Surface Morphological Response of Crystalline Solids to Mechanical Stresses and Electric Fields

Η μορφολογική εξέλιξη επιφανειών υπό την επίδραση εξωτερικών πεδίων, είναι ένα συναρπαστικό πεδίο έρευνας και έχει αποσπάσει την προσοχή των επιστημονικών κοινοτήτων της μηχανικής των υλικών και των επιστημών της επιφάνειας. Αυτό το πρόβλημα έχει θεμελιώδες ενδιαφέρον στην κατανόηση της μη γραμμικής απόκρισης που προκαλείται από το πεδίο και στην ευστάθεια της μορφολογίας της επιφάνειας και παρουσιάζει σημαντικές τεχνολογικές εφαρμογές σε ένα πλήθος μηχανικών εφαρμογών, από την αεροδιαστημική και πυρηνική μηχανική μέχρι την μικρο-ηλεκτρονική και τις νανο- κατασκευές. Στην παρούσα παρουσίαση, πραγματοποιείται μία ανασκόπηση των πρόσφατων θεωρητικών και υπολογιστικών εργασιών στην μορφολογική απόκριση επιφανείων υπό την επίδραση εξωτερικών τάσεων και ηλεκτρικών πεδίων σε κρυσταλλικά στερεά. Έμφαση δίνεται σε επίπεδες επιφάνειες ελαστικών στερεών υπό την επίδραση τάσεων και σε επιφάνειες μεταλλικών υμενίων με την παρουσία κενών. Περιγράφεται ένα ολοκληρωμένο μη γραμμικό μοντέλο βασισμένο στην καθοδηγούμενη επιφανειακή μορφολογική εξέλιξη και εφαρμόζεται στην ανάλυση της απόκρισης της καθοδηγούμενης επιφανειακής μορφολογίας υπό την παρουσία ηλεκτρικών πεδίων ή μηχανικών τάσεων, όπως επίσης και στην συνδυασμένη δράση δύο εξωτερικών δυνάμεων. Η ανάλυση συνδυάζει δυναμικές προσομοιώσεις με αναλυτικές θεωρίες για την κατανόηση των βασικών φαινομένων και για την ποσοτική πρόβλεψη της καθοδηγούμενης επιφανειακής μορφολογικής εξέλιξης: Οι προσομοιώσεις βασίζονται σε συνοριακές ολοκληρωτικές μεθόδους για την επίλυση ηλεκτροστατικών και ελαστοστατικών πρόβλημάτων συνοριακών τιμών, σε συνδυασμό με μεθόδους ανίχνευσης μετώπων για την παρακολούθηση της καθοδηγούμενης, με βάση τη μεταφορά μάζας, δυναμική επιφανειών, ενώ το θεωρητικό πλαίσιο κυμαίνεται από την θεωρία κλιμακώσεων έως τη γραμμική ανάλυση ευστάθειας. Αποτελέσματα της ανάλυσης συγκρίνονται με πειραματικές μετρήσεις: Αυτές οι συγκρίσεις περιλαμβάνουν και έμμεσες, βασισμένες στην παρακολούθηση της εξέλιξης της ηλεκτρικής αντίστασης σε λεπτά μεταλλικά υμένια, και στην άμεση σύγκριση των προβλεπόμενων μορφολογικών επιφανειών με πειραματικές εικόνες της επιφάνειας.Οι συγκρίσεις επιβεβαιώνουν το μοντέλο καθοδηγούμενης εξέλιξης της επιφάνειας, παρέχουν ερμηνείες των πειραματικών μετρήσεων, και χρησιμοποιούνται για να προτείνουν και να σχεδιαστούν νέα πειράματα στις περιπτώσεις που οι πειραματικές παρατηρήσεις δεν είναι διαθέσιμες.

Η δυναμική κατευθυνόμενων επιφανειών με παρουσία κενών ερευνάται ενδελεχώς. Παρουσιάζονται αποτελέσματα για την ερμηνεία της καθοδηγούμενης από ρεύμα κίνησης ευσταθών κενών, μορφολογικών ασταθειών που προκαλούνται από ηλεκτροδιάχυση και άσκηση τάσης, την αλληλεπίδραση κενού-κενού, όπως επίσης και για την δημιουργία ευσταθών επιφανειακών κυματισμών και άλλων περίπλοκων μοτίβων ταλαντωσης. Περιγράφεται μια τροχιά, ηλεκτοκτρομηχανικά καθοδηγούμενης διακλάδωσης διπλασιασμού της περιόδου σε κενά λεπτών μεταλλικών υμενίων με χαμηλή συμμετρία στην ανισοτροπική επιφανειακή διάχυση στο επίπεδο του υμενίου [1], που οδηγεί στο χάος. Επίσης, παρουσιάζονται αποτελέσματα για την καθοδηγούμενη από ρεύμα επιφανειακή απόκριση επίπεδων επιφανειών ελαστικών στερεών υπό τάση: Συκεκριμένα, φαίνεται ότι ένα κατάλληλα προσανατολισμένο και αρκούντως ισχυρό ηλεκτρικό πεδίο μπορεί να σταθεροποιήσει την επίπεδη επιφάνεια ελαστικών στερεών υπό τάση και να αναστείλλει τις αστάθειες Asaro-Tiller/Grinfeld που οδηγούν στην καταστροφή της επιφάνειας [2]. Επιπλέον, η ανάλυση έδειξε μία κυματική, μη γραμμική, μεγάλου μήκους κύματος αστάθεια που προκαλεί τη δημιουργία μοτίβων δευτερογενών κυματισμών στην υπό τάση επιφάνεια του αγωγού [3]: Κατάλληλη εφαρμογή αρκούντως ισχυρού πεδίου μπορεί να αναστείλλει την κυματική αυτή αστάθεια. Τέλος, συζητόνται κάποιες μελλοντικές κατευθύνσεις για παιρετέρω ανάπτυξη στο επιστημικό πεδίο. Μία από αυτές περιλαμβάνει μεγάλης κλίμακας προσομοιώσεις μοριακής δυναμικής για την αναγνώριση και ανάλυση μηχανισμών πλαστικών παραμορφόσεων [4] ως εναρκτήριο σημείο για την ανάπτυξη από πρώτες αρχές καταστατικών εξισώσεων, οι οποίες θα παρέχουν την πληροφορία που θα κλείνουν τα μοντέλα μηχανικής των στερεών που ισχύουν πέραν της γραμμικής ελαστικής περιοχής.