проблематике, возникающей при рассмотрении подобного рода задач. Общим принципом этих подходов является моделирование нанотехнологий, основанное на анализе динамики протекания в конденсированных средах непосредственно элементарных атомно-молекулярных процессов. Таким образом, сам факт проведения вычислительного эксперимента с помощью компьютерного моделирования совокупности индивидуальных физико-химических процессов (на атомно-молекулярном уровне рассмотрения) выступает в качестве эффективного метода анализа нанотехнологий.

Представляется очевидным, что при подобном методе анализа нанотехнологий, в качестве исходных данных технологического процесса фигурируют не макроскопические параметры рабочих сред (например: концентрация реагентов, давление газообразных сред, химический потенциал и т.д.), а микроскопические параметры, характеризующие процессы взаимодействия индивидуальных атомов рабочей (технологической) среды. К этому следует добавить, что неопределенность наших знаний относительно энергетического состояния индивидуальных атомов, вступающих во взаимодействие с соседними атомами, привносит в анализ некоторый элемент случайности в характер поведения (моделирования) рассматриваемой наноразмерной системы.

В этой связи следует ожидать, что более реалистичными окажутся подходы, основанные не на детерминированных, а на стохастических (вероятностных) принципах анализа индивидуальных физико-химических процессов. Это утверждение следует понимать в том смысле, что возможности реализации конкретного элементарного физико-химического процесса (на атомно-молекулярном уровне рассмотрения) ставится в соответствие вполне определенная вероятность появления этого события. Именно это существенное обстоятельство составляет с методологической точки зрения суть принципиального отличия между стохастическими и детерминированными методами анализа технологических процессов, и в частности, нанотехнологий.

Последнее не означает, что для моделирования нанотехнологий необходимо во всех случаях использовать стохастические подходы. Стохастический подход уместен при рассмотрении весьма малого количества атомно-молекулярных комплексов, задействованных в технологический процесс (например, в технологии атомной сборки и самосборки наноструктур). В ряде же случаев, при создании наноструктур используются технологические этапы (процессы) охватывающие относительно большие объемы или площади поверхности, содержащие значительное количество микрочастиц. И если в этом случае становится правомерным введение в рассмотрение макроскопических параметров рабочих сред (например, объемной или поверхностной концентрации микрочастиц), то для анализа кинетики ФХП, протекающих в системе, можно использовать традиционные детерминированные (термодинамические) подходы.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: