Научно-исследовательские работы – 2012 г.

 

  • 2306ф «Формирование стабильных наноразмерных магнитных пленок FePt для сверхвысокой плотности записи и хранения информации» (руководитель д.т.н., проф. Макогон Ю.Н.).
Разработан новый подход к диффузионному формированию стабильных наноразмерных магнитно-твердых пленок FePt с химически упорядоченной фазой L10(FePt)ГЦТ при использовании дополнительных слоев легирующих элементов (Ag, Au, Cu) с низкой поверхностной энергией. Энергия границ раздела между слоями была применена как дополнительная экстрадвижущая сила для ускорения термически-активированных процессов химического упорядочение пленки FePt и снижения температуры (на 100 0С) фазового перехода химически неупорядоченной магнитно-мягкой фазы А1 (FePt) ГЦК в химически упорядоченную магнитно-твердую фазу L10(FePt)ГЦТ со сверхструктурой. Обоснована целесообразность применения легирующих элементов (Ag, Au, Cu) с ограниченной растворимостью в сплаве FePt для эффективного управления параметрами и ориентацией кристаллической сверхрешетки, а также ограничения роста зерен и расположения оси легкого намагничивания пленки перпендикулярно к поверхности подложки. Проведены комплексные экспериментальные исследования многослойных наноразмерных пленочных композиций, что позволило сформировать фазу L 1 0 (FePt) ГЦТ с высокой коэрцитивной силой с ~20-30 кОе), намагниченностью насыщения (~ 1500 эмо/см3), с прямоугольной формой кривой намагничивания и соотношениемМrs близким к 1 в поверхностных слоях. Разработаны рекомендации по выбору технологических параметров процесса формирования и стабилизации пленок FePt, применение которых позволит повысить плотность магнитной записи и хранения информации термоактивированным методом записи до ~ 250 Тбит/см2  вместо достигнутых в настоящее время 60 Гбит/см2Результаты работы использованы в учебном процессе в лекционных курсах по дисциплинам "Тонкопленочное материаловедение», «Материаловедение наноразмерных металлических структур" с тематическими разделами: "Многослойные гетероструктуры в магнитных наноразмерных материалах", "Наноразмерные пленочные материалы для высокой плотности магнитной записи и хранения информации", при выполнении курсовых, дипломных и магистерских работ. Обновленные циклы лабораторных работ "Рентгеноструктурный фазовый анализ наноразмерных пленок", "Резистометрический анализ наноразмерных пленок", "Оценка напряженного состояния наноразмерных пленочных композиций", "Оценки распределения химического состава пленки методом резерфордовского обратного рассеяния". Опубликована 1 монография и раздел в монографии, опубликованы 15 статей (4 в зарубежных изданиях), сделаны 42 доклада на конференциях (27 на международных). Разработка превышающем мировые аналоги. Предложенные подходы и методы имеют универсальный характер и могут быть применены при изготовлении функциональных элементов наноэлектроники, при разработке нанотехнологий.

 

  • 2509ф «Термическая стабильность и эксплуатационная надежность наноразмерных металлических пленок на диэлектриках и полупроводниках» (руководитель проф., д.ф-м.н. Волошко С.М.).

Отработана методика получения металлических вакуумных конденсатов в наноразмерном диапазоне толщин (5-100 нм) с воспроизводимым химическим составом по глубине слоев. Обоснован выбор сочетаний материалов в наноразмерных композициях с точки зрения практического применения. Получена серия образцов для исследования. Проведены отжиг образцов в вакууме при значениях давления 10-3 Па и 10 -6 Па и в среде водорода при давлении 5 • 10 +2 Па в интервале температур 100-500 0С. Проведена лазерная и ионно-плазменная обработка образцов при разных режимах. Исследованы топография поверхности с помощью атомно-силовой и оптической микроскопии. Методами электронографии "in situ" и трансмиссионной электронной микроскопии исследованы процессы структуро- и фазообразования в интервале температур 130-500 0С в тонкопленочных системах Сu/Sn и Sn/Cu с разной толщиной слоев в нанометровом диапазоне. По изменению периода кристаллической решетки определены растворимость олова в α - твердом растворе Cu-Sn. Установлено, что процессы фазообразования в образцах системы Cu-Sn при инверсии материалов слоев и изменении соотношения толщины слоев имеют как общие черты, обусловленные особенностями диаграммы состояния компонентов, так и некоторые существенные отличия. С помощью метода малоуглового рентгеновского рассеяния установлено наличие интерметаллидной фазы Cu6Sn5 в исходном состоянии, которая переходит в фазу Cu3Sn после отжига при температуре 100 °C различной продолжительностю. Отжиг при температуре 200 °C и выше приводит к формированию фазы Cu4Sn. Методом резерфордовского обратного рассеяния получены концентрационные распределения олова по толщине образца и подтверждено наличие фазы Cu4Sn. Установлено также, что при низких температурах атомы олова диффундируют в слой меди по зернограничному механизму, а при повышенных температурах, благодаря рекристаллизации медного слоя, олово, которое содержится в границах зерен меди, оказывается включенным в объем "новых" зерен, что приводит к образованию твердого раствора олова в меди. Одновременно проходит диффузия атомов меди через слой, обогащенный оловом, к внешней поверхности образца и окисленея меди на этой поверхности до Сu2O. Сделан вывод, что в исследуемой системе проходят сложные процессы массопереноса, которые сопровождаются как расслоением твердых растворов, так и развитием объемной и реакционной диффузии. Формирование новых фаз происходит за счет перераспределения как олова, так и меди не только по толщине системы, но и в трехмерном измерении, о чем свидетельствует существенный рост размера отдельных зерен. В дальнейшем планируется создание математической модели, которая должна включать многостадийный термоиндуцированный массоперенос компонентов и процессы фазообразования, конкурирующи между собой.

 

  • 2510ф «Формирование функциональных и биосовместимых композиционных покрытий на сплавах титана и железа, усиленных углеродными нанотрубками и элементами внедрения, в условиях экстремальных энергетических воздействий» (руководитель проф., д.ф-м.н. С.И. Сидоренко).

Проведен информационный и патентный поиск по теме исследования. Разработано техническое задание на выполнение научно-исследовательской работы. Проведен выбор объектов исследования. Отработана методика формирования нанотрубок на поликристаллических подложках окиси кремния состава SiO2. Исследовано строение полученных каталитических центров с помощью растровой электронной микроскопии (РЭМ). На подложках из SiOх с никелевыми каталитическими центрами выращены углеродные нанотрубки (УНТ) методом CVD. Выплавлены экспериментальные модельные сплавы систем Fe-Cr, Fe-Ti. Проведен микроструктурный анализ исходных образцов сплавов. Исследованы физико-химические процессы, происходящие на поверхности инертной подложки дисилицида кремния (SiO2)при напылении никелевой и железной островковой пленки методом ионно-плазменного напыления на установке ННВ-6.6 в атмосфере аргона при различных параметрах осаждения и последующего высокотемпературного диффузионного отжигаУстановлены закономерности формирования каталитических никелевых и железных каталитических центров на поверхности SiO2.Создана рабочая гипотеза формирования  центров в условиях ионно-плазменного напыления и высокотемпературного диффузионного отжига. Исследована геометрия поверхности полученных металлических каталитических центров. С помощью программы "Imeg-Pro" выполнена количественная обработка изображений каталитических центров. Аналогичные исследования формирования каталитических центров были проведены с использованием переходной (барьерной) пленки из TiN напыленной между подложкой из SiO2 и пленкой Ni и Fe. Установлены закономерности формирования каталитических никелевых центров на барьерном слое TiN при различных параметрах процесса. Разработаны параметры режимов, составы насыщающих сред, методика процессов ЭИЛ и ЛО в комбинированных насыщающих средах. Проведены ЭИЛ Zr-, Ti-, Cr-анодами в переменных азот- и углерод-содержащих средах и в смесях газов.

 

Инициативные научные работы по приоритетному направлению развития науки в Украине

«Новые вещества и материалы». Создание и применение технологий получения, сварки, соединения и обработки конструкционных, функциональных и композиционных материалов.

 

  • Инициативная работа РК № 0112U006636 "Формирование фазового состава и структуры в наноразмерных пленках на основе скуттерудита CoSb3 –  функциональных элементах термоэлектричества" (руководитель д.т.н., проф. Макогон Ю.Н.).

Установлено, что фазовый состав и структура пленок CoSbх(30 нм), (где х = 1.82-4.16) на подложке SiO2 (100 нм)/Si (001), зависят от условий осаждения и термической обработки. В пленках CoSb(1.82-4.16) осажденных на подложку при комнатной температуре, наблюдается рентгеноаморфное состояние. Кристаллизация аморфных пленок CoSb(1.82-4.16) происходит при нагреве в интервале температур 140-200 0С. В пленках с большим содержанием Sb температурный интервал кристаллизации увеличивается и смещается в сторону больших температур. При повышении температуры подложки до 200 0С при осаждении в пленках CoSb(1.82-4.16) формируется кристаллическое состояние. Пленки находятся в поликристаллическом состоянии без текстуры. В пленке CoSb1.82 (30 нм) (64,5 ат.% Sb) наблюдается однофазное состояние – образуется антимонид CoSb2.Увеличение концентрации Sb в пленках приводит к формированию также скуттерудита CoSb3. Двухфазное состояние сохраняется до 74.6 ат.% Sb. При этом количество фазы CoSb3 возрастает, достигая более 90 % и соответственно уменьшается количество CoSb2. Увеличение концентрации Sb в пленках от 76,1 ат.% до 80,6 ат.% Sb приводит к появлению свободной кристаллической фазы сурьмы, количество которой с увеличением концентрации Sb увеличивается. При отжиге как в вакууме, так и в азоте при температуре выше 500 0С испаряется Sb, что отражается в изменении фазового состава вследствии протекания химических реакций: CoSb2Sb = CoSb, CoSb3Sb = CoSb2. Увеличивается содержание фаз, имеющих в своем составе менее Sb - СоSb, СоSb2 и уменьшается СоSb3. Испаряется также сурьма, которая находится в не связанном кристаллическом состоянии. Интенсивный процесс испарения Sb наблюдается при отжиге рентгеноаморфных пленок. В наноразмерных пленках наблюдается хорошее совпадение фазового состава с диаграммой фазового равновесия для массивного материала. Электропроводящие свойства исследуемых пленок зависят от их структурно-фазового состава. В пленках CoSb3 (30 нм) в кристаллическом состоянии зависимость R = f (T) имеет полупроводниковый характер. Сложный характер изменения электросопротивления при нагреве рентгеноаморфных пленок связан с процессами кристаллизации пленок.

 

  • Инициативная работа «Модификация поверхности сплавов железа методами высокоэнергетической обработки» (руководитель доц., к.т.н. Е.В. Иващенко). 

Проведенны исследования структурных и фазовых превращений поверхностной зоны сплавов железа в процессе электроискрового легирования (ЭИЛ) переходными металлами (Zr, Ti, Cr) с разной степенью карбидо- и нитридобразующей способности при послойном их нанесении и при использовании комплексных насыщающих сред с элементами внедрения (последовательно изменяемых азот- и углеродсодержащих атмосфер, смесей глицерина с порошками карбидов Сr3C2, TiC, ZrC или графита). Установлена возможность управления распределением нитридных и карбидных фаз по глубине легированного слоя в процессе двухстадийного электроискрового легирования цирконием, титаном или хромом за счет двухкратного изменения насыщающей атмосферы во время обработки с азотсодержащую на углеродсодержащую и с углеродсодержащую на азотсодержащую, что увеличивает поверхностную микротвердость стали Ст.3 до 4 - 9 ГПа и уровень износостойкости в 4 - 8 раз. Установлено, что ЭИЛ стали Ст.3 в комплексных жидкостных насыщающих средах – смесях глицерина с порошкообразными карбидами (Cr3C2, TiC, ZrC) или графитом в концентрации 25 об.% – приводят к формированию легированных слоев с микротвердостью 5,5 - 10 ГПа, в результате дополнительного обогащения их дисперсными частицами карбидов легирующих электродов (Cr, Ti, Zr). Предложена качественная модель структурно-фазовых превращений в поверхностных слоях сплавов железа при электроискровом легировании переходными металлами в насыщающих средах с элементами внедрения. Результаты исследования могут быть использованы при создании высокоэффективных технологий поверхностного упрочнения изделий из сплавов железа

 

  • Международный научный проект программы VISBY (закончился в июне 2012 г.). «Тонкие металлические пленки – взаимодействие структурной диффузии и границ» (SI dnr 00699/2009) кафедры физики металлов Инженерно-физического факультета НТУУ «КПИ» и лаборатории Ангстрема Университета г. Уппсала. Исследование проведено в рамках индивидуального гранта программы VISBY № 00210/2012 (6 месяцев научной стажировки аспиранта А. Олешкевич) в университете г.  Уппсала (Королевство Швеция).

Исследована самодиффузия железа в эпитаксиальных тонких пленках Pt / Fe56 / Fe57 / MgО (100) в условии реализации кинетического режима типа А (отсутствие зернограничной диффузии). Пленки получены методом молекулярно-лучевой эпитаксии в лаборатории Ангстрема. Экспериментальные исследования выполнены в университете г. Дебрецен. В отличие от поликристаллических пленок изотопического эффекта для Fe57 и Fe56 не обнаружено. Коэффициенты самодиффузии Fe56 и Fe57 для интервала температур 703-813 К составляют 5, 5.10-22 - 8.10-20 м2/с, энергия активации –  2,4 эВ. Слой платины не предотвращает процессы окисления – атомы 56Fe выходят на внешнюю поверхность в процессе отжига при температуре выше 673 К, а атомы 57Fe с самого нижнего слоя – при 773 К. В области исследованных температур наблюдается химическое взаимодействие Pt с Fe с образованиям твердого раствора. Поэтому рассчитанное значение энергии активации характеризует самодиффузию железа в присутствии третьего элемента – платины. При температурах выше 813 К образования упорядоченной фазы 56FePt3 в приповерхностной области становится фактором, который контролирует скорость взаимной диффузии 57Fe и 56Fe.

 

  • Совместный научно-исследовательский студенческий украинско-немецкий проект по грантам № 54300147 и № 55576194 ДААД им. Леонарда Эйлера.

Целью научно-исследовательной работы является формирование: 1) оптимального структурно-фазового состава наноразмерных силицидных пленок на монокристаллическом кремнии как различных функциональных элементов микроприборов и микросхем; 2) стабильных наноразмерных магнитных пленок FePt для сверхвысокой плотности записи и хранения информации; 3) фазового состава и структуры в наноразмерных пленках на основе скуттерудита CoSb3 – функциональных элементах термоэлектричества. Разработан новый подход к диффузионному формированию стабильных наноразмерных магнитно-твердых пленок FePt с химически упорядоченной фазой L 1 0 (FePt) ГЦТ при использовании дополнительных слоев легирующих элементов (Ag, Au, Cu) с низкой поверхностной энергией. Энергия границы раздела между слоями была применена как дополнительная екстрадвижущая сила для ускорения термически-активированных процессов химического упорядочение пленки FePt и снижения температуры (на 100 0С) фазового перехода химически неупорядоченной магнитно-мягкой фазы А1(FePt)ГЦК в химически упорядоченную магнитно-твердую фазу L10(FePt)ГЦТ со сверхструктурой. Обоснована целесообразность применения легирующих элементов (Ag, Au, Cu) с ограниченной растворимостью в сплаве FePt для эффективного управления параметрами и ориентацией кристаллической сверхрешетки, а также ограничения роста зерен и расположения оси легкого намагничивания пленки перпендикулярно к поверхности подложки. Проведены комплексные экспериментальные исследования многослойных наноразмерных пленочных композиций, что позволило сформировать фазу L10(FePt) ГЦТ с высокой коэрцитивной силой с~20-30 КОе), намагниченностью насыщения (~1500 эмо/см3) с прямоугольной формой кривой намагничивания и соотношением Mr/Ms близким к 1 в поверхностных слоях. Разработаны рекомендации по выбору технологических параметров процесса формирования и стабилизации пленок FePt, применение которых позволит повысить плотность магнитной записи и хранения информации термоактивованных методом  до ~ 250 Тбит/см2   вместо достигнутых в настоящее время 60 Гбит/см2.

 

  • Международный проект СРДФ UKP2-7040-KV-11 по программе CRDF - CGP 2010/2011 Applied Energy Research Competition (октябрь 2011-2012 г.) (Октябрь 2011-2012 г.) «Тонкопленочные солнечные элементы на основе нанокристаллического кремния легированные редкоземельными элементами» кафедры физики металлов и кафедры микроэлектроники НТУУ «КПИ» с кафедрой физики Бостонского колледжа (Честнат-Хилл, Штат Массачусетс, США).

Целью проекта является синтез, исследование и теоретическое описание нового материала для создания дешевых, эффективных и стабильных тонкопленочных солнечных элементов. Результаты исследований, проведенных в рамках данного проекта, позволят экспериментально и теоретически установить влияние наноструктуры и редкоземельных примесей на свойства тонких кремниевых пленок, а также барьерных структур с их участием в качестве основы тонкопленочных солнечных элементов. Первый этап проекта (около 6 месяцев) посвящен синтезу и исследованию нанокристаллических кремниевых пленок для их применения в солнечных элементах. На данном этапе украинской группой будут осаждены тонкие кремниевые пленки, установлены технологические режимы получения нанокристаллической структуры материала, изучены структурные, электрические и оптические свойства, а также химический состав исследуемых образцов. Американская группа исследователей в это время будет заниматься построением теоретической модели кремниевой пленки для расчетов ее оптических характеристик. При постановке задач проекта предполагалось, что тонкий слой тугоплавкого металла (Те, Ta) между материалом контакта (Ag) и кремнием может замедлить диффузионные процессы за счет образования промежуточных фаз и формирования физического барьера. Для исследования диффузионной стабильности интерфейса Ag/Ti и прогнозирования его влияния на свойства тонкопленочных солнечных элементов также получено серию модельных образцов. Металлические слои с разной толщиной в наноразмерном диапазоне осаждались магнетронным (М) и электролучевым (Е) методами на монокристаллический Si (111). Отжиг проводился в интервале температур 373 - 773 К в течение 20 минут. Установлено, что в случае, когда толщина слоя Ag меньше нм, диффузия атомов Ti к внешней поверхности происходит уже в процессе осаждения (конденсационно-стимулированная диффузия). Согласно данным рентгеноструктурного анализа в исходном состоянии параметр решетки Ag (aAg) составляет 4.0779 Å и 4.0836 Å для М и Е методов и соответственно количество растворенного в решетке серебра титана – 1.198 и 1.247 ат.%. В процессе дальнейшего отжига более диффузионно подвижными становятся атомы Ag. Концентрация Ti - СTi – в пленке Ag после всех режимов отжига не превышает 3 ат.%, что свидетельствует в пользу зернограничного механизма диффузии. Более существенное увеличение СTi наблюдается после отжига в низком вакууме (10-3 Па), чем после отжига в высоком вакууме (10-6 Пa), а также для образцов с меньшей толщиной слоя Ag (получены Е методом). С точки зрения термической стабильности лучшие результаты достигнуты для систем, полученных магнетронным методом, с толщиной слоя Ag - нм. Но, даже при достаточно низких температурах на интерфейсе Ag/Ti в таких системах наблюдается область взаимной диффузии компонентов и наличие Ti на поверхностном слое. Стабильность интерфейса улучшено путем введения между Ag и Ti слоя Мо толщиной 10 нм, который предотвращает развитие термоактивованны диффузионных процессов. 

 

  • Совместный научный проект № М / 271-2012 (от 10 июля 2012) «Создание и исследование поверхностных наноструктурных слоев на изделиях, работающих при трении, высокоэнергетическими методами и фрикционной обработкой» по программе работ "The joint research projects in cooperation between Ukraine and China 2011-2012 ", определенных межгосударственной комиссией по научно-техническому сотрудничеству Украины и КНР на 2011 – 2012 годы.

  Установлено формирование микро- и наноструктурных состояний в приповерхностных слоях материалов покрытий при деформации трением с одновременным перемешиванем. Показано, что сочетание процессов деформации трением и одновременного перемешивания обеспечивает формирование по глубине покрытия или сплошного материала зон структурно-фазовых неоднородностей, которые заключаются в микро- и наноструктурировании приповерхностных слоев на глубинах миллиметрового диапазона от поверхности изделий, что значительно превышает глубины микро- и наноструктурирования под действием только фрикционного воздействия. Показана возможность формирования методом деформации трением с перемешиванием приповерхностных слоев (на образцах из никеля и никель хромовых сплавов), которые состоят из когезионно связанных между собой микро- и наноразмерных структурных зон со средним размером 20-30 мкм и 10-60 нм соответственно. Показано, что в поверхностном слое материала покрытия, полученного методом трения с перемешиванием, глубиной до 1 мм формируется структура, состоящая из вытянутых никелевых зерен толщиной 3 -10 мкм. Слои между вытянутыми зернами заполнены равновесными мелкодисперсными зернами никеля. Средний размер зерна в покрытии на глубине порядка 0.8 мм от поверхности составляет 5-7 мкм, а в поверхностных слоях снижается до наноразмерного уровня с размером 50-60 нм.

 


 

TOP