DEPOSITION OF FULLERITES C60 ON A SOLID SUBSTRATE TO FORM A FILM

Abstract


The use of C60 fullerites to create films on the surface of a solid substrate can be used not only to create coatings, but also to modify the surface layer of the substrate, which from a practical point of view can be in demand in such sectors of the economy as machine and instrument engineering. To analyze the process of formation of fullerite films on the substrate surface, a computer experiment was carried out, but the behavior of not a single fullerite or fullerene, as it was implemented in previous works of the authors, but a significant number of C60 fullerites deposited in the modeling area over a certain time interval and forming a "flow" was modeled. The substrate of the solid was an iron crystal Fe(100). The substrate temperature in the study was kept constant at the following values – 300 K, 700 K, 1150 K. The initial parameters of each individual fullerite were determined stochastically within the specified limits. The software package used to conduct the described computer experiment was – LAMMPS. The interaction of the atoms of the system with each other, during the simulation, was determined by the multiparticle potential (MEAM is a modified submerged atom method). The main result of the conducted computer experiment is that it was possible to simulate the deposition of C60 fullerites with the formation of a film on a solid substrate. The main regularities of the interaction of fullerite as a whole and fullerenes forming it, both with the substrate and with other fullerites forming the film, were revealed. And the analysis of changes in temperature and potential energy of the system, both during the deposition of fullerites and after its completion, allows us to talk about the stability of the resulting fullerite – substrate system.

Full Text

Работы [1–14] отражают тот факт, что все шире в практике различных отраслей экономики используются как отдельные фуллерены и соединения, так и фуллери-ты. Натурные эксперименты и на данный момент остаются главными объективными способами исследо-вания тех или иных физических явлений, эффектов и свойств, в том числе и у таких объектов, как фуллерены и фуллериты, однако развитие компьютерной техники и аппарата вычислительной математики позволяет про-водить компьютерное моделирование поведения фул-леренов и фуллеритов в различных условиях. Ввиду наноразмеров фуллеренов и фуллеритов моделирова-ние их поведения ведется с использованием методов молекулярной динамики [15–17]. В работах [18; 19] последовательно моделирова-лось осаждение единичного фуллерита C60 с подложкой железа при различных условиях – температура под-ложки, скорость движения фуллерита, ориентация фул-лерита относительно подложки и угла «встречи». Ори-ентация фуллерита относительно подложки имела три варианта: вершина, ребро и грань [18]. В статье [19] также рассматривались три варианта угла «встречи» фуллерита с подложкой – 15, 45, 75°. Исследования, приведенные в статьях [18; 19], поз-волили выявить основные закономерности процесса осаждения единичного фуллерита на подложку железа Fe(100). Однако эти результаты не позволяют сделать выводы о том, как будет осаждаться скопление фуллеритов, образующих «поток». Исследовался процесс осаждения на подложку «по-тока» фуллеритов, в котором параметры отдельно-го фуллерита C60 определялись стохастическим образом.

About the authors

S. V. Suvorov

UdmFRC UB RAS

A. V. Vakhrushev

UdmFRC UB RAS

References

  1. Ruoff R.S., Ruoff A.L. Is C60 stiffer than diamond // Nature. – 1991. – Vol. 350 – Р. 663–664.
  2. Ultrahard and superhard phases of fullerite C60: comparison with diamond on hardness and wear / V. Blank, M. Popov, G. Pivovarov, N. Lvova, K. Gogolinsky, V. Reshetov // Diamond and Related Materials. – 1998. – Vol. 7, no. 2–5. – P. 427–431. doi: 10.1016/S0925-9635(97)00232-X
  3. Кравчук А.С., Трубиенко О.О. Модели и численное решение некоторых динамических контактных задач наноме- ханики // Вестн. Перм. гос. техн. ун-та. Математическое моде- лирование систем и процессов. – 2010. – № 1. – С. 72–79.
  4. Лурье С.А., Соляев Ю.О. Модифицированный метод Эшелби в задаче определения эффективных свойств со сфери- ческими микро- и нановключениями // Вестн. Перм. гос. техн. ун-та. Математическое моделирование систем и процессов. – 2010. – № 1. – С. 80–90.
  5. Coarse-grained potential models for phenyl-based molecules: II. Application to fullerenes / C. Chiu, R. DeVane, M.L. Klein, W. Shinoda, P.B. Moore, S.O. Nielsen // J. Phys. Chem. B. – 2010. – Vol. 114. – No. 2. – P. 6394–6400.
  6. Баран Л.В. Эволюция структуры фуллеритовых пленок, конденсированных на различные подложки // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. – 2010. – № 9. – С. 84–88.
  7. Смирнов С.В., Смирнова Е.О., Голубкова И.А. Опреде- ление диаграмм деформационного упрочнения поверхностных слоев металлических материалов с использованием инстру- ментария наномеханических испытательных комплексов // Вестник Пермского национального исследовательского поли- технического университета. Механика. – 2011. – № 2. – С. 84–91.
  8. Деформационная стабильность фуллерит/фуллеренов C60/70 / Р.М. Никонова [и др.] // Химическая физика и мезо- скопия. – 2011. – Т. 13, № 3. – С. 406–410.
  9. Гаришин О.К., Лебедев С.Н. Оценка механических свойств матрицы вокруг частиц наполнителя в полимерных нанокомпозитах с помощью атомно-силовой микроскопии // Вестник Пермского национального исследовательского поли- технического университета. Механика. – 2011. – № 3. – С. 15–25.
  10. Композит на основе диоксида циркония, модифициро- ванного углеродными нанотрубками: структура и механиче- ские свойства / Е.А. Ляпунова, М.В. Григорьев, А.П. Скачков, О.Б. Наймарк, С.Н. Кульков // Вестник Пермского националь- ного исследовательского политехнического университета. Механика. – 2015. – № 4. – С. 308–316. doi: 10.15593/perm.mech/2015.4.18
  11. Об учете масштабных эффектов при моделировании механических и трибологических свойств двухфазных микро- и наномодифицированных полимерных покрытий / В.М. Буз- ник, С.А. Лурье, Д.Б. Волков-Богородский, А.Г. Князева, Ю.О. Соляев, Е.И. Попова // Вестник Пермского националь- ного исследовательского политехнического университета. Механика. – 2015. – № 4. – С. 36–54. doi: 10.15593/perm.mech/2015.4.03
  12. Mahmoud Nasrollahzadeh, S. Mohammand Sajadi Chapter 1 – an introduction to nanotechnology // Interface science and Technology. – 2019. – Vol. 28. – Р. 1–27.
  13. M. Mohan Gokhale, R. Ravindra Somani Fullerenes: chemistry and its applications // Mini Rev Org Chem. – 2015. – Vol.12. – P. 355–366.
  14. Елецкий А.В., Смирнов Б.М. Фуллерены и структуры углерода // Успехи физических наук. – 1995. – Т. 165, № 9. – С. 977–1009.
  15. Depth profiling by cluster projectiles as seen by computer simulations / Z. Postawa, L. Rzeznik, R. Paruch, M.F. Russo, N. Winogradb, B.J. Garrison // Surf. Interface Anal. – 2011. – Vol. 43, no. 12. – P. 12–15. doi: 10.1002/sia.3417
  16. Вахрушев А.В., Суворов С.В. Моделирование процес- са внедрения фуллерена C60 в поверхность твердого тела // Химическая физика и мезоскопия. – 2011. – Т. 13, № 4. – С. 478–482.
  17. Вахрушев А.В., Суворов С.В., Северюхин А.В. Моде- лирование поведения фуллеренового кластера на поверхности твердого тела // Химическая физика и мезоскопия. – 2013. – Т. 15, № 4. – С. 515–522.
  18. Суворов C.В., Северюхин А.В., Вахрушев А.В. Моде- лирование взаимодействия фуллерита C60 с подложкой твер- дого тела // Вестник Пермского национального исследова- тельского политехнического университета. Механика. – 2019. – № 3. – С. 94–103. doi: 10.15593/perm.mech/2019.3.10
  19. Суворов C.В., Северюхин А.В., Вахрушев А.В. Влия- ние угла «встречи» фуллерита C60 с подложкой твердого тела на процесс осаждения // Вестник Пермского нацио- нального исследовательского политехнического университета. Механика. – 2020. – № 3. – С. 90–97. doi: 10.15593/perm.mech/2020.3.09
  20. Киттель Ч. Введение в физику твердого тела. – М.: Наука, 1978. – 789 с.
  21. Шайтан К.В., Терешкина К.Б. Молекулярная динами- ка белков и пептидов. – М.: Ойкос, 2004. – 103 с.
  22. Разработка и исследование аэрозольных нанотехноло- гий / В.Н. Аликин [и др.]. – М.: Машиностроение, 2010. – 196 с.
  23. Anderson H.S. Molecular dynamics simulation at constant pressure and/or temperature // J. Chem. Phys. – 1980. – Vol. 72 – Р. 2384–2396.
  24. Frenkel D., Smit B., Understanding molecular simulation: from algorithms to applications. – San Diego: Academic Press, 2002. – 638 p.
  25. Haile M.J. Molecular Dynamics Simulation – Elementary Methods. – N.Y.: Wiley-Interscience, 1992. – 386 p.
  26. Nose S. A molecular dynamics methods for simulation in the canonical ensemble // Mol. Phys. – 1984. – Vol. 52. – P. 255–278.
  27. Plimpton S. Fast Parallel Algorithms for Short-Range Molecular Dynamics // J. Comp. Phys. – 1995. – Vol. 117. – P. 1–19.
  28. Parallel reactive molecular dynamics: Numerical methods and algorithmic techniques / H.M. Aktulga, J.C. Fogarty, S.A. Pandit, A.Y. Grama // Parallel Computing. – 2012. – Vol. 38, no. 4. – P. 245–259. doi: 10.1016/j.parco.2011.08.005
  29. Large-Scale, Long-Term Nonadiabatic Electron Molecular Dynamics for Describing Material Properties and Phenomena in Extreme Environments / A. Jaramillo-Botero, J. Su, A. Qi, W.A. Goddard III // J. Comp. Chem. – 2012. – Vol. 32, no. 3. – P. 497–512. doi: 10.1002/jcc.21637
  30. Mesoscale Hydrodynamics via Stochastic Rotation Dynamics: Comparison with Lennard-Jones Fluid / M.K. Petersen, J.B.Lechman, S.J. Plimpton, G.S. Grest, P.J. in't Veld, P.R. Schunk // J. Chem. Phys. – 2010. – Vol. 132, no. 17. – P. 174106. doi: 10.1063/1.3419070
  31. An enhanced entangled polymer model for dissipative particle dynamics / T. Sirk, Y. Sliozberg, J. Brennan, M. Lisal, J. Andzelm // J. Phys. Chem. – 2012. – Vol. 136, no. 13. – P. 134903. doi: 10.1063/1.3698476
  32. Sirk T.W., Moore S., Brown E.F. Characteristics of thermal conductivity in classical water models // J. Phys. Chem. – 2013. – Vol. 138, no. 6. – P. 064505. doi: 10.1063/1.4789961
  33. Plimpton S.J., Thompson A.P. Computational Aspects of Many-body Potentials // MRS Bulletin. – 2012. – Vol. 37, no. 5. – P. 513–521. doi: 10.1557/mrs.2012.96
  34. Kong L.T. Phonon dispersion measured directly from molecular dynamics simulations // Comp. Phys. Comm. – 2011. – Vol. 182. – P. 2201–2207.
  35. Byeong-Joo Lee A modified embedded-atom method interatomic potential for the Fe–C system // Acta Materialia. – 2006. – Vol. 54(3). – P. 701–711. doi: 10.1016/j.actamat.2005.09.034
  36. Исследование свойств пленок фуллеренов, осажден- ных с высокой кинетической энергией, на различных поверх- ностях / М.А. Ходорковский, С.В. Мурашов, А.Л. Шахмин, Т.О. Артамонова, Л.П. Ракчеева, А.С. Мельников // Журнал технической физики. – 2006. – Т. 76, № 7. – С. 140–142.

Statistics

Views

Abstract - 86

PDF (Russian) - 62

Cited-By


PlumX


Copyright (c) 2023 Suvorov S.V., Vakhrushev A.V.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies