Науково-дослідні роботи - 2012р.

  • 2306ф «Формування стабільних нанорозмірних магнітних плівок FePt для надвеликої щільності запису і збереження інформації»(керівник д.т.н., проф. Макогон Ю.М.).
Розроблено новий підхід до дифузійного формування стабільних нанорозмірних магнітно-тверди плівок FePt з хімічно впорядкованою фазою L10(FePt)ГЦТ при використанні додаткових шарів легуючих елементів (Ag, Au, Cu) з низкою поверхневою енергією. Енергія межі поділу між шарами була застосована як додаткова екстрарушийна сила для прискорення термічно-активованих процесів хімічного впорядкування плівки FePt і зниження температури (на 100оС) фазового переходу хімічно невпорядкованої магнітно-м'якої фази А1(FePt)ГЦК у хімічно впорядковану магнітно-тверду фазу L10(FePt)ГЦТ з надструктурою. Обгрунтовано доцільність застосування легуючих елементів (Ag, Au, Cu) з обмеженою розчинністю в сплаві FePt для ефективного керування параметрами і орієнтацією кристалічної надгратки, а також обмеження росту зерен і розташування вісі легкого намагничування плівки перпендикулярно до поверхні підкладки. Проведено комплексні експеріментальні дослідження багатошарових нанорозмірних плівкових композицій, що дозволило сформувати фазу L10(FePt)ГЦТ з високою коерцитивною силою (Нс ~ 20-30 кОе), намагніченістю насичення (~ 1500 емо/cм3), з прямокутною формою кривої намагнічування і співвідношенням Mr/Ms близьким до 1 в поверхневих шарах. Розроблено рекомендації щодо вибору технологічних параметрів процесу формування і стабілізації плівок FePt, застосування яких дасть змогу підвищити щільність магнітного запису і збереження інформації термоактивованим методом запису до ~ 250 Тбіт/смзамість досягнутих на цей час 60 Гбіт/см2. Результати роботи використано в навчальному процесі в лекційних курсах з дисциплін  "Тонкоплівкове матеріалознавство", "Матеріалознавство нанорозмірних металевих структур" із тематичними розділами:"Багатошарові гетероструктури в магнітних нанорозмірних матеріалах", “Нанорозмірні плівкові матеріали для високої щільності магнітного запису і збереження інформації”, під час виконання курсових, дипломних та магістерських робіт. Оновлені цикли лабораторних робіт “Рентгеноструктурний фазовий аналіз нанорозмірних плівок”, “Резистометричний аналіз нанорозмірних плівок”, “Оцінка напруженого стану нанорозмірних плівкових композицій”, “Оцінки розподілу хімічного складу  плівки методом резерфордівського зворотнього розсіювання ”. Видано 1 монографію і розділ в монографії,  опубліковано 15 статей (4 у закордонних виданнях), зроблено 42 доповіді на конференціях (27 на міжнародних) Розробка перевищює світові аналоги. Запропоновані підходи та методи мають універсальних характер і можуть бути застосовані при виготовленні функціональних елементів наноелектроніки, наноелектрики, при розробці нанотехнологій.

 

  • 2509ф «Термічна стабільність та експлуатаційна надійність нанорозмірних металевих плівок на діелектриках та напівпровідниках» (Керівник проф.,д.ф-м.н. Волошко С.М.).
Відпрацьована методика одержання металевих вакуумних конденсатів  в нанорозмірному діапазоні товщини (5-100 нм) із відтворюваним хімічним складом по глибині шарів. Обгрунтований вибір сполучень матеріалів у нанорозмірних композиціях з точки зору практичного застосування. Одержано серію зразків для дослідження. Проведено відпал зразків у вакуумі при значеннях тиску 10-3 Па та 10-6 Па та в середовищі водню при тиску 5•102 Па в інтервалі температур 100-500оС. Здійснено лазерну та йонно-плазмову обробку зразків за різних режимів. Досліджено топографію поверхні за допомогою атомно-силової та оптичної мікроскопії. Методами електронографії “in situ” та трансмісійної електронної мікроскопії досліджено процеси структуро- та фазоутворення в інтервалі температур 130-500оС в тонкоплівкових системах Сu/Sn та Sn/Cu із різною товщиною шарів у нанометровому діапазоні. За зміною періоду кристалічної гратки визначено розчинність олова в α – твердому розчині Cu-Sn. Встановлено, що процеси фазоутворення в зразках системи Cu-Sn при інверсії матеріалів шарів та зміні співвідношення товщини шарів мають як спільні риси, обумовлені особливостями діаграми стану компонентів, так і деякі суттєві відмінності. За допомогою методу малокутового рентгенівського розсіювання встановлено наявність інтерметалідної фази Cu6Sn5 у вихідному стані, яка перетворюється на фазу Cu3Sn після відпалу при температурі 100°C різної тривалості. Відпал при температурі 200°C та вище призводить до формування фази Cu4Sn. Методом резерфордівського оберненого розсіяння одержано концентраційний розподіл олова по товщині зразка та підтверджено наявність фази Cu4Sn.  Встановлено також, що при низьких температурах атоми олова дифундують в шар міді за зернограничним механізмом, а при підвищених температурах, завдяки рекристалізації мідного шару, олово, яке міститься в границях зерен міді, виявляється включеним в об’єм “нових” зерен, що призводить до утворення твердого розчину олова в міді. Одночасно проходять дифузія атомів міді через шар, збагачений оловом,  до зовнішньої поверхні зразка та окислення міді на цій поверхні до Сu2O. Зроблено висновок, що у досліджуваній системі проходять складні процеси масопереносу, які супроводжуються як розшаруванням твердих розчинів, так і розвитком об’ємної та реакційної дифузії. Формування нових фаз відбувається за рахунок перерозподілу як олова, так і міді не тільки по товщині системи, а і в тримірному вимірі, про що свідчить суттєве зростання розміру окремих зерен. В подальшому планується створення математичної моделі, яка має включати багатостадійний термоіндукований масоперенос компонентів  та процеси фазоутворення, що конкурують між собою.

 

  • 2510ф «Формування функціональних та біосумісних композиційних покриттів на сплавах титану і заліза, зміцнених вуглецевими нанотрубками та елементами втілення, за умов екстремальних енергетичних впливів» (керівник проф., д.ф-м.н. С.І. Сидоренко).
Проведений інформаційний та патентний пошук за темою дослідження. Розроблено технічне завдання на виконання науково-дослідної роботи. Проведений вибір об єктів дослідження. Відпрацьована методика формування нанотрубок на полікристалічних підкладках окису кремнію складу SiO2. Досліджена будова отриманих каталітичних центрів у растровому електронному мікроскопі (РЕМ). На підкладках з SiOх, з нікелевими каталітичними центрами вирощено вуглецеві нанотрубки (ВНТ) методом CVD. Виплавлені експериментальні модельні сплави систем Fe-Cr, Fe-Ti. Проведений мікроструктурний аналіз вихідних зразків сплавів. Досліджено фізико-хімічні процеси, які відбуваються на поверхні інертної підкладки з дісиліциду кремнію (SiO2) при напиленні нікелевої та залізної острівкової плівки методом іонно-плазмового напилення на установці ННВ-6.6 в атмосфері аргону при різних параметрах осадження та наступного високотемпературного дифузійного відпалу. Встановлено закономірності формування каталітичних нікелевих та залізних каталітичних центрів на поверхні  SiO2. Створено робочу гіпотезу формування каталітичних центрів в умовах іонно-плазмового напилення та високотемпературного дифузійного відпалу. Досліджено геометрія поверхні отриманих металевих каталітичних центрів. Програмою “Imeg-Pro” виконано кількісну обробку зображень каталітичних центрів. Аналогічні дослідження формування каталітичних центрів було проведено з використанням перехідної (бар’єрної) плівки з TiN напиленої між підкладкою з SiO2 та плівкою з Ni та Fe. Встановлено закономірності формування каталітичних нікелевих центрів на бар’єрному шарі з TiN при різних параметрах процесу. Розроблені параметри режимів, склад насичуючих середовищ, методика процесів ЕІЛ та ЛО у комбінованих насичувальних середовищах. Проведено ЕІЛ Zr-, Ti-, Cr-анодами у змінних азот- та вуглець-вміщуючих середовищах та у сумішах газів. 

 

Ініціативні наукові роботи за пріоритетним напрямом розвитку науки в Україні

 «Нові речовини та матеріали». Створення та застосування технологій отримання, зварювання, з’єднання та оброблення конструкційних, функціональних і композиційних матеріалів.

 

  • Ініциативна робота РК № 0112U006636 “Формування фазового складу і структури в нанорозмірних плівках на основі скуттерудита CoSb3 – функціональних елементах термоелектрики”(керівник д.т.н., проф. Ю.М. Макогон).
Встановлено, що фазовий склад і структура плівок  CoSbx(30 нм), (де х = 1.82-4.16) на підкладці SiO2(100 нм)Si(001), залежать від умов осадження і термічної обробки.   У плівках CoSb(1.82-4.16) осаджених на підкладку, що знаходиться при кімнатній температурі, спостерігається рентгеноаморфний стан. Кристалізація аморфних плівок CoSb(1.82-4.16) відбувається при нагріві в інтервалі » 140 -200оС. У плівках з великим  вмістом Sb температурний інтервал  кристалізації  збільшується і зміщується у бік  великих  температур. При підвищенні температури підкладки до 200оС при осадженні в плівках CoSb(1.82-4.16) формується кристалічний стан. Плівки знаходяться в полікристалічному стані без текстури.  У плівці CoSb1.82(30 нм) (64,5 ат. % Sb) спостерігається однофазний стан - утворюється антимонід CoSb2.Збільшення концентрації Sb в плівках призводить до формування також скуттерудита   CoSb3. Двофазний стан стан зберігається до 74.6 ат.%  Sb. При цьому кількість фази CoSb3 зростає, досягаючи більш 90% і відповідно зменшується кількість  CoSb2. Збільшення концентрації Sb в плівках від 76,1 ат.% до 80,6 ат.% Sb приводить до появи вільної кристалічної фази сурми, кількість якої із збільшенням концентрації Sb  збільшується. При відпалі як у вакуумі, так і в азоті при температурі вище 500оСмає місце випаровування Sb, що відбивається в зміні фазового складу унаслідок  перебігу хімічних  реакцій: CoSb2 Sb­= CoSb,  CoSb3 Sb­ =  CoSb2. Збільшується вміст фаз, що мають в своєму складі менше Sb - СоSb, СоSb2 і зменшується СоSb3. Випаровується також сурма, що знаходиться в не зв'язаному кристалічному стані. Інтенсивніший процес випаровування Sb спостерігається при відпалі рентгеноаморфних плівок. У нанорозмірних плівках спостерігається хороший збіг фазового складу з діаграмою фазової рівноваги для масивного матеріалу. Електропровідні властивості досліджуваних плівок залежать від їх структурно-фазового складу. У плівках CoSb3(30 нм) у кристалічному стані залежність R=f(T) має напівпровідниковий характер. Складніший характер зміни електроопору при нагріві рентгеноаморфних плівок пов'язаний з процесами кристалізації плівок.

 

  • Ініциативна робота «Модифікація поверхні сплавів заліза методами високоенергетичної обробки» (керівник доц., к.т.н. Є.В. Іващенко). 
Проведені дослідження структурних та фазових перетворень поверхневої зони сплавів заліза в процесі електроіскрового легування (ЕІЛ) перехідними металами (Zr, Ti, Cr) з різним ступенем карбідо- та нітридоутворюючої здатності при пошаровому їх нанесенні та при використанні комплексних насичувальних середовищ з елементами втілення (послідовно змінних азот- та вуглецьвмісної атмосфер; сумішей гліцерину з порошками карбідів Сr3C2, TiC, ZrC або графіту. Встановлена можливість управління розподілом нітридних та карбідних фаз за глибиною легованого шару в процесі двостадійного електроіскрового легування цирконієм, титаном або хромом за рахунок дворазової зміни насичувальної атмосфери під час обробки з азотвмісної на вуглецьвмісну та з вуглецьвмісної на азотвмісну, що збільшує поверхневу мікротвердість сталі Ст.3 до 4 – 9 ГПа та рівень зносостійкості у 4 – 8 разів. Встановлено, що ЕІЛ сталі Ст.3 у комплексних рідинних насичувальних середовищах – сумішах гліцерину з порошкоподібними карбідами (Cr3C2, TiC, ZrC) або графітом у концентрації 25 об. % – призводить до формування легованих шарів з мікротвердістю 5,5 – 10 ГПа, внаслідок додаткового збагачення їх дисперсними частинками карбідів металів легувальних електродів (Cr, Ti, Zr). Запропонована якісна модель структурно-фазових перетворень у поверхневих шарах сплавів заліза при електроіскровому легуванні перехідними металами у насичувальних середовищах з елементами втілення. Результати дослідження можуть бути використанні при створенні високоефективних технологій поверхневого зміцнення виробів зі сплавів заліза.

 

  • Міжнародний науковий проект програми VISBY (закінчився у червні 2012 р.) «Тонкі металеві плівки – взаємодія структурної дифузії та границь» (SI dnr 00699/2009) кафедри фізики металів Інженерно-фізичного факультету  НТУУ «КПІ» та лабораторії Ангстрема Університету м. Уппсала. Дослідження продовжено у рамках індивідуального гранту програми VISBY № 00210/2012 (6 місяців наукового стажування аспіранта А. Олешкевич) в університеті м. Уппсала (Королівство Швеція).
Вивчено самодифузію заліза у епітаксійних тонких плівках Pt/Fe56/Fe57/MgО(100) в умовах реалізації кінетичного режиму типу А (відсутності зернограничної дифузії). Плівки одержано методом молекулярно-променевої епітаксії у лабораторії Ангстрема. Експериментальні дослідження виконано в університеті м. Дебрецен. На відміну від полікристалічних плівок ізотопічного ефекту для Fe57 і Fe56 не виявлено. Коефіцієнти самодифузії Fe56 і Fe57 для інтервалу температур 703-813 К складають 5,5.10-22 – 8.10-20 м2/с, енергія активації – 2,4 eВ. Шар платини не запобігає процесам окислення - атоми 56Fe виходять на зовнішню поверхню в процесі відпалу при температурі вище 673 К, а  атоми 57Fe з самого нижнього шару – при 773 К. В ділянці досліджених температур спостерігається хімічна взаємодія Pt з Fe з утворенням твердого розчину. Тому розраховане значення енергії активації характеризує самодифузію заліза у присутності третього елементу – платини. При температурах вище 813 К утворення впорядкованої фази 56FePt3 в приповерхневій області стає чинником, контролюючим швидкість взаємної дифузії 57Fe і 56Fe.

 

  • Спільний науково-дослідницький студентський українсько-німецький проект за грантами № 54300147 і № 55576194 ДААД ім. Леонарда Ейлера. 
Метою науково-дослідної роботи є формування: 1) оптимального структурно-фазового складу нанорозмірних силіцидних плівок на монокристалічному кремнії як різних функціональних елементів мікроприладів та мікросхем; 2) стабільних нанорозмірних магнітних плівок FePt для надвеликої щільності запису і збереження інформації; 3) фазового складу і структури в нанорозмірних плівках на основі скуттерудита CoSb3 – функціональних елементах термоелектрики. Розроблено новий підхід до дифузійного формування стабільних нанорозмірних магнітно-твердих плівок FePt з хімічно впорядкованою фазою L10(FePt)ГЦТ при використанні додаткових шарів легуючих елементів (Ag, Au, Cu) з низкою поверхневою енергією. Енергія межі поділу між шарами була застосована як додаткова екстрарушийна сила для прискорення термічно-активованих процесів хімічного впорядкування плівки FePt і зниження температури (на 100оС) фазового переходу хімічно невпорядкованої магнітно-м'якої фази А1(FePt)ГЦК у хімічно впорядковану магнітно-тверду фазу L10(FePt)ГЦТ з надструктурою. Обгрунтовано доцільність застосування легуючих елементів (Ag, Au, Cu) з обмеженою розчинністю в сплаві FePt для ефективного керування параметрами і орієнтацією кристалічної надгратки, а також обмеження росту зерен і розташування вісі легкого намагничування плівки перпендикулярно до поверхні підкладки. Проведено комплексні експеріментальні дослідження багатошарових нанорозмірних плівкових композицій, що дозволило сформувати фазу L10(FePt)ГЦТ з високою коерцитивною силою (Нс ~ 20-30 кОе), намагніченістю насичення (~ 1500 емо/cм3), з прямокутною формою кривої намагнічування і співвідношенням Mr/Ms близьким до 1 в поверхневих шарах. Розроблено рекомендації щодо вибору технологічних параметрів процесу формування і стабілізації плівок FePt, застосування яких дасть змогу підвищити щільність магнітного запису і збереження інформації термоактивованим методом запису до ~ 250 Тбіт/смзамість досягнутих на цей час 60 Гбіт/см2.

 

  • Міжнародний проект СРДФ UKP2-7040-KV-11 за програмою CRDF - CGP 2010/2011 Applied Energy Research Competition (жовтень 2011-2012 рр.) (жовтень 2011-2012 рр.) «Тонкоплівковісонячніелементинаосновінанокристалічногокремнію, легованогорідкісноземельнимиелементами» кафедри фізики металів та кафедри мікроелектроники НТУУ «КПІ» з кафедрою фізики Бостонського коледжу (Честнат-Хілл, Штат Массачусетс, США).
Метою проекту є синтез, дослідження та теоретичний опис нового матеріалу для створення дешевих, ефективних та стабільних тонкоплівкових сонячних елементів. Результати досліджень, проведених в рамках даного проекту, дадуть змогу експериментально та теоретично встановити вплив наноструктури та рідкісноземельних домішок на властивості тонких кремнієвих плівок, а також бар’єрних структур за їх участі як основи тонкоплівкових сонячних елементів. Перший етап Проекту (близько 6 місяців) присвячений синтезу та дослідженню нанокристалічних кремнієвих плівок для застосування їх в сонячних елементах. На даному етапі українською групою будуть осаджені тонкі кремнієві плівки, встановлені технологічні режими отримання нанокристалічної структури матеріалу, вивченні структурні, електричні та оптичні властивості, а також хімічний склад дослідних зразків. Американська група дослідників в цей час буде займатись побудовою теоретичної моделі кремнієвої плівки для розрахунків її оптичних характеристик. При постановці завдань проекту передбачалось, що тонкий шар тугоплавкого металу (Тi, Ta) між матеріалом контакту (Ag) та кремнієм може уповільнити дифузійні процеси за рахунок утворення проміжних фаз та формування фізичного бар’єру. Для дослідження дифузійної стабільністі інтерфейсу Ag/Ti та прогнозування її впливу на властивості тонкоплівкових сонячних елементів також одержано серію модельних зразків. Металеві шари із різною товщиною у нанорозмірному діапазоні осаджувались магнетронним (М) та електропроменевим (Е) методами на монокристалічний Si(111). Відпал проводився в інтервалі температур 373 – 773 К впродовж 20 хвилин. Встановлено, що у випадку, коли товщина шару Ag менша за   нм, дифузія атомів Ti до зовнішньої поверхні відбувається вже в процесі осадження (конденсаційно-стимульована дифузія). Згідно даним рентгеноструктурного аналізу, у вихідному стані параметр гратки Ag (aAg) складає 4.0779 Å та 4.0836 Å для М таЕ методів і відповідно кількість розчиненого в гратці срібла титану – 1.198 та 1.247 ат.%. В процесі подальшого відпалу більш дифузійно рухливими стають атоми Ag. Концентрація Ti – СTi – в плівці Ag після усіх режимів відпалу не перевищує 3 ат.%, що свідчить на користь зернограничного механізму дифузії. Більш суттєве збільшення СTi спостерігається після відпалу у низькому вакуумі (10-3 Па),ніж після відпалу у високому вакуумі (10-6 Пa), а також для зразків з меншою товщиною шару Ag (одержаних Е методом). З точки зору термічної стабільності найкращі результати досягнуто для систем, одержаних магнетронним методом, із товщиною шару Ag –   нм. Але, навіть за досить низьких температур на інтерфейсі Ag/Ti у таких системах спостерігається область взаємної дифузії компонентів та наявність Ti у поверхневому шарі. Стабільність інтерфейсу покращено шляхом введення між Ag та Ti прошарку Мо товщиною 10 нм, який запобігає розвитку термоактивованих дифузійних процесів. 

 

  • Спільний науковий проект № М/271-2012 (від 10 липня 2012 р.) «Створення та дослідження поверхневих наноструктурних шарів на виробах, що працюють при терті, високоенергетичними методами та фрикційною обробкою»за програмою робіт "The joint research projects in cooperation between Ukraine and China 2011-2012", визначених міждержавною комісією з науково-технічного співробітництва України та КНР на 2011-2012 роки.
  Встановлено формування мікро- та наноструктурних станів в приповерхневих шарах матеріалів покриттів при деформації тертям з одночасним перемішування. Показано, що поєднання процесів деформації тертям та одночасного перемішування забезпечує формування по глибині покриття чи суцільного матеріалу зон структурно-фазових неоднорідностей, які полягають в мікро- і наноструктуруванні приповерхневих шарів на глибинах міліметрового діапазону від поверхні виробів, що значно перевищує глибини мікро- та наноструктурування під дією лише фрикційного впливу. Показано можливість формування методом деформації тертям з перемішуванням приповерхневих шарів (на зразках з нікелю та нікель хромових сплавів), які складаються з когезійно пов’язаних між собою мікро- та нанорозмірних структурних зон з середнім розміром 20-30мкм та 10-60нм відповідно. Показано, що в поверхневому шарі матеріалу покриття, отриманного методом тертя з перемішуванням, глибиною до 1 мм формується структура, яка складається з витягнутих нікелевих зерен товщиною 3-10 мкм. Прошарки між витягнутих зернами заповнені рівновісними дрібнодисперсними зернами нікелю. Середній розмір зерна в покритті на глибині порядку 0.8мм від поверхні становить 5-7 мкм, а в поверхневих шарах знижується до нанорозмірного рівня з розміром 50-60 нм.
TOP