بخشی از مقاله
چکیده
در سالهای اخیر، نانوسیمها به دلیل ویژگیهای جالب الکتریکی و مغناطیسی، مورد توجه زیادی قرار گرفتهاند.روشهای مختلفی برای ساخت نانوسیمها وجود دارد که یکی از آنها الکترونهشت جایگزیدهی ذرات به وسیله میکروسکوپ نیروی اتمی است .
در این مطالعه با استفاده از الگوریتم ورلهی سرعتی، معادلهی حرکت تعدادی یون در فضای بین نوک سوزن میکروسکوپ نیروی اتمی و سطح نمونه حل میشود و وابستگی دینامیک یونها، تحت تأثیر میدان ناشی از نوک کرهای شکل سوزن به عواملی مانند شعاع نوک سوزن، فاصلهی سوزن از نمونه، ثابت دیالکتریک سطح نمونه، جرم و بار یونها و ولتاژ بایاس بررسی میشوند.
مقدمه
رشد بسیاری از فازهای جدید با فرآیندهای الکتروشیمیایی اتفاق میافتد.یکی از انواع این فرآیندها الکترونهشت فلزات روی سطوح فلزی یا نیمه رسانا است.الکترونهشت به معنی رشد یک لایهی نازک روی زیرلایه است و با کاهش الکتروشیمیایی یونهای فلزی موجود در الکترولیت اتفاق میافتد.
کنترل ذرات توسط سوزن AFM با به وجود آوردن نیروی محرک جهت داری توسط نوک سوزن، ممکن میشود.اعمال اختلاف پتانسیل الکتریکی بین سوزن و الکترود پشت نمونه، میدان الکتریکی غیریکنواختی در این ناحیه ایجاد میکند. یونها تحت تأثیر این میدان رانده شده و به طور جایگزیده روی سطح جذب میشوند
بررسی جزئیات فرآیند نهشت الکتروشیمیایی کار دشواری است که با شبیه سازی دینامیک ملکولی، قابل اجرا است.
روشها و مدل
.1میدان الکتریکی بین سوزن و نمونه
به دلیل هندسهی پیچیدهی سوزن، روش تحلیلی دقیقی برای حل این مسئله وجود ندارد. در روش مورد
استفادهی ما نوک سوزن به صورت یک کره به شعاع R مدل شده است و از تأثیر سایر قسمت ها صرفنظر شده است.
در این روش سوزن و سطح نمونه با بارهای تصویری جایگزین شدهاند و این بارها به نحوی انتخاب شدهاند که تمام شرایط مرزی روی سطح سوزن و نمونه را برقرار کنند. با اضافه کردن سایر قسمتهای سوزن، میدان الکتریکی
متمرکزتری به وجود خواهد آمد.[3] به همین علت نانوسیم بدست آمده از این روش دارای حد پایین تیزی است. با مدل کردن سطح نمونه به صورت یک سطح نیمه متناهی همان طور که با جزئیات در [4] توضیح داده شده است، یک سری بار تصویری به دست خواهند آمد. شکل 1 مکان و مقدار این بارهای تصویری را برای یک سوزن به شعاع نوک R=20nm به فاصلهی s=R/4از سطح یک نمونهی رسانا یعنی =1 که = - . / + . است و به ولتاژ بایاس V=1v متصل است، را نشان میدهد.
مقدار بارهای تصویری خیلی سریع به صفر میل میکنند به همین دلیل نگه داشتن تعداد کمی از آنها برای محاسبهی میدان الکتریکی کافی است.
شکل :1 تغییر مقدار بارهای تصویری بر حسب فاصله از سطح نمونه
با داشتن بارهای تصویری و تابع گرین در این ناحیه میدان الکتریکی قابل محاسبه است. شکل 2 بردارهای میدان
الکتریکی را در شرایط مشابه شکل 1 ، نشان میدهد.
شکل .2بردارهای میدان الکتریکی بین سوزنی به شعاع R=20nm به فاصلهی s=R/4 nm از سطح نمونهی رسانای بایاس شده
.2دینامیک ملکولی
برای به دست آوردن مسیر حرکت ذرات تحت تأثیر میدان الکتریکی، از الگوریتم ورلهی سرعتی استفاده میکنیم و t را به نحوی انتخاب میکنیم که انرژی سیستم ذرات در طول شبیهسازی پایسته باشد :
نتایج و تحلیل
با تعیین مکان و سرعت اولیهی ذرات، میتوان مسیر حرکت ذرات را مشاهده کرد. در این شبیه سازی ذرات اولیه
روی نقاط شبکه ی دو بعدی xz مثبت قرار می گیرند - به علت تقارن استوانه ای از مولفه ی صرفنظر می کنیم - و سرعت اولیه ی آن ها در صورت وارد کردن دما، از تابع توزیع ماکسول-بولتزمن تعیین میشود.در شکل 3 مسیر حرکت تعدادی از ذرات با خطوط میدان الکتریکی مقایسه شده است. همان طور که مشاهده می شود، ذرات از خطوط میدان منحرف می شوند. در صورتی که محیط گرانروی داشته باشد، این انحراف کاهش پیدا می کند و یون ها به دلیل کاهش سرعت روی خطوط میدان حرکت میکنند و نانوسیم تیزتری حاصل میشود.
شکل:3مقایسهی مسیر حرکت ذرات و خطوط میدان الکتریکی
نتیجهی مورد علاقهی ما در این مطالعه این است که شکل جذب ذرات روی سطح، کاملا مشابه مولفهی عمودی میدان الکتریکی روی سطح الکترود است. شکل 4 این نتیجه را به خوبی نشان میدهد.
شکل:4مقایسهی نمودار جذب ذرات و میدان الکتریکی روی سطح
در شکل 5 تعداد ذرات جذب شده در هر بازه به مقدار ماکسیمم خود یعنی در r = 0 مقیاس و بر حسب Ez برای چند مقدار رسم شدهاند. رفتار تعداد ذرات نسبت به میدان تقریبا خطی است و مهمتر آن که شیب خطوط برازش شده به این دادهها مستقل از مقدار است.
شکل.5تعداد ذرات جذب شده در هر فاصلهی شعاعی بر حسب Ez
