Международным коллективом ученых из Института современной физики Китайской академии наук (IMP CAS) и Объединенного института ядерных исследований были изучены процессы наноструктурирования оксида вольфрама (WO3). Используя комбинированный экспериментальный и численный подход, физики представили новый метод формирования сквозных наноканалов в оксиде вольфрама при облучении быстрыми тяжелыми ионами. Этот метод может найти применение в создании новых материалов с уникальными оптическими и электронными свойствами для фотокатализа и полупроводниковой электроники.
Наноструктурирование представляет собой процесс создания материалов, в которых размеры структурных элементов определяются в наномасштабном диапазоне (до сотен нанометров). Современные технологии создания наноструктур обеспечивают возможность контролируемого формирования наноразмерных компонентов с заданной формой, размером и пространственным расположением. Благодаря этому наноструктурированные материалы могут обладать уникальными свойствами, такими как улучшенная механическая прочность, электро- и теплопроводность, оптические свойства и др.
Формирование сквозных наноканалов в различных материалах является одним из важнейших аспектов наноструктурирования. Традиционно для этой цели используется облучение сфокусированным ионным или электронным пучком. Сфокусированный ионный пучок позволяет формировать отдельные единичные отверстия заданного размера и расположения, однако скорость формирования пор невелика и такой подход ограничивает процессы массового производства нанопористых материалов. Технологии, основанные на облучении электронными пучками, в свою очередь, обладают большей производительностью, но ограничены в возможностях контроля размеров и плотности наноканалов. Поэтому существует острая потребность в развитии и разработке новых методов, которые обеспечивали бы эффективное создание наноканалов с определенными заданными свойствами.
Сегодня одним из перспективных методов создания наноструктурных материалов является облучение быстрыми тяжелыми ионами. Данная технология активно используется для получения трековых мембран или «ядерных фильтров» с высокой селективностью, управления критическими параметрами высокотемпературных сверхпроводящих керамик, создания проводящих каналов в слоистых структурах и формирования квантовых точек.
На базе Центра по изучению тяжелых ионов (HIRFL) в городе Ланьчжоу (Китай) на ускорителях тяжелых ионов высоких энергий ученые проводили облучение пленок WO3 ионами аргона, криптона, ксенона и тантала с энергиями от нескольких сотен мегаэлектронвольт до нескольких гигаэлектронвольт. В ходе экспериментов было обнаружено, что облучение оксида вольфрама приводит к формированию сквозных цилиндрических нанопор с тонкой аморфной оболочкой.
За счет изменения энергии ионов китайские специалисты смогли контролировать диаметр образованных наноканалов в диапазоне от 1,8 до 7,4 нм с довольно высокой точностью. При этом, в случае облучения ионами ксенона и тантала, показатель эффективности генерации пор составил почти 100%. Также ими была определена критическая толщина образца — около 120 нм. При такой толщине наблюдается образование сквозных наноканалов, что является одним из ключевых факторов, определяющих возможность производства наномембран с помощью облучения.
«Сектор ионно-имплантационных нанотехнологий и радиационного материаловедения Лаборатории ядерных реакций (ЛЯР) ОИЯИ работает над исследованием радиационных эффектов быстрых ионов в твердых телах. Если специалисты из Института современной физики Китайской академии наук в основном занимаются созданием в материале новых наноструктур при помощи облучения — наноструктурированием, то меня, как человека, занимающегося моделированием радиационных эффектов, интересует весь спектр задач», — рассказал старший научный сотрудник сектора ионно-имплантационных нанотехнологий и радиационного материаловедения ЛЯР ОИЯИ Руслан Рымжанов.
С помощью молекулярно-динамического моделирования, которое проводил ученый Объединенного института, в рамках исследования были описаны кинетика и механизмы формирования нанопор в оксиде вольфрама. В результате работы были рассчитаны ключевые параметры для формирования сквозных наноканалов: вязкость (0.55 ± 0.01 мПа·с) и поверхностное натяжение (91.5 ± 8.1 мН/м) расплава WO3. Исходя из аналитического сравнения этих параметров со свойствами других материалов, предполагается, что данный диапазон их значений способствует более быстрому движению расплава по наноканалу и более резкому выбросу его с поверхности на начальных этапах формирования наноструктур, приводя, таким образом, к образованию сквозных отверстий.
Для выполнения всего комплекса вычислительных работ использовались мощности суперкомпьютера «Говорун» на базе гетерогенной платформы HybriLIT Лаборатории информационных технологий ОИЯИ, вычислительного кластера НИЦ «Курчатовский институт» и кластера на базе суперкомпьютера «Ломоносов-2» в НИВЦ МГУ.
Молекулярно-динамическое моделирование проводилось с использованием оригинального мультимасштабного подхода, разработанного международной научной группой. Помимо специалистов ОИЯИ в нее входят представители Физического института им. П. Н. Лебедева Российской академии наук (ФИАН), «Курчатовского института» и Института физики плазмы Чешской академии наук (IPP). В рамках научной деятельности группы была разработана новая Монте-Карло модель, которая способна описывать процессы взаимодействия быстрых тяжелых ионов с твердыми телами. В частности, она может дать представление о том, как именно происходят процессы ионизации, как в дальнейшем будет эволюционировать возбужденная электронная подсистема, и как энергия передается в атомную подсистему. Результаты расчетов с помощью разработанной модели используются в качестве начальных данных для метода молекулярной динамики.
Как объяснил научный сотрудник ЛЯР ОИЯИ, интерес ученых к применению ионизирующего излучения для наноструктурирования сегодня является вполне оправданным. Облучение тяжелыми ионами высоких энергий обычно создает однородно распределенные нанопоры примерно одинакового размера, что является важным фактором для разработки фильтрующих материалов и устройств. Также, например, за счет облучения слоистых наноструктур тяжелыми ионами становится возможным создание в них особых наноразмерных областей — квантовых точек.
Данная научная работа представляет собой только один из этапов исследований в области физики тяжелых ионов. Учеными уже были изучены эффекты в массивных образцах, на поверхностях материалов и в тонких пленках вещества. Следующим этапом развития работ станет изучение эффектов тяжелых ионов в нанокомпозитах — комплексных материалах, состоящих из нескольких соединений. Новые исследования планируется также посвятить слоистым наноструктурам, которые включают в себя полупроводники, металлы и другие структуры. Результаты такой работы могут быть использованы для совершенствования и модернизации методов наноструктурирования при производстве электронных устройств.
Поры, образованные при облучении ионами Xe с энергией 533 МэВ