Orientador: Edison Zacarias da Silva

Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin

Resumo: Nas últimas décadas uma geração de nanodispositivos foi desenvolvida. Estes dispositivos nanoeletrônicos são fabricados por novas técnicas fundamentadas em física, química e engenharia. Muitos desses nanomateriais têm suas propriedades físicas alteradas pelo efeito de tamanho, por causa...

Resumo: Nas últimas décadas uma geração de nanodispositivos foi desenvolvida. Estes dispositivos nanoeletrônicos são fabricados por novas técnicas fundamentadas em física, química e engenharia. Muitos desses nanomateriais têm suas propriedades físicas alteradas pelo efeito de tamanho, por causa desses novos efeitos é importante entender como estes dispositivos trabalham propriamente a fim de encontrarmos formas de obter novas aplicações baseadas nestes novos efeitos. Nanofios metálicos estão sendo largamente estudados tanto teoricamente como experimentalmente. Recentemente uma nova possibilidade de soldagem foi mostrada experimentalmente entre nanofios de ouro em temperatura ambiente, sem necessidade de aplicação de calor adicional e com baixa pressão, chamada de solda fria (cold welding). Usando Dinâmica Molecular (MD) com potenciais efetivos, nós simulamos o processo de soldagem fria em nanofios de ouro, prata e ouro-prata com diâmetros de 4.3nm em 300 K. Nós mostramos que a soldagem fria é um processo possível até mesmo quando os nanofios sofrem fortes deformações e defeitos antes do processo de soldagem. Durante o processo de soldagem os nanofios resultaram com poucos defeitos. Pequenas pressões foram necessárias para que a soldagem fosse atingida. Nós também realizamos cálculos de Dinâmica Molecular com embedded-atom-method para modelar o crescimento de filmes-finos de paládio depositados em um substrato de ouro para um sistema de aproximadamente 100 mil átomos. Nós mostramos que o filmes-finos de paládio cresceu sob stress sobre o substrato de ouro. Após a deposição de 9 monocamadas o stress armazenado no filmes de paládio relaxou formando defeitos na estrutura do cristal. Defeitos do tipo falhas de empilhamento surgiram nos filmes de paládio formando um padrão de deformação no mesmo. Para quantificar o stress nós também calculamos a evolução do tensor de stress durante o crescimento. Existem fenômenos físicos como fraturas em materiais que são caracterizados pela quebra das ligações atômicas que levam a efeitos macroscópicos. Para estudarmos este tipo de problema, nós desenvolvemos um código inicial que acopla Dinâmica Molecular com Peridyvii namics (PD) (uma recente teoria de contínuo). A ideia básica para acoplar Dinâmica Molecular e Peridynamics está baseada no teorema de Schwarz. Este teorema fornece uma maneira de resolver equações diferenciais em diferentes subdomínios conectados por uma interface. O acoplamento é feito trocando condições de contorno entre subdomínios conectados por esta interface. A parte mais difícil deste acoplamento encontra-se em tratar os dados com ruídos oriundos da Dinâmica Molecular e passá-los para a Peridynamics. Para isto nós usamos uma interpolação estatística chamada interpolação de Kriging. Desta forma nós pudemos alcançar um acoplamento entre MD e PD

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...

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 find ways to obtain new applications supported by these new effects. 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 effective 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 final 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 final 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 film deposited on Au(100) for a system with approximately 100,000 atoms. We showed that the Pd film grew under stress on the Au substrate. After the deposition of 9 monolayers, the stress stored in the Pd film relaxed with the formation of defects, stacking faults in the structure of Pd forming a pattern of deformation in the film. 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 effects. In order to study this kind of problems, we developed the initial programming code that couples molecular dynamics (MD) and Peridyix 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 differential equations in different 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