Примеры моделирования нанотехнологий методами вероятностных клеточных автоматов

Характерные примеры использования результатов моделирования методом ВКА для анализа технологических процессов, представлены на рис. 3.12– 3.17 (рисунки подготовлены по материалам дипломных работ студентов СГАУ: Коныгина С.Б (2002 г.); Козлова Д.А. (2009 г.); Лачина М.А. (2009 г.)).

При проведении приведенных вычислительных экспериментов использованы полигоны различных типов:

· полигоны моделирования поверхностного типа: рис. 3.12 (№ 1,2); рис. 3.13 (№ 3); рис. 3.15 (№ 8); рис 3.17;

· полигоны моделирования профильного типа: рис. 3.13 (№ 4); рис. 3.14 (5,6); рис. 3.15 (№7); рис. 3.16; рис. 3.18.

Пример задания исходных данных (номенклатура и численные значения вероятностей реализации используемых процессов) для проведения моделирования комплексных ФХП (см. рис. 3.12 – 3.15) представлен в таблице 3.2.

Т а б л и ц а 3.2. Унифицированный перечень физико-химических факторов при моделировании и вероятностей их проявления.

(процесс: «Термически инициированное кластерообразование»)

Примечание: в правом столбце таблицы приведены значения вероятностей протекания элементарных ФХП, которые учтены при проведении вычислительного эксперимента: «Термически инициированное кластерообразование»).

В результатах моделирования (рис.3.12 –3.16) отражен фактор комплексного проявления (от четырех до восьми) элементарных ФХП [10]. Здесь уместно напомнить, что метод ВКА не накладывает никаких ограничений на предельно допустимое количество модулей элементарных ФХП, составляющих основу нанотехнологий. Эти ограничения следуют скорее из технических возможностей используемых вычислительных средств (объема оперативной памяти, быстродействия). Именно с учетом ограничений этого характера в рассмотренных примерах вычислительных экспериментов использованы относительно малые полигоны моделирования. Тем не менее, несмотря на упомянутую выше ограниченность размера полигонов моделирования, результаты проведенных вычислительных экспериментов позволяют отразить основные характерные моменты и специфику кинетики протекания как элементарных ФХП, так и технологических процессов в целом.

Следует отметить, что с помощью моделирования методом ВКА представляется возможным отследить влияние на кинетику протекания элементарных ФХП (и технологии в целом) ряда тонких эффектов, в частности, структурных нарушений точечного и линейного типа, имеющихся, как правило, в монокристаллах, широко используемых в электронной промышленности. Ряд примеров такого влияния структурных дефектов на специфику протекания технологических процессов представлен на рис. 3.18 На рисунке отражен процесс термического окисления кремния в условиях транспорта атомов кислорода из газовой фазы (по материалам дипломной работы студента СГАУ: Лачина М.А. (2009 г.)). Физический аспект подобного влияния состоит в том, что наличие дислокаций линейного типа существенно увеличивает интенсивность процесса транспорта атомов кислорода в объеме кремния. В результате этого в объеме кремния появляются нежелательные, достаточно протяженные, локальные области оксида кремния.

РАДИАЦИОННО-СТИМУЛИРОВАННАЯ АДСОРБЦИЯ	РАДИАЦИОННО-СТИМУЛИРОВАННАЯ ДЕСОРБЦИЯ
Вид полигона через 50 шагов.	Вид полигона в начальный момент
Вид полигона через 500 шагов.	Вид полигона через 100 шагов.
Вид полигона через 10000 шагов.	Вид полигона через 2000 шагов.
Цветовые обозначения: Чистая поверхность подложки -; Адсорбированная молекула – Химическое соединение типа «молекула-поверхность»

Рис. 3.12. Результаты вычислительных экспериментов № 1, 2.

ИНИЦИИРОВАННОЕ КЛАСТЕРООБРАЗОВАНИЕ	ИНИЦИИРОВАННОЕ ОБЪЕМНОЕ ЗАРОДЫШЕОБРАЗОВАНИЕ
Вид полигона через 50 шагов.	Вид полигона в через 10 шагов.
Вид полигона через 100 шагов.	Вид полигона через 50 шагов.
Вид полигона через 1000 шагов.	Вид полигона через 300 шагов.
Цветовые обозначения: Чистая поверхность подложки – Адсорбированная молекула – Химическое соединение типа «молекула-поверхность» - Молекула кластерообразования -	Цветовые обозначения: Чистая поверхность подложки – Адсорбированная молекула – Химическое соединение типа «молекула-поверхность» - Молекула инициатора -

Рис. 3.13. Результаты вычислительных экспериментов № 3, 4.

ТЕРМОДИФФУЗИОННЫЙ ХИМИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС (низкая температура)	ТЕРМОДИФФУЗИОННЫЙ ХИМИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС (высокая температура)
Вид полигона через 50 шагов.	Вид полигона в начальный момент.
Вид полигона через 200 шагов.	Вид полигона через 100 шагов.
Вид полигона через 1000 шагов.	Вид полигона через 1000 шагов.
Цветовые обозначения: Атом на поверхности подложки -; Атом химического покрытия – Атом инициатора реакции -; Соединение «инициатор-подложка» -

Рис. 3.14. Результаты вычислительных экспериментов № 5, 6.

ТЕРМОСТИМУЛИРОВАННОЕ ХИМИЧЕСКОЕ ТРАВЛЕНИЕ	ПОВЕРХНОСТНЫЙ КАТАЛИЗ (низкая температура)
Вид полигона через 50 шагов.	Вид полигона через 50 шагов.
Вид полигона через 200 шагов.	Вид полигона через 300 шагов.
Вид полигона через 1000 шагов.	Вид полигона через 1000 шагов.
Цветовые обозначения: Атом подложки -; Атом покрытия -; Атом хим. Активного вещества - Летучее химическое соединение-

Рис. 3.15. Результаты вычислительных экспериментов № 7, 8.

Структура полевого транзистора.	Распределение атомов примеси (p+)на глубине 0.4 мкм.
Распределение частиц на границе раздела «оксид– n – область».	Распределение атомов на границе раздела «металл– p + - область».
Распределение частиц на границе раздела «металл – оксид – n +».	Структура поверхности металла (алюминий).
Цветовые обозначения фрагментов структуры транзистора: Атом алюминия - -; Кремний, легированный примесью n – типа – Молекула оксида (SiO2) -; Легированный слой «p+» -.

Рис. 3.16. Моделирование технологических процессов

создания полевого транзистора

Требуемая наноструктура. (проект)	Установка реперных атомов на поверхности подложки.
Поверхностная концентрация атомов 50%. Вероятность адсорбции – 0.2.
Вид полигона через 500 шагов.	Вид полигона через 1200 шагов.
Поверхностная концентрация атомов 50%. Вероятность адсорбции – 0.5.
Вид полигона через 1200 шагов.	Вид полигона через 3000 нагов.
Цветовые обозначения: Атом подложки -; Реперный атом -; Атом рабочего вещества -.

Рис. 3.17. Моделирование технологических процессов атомной самосборки наноструктур

Концентрация дислокаций линейного типа – 0 %.
Вид полигона через 105 шагов.	Вид полигона через 107 шагов.
Концентрация дислокаций линейного типа – 5 %.
Вид полигона через 105 шагов.	Вид полигона через 107 шагов.
Концентрация дислокаций линейного типа – 10 %.
Вид полигона через 105 шагов.	Вид полигона через 107 шагов.

Рис. 3.18. Моделирование технологического процесса

термического окисления кремния

К несомненному достоинству всех представленных выше результатов компьютерного моделирования методом ВКА следует отнести их наглядность при графическом отображении конечных результатов моделирования (в особенности, когда атомы (молекулы) различного типа представлены в цветовой гамме). Также наглядно просматривается фактор влияния на технологические процессы различных проявлений флуктуационной природы. Последнее обстоятельство становится тем заметнее, чем:

· больше температура рабочих (технологических) сред, используемых для создания наноструктур;

· меньше энергия активации элементарных физико-химических процессов, протекающих в рабочих средах.

Самостоятельный интерес представляют достаточно удачные попытки моделирования режимов специфических технологических процессов, реализующих процесс атомной самосборки наноструктур (см. рис. 3.17). Реализация процесса моделирования методом ВКА процесса атомной самосборки предполагает проведение следующих этапов:

· выбор механизмов и физических параметров процесса адсорбции (десорбции) атомов рабочего вещества на поверхность подложки (из банка исходных данных программных средств);

· выбор механизмов и специфики процессов химического взаимодействия реперных атомов с атомами рабочего вещества (из банка исходных данных программных средств);

· расстановка на поверхности подложки достаточно ограниченного количества реперных атомов (места расположения реперных атомов должны отражать топологию реализуемой наноструктуры);

· транспорт (в импульсном или непрерывном режиме) атомов рабочего вещества на поверхность подложки, которые в дальнейшем формируют требуемую топологию наноструктуры в режиме атомной самосборки;

· двумерная поверхностная диффузия атомов рабочего вещества в плоскости поверхности подложки (по механизму термической активации процесса атомной миграции);

· химическое взаимодействие реперных атомов с атомами рабочего вещества (с целью образования устойчивых, относительно нежелательного процесса поверхностной миграции димеров, молекулярных комплексов);

· химическое взаимодействие образовавшихся молекулярных комплексов (димеров, тримеров и т.д.) с подходящими к ним атомами рабочего вещества;

· отображение полигона моделирования технологического процесса создания наноструктуры (с целью обеспечения наглядности конечных результатов желательно желательно использовать цветовую гамму для отображения каждого типа атома рабочих сред технологического процесса).

Важными аспектами такого принципа практической реализации технологии процесса атомной самосборки является обеспечение:

· высокой точности установки реперных атомов на поверхности подложки (например, с помощью известных методов, основанных на технике атомно-силовой микроскопии);

· избирательного характера химического взаимодействия реперных атомов с атомами рабочего вещества (желательно на протяженностях, достигающих нескольких межатомных расстояний).

Следует отметить, что промышленное освоение технологии атомной самосборки открывает широкие горизонты в направлении создания большого круга перспективных оригинальных функциональных устройств наноинженерии, и, прежде всего, квантовых вычислительных систем.

Заключение

В настоящее время просматривается две тенденции в направлении становления нанотехнологий:

1) Модернизация существующих методов традиционных микротехнологий, с целью повышения их разрешающей способности до уровня технических требований, предъявляемых к устройствам наноинженерии;

2). Разработка принципиально новых методов обработки материалов и конструирования технических устройств, основанных как на достижениях современной научно-технической практики, так и ряда смежных областей научного знания (биология, синергетика, супрамолекулярная химия и ряда других направлений).

По первому направлению развития нанотехнологий основные усилия сконцентрированы в области совершенствования распространенных в настоящее время планарных технологий, широко используемых при создании современных твердотельных устройств микроэлектроники, выполненной на полупроводниковой материальной базе. Здесь, в первую очередь, необходимо выделить устройства вычислительной техники, для которых в настоящее время при обработке конструкционных материалов уверенно (на промышленном уровне) достигнута (для ряда фрагментов гетероструктур) разрешающая способность порядка 0,05 – 0.1 мкм (50 – 100 нм).

Генеральным направлением на пути дальнейшего совершенствования озвученных выше микротехнологий (используемых в промышленных масштабах) является освоение рентгеновского диапазона электромагнитных волн при проведении литографических процессов. В более далекой перспективе речь идет об освоении еще более коротковолнового диапазона электромагнитных волн, генерируемых с помощью современных устройств ядерной техники (ускорителей). По этому поводу необходимо сделать следующие замечания практического характера:

• С одной стороны, использование столь коротких электромагнитных волн действительно способно обеспечить (по оптическим соображениям) существенное уменьшение локального объема обработки конструкционных материалов до уровня порядка 0.1 – 1 нм;

• С другой стороны, представляется достаточно проблематичным вопрос обеспечения избирательного характера при реализации элементарного ФХП необходимого типа. Это обстоятельство обусловлено чрезвычайно высоким энергетическим содержанием этих коротких волн (более: 10 – 10⁵ эВ) по сравнению с типичными значениями энергии активации элементарных ФХП (0.5 – 5 эВ), используемых в технологической практике.

В свете вышеизложенного, можно заключить, что перспектива становления нанотехнологий по пути модернизации современных микротехнологий представляется необходимой и целесообразной, когда речь идет о достижении разрешающей способности (при обработке конструкционных материалов и структур в целом) порядка нескольких нанометров.

Второе направление становления нанотехнологий (основанное на использовании новых принципов и методов обработки конструкционных материалов) просматривается лишь в контурном виде. Если принять во внимание тот факт, что глобальной целевой установкой развития наноинженерии является создание устройств атомно-молекулярного масштаба, то это обстоятельство предполагает адекватный подход к формированию требований к возможностям нанотехнологий. В этом случае сразу же следует признать, что известные методы обработки материалов, основанные (в той или иной мере) на макроскопических принципах, априори представляются непригодными для реализации оговоренной целевой установки.

Представляется очевидным, что промышленное освоение изделий атомно-молекулярного масштаба, предполагает адекватный переход к освоению таких технологических операций, которые способны обеспечить процесс манипулирования с индивидуальными атомами (молекулами) рабочих (технологических) сред. В этой связи возникает вопрос: не противоречит ли этот путь становления нанотехнологий известным ограничениям квантово-механического характера (имеется в виду соотношение неопределенностей Гейзенберга)? Сегодня, исходя из успешных попыток создания ряда структур с атомным уровнем разрешения, на этот вопрос можно ответить – не противоречит! Этот положительный, для перспектив развития нанотехнологий в целом, ответ вселяет известный оптимизм при рассмотрении вопроса о возможности промышленного освоения технологии атомной сборки изделий.

Важным аспектом в становлении технологии атомной сборки изделий является наличие в настоящее время достаточно развитых в теоретическом и экспериментальном плане методов и аппаратных средств атомно-силовых технологий, нашедших весьма широкое распространение в современной микроскопии наноразмерного разрешения. Фактор доступности для широкого круга исследователей научно-технического профиля упомянутых атомно-силовых технологий и аппаратных средств позволяет предположить, что первые лабораторные образцы функциональных устройств атомно-молекулярного масштаба могут появиться в ближайшей перспективе.

На сегодняшний день в качестве флагмана развития нанотехнологий выступает электронная промышленность. Заинтересованность этой отрасли в нанотехнологиях обусловлена тем обстоятельством, что использование этих технологий в практике создания вычислительных устройств позволит существенно повысить тактико-технические характеристики этих изделий, а именно:

· степень интеграции элементов в единице объема физических сред, реализующих вычислительные процессы (до уровня: 10¹⁶ – 10¹⁸ элемент/см³);

· быстродействие элементарных вычислительных операций путем сокращения протяженности элементов коммутации (в традиционных устройствах: до уровня: 10¹³ – 10¹⁵ операций/сек.) или использования эффектов квантового параллелизма (в квантовых компьютерах: до уровня: 10²⁰ операций/сек.);

· расширение спектра практических задач, решаемых методами вычислительного эксперимента.

Освоение нанотехнологий способствует не только уменьшению размеров известных технических устройств, а создает предпосылки к разработке ряда специфических устройств, близких по своему функциональному назначению и конструктивному исполнению к природным (биологическим) объектам (в случае микротехнологий о такой близости не приходилось говорить, ввиду существенного различия как технологических, так и функциональных принципов).

С этой позиции можно отметить, что нанотехнологии вызывают интерес у широкого круга специалистов различной отраслевой направленности, поскольку с их помощью представляется возможным «конструировать» на атомно-молекулярном уровне ряд новых прорывных изделий:

В медико-биологической отрасли:

· лекарственные средства, обладающие селективным механизмом взаимодействия с определенными органами человека и их транспортом, в соответствии со спецификой патологии;

· «биологические чипы», для целей мониторинга и диагностики состояния здоровья человека;

· «биологические нанороботы», для целей операбельного лечения болезней (выступающих в качестве альтернативы современной традиционной хирургии).

В химической и нефтехимической отрасли:

· устойчивые нанодисперсные среды (коллоиды, гели, золи) на органической и неорганической основе;

· молекулярные мембраны (атомно-молекулярное сито), для селективного разделения многокомпонентных сред;

· наноразмерные каталитические среды, для целей снижения энергоемкости и повышения эффективности современных химических производств и экологического назначения;

· искусственные атомно-молекулярные структуры, организованные по принципам супрамолекулярной химии.

В отрасли конструкционного материаловедения:

· нанокомпозитные конструкционные материалы, позволяющие на порядок повысить статическую и динамическую прочность элементов конструкций;

· порошковая металлургия на основе нанодисперсных металлических порошков, позволяющая существенно снизить трудо- и энергоемкость технологических процессов;

· адаптивное управление (на основании управляемой анизотропии материалов) прочностными параметрами элементов конструкций.

В отрасли информационно-измерительной техники:

· квантовые вычислительные среды основанные на принципах когерентной фазовой суперпозиции и перепутывания индивидуальных квантовых состояний;

· информационные сенсоры наноразмерного масштаба для весьма широкого круга технических параметров (производственно-технологической и эксплуатационной направленности);

· «технологические нанороботы», способные реализовать принципы технологии атомной сборки изделий (как альтернатива современных материало- и энергоемких технологических аппаратных средств).

Приведенный перечень направлений свидетельствует о чрезвычайно больших возможностях использования на практике нанотехнологий уже на современном этапе развития становления отрасли «Наноинженения».

Такая широта охвата объектов (потенциальных изделий) предполагает использование адекватных по своей универсальности методов анализа нанотехнологий и наноразмерных структур. Подобная постановка вопроса тем более уместна, если учесть тот факт, что традиционные (макроскопические) методы анализа весьма ограничены в своих возможностях, когда речь идет о нанотехнологиях и наноразмерных структурах.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: