원자단위 시뮬레이션을 이용한 금속 덩어리 증착과 구리 나노 와이어에 관한 연구 = Atomistic simulation study of metal cluster deposition and copper-nanowires

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In this work, I have investigated the properties of metal cluster deposition and ultrathin copper nanowires using atomisitic simulations.
The ionized cluster beam deposition of Al and Cu clusters has been investigated with a classical molecular dynamics simulation and the Metropolis Monte?Carlo simulation. The spreading of the cluster has been studied as functions of cluster size and initial cluster energy. When the local area reached the local melting spot on the surface around the impact point of an energetic cluster, during a few ps, intermixing was easily achieved and a good epitaxial film with optimum bulk density was formed. For uniform film growth using a cluster impact, it is necessary to make the local area temperature higher than melting temperature on the surface around the impact point of an energetic cluster.
I also investigated mechanical deformations of Cu{100} nanowires using the steepest-descent method. I simulated the cases of elongation, shearing, rotation and rotated elongation. Before the first yielding nanowires preserve the elastic stage, and after this mechanical deformations proceed in alternating quasi-elastic and yielding stages. In the case of rotation deformation, the torque was inversely proportional to the tension force. It was shown that a nanowire in the case of rotated elongation is deformed more easily than one in cases of both elongation and rotation.
To investigate the cylindrical ultrathin copper nanowires, I performed atomistic simulations using the steepest descent method. The stable structures of the cylindrical ultrathin copper nanowires were multi-shell packs composed of coaxial cylindrical shells with {111}-like surface. The semiclassical orbits in a circle and the circular rolling of triangular network could explain the structures of the cylindrical ultrathin multi-shell copper nanowires. From calculation of the angular correlation function and the radial distribution function for nanowires, and as the diameter of the nanowire increases, the structural properties of nanowires become close to those of the bulk.

국문 초록 (Abstract)

본 학위 논문에서는 원자단위 시뮬레이션을 사용하여 금속 덩어리 증착 및 금속 나노 와이어의 특성을 연구하였다.
알루미늄 및 구리 덩어리 증착에 관한 특성들은 고전 분자 동역학 시뮬레이션과 메트로폴리스 몬테 카를로 시뮬레이션을 사용하여 연구되었다. 덩어리에 충돌된 국부 영역이 순간적으로 녹는점에 도달하게 할 수 있는 덩어리 에너지 영역에서 최적의 성장 박막을 이룰 수 있음을 알 수 있었다.
구리 나노 와이어의 역학적 변형에 따른 특성을 최고경사법(steepestdescent
method)을 이용하여 연구하였다. 나노 와이어의 길이 확장, 전단 응력, 회전, 회전 확장 등이 연구되었다. 첫번째 항복이 발생하기 전에 나노 와이어들은 탄성영역을 유지하지만, 첫번째 항복이 발생한 이후에는 의사탄성 영역(quasi-elastic) 과 부분적인 항복(yielding stages)이 번갈아 나타난다. 회전변형의 경우, 회전력은 장력과 역비례 관계를 보였다. 회전 확장 변형의 경 우는 확장 변형이나 회전 변형만의 경우보다도 더 쉽게 항복이 발생되었다. 초미세 구리 나노 와이어의 구조적 특성 또한 연구되었다. 초미세 구리 나노 와이어는 {111} 표면을 가지는 원통형 튜브들의 다중 껍질로 구성되어졌다. 각 껍질은 삼각형 네트워크를 원형으로 말 때 만들어질 수 있었으며, 각 단면은 원내부에서 만들어지는 다각형 궤도들로 설명될 수 있었다. 구조적 특성면에서, 초미세 원통형 구리 나노 와이어는 면심 입방 격자 구조와는 다른 특성을 보였으며, 반경이 증가할수록 면심 입방 격자 구조와 유사한 특징을 보이는 것을 알 수 있었다.

목차 (Table of Contents)

• Abstract = 1
• 1. Introduction = 3
• 1.1 Nanotechnology and COMPUTER Simulations = 3
• 1.2 Cluster Deposition = 4
• 1.3 Nanowire = 6
• 1.4 Purpose of Study and Structure of the Thesis = 8
• 2. Methods for Atomistic Simulations = 10
• 2.1 Integration Algorithm for Molecular Dynamics = 11
• 2.2 The Metropolis Monte Carlo Method = 12
• 2.2.1 Fundamentals of the Algorithm = 12
• 2.2.2 The Metropolis Method for Canonical and Microcanonical Ensembles = 14
• 2.3 Interaction Forces = 16
• 2.4 Boundary Conditions = 20
• 2.5 Simulation Cell for Cluster Deposition = 23
• 3. Cluster Deposition = 25
• 3.1 Simulation Procedure = 25
• 3.2 Results and Discussions = 26
• 3.2.1 Single Energetic Al Cluster Impact: Spreading Indexes Study = 26
• 3.2.2 Single Aluminum Cluster Impact: Surface-Cluster Interactions = 29
• 3.2.3 Single Cooper Cluster Impact: Rod-like Cluster Study = 32
• 3.2.4 Growth Film Properties via ICBD = 33
• 3.3 Summary = 35
• 4. The Ultrathin Copper Nanowires = 54
• 4.1 Mechanical Deformation Study of Copper Nanowires = 54
• 4.1.1 Simulation Procedure = 54
• 4.1.2 Simulation Results = 56
• 4.1.3 Summary = 61
• 4.2 Structural Investigation of Ultrathin Copper Nanowires = 77
• 4.2.1 Simulation Procedure = 77
• 4.2.2 Simulation Results and Discussions = 77
• 4.2.3 Summary = 81
• 6. Summary and Conclusions = 90
• References = 92
• 국문요약 = 98
• 감사의 글
• Publication List