Kinetic Monte Carlo Simulations of Metal-Polymer Nanocomposite Formation

Rosenthal, Lasse

This work deals with the investigation of metal-polymer nanocomposite formation by means of kinetic Monte Carlo simulations. The focus of the analysis lies on diffusion and growth processes of metal clusters in the polymer matrix. To this end, a simulation model based on a catalog of elementary processes including corresponding rates covering the main cluster processes during metal-polymer nanocomposite formation and the notion of clusters as hard spheres was developed and implemented. Due to the simplifications of the underlying model, the simulations allowed for an investigation of systems consisting of up to several million metal clusters. The simulations cover two different experimental scenarios. The first one is the formation of a metal-polymer interface. Here, metal atoms are deposited on a polymer surface. The second scenario is the simultaneous deposition of metal atoms and polymer. In both cases, special emphasis is placed on the influence of the process rates on quantities such as the metal concentration inside the polymer matrix, the cluster size distribution and the metallic filling factor. Additionally, a simulation model was developed to describe the self-organized formation of metallic nanocolumns which was discovered under specific conditions during vapor phase co-deposition of the metallic and organic component. A key aspect of the discovered nanocolumn growth is a steep increase of the metallic filling factor at the transition from spherical to columnar growth. The simulations have provided a detailed understanding of the correlation between the increase of the metallic filling factor and the beginning of nanocolumn formation in terms of a few elementary process.

Diese Arbeit handelt von der Untersuchung der Bildung von Metall-Polymer Nanokompositen auf Basis von kinetischen Monte-Carlo-Simulationen. Der Schwerpunkt der Analyse liegt auf Diffusions- und Wachstumsprozessen von Metallclustern in der Polymer-Matrix. Zu diesem Zwecke wurde ein Simulationsmodell entworfen und implementiert, welches auf einer Liste von elementaren Prozessen mit entsprechenden Prozessraten sowie der Annahme von Clustern als harten Kugeln basiert. Aufgrund der Vereinfachungen des zugrunde liegenden Modells ermöglichten die Simulationen die Untersuchung von Systemen, welche aus mehreren Millionen Metallclustern bestehen.\\[0.25cm] Die Simulationen decken zwei verschiedene experimentelle Szenarien ab. Das erste ist die Ausbildung einer Metall-Polymer-Grenzfläche. Hierzu werden Metallatome auf einer Polymer-Oberfläche abgeschieden. Das zweite Szenario ist die simultane Abscheidung von Metallatomen und Polymermolekülen. In beiden Fällen liegt das Augenmerk auf dem Einfluss der Prozessraten auf Größen wie z. B. der Metallkonzentration innerhalb der Polymer Matrix, der Größenverteilung der Cluster und dem metallischen Füllfaktor.\\[0.25cm] Zusätzlich wurde ein Modell zur Beschreibung des selbstorganisierten Wachstums von metallischen Nanosäulen, welches unter speziellen Bedingungen während der simultanen Gasphasenabscheidung der metallischen und organischen Komponenten entdeckt wurde, entwickelt. Ein zentraler Aspekt des entdeckten Nanosäulenwachstums ist ein sprunghafter Anstieg des metallischen Füllfaktors beim Übergang vom sphärischen Wachstum zum Säulenwachstum. Die Simulationen liefern ein detailliertes Verständnis der Korrelation zwischen dem sprunghaften Anstieg des Füllfaktors und dem Einsetzen des Säulenwachstums auf Basis einiger weniger elementarer Prozesse.

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Rosenthal, Lasse: Kinetic Monte Carlo Simulations of Metal-Polymer Nanocomposite Formation. 2013.

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