Dinâmica molecular e peridynamics aplicadas a nanotecnologia. Um estudo sobre filmes finos e ...

139 Pages·2013·11.08 MB·Portuguese

Zenner Silva Pereira
Din(cid:226)mica molecular e peridynamics aplicadas a
nanotecnologia. Um estudo sobre (cid:28)lmes (cid:28)nos e nano(cid:28)os
metÆlicos
Campinas-2013
i
ii

Ficha catalográfica
Universidade Estadual de Campinas
Biblioteca do Instituto de Física Gleb Wataghin
Valkíria Succi Vicente - CRB 8/5398

Pereira, Zenner Silva, 1980-
P414d Dinâmica molecular e peridynamics aplicadas a nanotecnologia :
um estudo sobre filmes finos e nanofios metálicos / Zenner Silva
Pereira. -- Campinas, SP : [s.n.], 2013.

Orientador: Edison Zacarias da Silva.
Tese (doutorado) – Universidade Estadual de Campinas,
Instituto de Física “Gleb Wataghin”.

1. Dinâmica molecular. 2. Filmes finos. 3. Nanofios.
4. Peridinâmica. 5. Multiescala. I. Silva, Edison Zacarias da, 1952-
II. Universidade Estadual de Campinas. Instituto de Física “Gleb
Wataghin”. III. Título.

Informações para Biblioteca Digital

Título em inglês: Molecular dynamics and peridynamics applied to nanotechnology : a
study of thin films and metallic nanowires
Palavras-chave em inglês:
Molecular dynamics
Thin films
Nanowires
Peridynamics
Multiscale
Área de Concentração: Física
Titulação: Doutor em Ciências
Banca Examinadora:
Edison Zacarias da Silva [Orientador]
Edgar Pacheco Moreira Amorim
Caetano Rodrigues Miranda
Silvio Antonio Sachetto Vitiello
Alex Antonelli
Data da Defesa: 11-10-2013
Programa de Pós-Graduação em: Física

iv

vi
Resumo
Nas œltimas dØcadas uma gera(cid:231)ªo de nanodispositivos foi desenvolvida. Este dispositivos
nanoeletr(cid:244)nicos sªo fabricados por novas tØcnicas fundamentadas em f(cid:237)sica, qu(cid:237)mica e en-
genharia. Muitos desses nanomateriais tem suas propriedades f(cid:237)sicas alteradas pelo efeito de
tamanho, por causa desses novos efeitos Ø importante entender como estes dispositivos trabal-
ham propriamente a (cid:28)m de encontrarmos formas de obter novas aplica(cid:231)ıes baseadas nestes
novos efeitos.
Nano(cid:28)os metÆlicos estªo sendo largamente estudados tanto teoricamente como experimen-
talmente. Recentemente uma nova possibilidade de soldagem foi mostrada experimentalmente
entre nano(cid:28)os de ouro em temperatura ambiente, sem necessidade de aplica(cid:231)ªo de calor adi-
cional e com baixa pressªo, chamada de solda fria (cold welding). Usando Din(cid:226)mica Molecular
(MD) com potenciais efetivos, n(cid:243)s simulamos o processo de soldagem fria em nano(cid:28)os de ouro,
prata e ouro-prata com di(cid:226)metros de 4.3 nm em 300 K. N(cid:243)s mostramos que a soldagem fria Ø
um processo poss(cid:237)vel atØ mesmo quando os nano(cid:28)os sofrem fortes deforma(cid:231)ıes e defeitos antes
do processo de soldagem. Durante o processo de soldagem os nano(cid:28)os resultaram com poucos
defeitos. Pequenas pressıes foram necessÆrias para que a soldagem fosse atingida.
N(cid:243)s tambØm realizamos cÆlculos de Din(cid:226)mica Molecular com embedded-atom-method para
modelar o crescimento de (cid:28)lmes-(cid:28)nos de palÆdio depositados em um substrato de ouro para
um sistema de aproximadamente 100 mil Ætomos. N(cid:243)s mostramos que o (cid:28)lme-(cid:28)no de palÆdio
cresceu sob stress sobre o substrato de ouro. Ap(cid:243)s a deposi(cid:231)ªo de 9 monocamadas o stress
armazenado no (cid:28)lme de palÆdio relaxou formando defeitos na estrutura do cristal. Defeitos do
tipo falhas de empilhamento surgiram no (cid:28)lme de palÆdio formando um padrªo de deforma(cid:231)ªo
no mesmo. Para quanti(cid:28)car o stress n(cid:243)s tambØm calculamos a evolu(cid:231)ªo do tensor de stress
durante o crescimento.
Existem fen(cid:244)menos f(cid:237)sicos como fraturas em materiais que sªo caracterizados pela que-
bra das liga(cid:231)ıes at(cid:244)micas que levam a efeitos macrosc(cid:243)picos. Para estudarmos este tipo de
problema, n(cid:243)s desenvolvemos um c(cid:243)digo inicial que acopla Din(cid:226)mica Molecular com Peridy-
vii
namics(PD)(umarecenteteoriadecont(cid:237)nuo). AideiabÆsicaparaacoplarDin(cid:226)micaMolecular
e Peridynamics estÆ baseada no teorema de Schwarz. Este teorema fornece uma maneira de
resolver equa(cid:231)ıes diferenciais em diferentes subdom(cid:237)nios conectados por uma interface. O
acoplamento Ø feito trocando condi(cid:231)ıes de contorno entre subdom(cid:237)nios conectados por esta
interface. A parte mais dif(cid:237)cil deste acoplamento encontra-se em tratar os dados com ru(cid:237)dos
oriundos da Din(cid:226)mica Molecular e passÆ-los para a Peridynamics. Para isto n(cid:243)s usamos uma
interpola(cid:231)ªo estat(cid:237)stica chamada interpola(cid:231)ªo de Kriging. Desta forma n(cid:243)s pudemos alcan(cid:231)ar
um acoplamento entre MD e PD.
viii
Abstract
Over the last decades a new generation of nanoeletronic devices have been developed.
These nanoeletronic devices have been made by new techniques based on physics, chemistry
and engineering. Many of these nanomaterials have shown changes in their physical properties
and therefore, it is very important to understand how they work properly in order to (cid:28)nd ways
to obtain new applications supported by these new e(cid:27)ects.
Metallic nanowires have been largely studied theoretical and experimentally. Recently a
new possibility of welding was experimentally shown in the case of gold and silver nanowires
(NWs) at ambient temperatures, without need of additional heat and with low pressures,
called cold welding. Using molecular dynamics with e(cid:27)ective potentials, we simulated cold
welding of gold, silver, and silver-gold NWs with diameters of 4.3 nm at 300 K. We show the
cold welding is a possible process in metal NWs and that these welded NWs, even after losing
their crystalline structure after breaking, can reconstruct their face-centered-cubic structure
during the welding process with the result of very few defects in the (cid:28)nal cold welded NWs.
The stress tensor shows a low average value during welding with oscillations indicating tension
and relaxation stages. Small pressures are required for the process to occur, resulting in a
fairly perfect crystal structure for the (cid:28)nal NW after being broken and welded.
We have also performed Molecular Dynamics calculations with embedded-atom-method to
model the growth of a Pd thin (cid:28)lm deposited on Au(100) for a system with approximately
100,000 atoms. We showed that the Pd (cid:28)lm grew under stress on the Au substrate. After
the deposition of 9 monolayers, the stress stored in the Pd (cid:28)lm relaxed with the formation of
defects, stacking faults in the structure of Pd forming a pattern of deformation in the (cid:28)lm. To
quantitatively access the defect formation we also measured the stress tensor evolution during
growth.
There are physical phenomena like brittle fracture that is characterized by breaking of
atomic bonds leading to macroscopic e(cid:27)ects. In order to study this kind of problems, we
developed the initial programming code that couples molecular dynamics (MD) and Peridy-
ix
namics (PD) (a new model to continuum). The basic idea to coupling Molecular Dynamics
and Peridynamics is based on a mathematical theorem that is known as Schwarz theorem. It
gives a way to solve di(cid:27)erential equations in di(cid:27)erent subdomains that are connected by an
interface (overlap). The coupling is made by exchanging boundary conditions through of the
interface between subdomains. The hardest part is to treat noise molecular dynamics data
and after that to pass those data to continuum theories. In order to pass data from MD to
Peridynamics we have used a statistical interpolation called Kriging interpolation. This way
we can achieve an algorithm to coupling DM with PD.
x