СИНТЕЗ МЕДЬ/ГРАФЕНОВЫХ ЧАСТИЦ В ПЛАЗМЕННОЙ СТРУЕ: МОЛЕКУЛЯРНАЯ ДИНАМИКА
Автор: Карина Александровна Крылова
Соавторы: Шавелкина М.Б, Баимова Ю.А.
Организация: Институт проблем сверхпластичности металлов РАН, Уфа, Россия
Стремительное развитие микроэлектроники приводит к необходимости разрабатывать новые теплоотводы из меди, предотвращающие перегрев современных полупроводниковых устройств. Однако такие элементы зачастую тяжелые и дорогие, что ограничивает их практическое применение. Композиты на основе графена и меди обладают высокими тепловыми и механическими свойствами [2]. Однако свойства Cu/графеновых композитов зависят от условий синтеза и состава прекурсоров, поскольку это влияет на морфологию композита. Одним из перспективных способов получения Cu/графеновых композитов, является синтез в плазменной струе. В этой работе с помощью молекулярно-динамического моделирования изучен процесс образования наночастиц Cu/графен в условиях плазменного потока.
На Рис. 1 показаны схемы взаимодействия графеновой чешуйки (ГЧ) и наночастицы Cu с вогнутой (а) и выпуклой (б) стороны листа. Диаметр ГЧ составляет D = 2,6 нм, а длина в направлении z — L = 5,9 нм. Диаметр частицы Cu составляет 0,7 нм. Молекулярно-динамическое моделирование проводилось с помощью программы LAMMPS. Чтобы смоделировать взаимодействие наночастиц и ГЧ в плазменном потоке, наночастицы Cu летели с высокой скоростью в направлении ГЧ (вектор скорости наночастицы показан на рис. 1 а и б). Начальные скорости были выбраны в диапазоне от 1 до 9 км/с с шагом 1 км/с. Взаимодействие наночастиц и графена изучалось при температуре 2500–3000 К. Отметим, что выбор такой температуры и скоростей связан с результатами наших предыдущих исследований синтеза графена в плазменной струе [1,2].
В результате молекулярно-динамического моделирования установлено, что при столкновении наночастиц меди с ГЧ в зависимости от их скорости могут реализовываться три различных типа взаимодействия: прилипание, отталкивание и разрыв. Частица меди прилипает к ГЧ при её скорости менее 1 км/с. Увеличение скорости движения частицы Cu приводит к ее отталкиванию от графеновой поверхности. Однако, разрыв графенового листа наблюдается при разных скоростях движения частицы Cu и зависит от кривизны графенового листа. При взаимодействии с вогнутой стороной графенового слоя, разрыв ковалентных связей происходит, когда скорость частицы меди достигает 7 км/с. В то же время, при контакте с выпуклой стороной чешуйки, для разрыва углеродных связей требуется скорость наночастиц не менее 9 км/с.
1. Shavelkina M. B., Kavyrshin D. I., Amirov R. K., Chinnov V. F., Dzagnidze G. M., Ivanov A. I. Dc erosion jets for the production of composite graphene particles // Physics of Plasmas. 2023. 30 (2).
2. Shavelkina M.B., Krylova K.A., Kavyrshin D.I., Baimova J.A. Syntheses of the Cu/graphene composite nanoparticles in plasma jets: experiment and simulation // Applied Surface Science. 2025. V. 689. 162523.
