Размерный эффект в зависимости упругих характеристик тонких медных пленок от толщины

Abstract

Longitudinal elastic deformations of free copper films and thin copper films formed on a substrate surface are studied by the methods of classical molecular dynamics. Dependence of the elastic properties of copper films on the thickness and method of film formation was found. The critical values of the longitudinal stresses on the rapture and the limiting values of the elastic deformations at which irreversible defects in the atomic structure appear in the film are determined. The transitions from the elastic region to the plasticity region of films as a function of thickness were determined for both types of films. The critical stresses are calculated for the destruction of the surface of the film. The data obtained can be used for further investigation of the properties of surface nanoscale structures, studying the effect of deformations of films on their quantum absorbing and conducting properties, as well as the properties of nano-dimensional circuits and devices formed on their surface.

• Copper nanofilms
• molecular dynamics
• Young''s modulus

Аннотация (на русском)

Размерный эффект в зависимости упругих характеристик тонких медных пленок от толщины

Методами классической молекулярной динамики исследованы продольные упругие деформации свободных медных пленок и тонких медных пленок, сформированных на поверхности подложки. Обнаружена зависимость упругих свойств медных пленок от толщины и способа формирования пленки. Определены критические значения продольных напряжений и предельные значения упругих деформаций, при которых в пленке возникают необратимые нарушения атомной структуры. Для свободных пленок и пленок на подложках определен момент перехода из области упругости в область пластичности в зависимости от толщины. Рассчитаны критические напряжения, при которых происходит разрушение поверхностного слоя пленки. Полученные данные могут быть использованы для дальнейшего исследования свойств поверхностных наноразмерных структур, изучения влияния деформаций ультратонких металлических пленок на их поглощающие и проводящие свойства, а также на свойства сформированных на их поверхности наноразмерных схем и устройств.

For citation

References

1. Parkin S.P., Hayashi M., Thomas L. Magnetic domain-wall racetrack memory. Science. 2008. Vol. 320. No. 5873, P. 190-194. DOI https://doi.org/10.1126/science.1145799
2. Tsysar K. M., Kolesnikov S. V., Sitnikov I. I., Saletsky A. M., Ab initio investigation of supported Au-Mn nanowires, Modern Physics Letters B 2017 Vol. 31, P.1750142 DOI https://doi.org/10.1142/S0217984917501421.
3. Liu M., Han Y., Tang L., Jia J.-F. et al. Interplay between quantum size effect and strain effect on growth of nanoscale metal thin films. Physical Review B. 2012. Vol. 86. No.12. P. 125427. DOI https://doi.org/10.1103/PhysRevB.86.125427
4. Rubio G., Agrait N., Vieira S. Atomic-Sized Metallic Contacts: Mechanical Properties and Electronic Transport. Phys. Rev. Lett. 1996. Vol. 76. P. 2302-2305. DOI https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.76.2302
5. C. Untiedt, Rubio G., Vieira S., Agrait N. Fabrication and characterization of metallic nanowires. Phys. Rev. B. 1997. Vol. 56. P. 2154-2160. DOI https://doi.org/10.1103/PhysRevB.56.2154
6. Subramanian S. K. R. S., Bhethanabotla V. R., and Joseph B. Molecular dynamics simulation of temperature and strain rate effects on the elastic properties of bimetallic Pd-Pt nanowires. Phys. Rev. B. 2007. Vol. 76. P. 134117. DOI https://doi.org/10.1103/PhysRevB.76.134117
7. Smelova E.M., Sitnikov I.I., Zelensky V.S., Tsysar K.M., Andreev V.G., Vdovin V.A., Saletsky A.M. Mechanical properties of bimetallic one-dimensional structures. Proc. SPIE 10224, International Conference on Micro- and Nano-Electronics 2016, 1022406. DOI http://dx.doi.org/10.1117/12.2267129
8. Morozov, I. V.; Kazennov, A. M.; Bystryi, R. G.; Norman, G. E.; Pisarev, V. V.; Stegailov, V. V. Molecular dynamics simulations of the relaxation processes in the condensed matter on GPUs. Computer Physics Communications. V. 182. P. 1974-1978. DOI 10.1016/j.cpc.2010.12.026
9. Plimpton S. Fast parallel algorithms for short-range molecular dynamics. J. Comput. Phys. 1995. Vol. 117. P.1-19. DOI https://doi.org/10.1006/jcph.1995.1039
10. Zhou X.W., Murdick D.A., Gillespie B., Wadley H.N.G. Atomic assembly during GaN film growth: Molecular dynamics simulations. Phys. Rev. B. 2006. Vol. 73. P. 045337. DOI https://doi.org/10.1103/PhysRevB.73.045337
11. Nord J., Albe K., Erhart P., Nordlund K. Modelling of compound semiconductors: analytical bond-order potential for gallium, nitrogen and gallium nitride. J. Phys. Condens. Matter. 2003. Vol. 15. P. 5649. DOI: 10.1088/0953-8984/15/32/324
12. Zhou A., Xiu X.Q., Zhang R., Xie Z.L., Hua X.M., Liu B., Han P., Gu S.L., Shi Y., Zheng, Y.D. Roles of V/III ratio and mixture degree in GaN growth: CFD and MD simulation study. Chin. Phys. B. 2013. Vol. 22. P. 017801. DOI https://doi.org/10.1088/1674-1056/22/1/017801
13. Stepanyuk V.S., Bruno P., Klavsyuk A.L., Baranov A.N., Hergert W., Saletsky A.M. Structure and electronic states in Cu nanocontacts. Surface Science. 2004. Vol. 566-568, P. 944-948. DOI https://doi.org/10.1016/j.susc.2004.06.032
14. Физические величины. Справочник под. ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова. М. Энергоатомиздат, 1991, 1232 с.
15. Bukreeva K.A., Babicheva R.I., Dmitriev S.V., Mulyukov R.R., Zhou K. Negative stiffness of the FeAl intermetallic nanofilm. Physics of the Solid State. 2013. Т. 55. №9. С. 1963-1967. DOI https://doi.org/10.1134/S1063783413090072
16. N. Amigo et al. Atomistic simulation of single crystal copper nanowires under tensile stress: Influence of silver impurities in the emission of dislocations. Computational Materials Science. 2014. Vol. 87. P. 76-82. DOI https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2014.02.014
17. Puksik, N. et al. A comparison of the uniaxial deformation of copper and nickel (1 1 19) surfaces: a molecular dynamics study. Sci. Rep. 2017. Vol. 7. P. 42234. DOI 10.1038/srep42234