Počítačové studium růstu tenkých kovových a kompozitních vrstev a transportu náboje v nich

Vedoucí: Prof. RNDr. Rudolf Hrach, DrSc.
Stav práce: volná

Anotace:

Tenké kovové vrstvy připravované na dielektrických podložkách jsou v počátečních fázích růstu tvořené izolovanými objekty. Kompozitní vrstvy struktury kov-dielektrikum jsou tvořeny kovovými zrny umístěnými v dielektrické matrici. Vlastnosti takových tenkovrstvových systémů velmi silně závisejí na koncentraci kovové složky – pro malé koncentrace jsou kovové objekty od sebe zcela izolovány a vrstva má dielektrický charakter, naopak pro velké koncentrace kovové složky se jedná o kovovou vrstvu s dielektrickými oblastmi. Fyzikálně mimořádně zajímavá a i prakticky dobře aplikovatelná je přechodová oblast, kdy se původně izolovaná zrna k sobě přibližují a je možný přenos náboje mezi nimi.

Pro studium procesů nukleace a růstu kovových objektů je velmi vhodné používat kombinaci počítačového modelování a počítačové analýzy experimentálních dat. Vhodné metody počítačové fyziky jsou: metoda molekulární dynamiky pro fázi nukleace, metoda Monte Carlo pro fázi růstu a slévání objektů a metody založené na teorii matematické morfologie a na fourierovské optice pro analýzu obrazu.

Mechanismem přenosu náboje je nejprve tunelový jev a při dalším zvýšení koncentrace kovové složky v kompozitu i přímá ohmická vodivost. Tato oblast se nazývá přechod dielektrikum-kov nebo také perkolační práh a k jejímu studiu lze využít teorii perkolace.

V poslední době se v praxi začíná uplatňovat tzv. pulzní deposice vrstev, která přináší další možnosti ovlivňování vlastností vytvářených tenkovrstvových struktur v průběhu jejich přípravy. I pro studium těchto procesů je velmi vhodná metodika částicového modelování.

Obr. 1: Modely počátečních fází růstu tenkých kovových vrstev. Vlevo – pomocí metody molekulární dynamiky, vpravo – pomocí metody Monte Carlo.

Obr. 2: Trajektorie tunelového proudu procházejícího kompozitní vrstvou – od leva do prava rostoucí stupeň uspořádání objektů ve vrstvě.

Zásady pro vypracování:
1. Seznámení s problematikou.
2. Navržení modelu nukleace založeného na metodě molekulární dynamiky s využitím fyzikálních parametrů tenké vrstvy.
3. Navržení modelu růstu tenké kovové vrstvy založeného na metodě Monte Carlo. Jako vnitřní parametry modelu budou využity výstupy z molekulárně-dynamického modelu.
4. Propojení obou modelů, generování tenkovrstvových systémů pro různé hodnoty modelových parametrů a jejich vyhodnocování vybranými algoritmy zpracování obrazu.
5. Dále se zaměřit na jednu z oblastí: a) modelování kompozitních vrstev a charakterizování jejich morfologie, b) studium pulzní depozice tenkovrstvových systémů, c) studium transportních vlastností tenkovrstvových systémů, tj. nalezení perkolačních trajektorií procházejícího proudu a diskuse vazby mezi tvarem vzniklých vodivostních klastrů, odporem kompozitní vrstvy a morfologií kompozitu.
6. Aplikace vytvořeného počítačového aparátu na analýzu experimentálně získaných dat,

Seznam odborné literatury:
R. Hrach: Počítačová fyzika I, Ústí nad Labem 2003.
R. Hrach: Počítačová fyzika II, Ústí nad Labem 2003.
J. Šimek: Doktorská dizertační práce, MFF UK 2006.
R. Hrach, S. Novák, M. Švec, J. Škvor: Study of Electron Transport in Composite Films below the Percolation Threshold, Lecture Notes in Computer Science 3991 (2006), 806.
M. Švec: Doktorská dizertační práce, MFF UK 2007.
Další literatura po dohodě s vedoucím diplomové práce.

Poznámka: Téma je vhodné též pro posluchače teoretičtěji zaměřených fyzikálních oborů (Teoretická fyzika, Matematické modelování) a předpokládá samostatnou práci v programovacím jazyku FORTRAN 90/95 nebo C/C++.