Науково-дослідні роботи - 2013р.

  • 2509-ф – «Термічна стабільність та експлуатаційна надійність нанорозмірних металевих плівок на діелектриках та напівпровідниках» (Керівник проф.,д.ф-м.н. Волошко С.М.).
За даними мас-спектрометрії вторинних іонів, електронної Оже-спектроскопії, Резерфордівського зворотного розсіювання, рентгенівської малокутової дифракції, електронної та атомно-силової мікроскопії досліджено інтенсивність розвитку дифузійних процесів та зміни морфології поверхні, визначено склад дифузійної зони та межі розташування різних фаз по товщині нанорозмірних плівкових систем із шарами міді, олова, золота, заліза, платини, паладію. З’ясовано вплив температури, часу та середовища відпалу на фазовий склад та роль інверсії матеріалів шарів. Запропоновані кореляційні залежності товщини багатошарових систем з шорсткістю поверхні та щільністю інтерметалідних фаз. За концентраційними розподілами елементів роз-раховано коефіцієнти дифузії та розроблено моделі фазових та структурних перетворень. Одержано залежності питомого електроопору від фазового складу та наявності інтерметалідних фаз. Доведено, що процеси, які розвиваються на зовнішній поверхні тонких приповерхневих шарів, шаруватих композицій металів і металічних сплавів субмікронної і нанометрової товщини, термодинамічно обумовлюють закономірності дифузійного масоперенесення в об’ємі. Показано, що процеси масопереносу, які обумовлюють зміни просторово-композиційних станів в шаруватих металевих плівках, мають складний багатостадійний характер і включають: дифузію по границях кристалітів; проникнення дифузанта з граничних прошарків углиб зерен з утворенням твердих розчинів і інших фаз одночасно з процесами рекристалізацій; вихід атомів компонентів внутрішніх шарів на зовнішню поверхню з утворенням фази дифундуючого елементу; процеси на поверхні. Визначено, що у тонкоплівкових шаруватих композиціях вплив на кожен шар з боку інших шарів, обумовлений впливом топологічних параметрів в граничній області значень, породжує специфічні ефекти і особливі термодинамічні передумови для міжшарової взаємодії. При масопереносі крізь міжшарові границі можуть досягатися значні (на порядок величини) пересичення твердих розчинів (які супроводжуються аморфізацією кристалічних шарів – явлення “локального структурного регресу”). Послідовність тонкоплівкових фаз, що формуються, може істотно відрізнятися від тієї, яка передбачається діаграмами фазової рівноваги для відповідних масивних матеріалів.

 

  • 2510-ф – «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).
Для отримання низькотемпературної плазми виготовлено модернізоване джерело Пенінгу адаптоване для роботи на установці ННВ-6,6. Встановлено закономірності формування плазмових струмів газової та металевої плазми створеним джерелом. Виготовлено багатофункціональний зонд для аналізу низькотемпературної плазми. Отримано тонкі плівки металів-каталізаторів заліза та нікелю на інертних підкладках різного складу: окису кремнію (SiO2), кремнію, та нітриду тинату (TiN), напилені методом термічного випаровування та іонно-плазмового напилення. Встановлено залежністі товщини напилюваного шару металу-каталізатору від параметрів напилення для заліза та нікелю. Виявлено, що після ЕІЛ сталі Ст.3 у вуглецевмісному рідинному середовищі (гліцерині) з додаванням порошків графіту та карбідів Cr3C2, TiC, ZrC (25 об. %) утворюється локально неоднорідна структура ЛШ, що являє собою області з різним вмістом легувального елементу, елементу основи, вуглецю та включень карбідів. Найбільший вплив на зростання мікротвердості поверхневої зони (10 ГПа) здійснює міжелектродне середовище на основі гліцерину з порошком карбіду. Досліджено вплив складу легуючих компонентів при лазерному легуванні (ЛЛ) сплавів заліза, легованих Cr та Ti, з використанням порошкоподібних (ТіС, TiN) та пастоподібних (алмазна паста) обмазок на процес формування структури, фазового складу та властивостей приповерхневих шарів в ЗЛД Проведений розрахунок розподілу температури в приповерхневому шарі та його зміну з часом. Рентгеноструктурний аналіз приповерхневих шарів, отриманих лазерним легуванням з обмазок, дозволив виявити лінії α та γ-фази заліза і невеликої кількості карбіду титану (обмазка TiC) або нітриду титану (обмазка TiN) Електронномікроскопічні дослідження ЗЛД сплавів заліза, легованих Cr та Ti, після легування з обмазки TiC виявили високу густину дислокацій та формування ділянок з комірковою структурою з густиною дислокацій ρ=2,7∙109 см-2 та ρ=1012 см-2. Запропонований механізм зміцнення ЗЛД в процесі лазерної обробки за наявності обмазок. Досліджено структуру композиційного покриття ВНТ – гидроксиапатит, отриманого методом вирощування на модельній підкладці з SiO2 та наступного розплавлення на повітрі гідроксиапатиту променем потужного лазеру. Встановлено, що склад матриці композиційного покриття практично не змінився. Структурні дослідження встановили, що форма ВНТ, їх товщина, довжина та щільність на одиниці поверхні підкладки не змінилися після розплавлення гідроксиапатиту, що також підтверджує відсутність міжфазної взаємодії та зміну структури первинно вирощених вуглецевих нанотрубок.

 

  • 2607-ф – «Формування нанорозмірних магнітно-твердих плівок FePt, легованих Ag, Au, Cu, для підвищення щільності магнітного запису і зберігання інформації»(Керівник д.т.н., проф. Макогон Ю.М.).
Методом магнетронного осадження були отримані зразки багатошарових плівок «плівка сплаву Fe50Pt50(15 нм)/проміжний шар Au(7,5; 15; 20 нм)/плівка сплаву Fe50Pt50(15 нм)» і «плівка сплаву Fe50Pt50(15 нм)/проміжний шар Сu(7,5; 15; 30 нм)/плівка сплаву Fe50Pt50(15 нм)» на підкладках термічно окисненого (шар оксиду SiO2 товщиною 100 нм) монокристалічного Si з орієнтацією (001). Встановлено, що товщина проміжного шару (Au або Сu) впливає на деформаційно-напружений стан в плівках FePt та на температуру формування хімічно впорядкованої магнітно-твердої фази L10(FePt). Великий напружений стан незалежно від знаку (стиснення чи розтягування) стримує процеси хімічного впорядкування, що позначається у зсуві температури фазового перетворення «хімічно невпорядкована фазаA1(FePt)→ хімічно впорядкована фаза L10(FePt)» в бік більш високих температур (з 650oCдо 800oC в плівках з проміжним шаром Аu; з 700oCдо 800oC в плівках з проміжним шаром Сu). Плівки зі сформованою фазою L10(FePt) демонструють перпендикулярну доменну структуру, яка має лабірінтноподібну нерегулярну конфігурацію і є підтвердженням їх магнітно-твердих властивостей. Зі збільшенням температури відпалу у плівках спостерігається збільшення розміру доменів і значне збільшення коерцитивної сили (до 15,3 кОе (1224 кА/м) в плівках з проміжним шаром Аu; до 6,7 кОе (536 кА/м) в плівках з проміжним шаром Сu).

 

  • Договір №Ф 45/374-2013 із Державним агентством з питань науки, інновацій та інформатизації України на виконання НДР «Вплив процесів на зовнішній поверхні тонких металевих шарів на фазоутворення в об'ємі» (01.10.2013 – 31.12.2013). (Керівник проф.,д.ф-м.н. Волошко С.М.).
Відвідування Національного політехнічного інституту м. Гренобль, який є співвиконавцем проекту з французької сторони, науковцями кафедри фізики металів – Волошко С.М., Олешкевич А.І., Басих В.О. для одержання зразків, проведення частини експериментальних досліджень, обговорення одержаних результатів та підготовки спільних публікацій. Термічним осадженням у вакуумі одержано тонкоплівкові зразки системи Cu/Sn із нанометровою товщиною шарів у діапазоні 5-60 нм. Проведено відпал у вакуумі та водні в інтервалі температур 373-573 К тривалістю від 900 с до однієї години. Методом електронної мікроскопії досліджено тонку структуру та процеси рекристалізації. Визначено, що процеси фазоутворення відбуваються за умов дифузійно-індукованої міграції границь зерен (DIGM). Запропоновано модель розвитку дифузійних процесів.

 

Перехідні ініціативні фундаментальні наукові роботи за напрямом

1.6.5. Наноструктурні (нанодисперсні, нанокристалічні) матеріали.

Проблеми синтезу матеріалів при екстремальних параметрах температури і тиску

 

  • НДР 0112U006636 “Формування фазового складу і структури в нанорозмірних плівках на основі скуттерудита CoSb3 – функціональних елементах термоелектрики”(керівник д.т.н., проф. Ю.М. Макогон). (Термін роботи: 2012 – 2016 рр.). 
Плівки  складу CoSbх (1,82 ≤ х ≤ 4,16) товщиною 30 нм отримували методом молекулярно-променевої епітаксії на підкладці монокристалічного кремнію Si (001) з шаром оксиду SiO2 завтовшки 100 нм. Встановлено, що при температурі підкладки під час осадження 200oC у плівках CoSbх(30 нм) (1,82 ≤ х ≤ 4,16) формується кристалічний стан. Плівки знаходяться в полікристалічному стані і без текстури. При цьому спостерігається хороша відповідність фазового складу з діаграмою фазової рівноваги для масивного матеріалу. Із збільшенням концентрації Sb формування фазового складу  відбувається в тій же послідовності, як це передбачається діаграмою фазової рівноваги для масивного стану системи Co-Sb. У плівкахCoSbхзалежно від вмісту Sb має місце наступна послідовність фазоутворення: - при концентрації Sb – 64,5 ат.%  у плівці формується антимонід CoSb2; - у інтервалі концентрацій Sb від 64,5 до 75 ат.% формується разом з CoSbфаза скутерудита CoSb3, кількість якої збільшується із зростанням Sb; - при вмісті Sb у плівці близько 75 ат.% утворюється  кристалічна фаза  CoSb3; - при вмісті Sb більше 75 ат.%  додатково до CoSb3  кристалізується фаза Sb. При відпалі у вакуумі при температурах вище 450-500оС відбувається сублімація Sb, що відображається в зміні фазового складу по наступних хімічних реакціях - CoSb2 Sb­ = CoSb, CoSb3Sb­ =  CoSb2, що призводить до збільшення кількості фаз СоSb і СоSb2 і зменшенню кількості СоSb3. Плівки складу CoSbx(30 нм) (1,82 ≤ х ≤ 4,16) термічностабільні до температури » 350оС

 

  • НДР 0113U005528 “Формування термічно стабільних нанорозмірних плівок силіциду NiSi на монокристалічному кремнії” (керівник д.т.н., проф. Ю.М. Макогон). (Термін роботи: 2013 – 2017 рр.).
Нанорозмірні плівки Ni(30 нм)/Pt(2; 6 нм)/Siэп.(50 нм)/Si(001) були отримані магнетронним пошаровим осадженням шарів Ni(30 нм) і Pt(2 і 6 нм) при кімнатній температурі на підкладку монокристалічного Si(001) із заздалегідь вирощеним шаром епітаксіального Si(50 нм). Показано, що присутність проміжного шару Pt стабілізує фазу NiSi і утрудняє формування фази NiSi2. Складна фаза Ni1-xPtxSiутворюється в системі з проміжним шаром Ptтовщиною 6 нм  при температурі відпалу 600ºС, що на 50ºС нижче, ніж в системі з  проміжним шаром Ptзавтовшки 2 нм. Фаза Ni1-xPtxSiрозпадається на фази NiSi і PtSi в зразках з шаром |(30 нм)(((Pt(2 нм) після відпалу за температури 850ºС, а в зразках з шаром |(30 нм)(((Pt(6 нм) – після відпалу за температури вище 650ºС. У обох випадках (шари Pt завтовшки 2 і 6 нм) МСВН-профілі показують збагачення кремнієм вільної поверхні зразка (виключаючи результат, отриманий після 450ºС для проміжного шару Pt(2 нм), де на поверхні сформувалася фаза NiSi2). Збільшення електроопору пов'язане з присутністю потрійної фази Ni1-xPtxSi. Введення проміжного шару Pt між плівкою Ni і підкладкою Si(001) підвищує термічну стійкість NiSi в порівнянні з термічною стійкістю цієї фази в системі Ni/Si без Pt на 100ºС (до 850ºС). 

 

  • Ініциативна робота «Модифікація поверхні сплавів заліза методами високоенергетичної обробки» (керівник доц., к.т.н. Є.В. Іващенко). Термін роботи: 2010 – 2014 рр. 
Проведені дослідження структури, фазового складу, кінетики перенесення матеріалу, мікротвердості та зносостійкості легованих шарів, отриманих на сталі 45 в процесі пошарового електроіскрового легування (ЕІЛ). Встановлено, що ЕІЛ у послідовностіZr-С, Ti-С, Cr-С у середовищах пропан-бутану, аргону, повітря сприяє зміцненню поверхневих шарів до 4 – 9 ГПа за рахунок утворення в них фаз проникнення, які стали результатом взаємодії обраних в якості анодів карбідо- та нітридоутворюючих металів з елементами насичувального середовища (вуглецем та азотом). Показано, що суттєвий вплив на створення покриттів, рівномірних за товщиною, здійснює інертне середовище (аргон). Встановлено, що ЕІЛ сталі 45 у послідовностіCr-Al-C, Cr-C-Al, Ni-Al-C, Ni-C-Al, Cr-Al-C-Cr, Ni-Al-C-Ni призводить до формування покриттів з високою мікротвердістю (до 13 ГПа) внаслідок утворення фаз проникнення та інтерметалідних сполук. Випробування за схемою сухого тертя-ковзання площина по площині свідчать про підвищення зносостійкості у 5-6 разів в порівнянні з необробленою поверхнею.

 

  • Ініциативна робота «Комп’ютерні методи “конструювання” матеріалів» (керівник д.ф-м.н., проф. С.І. Сидоренко). Термін роботи: 2012 – 2016 рр.
Проведено теоретичне дослідження взаємного впливу дифузійної асиметрії, дифузійної анізотропії, процесу впорядкування та кінетики руху інтерфейсу на прикладі двошарової нанорозмірної системи Au/Cu методом кінетики середнього поля. Проведено теоретичні дослідження механізмів та кінетики дифузії в багатошарових тонкоплівкових системах на основі срібла шляхом ab initio-моделювання (моделювання із перших принципів). Проведено експериментальні дослідження процесів масо переносу на атомістичному рівні в плівкових системах “метал-кремній” та досліджено еволюцію концентраційних розподілів основних елементів та домішок по товщині в процесі відпалу в різних середовищах. Проаналізовано термічну стабільність металевих контактів та виконано прогнозування її впливу на властивості тонкоплівкових сонячних елементів. Встановлено та протестовано у центрі суперкомп’ютерних обчислень НТУУ «КПІ» сучасне програмне забезпечення для виконання квантово-механічних обчислень. Результати дослідження можуть бути використанні при створенні сучасних приладів в галузях енергозберігання та мікроприладобудування.

 

  • Міжнародний проект СРДФ UKP2-7040-KV-11 за  програмою CRDF - CGP 2010/2011 Applied Energy Research Competition «Тонкоплівкові сонячні елементи на основі нанокристалічного кремнію, легованого рідкісноземельними елементами» кафедри фізики металів та кафедри мікроелектроники  НТУУ «КПІ» з кафедрою фізики Бостонського коледжу (Честнат-Хілл, Штат Массачусетс, США). 
Проведено експериментальні дослідження, опубліковано статтю у журналі Defect and Diffusion Forum. Докторантом С.О. Замулко зроблено доповідь на конференції «E-MRS 2013 FallMeeting»уПольщі. Підготовано заключний науковий звіт, практичні рекомендації щодо технологічних умов одержання тонкоплівкових сонячних елементів.
TOP