2202ф «Формування структури, магнітних властивостей нанорозмірних плівок FePt(Pd) водневою термообробкою для магнітного запису інформації підвищеної щільності» (інженерно-фізичний факультет, керівник Ю.М. Макогон).

Розроблено технічне завдання і проведено літературний огляд. Обгрунтувано вибір об’єктів дослідження і поставлені завдання дослідження. Магнетронним методом осадження  отримано зразки нанорозмірних плівок FePd та FePd/Ме (де Me = Ag, Au, Cu, W товщиною (0,3 -0,9) нм). Загальна товщина кожної плівкової композиції 5 нм. В якості підкладок застосовані пластини окисненого монокристалічного  кремнію SiO₂(100 нм)/Si(001).

Відпрацьовано методики фізичного матеріалознавства: для дослідження фазового складу і структури плівок – рентгеноструктурний фазовий аналіз; для оцінки рівня механічних напружень – рентгенівська тензометрія. Для визначення параметрів морфології поверхні – растрова електронна мікроскопія; атомно-силова мікроскопія. Для виявлення розподілу хімічних елементів по товщині плівки – мас-спектрометрія вторинних нейтралей; Резерфордівське зворотне розсіювання. Для визначення електрофізичних властивостей – методи вимірювання магнітних властивостей за допомогою SQUID-магнітометра і методу MOKE, резистометрії та інших сучасних методів досліджень.

Проведено термічну обробку у атмосфері водню під тиском 1 атм в інтервалі температур 600 ^oC – 700 ^oC тривалістю 0.5; 1 та 2 год  плівок FePd та FePd/Me (де Me –Ag, Au, Cu), що було отримано магнетронним методом осадження на підкладки SiO₂(100 нм)/Si(001).

Плівкові композиції FePt-Au та FePt-Cu були відпалені у водні протягом 30 с. Встановлено, що при відпалі у водні впорядкована фаза L1₀-FePd як у чистому сплаві FePd, так і з додаванням легуючого елементу формується за температури 650^oC, 1 год. 

Оптимальними умовами для отримання впорядкованої фази L1₀ є відпал у водні за температури 650 °С з витримкою 1 год  плівок FePd/Au, FePd/Ag з товщиною додаткового шару 0,3 нм і FePd/Cu з товщиною додаткового шару 0,6 нм. Водень при втіленні у кристалічну гратку фази А1 FePd розташувується в октаедричних порожнинах, спотворює елементарну комірку і ослаблює зв’язки між атомами Fe↔Pd. Це сприяє процесам упорядкування і формування упорядкованої фази L1₀ FePd з анізотропією магнітних властивостей.).

Додавання додаткових шарів легуючих елементів та аміщення атомів Pd та Fe атомами Ag, Au та Cu при відпалі плівок у водні за температури 650 °С впродовж 1 год призводить до зменшення коерцитивної сили плівок порівняно з плівкою FePd(5 нм).

Збільшення товщини шару Me до 0.9 нм та температури відпалу у водні до 700 °С супроводжується процесом розупорядкування (L1₀-FePd→А1-FePd) та значним зменшенням намагніченості насичення. Це відбувається за рахунок втілення атомів водню у кристалічну гратку фази  L1₀-FePd та зміни електронної структури,

Процеси упорядкування у плівках FePt-Au та FePt-Cu на  SiO₂(100 нм)/Si(001) відбуваються при відпалі за температури 500 °С тривалістю 30 с, незалежно від товщини та розташування додаткового шару легуючого елементу. Зниженню температури впорядкування та зменшенню часу відпалу для отримання бажаної фази L1₀-FePt сприяє більша товщина плівкової композиції та більший рівень початкових стискаючих напружень у шарі FePt, ніж у шарі FePd. При цьому переважаюча кількість зерен впорядкованої фази фази зростає L1₀ зростає з текстурою (111) з віссю легкого намагнічування с, розташованою у площині плівки. Магнітні властивості плівок  FePt-Au та FePt-Cu при цьому кращі, ніж при відпалі у вакуумі.

 Розроблено рекомендації щодо вибору технологічних параметрів  процесу їх одержання і стабілізації структури, властивостей

Проведено швидкий термічний відпал (RTA) плівок FePd та FePd/Me (де Me –Ag, Au, Cu), що було отримано магнетронним методом осадження на підкладки SiO₂(100 нм)/Si(001), у атмосфері азоту за температур 600 ^oC  та 650 ^oC тривалістю 30 с та 90 с.  Фазовий склад та структуру плівкових композицій після осадження і термічної обробки вивчено методом рентгеноструктурного фазового аналізу у випроміненні l_Кa-Cu. Морфологію поверхні досліджено методом атомно-силової мікроскопії з використанням приладу DI Dimention 3000. Магнітні властивості плівок визначені методами SQUID магнітометрії.

Встановлено, що при швидкому відпалі у азоті відбувається зміщення базового рефлексу FePd(111) в сторону малих кутів, що означає збільшення міжплощинної відстані внаслідок зміни напруженого стану у плівках. Розтягуючі деформації у напрямку перпендикулярному площині плівки не сприяють росту зерен FePd з текстурою (001). У плівці FePd збільшення тривалості відпалу від 30 с до 90 с та товщини шару міді приводить до росту зерен з вираженою  текстурою (111). Додавання Cu зменшує температуру формування впорядкованої фази L1₀-FePd до 600 ^oC, про що свідчить розщеплення рефлексу (200) на (200) та (002).

На дифрактограмах майже усіх плівок відсутній надструктурний рефлекс (001) від впорядкованої фази L1₀-FePd. При відсутності надструктурних рефлексів підтвердити початок формування впорядкованої фази L1₀-FePd як у чистому сплаві FePd, так і з додаванням легуючого елементу, можливо тільки шляхом  виміряння магнітних властивостей плівок.

Прийнято до захисту дисертаційну роботу Вербицької М.Ю. “Фазовий склад, структура і магнітні властивості нанорозмірних плівкових композицій FePt з додатковими шарами Au” за спеціальністю 05.16.01 – металознавство та термічна обробка металів у спеціалізовану вчену раду Д 26.002.12. Опубліковано 1 монографію, 5 статей, 8 тез доповідей та прийнято участь у 6 міжнародних конференціях.

2101ф «Вплив йонного опромінення на структуру, абсорбційну здатність та корозійні властивості нанорозмірних металевих композицій» (інженерно-фізичний факультет, керівник С.І. Сидоренко).

На систематичному рівні досліджено закономірності дифузійного фазоутворення та формування структур, нетипових для масивного стану, а також вплив додаткового (проміжного) шару, фактору нанорозмірності, середовища відпалу, йонної обробки поверхні нанотовщинних шаруватих плівкових композицій з ОЦК (V, Fe, Cr), ГЦК (Ag, Pt, Ni, Cu) та ГЦТ (FePt) гратками. Для цього використано комплекс експериментальних методів дослідження: мас-спектрометрію вторинних нейтральних частинок та вторинних йонів, рентгенівську дифрактометрію з геометрією ковзаючого променю, структурний та фазовий аналіз за методом GIWAXS, трансмісійну електронну мікроскопію, атомно-силову мікроскопію, іn–situ високоенергетичну електронну дифракцію, плазмонну спектроскопію, чотиризондову резистометрію, SQUID-магнітометрію. Нові методичні підходи до структурного аналізу нанорозмірних матеріалів із використанням синхротронного випромінювання (із щільність потоку фотонів більшою на 12 порядків, а тривалістю експозиції в 150 разів меншою ніж за традиційними методами рентгеноструктурного аналізу), дозволили встановити цілий ряд нових ефектів. Ці дослідження проводились на базі синхротронного центру SPring-8 Національного інституту фізико-хімічних досліджень RIKEN, Японія.

Вперше на досліджуваних композиціях показано, що під впливом фактору нанорозмірності при термічних (в інтервалі температур 623-923 К) і йонних (із дозами опромінення 10¹⁶-10¹⁷ йон/см²) впливах формуються структури різного типу, нетипові для масивного стану: тверді розчини заміщення та пересичені тверді розчини проникнення домішок (кисень в ОЦК-ванадії), структурні складові із взаємно нерозчинних у масивному стані елементів (V-Ag, Cu-Cr), трикомпонентні фази V_хAg_уО_z, Fe_хPt_уAu_z, Ni_хCu_уCr_z, дрібнодисперсні структури в шарах V, FePt, Ni із границями зерен, насиченими Ag, Au, Cu, Cr. Обрані режими термічного та йонного оброблення є типовими для промислових технологій.

Регулюючий вплив на розвиток термічно-активованих процесів формування структур, нетипових для масивного стану, у досліджених нанорозмірних плівкових композиціях чинить атмосфера відпалу (кисне-, водневмісна, нейтральна або надвисокий вакуум), а також створення між металевими шарами або на підкладинці особливих зон – прошарків із суттєво іншими кристало-хімічними, фізичними та магнітними характеристиками (типом кристалічної гратки, ступенем спорідненості до кисню, електричною провідністю, магнітною сприйнятливістю).

Для досліджених багатошарових систем експериментально підтверджено багатостадійну модель дифузії – як сукупність процесів дифузійного фазоутворення за різними механізмами при термічних і йонних впливах, яка включає в себе розподілені в часі різні домінуючі механізми дифузії: дифузію границями зерен; вихід атомів компонентів внутрішніх шарів на зовнішню поверхню із утворенням фаз дифундуючих компонентів; насичення границь зерен дифундуючими елементами; об’ємну дифузію із границь в об’єм зерен; дифузійно-індуковану міграцію границь зерен із формуванням структур в об’ємі, нетипових для масивного стану.

Встановлені закономірності формування таких структур відкривають можливість отримання нових властивостей – таких, що не можуть бути досягнуті у масивному стані із рівноважним фазовим складом і які є перспективними для технологій мікро- і наноприладобудування. Наприклад, формування в границях зерен феромагнітної матриці підсистеми з парамагнітних нанопрошарків дозволяє збільшити коерцитивну силу композиції FePt/Au/FePt  в  ̴ 1,5 рази у водневмісному середовищі термічної обробки за нижчого на 373 К значення температури порівняно з нейтральною атмосферою відпалу завдяки підвищенню дефектності структури та прискоренню дифузії атомів Au в упорядковану фазу L1₀-FePt границями зерен.

У звітному році з використанням результатів виконаних робіт опубліковано 2 монографії та розділ монографії у міжнародному виданні LAP LAMBERT Academic Publishing, 3 статті у закордонних виданнях та 4 статті у фахових виданнях, що входять до міжнародних науковометричних баз даних SCOPUS, подано до друку 2 статті, видано навчальний посібник та 2 підготовано до видання, одержано патент на корисну модель, прийнято участь у 7 міжнародних конференціях із публікацією тез. Студентами захищено 3 магістерських та 4 бакалаврські роботи. Відбулось 2 наукових стажування за кордоном, організовано навчально-науковий семінар “Spintronics Radar Detectors” в рамках програми НАТО “Наука заради миру і безпеки” в м. Афіни (Греція). Рекомендовано до захисту 2 кандидатських дисертації (дата захисту – 3 грудня 2019 р.)

2102п «Наукові основи механохімічного УЗУО-синтезу зносостійких покриттів конструкційних сплавів авіаційної техніки для підвищення військової спроможності» (інженерно-фізичний факультет, керівник С.М. Волошко).

Доведено можливість підвищення жаростійкості титанового сплаву ВТ6 ультразвуковою ударною обробкою (УЗУО) його поверхні із додаванням різних дисперсних частинок. Найбільш суттєвий ефект за даними гравіметричного аналізу досягається при використанні порошку β-Si₃N₄ – втрата маси після циклічного відпалу за температури 650 °С сумарною тривалістю 50 годин зменшується практично втричі. Cинтезовані захисні покриття складаються із подрібнених та ущільнених порошків, зчеплених із матрицею товщиною від 20 мкм у випадку використання Al₂O₃ та 9 мкм і 16 мкм для α- та β- модифікацій Si₃N₄. УЗУО-синтез композитного шару з різних порошків сприяє суттєвому підвищенню корозійної стійкості поверхні сплаву ВТ6 порівняно з необробленим зразком: потенціал корозії зростає з -0,45 В до -0,3 В, а при подальшому відпалі досягає значення -0,2 В. Зносостійкість при використанні порошків Al₂O₃ зростає до 20 разів.

Для зміцнення поверхневого шару алюмінієвого сплаву АМг6 на 70-80% вперше застосований комбінований підхід, який складається з легування міддю шляхом електроіскрової обробки (ЕІЛ) та наступної УЗУО в повітряній атмосфері. Додаткове застосування ЕІЛ сприяє ще більш значному зростанню мікротвердості ніж при використанні виключно УЗУО за рахунок формування формування композиційного покриття товщиною близько 25 мкм. У модифікованому шарі переважають фази Al₂Cu (44%) та Al₆Mg₄Cu (10%). Наявність інтерметалідних фаз є непрямим свідченням підвищення концентрації дислокацій і деформаційного розігрівання, що ініціюється УЗУО. Збільшення кількості дислокацій і підвищення температури сприяють прискоренню дифузії легуючих елементів і протіканню фазових перетворень при старінні в модифікованих шарах. Дані електронної мікроскопії підтверджують дислокаційний механізм зміцнення та подрібнення вихідної структури. Комбінована обробка сприяє суттєвому підвищенню корозійної стійкості поверхні сплаву АМг6 порівняно з необробленим зразком – потенціал корозії зростає втричі, а  струм корозії відповідно зменшується.

Вперше показано можливість підвищення мікротвердості HV поверхні двофазної (α, β) латуні ЛС59-1 до ~200 % ультразвуковою ударною обробкою в середовищі рідкого азоту за квазі-ізостатичних умов. Максимальне значення HV 3,34 ГПа досягається після кріо-УЗУО впродовж 10 с. Ефект зміцнення реєструється на глибині до ~1 мм. Встановлені з використанням методу інструментального індентування зміни інструментальної твердості H_ІТ, модуля Юнга та характеристики пластичності δ_Н матеріалу поверхневого шару після кріо-УЗУО добре корелюють з оцінками величини зміцнення, проведеними на основі вимірювань мікротвердості HV. Трансмісійний електронно-мікроскопічний аналіз тонких фольг зафіксував формування зсувних смуг у α-фазі, а акож суттєве зростання густини дислокацій у β-фазі та всередині смуг у α-фазі. Дислокації утворюють скупчення та дислокаційні субграниці, що формують комірчасту структуру. В окремих субзернах простежуються нанорозмірні структурні елементи двійникового характеру (шириною ~20–40 нм). Загалом, відбувається суттєве подрібнення елементів структури – розмір утворених комірок знаходиться в межах 50–200 нм. Виявлені дефекти структури, а також спричинене ними утворення нанорозмірних зерен, відіграють важливу роль у спостережуваному зміцненні. Утворена структура демонструє значну релаксаційну стійкість, що може бути пов’язано з наявністю дисперсних частинок другої фази, які формуються в результаті перебігу впорядкування/втрати порядку та фазових перетворень у β-фазі за умов кріогенної УЗУО.

Зміни мікрорельєфу поверхні та мікротвердості HV поверхневих шарів двофазної латуні ЛС59-1 досліджено також після УЗУО на повітрі та в інертному середовищі. УЗУО в середовищі газу аргону веде до суттєвого зниження параметрів шорсткості модифікованої поверхні на відміну від результату УЗУО на повітрі, яка спричиняє утворення більш розвиненого мікрорельєфу поверхні. Підвищення мікротвердості поверхні зразків, оброблених УЗУО в середовищі газу аргону та на повітрі, відповідно сягає ~180 % (HV₁₀₀ = 2,24 ГПа) та ~220 % (HV₁₀₀ = 2,76 ГПа). В обох випадках зміцнення реєструється на глибині до ~1 мм. З результатами вимірювань мікротвердості якісно корелюють дані інструментального індентування після УЗУО на повітрі та в аргоні, які свідчать про відповідне зростання твердості (H_ІТ = 3,236 ГПа і H_ІТ = 2,469 ГПа), зниження характеристики пластичності δ_А та модуля пружності Е вихідного стану (107 ГПа) до 94 ГПа та 91 ГПа. З врахуванням даних РЕМ і рентгенівського структурно-фазового аналізу, визначені основні чинники відмінності ступеня деформаційного зміцнення поверхневих шарів латуні у різних середовищах: зростання кількості α фази, переорієнтація її зерен та залишкові напруження стиснення.

В результаті проведеного комплексу досліджень встановлені оптимальні режими УЗУО-синтезу зносостійких покриттів для підвищення трибологічних властивостей латуні ЛС59-1, жаростійкості титанового сплаву ВТ6 та корозійної стійкості алюмінієвого сплаву АМг6.

У звітному році з використанням результатів виконаних робіт розроблено і впроваджено новий курс лекцій «Термодинаміка матеріалів та кінетика процесів» для аспірантів 1-го року навчання, опубліковано монографію у міжнародному виданні LAP LAMBERT Academic Publishing, 2 розділи монографій у закордонних виданнях, видано навчальний посібник, подано дві заявки на патент, прийнято участь у ХІ Міжнародній спеціалізованій виставці «Київський технічний ярмарок». До виконання залучалось 5 студентів, з яких 1 з оплатою. Сумісниками по темі опубліковано 13 тез доповідей на міжнародних конференціях, 6 статей у закордонних виданнях, 4 статті у фахових виданнях, що входять до міжнародних науковометричних баз даних SCOPUS, подано до друку 7 статей. Студентами захищено 3 магістерських та 2 бакалаврські роботи, до аспірантури зараховано одного аспіранта. Відбулось 2 наукових стажування за кордоном.

2224п «Низькотемпературне формування феромагнітних плівкових високовпорядкованих матеріалів для сучасних високих технологій наноелектроніки та спінтроніки» (інженерно-фізичний факультет, керівник І.А. Владимирський).

Проведено модернізацію дослідницького обладнання – встановлено приставку до вакуумного посту ВУП 5М, що дозволяє прикладати зовнішнє магнітне поле при відпалах нанорозмірних плівкових зразків у вакуумі.

Відпрацьовано методику отримання нанорозмірних тонкоплівкових композицій методом магнетронного осадження на підкладинки аморфного термічно-окисненого монокристалічного Si(001) і монокристалічного MgO(001). Отримано серії тонкоплівкових зразків Pt(15 нм)/X/Fe(15 нм) Al(15 нм)/Х/Mn(15 нм), де Х – матеріал проміжного шару (Au, Ag).

Встановлено взаємозв’язок між температурною залежністю електричного опору нанорозмірних двошарових плівкових композицій Pt(15 нм)/Fe(15 нм) та перебігом термічно-індукованих структурно-фазових та магнітних перетворень у плівковому матеріалі. Показано, що аналіз перегинів на температурній залежності електричного опору дозволяє виявити температурні інтервали існування невпорядкованих і впорядкованих фаз, а також температуру Кюрі феромагнітних нанорозмірних плівкових матеріалів. 

Методами рентгеноструктурного фазового аналізу, електронної мікроскопії та SQUID-магнітометрії виявлено температурні інтервали фазових перетворень і закономірності перебігу дифузійних процесів в нанорозмірних плівкових композиціях на основі Pt/Fe з додатковим проміжним шаром Mn – перспективних матеріалах для майбутнього застосування в якості магнітного носія при термічно-активованій схемі магнітного запису інформації і функціональних елементів приладів спінтроніки. Виявлено, що термічно-індуковане дифузійне формування фаз при відпалах у вакуумі в даних матеріалах відбувається в наступній послідовності Pt/Mn/Fe  L1₀-PtMn + Fe L1₀-PtMnFe + FeMn + Fe L1₀-PtMnFe + FeMn + Fe₃PtL1₀-PtMnFe + Fe₃Pt.

Нанорозмірні плівкові композиції Mn/Al піддано попередній іонній обробці з різною енергією та дозою випромінювання з метою генерації додаткових точкових дефектів кристалічної будови плівкового матеріалу. Припускається, що додаткові дефекти сприятимуть прискоренню термічно-індукованих дифузійних процесів в шаруватих плівкових композиціях. Проведено наступну низькотемпературну термічну обробку даних плівкових композицій за різних фізико-технологічних параметрів. Досліджено вплив цієї обробки на структуру, хімічний та фазовий склад та перерозподіл компонентів за товщиною плівкового матеріалу. 

Керівник теми І.А. Владимирський є співорганізатором навчально-наукового семінару “Spintronics Radar Detectors”, проведеного за фінансової підтримки програми NATO “Science for Peace and Security” в м. Афіни (Греція) в період 14-19 жовтня 2019 р. 

2202ф «Формування структури, магнітних властивостей нанорозмірних плівок FePt(Pd) водневою термообробкою для магнітного запису інформації підвищеної щільності» (Інститут матеріалознавства та зварювання імені імені Є.О. Патона, керівник Ю.М. Макогон).

Нанорозмірні тришарові плівкові композиції Pt(Pd)/Me/Fe і Fe/Me/Pt(Pd) (де Me = Ag, Au, Сu товщиною 0,2; 0,4; 0,6; 10 нм) з різним розташуванням шару Fe(4,6; 5; 15 нм) (верхній або нижній) та Pt(Pd)/(6; 7; 15 нм) з різним розташуванням (верхній або нижній) шарів Pt або Pd були отримані магнетронним осадженням з індивідуальних мішеней Fe, Pt, Pd, Cu Ag, Au  на підкладки SiO₂(100 нм)/Si(001) за кімнатної температури.

Відпал у водні плівок Pd/Fe за температур вище 650 °С призводить до появи стискаючих деформацій та формування текстури (111) у сплаві FePd. Пересичення атомами водню невпорядкованої фази A1 перешкоджає впорядкуванню. Після швидкого термічного відпалу у азоті у плівках присутні розтягуючі деформації, які зникають при підвищенні температури швидкого термічного відпалу до 650 °С.

Інверсія шарів – зміна розташування шарів Pd і Fe (верхній або нижній)  при відпалі у атмосфері водню не впливають на процеси фазоутворення у шаруватих системах Pd/Me/Fe та Fe/Me/Pd з товщинами шарів 4,6 нм-7 нм.

Відпал плівок Pt/Me/Fe і Fe/Me/Pt з проміжними шарами Ag(10 нм) та Au(10 нм) у вакуумі за температури 700 °C протягом 30 с призводить до початку дифузійних процесів і упорядкування у плівках. Більше значення коерцитивної сили має плівка Pt(15 нм)/Au(10 нм)/Fe(15 нм). При збільшенні часу ізотермічного відпалу у вакуумі до 30 хвилин коерцитивна сила у плівках Pt(15 нм)/Au(10 нм)/Fe(15 нм) та Fe(15 нм)/Ag(10 нм)/Pt(15 нм) збільшується і досягає значень ~10,8 кЕ – 13 кЕ. Зі збільшенням тривалості відпалу збільшується кількість впорядкованої фази і, як наслідок, ступінь впорядкування та коерцитивна сила плівок. В тришаровій композиції Pt(15 нм)/Ag(10 нм)/ Fe(15 нм) формується і зростає більше зерен фази L10-FePt в напрямку [001], перпендикулярному площині плівки. Одночасно, в плівках Pt(15 нм)/Au(10 нм)/Fe(15 нм) та Fe(15 нм)/Ag(Au)(10 нм)/Pt(15 нм) зерна фази L10-FePt ростуть з текстурою (111).

Таким чином, встановлено вплив товщини шарів Pd та Fe на дифузійне формування сплаву FePd та його структуру, температуру фазового перетворення А1 у L10-FePd. Шляхом зміни товщини шарів Fe та Pd та атмосфери відпалу можна формувати невпорядковану фазу A1-FePd або впорядковану L10-FePd з необхідними магнітними властивостями.

Зміною послідовності осадження шарів Fe або Pt в нанорозмірних плівках з різним розташуванням шарів металів Fe та Pt з додатковими шарами легуючого елементу Ag(Au) можна також формувати м’які магнітні та жорсткі магнітні шари за рахунок спрямованої дифузії Ag(Au), створюючи неоднорідність хімічного складу за товщиною плівки.

Опубліковано 1 розділ закордонної монографії (видавництво Springer), 1 навчальний посібник, 3 статті у закордонних журналах, що індексуються наукометричними базами даних Scopus Web of Science, 1 статтю подано до друку у фахове видання, що індексується базою Scopus, опубліковано 2 тез доповідей, подано заявку на отримання патенту на корисну модель, захищено 1 магістерську дисертацію і 1 бакалаврську роботу.

2101ф «Вплив йонного опромінення на структуру, абсорбційну здатність та корозійні властивості нанорозмірних металевих композицій» (Інститут матеріалознавства та зварювання імені імені Є.О. Патона, керівник С.І. Сидоренко).

Доведено перспективність методу бомбардування нанотовщинної плоскошарової вакуумно-конденсованої металевої речовини іонами малих енергій – як інструменту цілеспрямованого формування в об’ємі таких градієнтних розподілів структурно-фазових станів, які  забезпечують  нові  властивості. Показано пасивуючий вплив низькоенергетичного йонного опромінення на матеріали плівкових шарів металів. Створено нову модель відновних процесів у нанорозмірних плівкових системах, засновану на ефекті дальнодії бомбардуючих йонів Ar+. Запропоновано ефективний підхід – комбінування низькоенергетичної йонної обробки із термічним відпалом, що дозволяє стабілізувати нанокристалічну структуру матеріалу шляхом гальмування процесів рекристалізації, уповільнити дифузійну взаємодію компонентів, значно підвищити фізико-механічні та адгезійні властивості, і тим самим збільшити термічну стабільність плівкового матеріалу. Доведено, що розвиток окиснювально-відновних процесів можна контролювати додатковою йонно-плазмовою обробкою. Розкрито залежність реакційної здатності поверхні плівкових матеріалів від їх хімічного складу та структури, в тому числі і шорсткості поверхні. Сформовано концепцію про вплив середовища обробки на формування наноструктур, нетипових для масивного стану, з новими перспективними властивостями. Показано ефективність застосування низькоенергетичної йонної обробки для покращення корозійної стійкості поверхні дентальних імплантатів після витримки у бактеріальних середовищах та штучній слині.

Результати НДР впроваджено в навчальний процес: розроблено новий курс лекцій «Інструментарій комп’ютерного дизайну матеріалів», дисципліну «Міждисциплінарні проблеми технологій матеріалів майбутнього» доповнено новим розділом «Матеріали в 6-му і 7-му технологічних укладах», а дисципліну «Основи наукових досліджень» – розділом «Методи зондування поверхні йонними пучками»; підготовлено до захисту 1 кандидатську дисертацію; видано 1 монографію офіційною мовою Європейського Союзу; видано 1 підручник; опубліковано: 9 статей у журналах, що входять до наукометричної бази даних Scopus; 3 тези доповідей на міжнародних конференціях; подано заявку на патент.

Робота відповідає світовому рівню. Ряд отриманих результатів та властивостей є перспективними для високих технологій, що розробляються в компанії ТОВ «Мікросенсор», Київ; НВО «Мелта»; холдингу «Квазар-Мікро. Компоненти та системи» (Дизайн-центр KM211 – компанії-лідера в області дизайну наносистем); «МОТОР СІЧ ИНЭТС-1,2». Результати проєкту будуть затребувані при подачі проєктних пропозицій до конкурсів ряду авторитетних міжнародних проєктно-грантових програм.

2102п «Наукові основи механохімічного УЗУО-синтезу зносостійких покриттів конструкційних сплавів авіаційної техніки для підвищення військової спроможності» (Інститут матеріалознавства та зварювання ім. Є.О. Патона, керівник С.М. Волошко).

Запропоновано новий підхід для створення композиційних зносостійких покриттів, який полягає у реалізації переваг об’єднання ефекту механічної нанокристалізації і перебігу механохімічних реакцій у приповерхневих шарах оброблюваних ультразвуковою ударною обробкою (УЗУО) матеріалів у хімічно-активних та інертних середовищах за кімнатної та кріогенних температур. Це принципово відрізняє запропоновану методику від  відомих методів синтезу об’ємних композиційних матеріалів і забезпечує більш ефективне, порівняно із термічним обробленням та стандартними схемами УЗУО, зміцнення поверхні. Визначені критерії впливу різних технологічних режимів УЗУО на структурно-фазові перетворення, концентраційні неоднорідності, пошарову еволюцію структури, механічні властивості, жаростійкість, зносостійкість та корозійну стійкість композиційних покриттів, сформованих втіленням у поверхневі шари конструкційних сплавів (сталі, латуні, титанові та алюмінієві сплави) дисперсних частинок Ti, Ni, Zr, Al₂O₃,B₄C, BN тощо. Відпрацьовані технологічні режими комбінованого впливу УЗУО та електроіскрової або лазерної обробок. Проведені дослідження забезпечують практичні можливості підвищення ефективності процесів модифікації поверхні конструкційних сплавів та збільшення експлуатаційного ресурсу виробів, а саме: зміцнення поверхні та підвищення зносостійкості до 6 разів, збільшення товщини модифікованого шару від 500 мкм до мм, зменшення тривалості процесів обробки поверхневих шарів матеріалу до декількох десятків секунд, зниження питомих енерговитрат на ~30%. Щодо підвищення жаростійкості, то найкращий ефект досягнуто для титанового сплаву ВТ6 після УЗУО з порошком β-Si₃N₄ – втрата маси після циклічного відпалу за температури 650°С сумарною тривалістю 50 годин зменшується втричі.

Результати роботи, розділи монографій «Модифікація поверхні титанового сплаву ВТ6: ультразвук, лазер» та «Ультразвукова ударна обробка конструкцій і споруд транспортного машинобудування», підручника та двох навчальних посібників впроваджено у навчальний процес. Розроблено нові курси лекцій «Кінетика процесів у матеріалах» та «Твердофазні перетворення» для аспірантів 1-го та 2-го року навчання, а також лабораторний практикум. Опубліковано  1 монографію у вітчизняному виданні, 4 розділи Lecture Notes in Mechanical Engineering у видавництві Springer, одержано 2 патенти на корисну модель. Захищено 2 дипломні роботи, серед виконавців 1 студент з оплатою (1 стаття із студентом) та 2 молодих учених з оплатою. Опубліковано 9 статей у закордонних виданнях: Applied Surface Science,  Surface and Coatings Technology, Surface Engineering, Applied Nanoscience, J. of Materials Engineering & Performance, J. Surface Science and Engineering, Science Review та ін. та 6 статей у фахових виданнях, що входять до бази даних Scopus.

Розробка на рівні кращих світових аналогів. Виконавці НДР входять до складу авторського колективу циклу робіт «Підвищення якості та надійності промислової продукції за допомогою ультразвукових технологій», що номінований на здобуття Державної премії України у галузі науки і техніки 2020 року. Можливі користувачі: ІЕЗ ім. Є.О. Патона НАНУ, підприємства авіаційної промисловості, транспортного машинобудування. Проведено дослідно-промислову апробацію технології та обладнання для ультразвукової ударної обробки зварних з’єднань корпусних деталей суден при проведенні будівельних та ремонтних робіт на ПрАТ «УДП» в рамках договору про співробітництво.

2224п «Низькотемпературне формування феромагнітних плівкових високовпорядкованих матеріалів для сучасних високих технологій наноелектроніки та спінтроніки» (Інститут матеріалознавства та зварювання ім. Є.О. Патона, керівник І.А. Владимирський).

Досліджено термічно-індуковані структурно-фазові перетворення, а також закономірності їхнього впливу на магнітні та електрофізичні властивості двошарової системи Pt(15 нм)/Fe(15 нм) і плівкових композицій на її основі з додатковими проміжними шарами Au, Mn і Tb, отриманих методом магнетронного осадження на підкладинки термічно-окисненого (шар SiO₂ товщиною 100 нм) монокристалічного кремнію Si(001). Матеріали проміжних шарів обирались з огляду на їхній різний тип взаємодії з Fe і Pt і спорідненість до кисню – від повної нерозчинності у сплаві FePt і практично відсутньою спорідненістю до кисню (Au) до дуже високої спорідненості до кисню з можливістю формування проміжних фаз з Pt або Fe (Tb), а також з проміжним значенням спорідненості до кисню, але наявністю за діаграмою стану трикомпонентної сполуки за рахунок одночасної взаємодії як із Fe, так із Pt (Mn). 

Методами рентгеноструктурного фазового аналізу і мас-спектрометрії вторинних іонів досліджено вплив легування нанорозмірних плівок сплаву MnAl вуглецем на закономірності термічно-індукованого формування їхнього фазового складу. Встановлено, що осадження плівок MnAl-C методом магнетронного розпорошення на підкладинки за кімнатної температури приводить до формування аморфної структури плівкового матеріалу. Відпал за температур, вищих 450 °C, приводить до формування кристалічної фази β-Al₂Mn₃. Підвищення вмісту в плівковому матеріалі вуглецю приводить до зниження температури фазоутворення, а також до стабілізації кристалічної фази γ-Mn, яка характеризується антиферомагнітними властивостями.

Опубліковано 1 закордонну монографію (видавництво Springer), 3 статті у закордонних журналах, що індексуються наукометричними базами даних Scopus і Web of Science, 1 стаття подано до друку у закордонний журнал, що індексуються наукометричними базами даних Scopus і Web of Science, подано 2 заявки на отримання патентів на корисні моделі, захищено 1 магістерську дисертацію, отримано фінансування за програмою НАТО “Наука заради миру та безпеки” на виконання міжнародного проєкту.

2202ф «Формування структури, магнітних властивостей нанорозмірних плівок FePt(Pd) водневою термообробкою для магнітного запису інформації підвищеної щільності» (Інститут матеріалознавства та зварювання імені Є.О. Патона, керівник Ю.М. Макогон).

Встановлено вплив початкових механічних напружень у шарах FePt та FePd при термообробці у різних атмосферах (водень, азот, вакуум) на фазовий перехід А1→L1_о в нанорозмірних плівках на основі FePt, FePd з додатковими шарами Au, Ag, Cu.

Визначено умови формування зерен фази L1_о з текстурою (001) і розташуванням вісі с легкого намагнічування перпендикулярно або паралельно площині плівки.

Створені наукові засади прискореного  формування нанорозмірних, термічно стабільних плівок на основі FePd, FePt з магнітно-твердою фазою L1_о для застосування в якості середовища магнітного запису підвищеної щільності. Оцінено і враховано вплив хімічного і  механічного факторів водневого впливу  на фазовий склад і структуру, а також  фізичного  фактору на електронну структуру нанорозмірних плівок на основі FePt і FePd, легованих Au, Ag, Cu, та на їх магнітні властивості. Це дало можливість запропонувати новий науковий підхід щодо застосування водневої термообробки в нанорозмірних плівках на основі FePt(Pd) для обмеження  небажаного впливу нанорозмірного фактору, що уповільнює упорядкування зі зменшенням товщини. Відпал у водні прискорює процеси дифузійного формування термостабільних, нанорозмірних, магнітно-твердих плівок FePt та FePd.

Опубліковано 2 статті у закордонних журналах, що індексуються наукометричними базами даних Scopus Web of Science, опубліковано 2 тез доповідей, отримано 1 патенту на корисну модель, захищено 1 бакалаврську роботу.

2405ф «Структурно-фазові механізми керування комплексом поверхневих властивостей конструкційних і функціональних сплавів комбінованими тепловими, йонними та деформаційними впливами» (Інститут матеріалознавства та зварювання імені Є.О. Патона, керівник С.М. Волошко).

Відпрацьовано нові методики комбінованої обробки, з використанням теплових та деформаційних високоенергетичних впливів – ультразвукової ударної обробки УЗУО, електроіскрового легування, лазерного опромінення, термічної обробки. Визначено оптимальні режими УЗУО для цілого ряду конструкційних сплавів з метою формування зносо- та корозійно стійких покриттів за умов квазігідростатичного стиснення, здійснено контроль механічних властивостей поверхні. З використанням факторного планування експериментів досліджено вплив основних параметрів УЗУО, а саме: амплітуди коливань концентратора та тривалості обробки, на розмір зерен у поверхневому шарі, макротвердість, залишкові макронапруження, шорсткість та хвилястість поверхні інструментальної сталі 9Г2Ф. Показано, що оптимізовані параметри УЗУО обумовлюють збільшення твердості поверхні на ~50 % і зниження шорсткості поверхні на ~50 %, забезпечуючи нову специфічну текстуру/рельєф поверхні та залишкові напруження стискання у поверхневому шарі. УЗУО поверхні сталі 40Х13 проводилась у стані поставки, після закалки за температури 950 °С з охолодженням у маслі та воді, а також після закалки та відпуску за температури 250 °С упродовж години. УЗУО поверхні сплаву Д16 з використанням дрібнодисперсних евтектичних порошків Al-33 ваг% Cu з 5 ваг.% графіту, в результаті якої утворюються метастабільна Al₄Cu₉ та стабільна Al₂Cu інтерметалідні фази, дозволила досягти ефекту зміцнення ~ 3,5 разів. Композитні покриття товщиною близько ~50 мкм синтезовані УЗУО поверхневих шарів двофазної латуні ЛС59-1 із додаванням армуючих частинок SiC різних фракцій (3 – 5 мкм, 14 – 20 мкм, 40 – 50 мкм, 80 – 100 мкм, 160 – 200 мкм). Максимальний ефект зміцнення внаслідок максимального подрібнення кристалітів фазових складових латуні досягнутий за умов армування поверхні порошком SiC з розміром частинок 160 – 200 мкм. Поверхневі шари алюмінієвого сплаву АМг6 модифіковані УЗУО та комбінованим обробленням, що поєднувало електроіскрове легування (ЕІЛ) титаном і УЗУО. Комбіноване оброблення (ЕІЛ+УЗУО) веде до подвійного зростання мікротвердості в порівнянні з УЗУО за рахунок формування твердого розчину TiAl та інтерметалідних фаз Ti_xAl_y, а також незначної кількості оксидів, які підсилюють дислокаційне та зернограничне зміцнення. ЕІЛ+УЗУО забезпечує найвищу корозійну стійкість сплаву АМг6 у водному розчині 3,5% NaCl, що проявляється у підвищенні значень потенціалу корозії на 40 – 70 мВ порівняно із зразком після УЗУО, що обумовлено наноструктурним станом модифікованої поверхні. Поєднання лазерного ударного зміцнення з УЗУО використане як для покращення шорсткості поверхні, так і для подрібнення зерна та формування залишкових напружень стиску в приповерхневому шарі аустенітної нержавіючої сталі. Нанорозмірні зерна, утворені на поверхнях під час комбінованих обробок були меншими, ніж для зразків, оброблених УЗУО. У порівнянні з необробленими зразками, твердість поверхні вдалося збільшити приблизно на 30 %, 73 % і 78 % після лазерного ударного оброблення, ультразвукового ударного оброблення та комбінованого лазерно-ультразвукового оброблення. Для підвищення зносостійкості сплаву Ti–6Al–4V на його поверхні сформоване захисне композитне покриття, зміцнене оксидом алюмінію, для чого застосовано двоетапну модифікацію поверхні, а саме: ультразвукове ударне оброблення з одночасним додаванням порошку оксиду алюмінію в зону інтенсивної пластичної деформації, що формує механічно змішаний поверхневий шар композиту, а також окиснення на повітрі для консолідації захисного покриття. Для дослідження тертя/зношування сформованого покриття проводилися два типи випробовувань зворотно-поступального ковзання в сухих умовах і за суттєво різних величин контактного тиску. Встановлено, що багатошарова структура захисної покриття, що складається з щільної плівки Al₂O₃/TiO₂ на зовнішній поверхні та приповерхневий шар композиту, армований частинками Al₂O₃, забезпечує подвійне підвищення зносостійкості та низький коефіцієнт тертя в умовах незначного максимального напруження зсуву (0,5 ГПа), але руйнується в умовах максимального контактного напруження зсуву (~3,2 ГПа). Показано, що у порівнянні зі сплавом підкладки Ti₆Al₄V, виготовлений захисний шар має втричі більшу твердість (~13 ГПа), на ~50 % вищий модуль пружності (170 ГПа), на ~70 % кращу термостійкість при 650 °C і в 6,5 разів кращі антикорозійні властивості в сольовому розчині (в 4 рази вища захисна ефективність, ніж у окисненої поверхні сплаву Ti₆Al₄V). Одержані результати переконливо доводять доцільність застосування УЗУО в комбінації з іншими методами високоенергетичної обробки.

Опубліковано монографію у закордонних виданнях на 7 мовах, отримано 2 авторських свідоцтва, подано заявку на винахід, видано 2 навчальних посібники, опубліковано 7 статей у журналах, що входять до наукометричної бази даних Scopus, та 4 прийнято до друку, захищена дипломна робота. Б.М. Мордюк і С.М. Волошко – співавтори роботи «Фізичні основи та інноваційні технології ультразвукового оброблення матеріалів», рекомендованої для преміювання Комітетом з Державних премій України з науки і техніки у 2021 р. (Національна премія імені Бориса Патона). До виконання залучалось з оплатою: 2 студенти, 1 аспірант, 1  молодий учений.

2401п «Низькотемпературне формування нанорозмірних плівкових матеріалів з ефектом пам’яті форми для сучасних мікроелектромеханічних систем» (Інститут матеріалознавства та зварювання ім. Є.О. Патона, керівник А.К. Орлов).

Проведено аналіз літератури за тематикою. Підготовлено технічне завдання. Відпрацьовано методику електронно-променевого осадження тонкоплівкових зразків. Отримано три серії зразків із варіюванням товщини та послідовності вакуумно конденсованих шарів – Ni(30 нм)/Ti(30 нм)/Si, Ni(400 нм)/Ti(100 нм)/Si, Ti(400 нм)/Ni(100 нм)/Si. Визначено оптимальні технологічні параметри вакуумного осадження тонкоплівкових композицій. Відпрацьовано режими термічної обробки тонкоплівкових композицій Ni/Ti та Ti/Ni у вакуумі. Проведено відпал серії тонкоплівкових зразків в вакуумі 10^-4 Па в інтервалі температур (20 – 600) ℃ з часом витримки від 1 до 5 годин. Встановлені температурні інтервали структурно-фазових перетворень в системах Ni/Ti/Si(001) та Ti/Ni/Si(001). Досліджено особливості зміни мікроструктури тонкоплівкових зразків при відпалі в вакуумі 10^-3 Па в інтервалі температур (20 – 600) ℃. Досліджено особливості масопереносу компонентів в системах Ni/Ti/підкладинка та Ti/Ni/підкладинка після відпалу в вакуумі 10^-4 Па в інтервалі температур (20 – 600)℃ з варіюванням часу витримки. Встановлено особливості формування твердих розчинів заміщення, закономірності дифузійного масопереносу компонентів та зміни морфології поверхні тонкоплівкових структур після термічного відпалу в інтервалі температур (300 – 500) °С у вакуумі 10^-3 Па та атмосфері Ar (200 Па). Відпрацьовано методики: рентгеноструктурного фазового аналізу Rigaku Ultima IV; електронної мікроскопії ПЕМ-125К; високоенергетичної електронної дифракції ЕМР-100; вимірювання залишкових напружень за допомогою рентгенівського випромінювання методом sin²psi; пошарового хімічного аналізу методом вторинної йонної мас-спектрометрії МС-7201.

Проведено роботу щодо організації, створення та укомплектування нової лабораторії тонкоплівкового матеріалознавства на кафедрі фізичного матеріалознавства та термічної обробки (506 кімната 9 корпусу) ІМЗ ім. Є.О. Патона КПІ ім. Ігоря Сікорського на базі вакуумного обладнання, безкоштовно переданого науковими колегами з синхротронного центру RIKEN SPring-8, Японія. Проведено модернізацію вакуумної системи електронографу ЕМР-100, системи контролю температури та системи напуску захисної атмосфери вакуумної установки для термічної обробки; здійснено монтаж та налагодження двох високовакуумних камер для термічної та йонної обробок. Виконано проектно-конструкторську роботу щодо розробки 4-х зондової вакуумної приставки для дослідження температурної залежності питомого електроопору тонкоплівкових зразків.

За звітний період підготовлено до публікації 3 статті у фахових та іноземних рецензованих виданнях, що індексуються наукометричною базою даних Scopus (2 у фахових та 1 в іноземному виданнях). Підготовлено 4 доповіді на міжнародних конференціях. Опубліковано 1 методичний посібник, ще 1 посібник підготовлено до друку. Підготовлено до захисту 1 дисертаційну роботу. Результати виконання НДР покладено в основу 1 магістерської дисертації.

2224п «Низькотемпературне формування феромагнітних плівкових високовпорядкованих матеріалів для сучасних високих технологій наноелектроніки та спінтроніки» (Інститут матеріалознавства та зварювання ім. Є.О. Патона, керівник І.А. Владимирський).          

Теоретичний аналіз перебігу самодифузії у впорядкованих інтерметалідних фазах методом молекулярної динаміки дозволив визначити кількісні параметри цього процесу. Зокрема, розраховано параметри самодифузії компонентів у впорядкованій фазі L1₀-FePt за вакансійним механізмом у кінетичному режимі типу А (0,7 – 0,85 Т_пл); визначено температурну залежність енергії формування вакансій із врахуванням їхнього нерівномірного розподілу за підгратками впорядкованого інтерметаліду, температурну залежність рівноважної концентрації вакансій та кінетичні закономірності середньоквадратичного атомного зміщення. Доведено коректність застосування методу молекулярної динаміки для визначення температурних залежностей коефіцієнтів самодифузії атомів Fe і Pt у фазі L1₀-FePt – отримані значення добре узгоджуються із законом Арреніуса, але абсолютні величини цих коефіцієнтів є меншими за експериментальні значення, що зумовлено прийнятими наближеннями (нехтування шляхами прискореної дифузії, зокрема границями зерен; невідповідністю розрахованого значення температури плавлення фази FePt тому значенню, яке передбачене діаграмою стану фазової рівноваги системи Fe-Pt; неврахуванням ентропії утворення вакансій під час розрахунку їхньої рівноважної концентрації). Підтверджено анізотропний характер процесу самодифузії у фазі L1₀-FePt: як атоми Fe, так і атоми Pt мігрують в ~5 разів швидше в напрямку, перпендикулярному до вісі тетрагонального спотворення гратки, порівняно з дифузією вздовж цього напрямку. Виявлено, що особливістю кінетики середньоквадратичного зміщення атомів Fe і Pt у впорядкованому інтерметаліді L1₀-FePt в температурному інтервалі (0,7 – 0,85) Т_пл є наявність трьох етапів: на початковому релаксаційному етапі після досягнення заданої температури атоми займають положення, що відповідають мінімальній енергії системи; надалі збільшення середньоквадратичного зміщення атомів з часом обумовлюється рухом атомів і вакансій до положень, що відповідають досягненню дальнього порядку у кристалічній гратці; і нарешті етап, для якого характерне лінійне зростання величини середньоквадратичного зміщення атомів внаслідок безпосереднього процесу самодифузії, є придатним для коректного розрахунку кількісних дифузійних параметрів методом молекулярної динаміки.

Встановлено закономірності розвитку термічно-індукованих дифузійних процесів, структурно-фазових перетворень і їхній вплив на магнітні властивості нанорозмірних гетерогенних систем Pt/Co.

Запропоновано модельні уявлення щодо розвитку дифузійних процесів у гетерогенних плівкових системах із різною конфігурацією магнітних і немагнітних наношарів за механізмами дифузійно-індукованої міграції границь зерен та реакційної дифузії, індукованої рухом границь зерен. Отримані в роботі результати є науковою основою створення новітніх феромагнітних впорядкованих за типом L1₀ наноматеріалів з унікальним комплексом магнітних і експлуатаційних властивостей (коерцитивна сила, намагніченість насичення, температура Кюрі, корозійна стійкість), використання яких в якості робочих плівкових елементів приладів наноелектроніки і спінтроніки дозволить досягти суттєвого підвищення функціональних характеристик даних приладів (ємність зберігання інформації, щільність інтеграції функціональних елементів тощо) та зменшити енерговитрати.

Опубліковано 1 статтю у закордонному журналі, що індексуються наукометричними базами даних Scopus і Web of Science, 2 статті в українських журналах, що індексуються наукометричними базами даних Scopus і Web of Science, захищено 1 патент на корисну модель, захищена 1 магістерська дисертація та підготовлені до захисту 2 магістерські дисертації (грудень 2021 р.), підготовлено до захисту докторську дисертацію.

Науково-дослідні роботи – 2022 рік

2405ф «Структурно-фазові механізми керування комплексом поверхневих властивостей конструкційних і функціональних сплавів комбінованими тепловими, йонними та деформаційними впливами» (Навчально-науковий Інститут матеріалознавства та зварювання імені Є.О. Патона, керівник С.М. Волошко).

Проведено порівняльний аналіз змін мікротвердості, структурно-фазового стану, ступеню деформації кристалічної гратки, рівню залишкових напружень стиснення та трибологічних характеристик сталі 40Х13 після пом’якшувальної термічної обробки (Т=800°С) з наступною ультразвуковою ударною обробкою (УЗУО) у різних середовищах. Підвищення мікротвердості поверхні зразків, оброблених в аргоні та на повітрі, відповідно сягає ~2,5 та ~3 разів.  Запропоновано новий спосіб формування антибактеріальної поверхні імплантатів з металевих сплавів для поліпшення довгострокової біологічної сумісності з живим організмом людини шляхом втілення іонів Ar (енергія 6±0,1 кеВ, доза опромінення ~5•10¹⁹ іон•см^-2). Ефективність низькоенергетичного йонного опромінення титанових сплавів полягає у пригніченні росту колоній культури Staphylococcus aureus (до 100% для ВТ1-0 и до 85% для ВТ6). Доведено ефективність модифікації поверхневих шарів алюмінієвого сплаву AMг6 електроіскровим легуванням вольфрамом з фінішною УЗУО щодо комплексного покращення мікроструктури, міцності та корозійних властивостей. Проведене порівняння високочастотного зміцнення (ВЧЗК) сталевими кульками та локальної високочастотної ударної обробки (ВЧУО) ударним елементом. ВЧУО дозволяє досягти більш суттєвого зміцнення сплаву ВТ6 (у 2 р.) за менший час (120 с). Перевагою ВЧЗК є більш швидке подрібнення структури до менших розмірів кристалітів, а також високі макроскопічні напруження стиснення. Вибір методу обробки визначається формою та розмірами виробів, а також необхідним рівнем зміцнення та шорсткості поверхні.

Опубліковано монографію та розділ монографії у закордонних виданнях, отримано 2 авторських свідоцтва, подано заявку на винахід, видано навчальний посібник, опубліковано 12 статей у журналах, що входять до наукометричної бази даних Scopus, та 3 прийнято до друку, 6 тез доповідей на міжнародних конференціях (3 з яких індексуються Scopus), рекомендовано до захисту дисертацію Круглова І.О. на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю «132» Матеріалознавство. Результати роботи використані у навчальному процесі для вдосконалення викладання дисципліни «Термодинаміка та кінетика дифузії»: лекційний матеріал доповнено новим розділом «Аномальний масоперенос». Магістр А. Лозова є співавтором 2 статей (Scopus), прийняла участь у міжнародній конференції «Nanomaterials: Applications & Properties» (Краків, Польща) і захистила з відзнакою кваліфікаційну роботу. До виконання залучались з оплатою: студент (А. Лозова), аспірант, 3  молодих учених.

2502ф «Особливості формування впорядкованих наноструктур FePd та FePt(Pd) – функціональних елементів спінтроніки, сенсорики, магнітного запису інформації» (Навчально-науковий інститут матеріалознавства та зварювання імені Є.О. Патона, керівник Ю.М. Макогон).

Запропоновано застосування нових режимів термічної обробки та використання Рамановської спектроскопії комбінаційного розсіювання для дослідження плазмонно-резонансних властивостей та магнітних станів наноструктурних плівок на основі FePt та FePt(Pd).

Плівки FePt, FePd та плівкові композиції FePd/W(0,3-0,9 нм), FePt(5-20 нм)/Ag(0,3- 1,2 нм),  FePd(5-20 нм)/Ag(0,3-1,2 нм) отримано магнетронним методом осадження на підкладки термічно окисненого (шар SiO₂ товщиною 100 нм) монокристалічного Si(001). Проведено термічну обробку плівкових композицій у середовищі водню та вакуумі в інтервалі температур 500 °С – 700 °С тривалістю 1 год. Фазовий склад та структуру плівок нанорозмірної товщини (5-20 нм) на основі FePt та FePd без легуючих елементів та з додатковими шарами Ag  (або W) визначено за допомогою методів рентгеноструктурного фазового та електронографічного аналізу. Магнітні властивості досліджено методом феромагнітного резонансу (ФМР).

Встановлено закономірності формування впорядкованої фази L1₀-FePt та L1₀-FePd. Впорядкована фаза L1₀ формується при відпалі у водні тривалістю 1 год в процесі термічно активованої  твердотільної реакції при температурах вище за 500 °С. Додавання Ag сприяє зміні текстури зерен (110) у плівках FePt та  FePd на (111).

Під час осадження в плівках FePd/W) формується рентгеноаморфна структура. Відпал у вакуумі призводить до формування текстури (111) у сплаві FePd. Відпал за температури 650 °С тривалістю 1-2 годин призводить до появи ознак формування впорядкованої фази L1₀ на дифрактограмах. Плівкові композиції FePd/W додатково досліджено методами резистометрії (чотирьохзондовий метод), SQUID-магнітометрії, резерфордівського зворотного розсіювання. Дослідження магнітних властивостей плівок FePd/W показує формування магнітно-тверда фази, яка не має вираженої магнітної анізотропії (магнітно- ізотропна). Додавання легуючого шару W до нанорозмірної плівки FePd ускладнює ріст зерен, при цьому зменшується коерцитивна сила плівок.

Плазмонно-резонансні властивості плівок FePd після відпалу у вакуумі досліджено спектроскопією комбінаційного розсіювання з лазерними джерелами світла з довжиною хвилі 633 нм або 785 нм. Пік люмінесценції з найбільшою амплітудою відповідає зразку з відпалом у вакуумі тривалістю 1 год за температури 650 °С. При цьому його амплітуда більше, ніж від підкладки. Такий ефект відбувається при посиленні люмінесценції плівкою FePd. Така нелінійна зміна інтенсивності спектрів є обґрунтуванням прояви ефектів примусового комбінаційного розсіювання, внаслідок  якого відбувається посилення  коливань атомів або молекул. При взаємодії з воднем структура плівок стає більш впорядкованою. Низькорозмірні плівки на основі FePd відносяться до топологічно-невпорядкованих середовищ і характеризуються ближнім порядком впорядкування поміж атомів з сильною обмінною взаємодією.

Опубліковано 2 монографії, 1 стаття у закордонних журналах, що індексуються наукометричними базами даних Scopus Web of Science, опубліковано 3 тези доповідей, отримано 5 свідоцтв про реєстрацію авторського права на твір.

2401п «Низькотемпературне формування нанорозмірних плівкових матеріалів з ефектом пам’яті форми для сучасних мікроелектромеханічних систем, прикладна» (Навчально-науковий Інститут матеріалознавства та зварювання імені Є.О. Патона, керівник А.К. Орлов). Обсяг фінансування в 2022 році:610тис. грн.

Відпрацьовано методики отримання нанорозмірних тонкоплівкових систем з використанням електронно-променевого та магнетронного методів осадження. Методом магнетронного осадження підготовлено п’ять нових серій тонкоплівкових зразків системи Ni-Ti на підкладки монокристалічного кремнію Si(001) з варіюванням кількості нанорозмірних шарів та їх хімічного складу. Зокрема, підготовлено наступні серії зразків: Ni(30 нм)/Ti(30 нм), [Ni(15 нм)/Ti(15 нм)]_2x, [Ni(10 нм)/Ti(10 нм)]_3x, Ni(30 нм)/Ag(10 нм)/ Ti(30 нм), Ni(30 нм)/Cu(10 нм)/Ti(30 нм). Проведено ізотермічні відпали досліджуваних тонкоплівкових зразків з варіюванням (а) середовища (високий вакуум 10^-4 Па та атмосфера продувного аргону за тиску 200 Па), (б) температури (від 300 ^оС до 700 ^оС) та (в) тривалості (від 15 хвилин до 3 годин) термічної обробки. Зміни фазового складу та структурних властивостей в залежності від параметрів термічної обробки досліджено методами структурного аналізу з використанням традиційного мідного випромінювання (дифрактометри Rigaku ULTIMA та Rigaku RINT) та синхротронного випромінювання за методикою ширококутового розсіювання ковзаючого рентгенівського променя (GIWAXS) на бімлайні BL19B2, RIKEN SPring-8 Center. Показано, що зменшення товщини та збільшення кількості окремих шарів Ni та Ti за умов збереження загальної товщини системи у 60 нм призводить до зниження температур активації твердотільних реакцій в плівкових матеріалах. Зокрема, встановлено, що на початкових стадіях термічної обробки для всіх тонкоплівкових зразків є характерною аморфізація структури, в той час як подальше підвищення температури характеризується формуванням нових інтерметалідних фаз. Однак збільшення кількості внутрішніх границь розділу спричинює зменшення температури початку аморфізації приблизно на 100 ^оС. Досліджено також вплив середовища термічної обробки на закономірності дифузійно-індукованих процесів зміни структури, фазового та хімічного складу. Проведено також експеримент з метою аналізу термічно-індукованих змін хімічного складу поверхні тонкоплівкових зразків із різною кількістю шарів із використанням методу рентгенівської фотоелектронної спектроскопії (XPS) на бімлайні BL17SU, RIKEN SPring-8 Center. Досліджено температурну залежність зміни морфології поверхні тонкоплівкових композицій із різною кількістю шарів Ni(30 нм)/Ti(30 нм), [Ni(15 нм)/Ti(15 нм)]_2x, [Ni(10 нм)/Ti(10 нм)]_3x після відпалів у вакуумі в температурному інтервалі 300–500 ^оС впродовж 30 хвилин. Показано, що зміна кількості внутрішніх меж розділу при збереженні загальної товщини плівкової системи має вирішальний вплив на значення середньої шорсткості поверхні за умов відпалу у вакуумі за високих температур (> 400 ^оС). З використанням методу мас-спектрометрії вторинних йонів досліджено вплив параметрів термічної обробки та кількості внутрішніх границь розділу на зміну розподілу пошарового хімічного складу основних компонентів (нікелю, титану, кремнію) та домішок (вуглецю, кисню).

За звітний період проведено 1 наукове відрядження до японського синхротронного центру RIKEN SPring-8 Center з метою проведення комплексних досліджень тонкоплівкових матеріалів системи Ni/Ti з використанням синхротронного випромінювання та методів GIWAXS, XPS та XRR. За результатами виконання наукової роботи за звітний період: опубліковано 3 англомовні статті в наукових виданнях, що індексуються б/д Scopus, та підготовлено до публікації ще 2 статті; отримано 3 охоронні документи; доповіді на 3 міжнародних наукових конференціях; підготовка до захисту 2 магістерських дипломних робіт; підготовка до захисту 1 дисертації доктора філософії PhD.

Проведено 1 наукове відрядження до японського синхротронного центру RIKEN SPring-8 Center з метою проведення комплексних досліджень тонкоплівкових матеріалів системи Ni/Ti з використанням синхротронного випромінювання та методів GIWAXS, XPS та XRR. За результатами виконання наукової роботи за звітний період: опубліковано 3 англомовні статті в наукових виданнях, що індексуються б/д Scopus, та підготовлено до публікації ще 2 статті; отримано 3 охоронні документи; доповіді на 3 міжнародних наукових конференціях; підготовка до захисту 2 магістерських дипломних робіт; підготовка до захисту 1 дисертації доктора філософії PhD.

---

Науково-дослідні роботи – 2021 рік

2202ф «Формування структури, магнітних властивостей нанорозмірних плівок FePt(Pd) водневою термообробкою для магнітного запису інформації підвищеної щільності» (Інститут матеріалознавства та зварювання імені Є.О. Патона, керівник Ю.М. Макогон).

Встановлено вплив початкових механічних напружень у шарах FePt та FePd при термообробці у різних атмосферах (водень, азот, вакуум) на фазовий перехід А1→L1_о в нанорозмірних плівках на основі FePt, FePd з додатковими шарами Au, Ag, Cu.

Визначено умови формування зерен фази L1_о з текстурою (001) і розташуванням вісі с легкого намагнічування перпендикулярно або паралельно площині плівки.

Створені наукові засади прискореного  формування нанорозмірних, термічно стабільних плівок на основі FePd, FePt з магнітно-твердою фазою L1_о для застосування в якості середовища магнітного запису підвищеної щільності. Оцінено і враховано вплив хімічного і  механічного факторів водневого впливу  на фазовий склад і структуру, а також  фізичного  фактору на електронну структуру нанорозмірних плівок на основі FePt і FePd, легованих Au, Ag, Cu, та на їх магнітні властивості. Це дало можливість запропонувати новий науковий підхід щодо застосування водневої термообробки в нанорозмірних плівках на основі FePt(Pd) для обмеження  небажаного впливу нанорозмірного фактору, що уповільнює упорядкування зі зменшенням товщини. Відпал у водні прискорює процеси дифузійного формування термостабільних, нанорозмірних, магнітно-твердих плівок FePt та FePd.

Опубліковано 2 статті у закордонних журналах, що індексуються наукометричними базами даних Scopus Web of Science, опубліковано 2 тез доповідей, отримано 1 патенту на корисну модель, захищено 1 бакалаврську роботу.

2405ф «Структурно-фазові механізми керування комплексом поверхневих властивостей конструкційних і функціональних сплавів комбінованими тепловими, йонними та деформаційними впливами» (Інститут матеріалознавства та зварювання імені Є.О. Патона, керівник С.М. Волошко).

Відпрацьовано нові методики комбінованої обробки, з використанням теплових та деформаційних високоенергетичних впливів – ультразвукової ударної обробки УЗУО, електроіскрового легування, лазерного опромінення, термічної обробки. Визначено оптимальні режими УЗУО для цілого ряду конструкційних сплавів з метою формування зносо- та корозійно стійких покриттів за умов квазігідростатичного стиснення, здійснено контроль механічних властивостей поверхні. З використанням факторного планування експериментів досліджено вплив основних параметрів УЗУО, а саме: амплітуди коливань концентратора та тривалості обробки, на розмір зерен у поверхневому шарі, макротвердість, залишкові макронапруження, шорсткість та хвилястість поверхні інструментальної сталі 9Г2Ф. Показано, що оптимізовані параметри УЗУО обумовлюють збільшення твердості поверхні на ~50 % і зниження шорсткості поверхні на ~50 %, забезпечуючи нову специфічну текстуру/рельєф поверхні та залишкові напруження стискання у поверхневому шарі. УЗУО поверхні сталі 40Х13 проводилась у стані поставки, після закалки за температури 950 °С з охолодженням у маслі та воді, а також після закалки та відпуску за температури 250 °С упродовж години. УЗУО поверхні сплаву Д16 з використанням дрібнодисперсних евтектичних порошків Al-33 ваг% Cu з 5 ваг.% графіту, в результаті якої утворюються метастабільна Al₄Cu₉ та стабільна Al₂Cu інтерметалідні фази, дозволила досягти ефекту зміцнення ~ 3,5 разів. Композитні покриття товщиною близько ~50 мкм синтезовані УЗУО поверхневих шарів двофазної латуні ЛС59-1 із додаванням армуючих частинок SiC різних фракцій (3 – 5 мкм, 14 – 20 мкм, 40 – 50 мкм, 80 – 100 мкм, 160 – 200 мкм). Максимальний ефект зміцнення внаслідок максимального подрібнення кристалітів фазових складових латуні досягнутий за умов армування поверхні порошком SiC з розміром частинок 160 – 200 мкм. Поверхневі шари алюмінієвого сплаву АМг6 модифіковані УЗУО та комбінованим обробленням, що поєднувало електроіскрове легування (ЕІЛ) титаном і УЗУО. Комбіноване оброблення (ЕІЛ+УЗУО) веде до подвійного зростання мікротвердості в порівнянні з УЗУО за рахунок формування твердого розчину TiAl та інтерметалідних фаз Ti_xAl_y, а також незначної кількості оксидів, які підсилюють дислокаційне та зернограничне зміцнення. ЕІЛ+УЗУО забезпечує найвищу корозійну стійкість сплаву АМг6 у водному розчині 3,5% NaCl, що проявляється у підвищенні значень потенціалу корозії на 40 – 70 мВ порівняно із зразком після УЗУО, що обумовлено наноструктурним станом модифікованої поверхні. Поєднання лазерного ударного зміцнення з УЗУО використане як для покращення шорсткості поверхні, так і для подрібнення зерна та формування залишкових напружень стиску в приповерхневому шарі аустенітної нержавіючої сталі. Нанорозмірні зерна, утворені на поверхнях під час комбінованих обробок були меншими, ніж для зразків, оброблених УЗУО. У порівнянні з необробленими зразками, твердість поверхні вдалося збільшити приблизно на 30 %, 73 % і 78 % після лазерного ударного оброблення, ультразвукового ударного оброблення та комбінованого лазерно-ультразвукового оброблення. Для підвищення зносостійкості сплаву Ti–6Al–4V на його поверхні сформоване захисне композитне покриття, зміцнене оксидом алюмінію, для чого застосовано двоетапну модифікацію поверхні, а саме: ультразвукове ударне оброблення з одночасним додаванням порошку оксиду алюмінію в зону інтенсивної пластичної деформації, що формує механічно змішаний поверхневий шар композиту, а також окиснення на повітрі для консолідації захисного покриття. Для дослідження тертя/зношування сформованого покриття проводилися два типи випробовувань зворотно-поступального ковзання в сухих умовах і за суттєво різних величин контактного тиску. Встановлено, що багатошарова структура захисної покриття, що складається з щільної плівки Al₂O₃/TiO₂ на зовнішній поверхні та приповерхневий шар композиту, армований частинками Al₂O₃, забезпечує подвійне підвищення зносостійкості та низький коефіцієнт тертя в умовах незначного максимального напруження зсуву (0,5 ГПа), але руйнується в умовах максимального контактного напруження зсуву (~3,2 ГПа). Показано, що у порівнянні зі сплавом підкладки Ti₆Al₄V, виготовлений захисний шар має втричі більшу твердість (~13 ГПа), на ~50 % вищий модуль пружності (170 ГПа), на ~70 % кращу термостійкість при 650 °C і в 6,5 разів кращі антикорозійні властивості в сольовому розчині (в 4 рази вища захисна ефективність, ніж у окисненої поверхні сплаву Ti₆Al₄V). Одержані результати переконливо доводять доцільність застосування УЗУО в комбінації з іншими методами високоенергетичної обробки.

Опубліковано монографію у закордонних виданнях на 7 мовах, отримано 2 авторських свідоцтва, подано заявку на винахід, видано 2 навчальних посібники, опубліковано 7 статей у журналах, що входять до наукометричної бази даних Scopus, та 4 прийнято до друку, захищена дипломна робота. Б.М. Мордюк і С.М. Волошко – співавтори роботи «Фізичні основи та інноваційні технології ультразвукового оброблення матеріалів», рекомендованої для преміювання Комітетом з Державних премій України з науки і техніки у 2021 р. (Національна премія імені Бориса Патона). До виконання залучалось з оплатою: 2 студенти, 1 аспірант, 1  молодий учений.

2401п «Низькотемпературне формування нанорозмірних плівкових матеріалів з ефектом пам’яті форми для сучасних мікроелектромеханічних систем» (Інститут матеріалознавства та зварювання ім. Є.О. Патона, керівник А.К. Орлов).

Проведено аналіз літератури за тематикою. Підготовлено технічне завдання. Відпрацьовано методику електронно-променевого осадження тонкоплівкових зразків. Отримано три серії зразків із варіюванням товщини та послідовності вакуумно конденсованих шарів – Ni(30 нм)/Ti(30 нм)/Si, Ni(400 нм)/Ti(100 нм)/Si, Ti(400 нм)/Ni(100 нм)/Si. Визначено оптимальні технологічні параметри вакуумного осадження тонкоплівкових композицій. Відпрацьовано режими термічної обробки тонкоплівкових композицій Ni/Ti та Ti/Ni у вакуумі. Проведено відпал серії тонкоплівкових зразків в вакуумі 10^-4 Па в інтервалі температур (20 – 600) ℃ з часом витримки від 1 до 5 годин. Встановлені температурні інтервали структурно-фазових перетворень в системах Ni/Ti/Si(001) та Ti/Ni/Si(001). Досліджено особливості зміни мікроструктури тонкоплівкових зразків при відпалі в вакуумі 10^-3 Па в інтервалі температур (20 – 600) ℃. Досліджено особливості масопереносу компонентів в системах Ni/Ti/підкладинка та Ti/Ni/підкладинка після відпалу в вакуумі 10^-4 Па в інтервалі температур (20 – 600)℃ з варіюванням часу витримки. Встановлено особливості формування твердих розчинів заміщення, закономірності дифузійного масопереносу компонентів та зміни морфології поверхні тонкоплівкових структур після термічного відпалу в інтервалі температур (300 – 500) °С у вакуумі 10^-3 Па та атмосфері Ar (200 Па). Відпрацьовано методики: рентгеноструктурного фазового аналізу Rigaku Ultima IV; електронної мікроскопії ПЕМ-125К; високоенергетичної електронної дифракції ЕМР-100; вимірювання залишкових напружень за допомогою рентгенівського випромінювання методом sin²psi; пошарового хімічного аналізу методом вторинної йонної мас-спектрометрії МС-7201.

Проведено роботу щодо організації, створення та укомплектування нової лабораторії тонкоплівкового матеріалознавства на кафедрі фізичного матеріалознавства та термічної обробки (506 кімната 9 корпусу) ІМЗ ім. Є.О. Патона КПІ ім. Ігоря Сікорського на базі вакуумного обладнання, безкоштовно переданого науковими колегами з синхротронного центру RIKEN SPring-8, Японія. Проведено модернізацію вакуумної системи електронографу ЕМР-100, системи контролю температури та системи напуску захисної атмосфери вакуумної установки для термічної обробки; здійснено монтаж та налагодження двох високовакуумних камер для термічної та йонної обробок. Виконано проектно-конструкторську роботу щодо розробки 4-х зондової вакуумної приставки для дослідження температурної залежності питомого електроопору тонкоплівкових зразків.

За звітний період підготовлено до публікації 3 статті у фахових та іноземних рецензованих виданнях, що індексуються наукометричною базою даних Scopus (2 у фахових та 1 в іноземному виданнях). Підготовлено 4 доповіді на міжнародних конференціях. Опубліковано 1 методичний посібник, ще 1 посібник підготовлено до друку. Підготовлено до захисту 1 дисертаційну роботу. Результати виконання НДР покладено в основу 1 магістерської дисертації.

2224п «Низькотемпературне формування феромагнітних плівкових високовпорядкованих матеріалів для сучасних високих технологій наноелектроніки та спінтроніки» (Інститут матеріалознавства та зварювання ім. Є.О. Патона, керівник І.А. Владимирський).          

Теоретичний аналіз перебігу самодифузії у впорядкованих інтерметалідних фазах методом молекулярної динаміки дозволив визначити кількісні параметри цього процесу. Зокрема, розраховано параметри самодифузії компонентів у впорядкованій фазі L1₀-FePt за вакансійним механізмом у кінетичному режимі типу А (0,7 – 0,85 Т_пл); визначено температурну залежність енергії формування вакансій із врахуванням їхнього нерівномірного розподілу за підгратками впорядкованого інтерметаліду, температурну залежність рівноважної концентрації вакансій та кінетичні закономірності середньоквадратичного атомного зміщення. Доведено коректність застосування методу молекулярної динаміки для визначення температурних залежностей коефіцієнтів самодифузії атомів Fe і Pt у фазі L1₀-FePt – отримані значення добре узгоджуються із законом Арреніуса, але абсолютні величини цих коефіцієнтів є меншими за експериментальні значення, що зумовлено прийнятими наближеннями (нехтування шляхами прискореної дифузії, зокрема границями зерен; невідповідністю розрахованого значення температури плавлення фази FePt тому значенню, яке передбачене діаграмою стану фазової рівноваги системи Fe-Pt; неврахуванням ентропії утворення вакансій під час розрахунку їхньої рівноважної концентрації). Підтверджено анізотропний характер процесу самодифузії у фазі L1₀-FePt: як атоми Fe, так і атоми Pt мігрують в ~5 разів швидше в напрямку, перпендикулярному до вісі тетрагонального спотворення гратки, порівняно з дифузією вздовж цього напрямку. Виявлено, що особливістю кінетики середньоквадратичного зміщення атомів Fe і Pt у впорядкованому інтерметаліді L1₀-FePt в температурному інтервалі (0,7 – 0,85) Т_пл є наявність трьох етапів: на початковому релаксаційному етапі після досягнення заданої температури атоми займають положення, що відповідають мінімальній енергії системи; надалі збільшення середньоквадратичного зміщення атомів з часом обумовлюється рухом атомів і вакансій до положень, що відповідають досягненню дальнього порядку у кристалічній гратці; і нарешті етап, для якого характерне лінійне зростання величини середньоквадратичного зміщення атомів внаслідок безпосереднього процесу самодифузії, є придатним для коректного розрахунку кількісних дифузійних параметрів методом молекулярної динаміки.

Встановлено закономірності розвитку термічно-індукованих дифузійних процесів, структурно-фазових перетворень і їхній вплив на магнітні властивості нанорозмірних гетерогенних систем Pt/Co.

Запропоновано модельні уявлення щодо розвитку дифузійних процесів у гетерогенних плівкових системах із різною конфігурацією магнітних і немагнітних наношарів за механізмами дифузійно-індукованої міграції границь зерен та реакційної дифузії, індукованої рухом границь зерен. Отримані в роботі результати є науковою основою створення новітніх феромагнітних впорядкованих за типом L1₀ наноматеріалів з унікальним комплексом магнітних і експлуатаційних властивостей (коерцитивна сила, намагніченість насичення, температура Кюрі, корозійна стійкість), використання яких в якості робочих плівкових елементів приладів наноелектроніки і спінтроніки дозволить досягти суттєвого підвищення функціональних характеристик даних приладів (ємність зберігання інформації, щільність інтеграції функціональних елементів тощо) та зменшити енерговитрати.

Опубліковано 1 статтю у закордонному журналі, що індексуються наукометричними базами даних Scopus і Web of Science, 2 статті в українських журналах, що індексуються наукометричними базами даних Scopus і Web of Science, захищено 1 патент на корисну модель, захищена 1 магістерська дисертація та підготовлені до захисту 2 магістерські дисертації (грудень 2021 р.), підготовлено до захисту докторську дисертацію.

---

Науково-дослідні роботи – 2020 рік

2202ф «Формування структури, магнітних властивостей нанорозмірних плівок FePt(Pd) водневою термообробкою для магнітного запису інформації підвищеної щільності» (Інститут матеріалознавства та зварювання імені імені Є.О. Патона, керівник Ю.М. Макогон).

Нанорозмірні тришарові плівкові композиції Pt(Pd)/Me/Fe і Fe/Me/Pt(Pd) (де Me = Ag, Au, Сu товщиною 0,2; 0,4; 0,6; 10 нм) з різним розташуванням шару Fe(4,6; 5; 15 нм) (верхній або нижній) та Pt(Pd)/(6; 7; 15 нм) з різним розташуванням (верхній або нижній) шарів Pt або Pd були отримані магнетронним осадженням з індивідуальних мішеней Fe, Pt, Pd, Cu Ag, Au  на підкладки SiO₂(100 нм)/Si(001) за кімнатної температури.

Відпал у водні плівок Pd/Fe за температур вище 650 °С призводить до появи стискаючих деформацій та формування текстури (111) у сплаві FePd. Пересичення атомами водню невпорядкованої фази A1 перешкоджає впорядкуванню. Після швидкого термічного відпалу у азоті у плівках присутні розтягуючі деформації, які зникають при підвищенні температури швидкого термічного відпалу до 650 °С.

Інверсія шарів – зміна розташування шарів Pd і Fe (верхній або нижній)  при відпалі у атмосфері водню не впливають на процеси фазоутворення у шаруватих системах Pd/Me/Fe та Fe/Me/Pd з товщинами шарів 4,6 нм-7 нм.

Відпал плівок Pt/Me/Fe і Fe/Me/Pt з проміжними шарами Ag(10 нм) та Au(10 нм) у вакуумі за температури 700 °C протягом 30 с призводить до початку дифузійних процесів і упорядкування у плівках. Більше значення коерцитивної сили має плівка Pt(15 нм)/Au(10 нм)/Fe(15 нм). При збільшенні часу ізотермічного відпалу у вакуумі до 30 хвилин коерцитивна сила у плівках Pt(15 нм)/Au(10 нм)/Fe(15 нм) та Fe(15 нм)/Ag(10 нм)/Pt(15 нм) збільшується і досягає значень ~10,8 кЕ – 13 кЕ. Зі збільшенням тривалості відпалу збільшується кількість впорядкованої фази і, як наслідок, ступінь впорядкування та коерцитивна сила плівок. В тришаровій композиції Pt(15 нм)/Ag(10 нм)/ Fe(15 нм) формується і зростає більше зерен фази L10-FePt в напрямку [001], перпендикулярному площині плівки. Одночасно, в плівках Pt(15 нм)/Au(10 нм)/Fe(15 нм) та Fe(15 нм)/Ag(Au)(10 нм)/Pt(15 нм) зерна фази L10-FePt ростуть з текстурою (111).

Таким чином, встановлено вплив товщини шарів Pd та Fe на дифузійне формування сплаву FePd та його структуру, температуру фазового перетворення А1 у L10-FePd. Шляхом зміни товщини шарів Fe та Pd та атмосфери відпалу можна формувати невпорядковану фазу A1-FePd або впорядковану L10-FePd з необхідними магнітними властивостями.

Зміною послідовності осадження шарів Fe або Pt в нанорозмірних плівках з різним розташуванням шарів металів Fe та Pt з додатковими шарами легуючого елементу Ag(Au) можна також формувати м’які магнітні та жорсткі магнітні шари за рахунок спрямованої дифузії Ag(Au), створюючи неоднорідність хімічного складу за товщиною плівки.

Опубліковано 1 розділ закордонної монографії (видавництво Springer), 1 навчальний посібник, 3 статті у закордонних журналах, що індексуються наукометричними базами даних Scopus Web of Science, 1 статтю подано до друку у фахове видання, що індексується базою Scopus, опубліковано 2 тез доповідей, подано заявку на отримання патенту на корисну модель, захищено 1 магістерську дисертацію і 1 бакалаврську роботу.

2101ф «Вплив йонного опромінення на структуру, абсорбційну здатність та корозійні властивості нанорозмірних металевих композицій» (Інститут матеріалознавства та зварювання імені імені Є.О. Патона, керівник С.І. Сидоренко).

Доведено перспективність методу бомбардування нанотовщинної плоскошарової вакуумно-конденсованої металевої речовини іонами малих енергій – як інструменту цілеспрямованого формування в об’ємі таких градієнтних розподілів структурно-фазових станів, які  забезпечують  нові  властивості. Показано пасивуючий вплив низькоенергетичного йонного опромінення на матеріали плівкових шарів металів. Створено нову модель відновних процесів у нанорозмірних плівкових системах, засновану на ефекті дальнодії бомбардуючих йонів Ar+. Запропоновано ефективний підхід – комбінування низькоенергетичної йонної обробки із термічним відпалом, що дозволяє стабілізувати нанокристалічну структуру матеріалу шляхом гальмування процесів рекристалізації, уповільнити дифузійну взаємодію компонентів, значно підвищити фізико-механічні та адгезійні властивості, і тим самим збільшити термічну стабільність плівкового матеріалу. Доведено, що розвиток окиснювально-відновних процесів можна контролювати додатковою йонно-плазмовою обробкою. Розкрито залежність реакційної здатності поверхні плівкових матеріалів від їх хімічного складу та структури, в тому числі і шорсткості поверхні. Сформовано концепцію про вплив середовища обробки на формування наноструктур, нетипових для масивного стану, з новими перспективними властивостями. Показано ефективність застосування низькоенергетичної йонної обробки для покращення корозійної стійкості поверхні дентальних імплантатів після витримки у бактеріальних середовищах та штучній слині.

Результати НДР впроваджено в навчальний процес: розроблено новий курс лекцій «Інструментарій комп’ютерного дизайну матеріалів», дисципліну «Міждисциплінарні проблеми технологій матеріалів майбутнього» доповнено новим розділом «Матеріали в 6-му і 7-му технологічних укладах», а дисципліну «Основи наукових досліджень» – розділом «Методи зондування поверхні йонними пучками»; підготовлено до захисту 1 кандидатську дисертацію; видано 1 монографію офіційною мовою Європейського Союзу; видано 1 підручник; опубліковано: 9 статей у журналах, що входять до наукометричної бази даних Scopus; 3 тези доповідей на міжнародних конференціях; подано заявку на патент.

Робота відповідає світовому рівню. Ряд отриманих результатів та властивостей є перспективними для високих технологій, що розробляються в компанії ТОВ «Мікросенсор», Київ; НВО «Мелта»; холдингу «Квазар-Мікро. Компоненти та системи» (Дизайн-центр KM211 – компанії-лідера в області дизайну наносистем); «МОТОР СІЧ ИНЭТС-1,2». Результати проєкту будуть затребувані при подачі проєктних пропозицій до конкурсів ряду авторитетних міжнародних проєктно-грантових програм.

2102п «Наукові основи механохімічного УЗУО-синтезу зносостійких покриттів конструкційних сплавів авіаційної техніки для підвищення військової спроможності» (Інститут матеріалознавства та зварювання ім. Є.О. Патона, керівник С.М. Волошко).

Запропоновано новий підхід для створення композиційних зносостійких покриттів, який полягає у реалізації переваг об’єднання ефекту механічної нанокристалізації і перебігу механохімічних реакцій у приповерхневих шарах оброблюваних ультразвуковою ударною обробкою (УЗУО) матеріалів у хімічно-активних та інертних середовищах за кімнатної та кріогенних температур. Це принципово відрізняє запропоновану методику від  відомих методів синтезу об’ємних композиційних матеріалів і забезпечує більш ефективне, порівняно із термічним обробленням та стандартними схемами УЗУО, зміцнення поверхні. Визначені критерії впливу різних технологічних режимів УЗУО на структурно-фазові перетворення, концентраційні неоднорідності, пошарову еволюцію структури, механічні властивості, жаростійкість, зносостійкість та корозійну стійкість композиційних покриттів, сформованих втіленням у поверхневі шари конструкційних сплавів (сталі, латуні, титанові та алюмінієві сплави) дисперсних частинок Ti, Ni, Zr, Al₂O₃,B₄C, BN тощо. Відпрацьовані технологічні режими комбінованого впливу УЗУО та електроіскрової або лазерної обробок. Проведені дослідження забезпечують практичні можливості підвищення ефективності процесів модифікації поверхні конструкційних сплавів та збільшення експлуатаційного ресурсу виробів, а саме: зміцнення поверхні та підвищення зносостійкості до 6 разів, збільшення товщини модифікованого шару від 500 мкм до мм, зменшення тривалості процесів обробки поверхневих шарів матеріалу до декількох десятків секунд, зниження питомих енерговитрат на ~30%. Щодо підвищення жаростійкості, то найкращий ефект досягнуто для титанового сплаву ВТ6 після УЗУО з порошком β-Si₃N₄ – втрата маси після циклічного відпалу за температури 650°С сумарною тривалістю 50 годин зменшується втричі.

Результати роботи, розділи монографій «Модифікація поверхні титанового сплаву ВТ6: ультразвук, лазер» та «Ультразвукова ударна обробка конструкцій і споруд транспортного машинобудування», підручника та двох навчальних посібників впроваджено у навчальний процес. Розроблено нові курси лекцій «Кінетика процесів у матеріалах» та «Твердофазні перетворення» для аспірантів 1-го та 2-го року навчання, а також лабораторний практикум. Опубліковано  1 монографію у вітчизняному виданні, 4 розділи Lecture Notes in Mechanical Engineering у видавництві Springer, одержано 2 патенти на корисну модель. Захищено 2 дипломні роботи, серед виконавців 1 студент з оплатою (1 стаття із студентом) та 2 молодих учених з оплатою. Опубліковано 9 статей у закордонних виданнях: Applied Surface Science,  Surface and Coatings Technology, Surface Engineering, Applied Nanoscience, J. of Materials Engineering & Performance, J. Surface Science and Engineering, Science Review та ін. та 6 статей у фахових виданнях, що входять до бази даних Scopus.

Розробка на рівні кращих світових аналогів. Виконавці НДР входять до складу авторського колективу циклу робіт «Підвищення якості та надійності промислової продукції за допомогою ультразвукових технологій», що номінований на здобуття Державної премії України у галузі науки і техніки 2020 року. Можливі користувачі: ІЕЗ ім. Є.О. Патона НАНУ, підприємства авіаційної промисловості, транспортного машинобудування. Проведено дослідно-промислову апробацію технології та обладнання для ультразвукової ударної обробки зварних з’єднань корпусних деталей суден при проведенні будівельних та ремонтних робіт на ПрАТ «УДП» в рамках договору про співробітництво.

2224п «Низькотемпературне формування феромагнітних плівкових високовпорядкованих матеріалів для сучасних високих технологій наноелектроніки та спінтроніки» (Інститут матеріалознавства та зварювання ім. Є.О. Патона, керівник І.А. Владимирський).

Досліджено термічно-індуковані структурно-фазові перетворення, а також закономірності їхнього впливу на магнітні та електрофізичні властивості двошарової системи Pt(15 нм)/Fe(15 нм) і плівкових композицій на її основі з додатковими проміжними шарами Au, Mn і Tb, отриманих методом магнетронного осадження на підкладинки термічно-окисненого (шар SiO₂ товщиною 100 нм) монокристалічного кремнію Si(001). Матеріали проміжних шарів обирались з огляду на їхній різний тип взаємодії з Fe і Pt і спорідненість до кисню – від повної нерозчинності у сплаві FePt і практично відсутньою спорідненістю до кисню (Au) до дуже високої спорідненості до кисню з можливістю формування проміжних фаз з Pt або Fe (Tb), а також з проміжним значенням спорідненості до кисню, але наявністю за діаграмою стану трикомпонентної сполуки за рахунок одночасної взаємодії як із Fe, так із Pt (Mn). 

Методами рентгеноструктурного фазового аналізу і мас-спектрометрії вторинних іонів досліджено вплив легування нанорозмірних плівок сплаву MnAl вуглецем на закономірності термічно-індукованого формування їхнього фазового складу. Встановлено, що осадження плівок MnAl-C методом магнетронного розпорошення на підкладинки за кімнатної температури приводить до формування аморфної структури плівкового матеріалу. Відпал за температур, вищих 450 °C, приводить до формування кристалічної фази β-Al₂Mn₃. Підвищення вмісту в плівковому матеріалі вуглецю приводить до зниження температури фазоутворення, а також до стабілізації кристалічної фази γ-Mn, яка характеризується антиферомагнітними властивостями.

Опубліковано 1 закордонну монографію (видавництво Springer), 3 статті у закордонних журналах, що індексуються наукометричними базами даних Scopus і Web of Science, 1 стаття подано до друку у закордонний журнал, що індексуються наукометричними базами даних Scopus і Web of Science, подано 2 заявки на отримання патентів на корисні моделі, захищено 1 магістерську дисертацію, отримано фінансування за програмою НАТО “Наука заради миру та безпеки” на виконання міжнародного проєкту.

Науково-дослідні роботи -2018 рік

2915ф «Формування фазового складу, структури  плівок FePd, FePt – середовища магнітного запису і зберігання інформації підвищеної щільності» (інженерно-фізичний факультет, керівник Ю.М. Макогон)

Створені наукові основи формування нанорозмірних, термічно стабільних плівок на основі FePd, FePt з магніто-твердою фазою L1_о. Запропоновано новий науковий підхід щодо застосування механічних напружень в нанорозмірних плівках на основі FePt і FePd для керування температурою хімічного упорядкування, формуванням фазового складу, структури та магнітними властивостями. Вперше показано, що при осадженні  плівок методами фізичної конденсації, контролювати початковий напружений стан у шарі Fe₅₀Pt₅₀ плівкової композиції Fe₅₀Pt₅₀/Ме/Fe₅₀Pt₅₀, де Ме -(Au, Ag, Cu) можна зміненням товщини та кількості додаткових шарів металу, іх розташуванням, типом підкладки (SiO₂(100 нм)/Si(001) або Al₂O₃), швидкістю нагріву при відпаліта газовим середовищем відпалу (вакуум, азот, Ar + 3 at.% H і H₂).

Розроблені практичні рекомендації щодо контролю процесів хімічного упорядкування при твердофазній реакції А1 → L1_о за рахунок зміни рівня і знака механічних напружень в плівках. Отримано нанорозмірні плівки на основі FePt і FePd зі зниженою температурою формування фази L1_о та підвищеною термічною стабільністю фазового складу і структури, а також поліпшеними магнітними властивостями – збільшеними H_c,, M_s, M_r, орієнтацією  вісі легкого намагнічування с перпендикулярно, або паралельно площині плівки. Застосування цих плівок в якості середовища магнітного запису дозволить підвищити щільність магнітного запису термоактивованим методом та стабільність зберігання інформації.

Результати НДР впроваджено в навчальний процес: розроблено 2 нових розділи: “Керування процесами хімічного упорядкування в плівках FePd і FePt”; “Підвищення щільності магнітного запису і зберігання інформації при застосуванні термоактивованого методу в лекційних курсах з дисциплін “Матеріалознавство функціональних тонких плівок та покриттів”, “Тверді розчини та динаміка кристалічної гратки”, “Фізика поверхні границь розділу тонких плівок”. Оновлено цикли 12 лабораторних робіт. Захищено одну і підготовлено до захисту 2 кандидатські дисертації; видано монографію (1 розділ) та подано до друку 1 монографію англійською мовоюі і один підручник з грифом МОН; опубліковано 16 статей (у тому числі 6 – зі студентами) в журналах, що входять до наукометричних баз даних, з них 6 – у міжнародних виданнях; подано до друку 3 статті (з них 2 – у міжнародні видання), зроблено 30 доповідей на 16 конференціях (з них 28 – на міжнародних, 20 – зі студентами), одержано 2 патенти України та 2 авторських свідоцтва на твір наукового характеру. Захищено 8 магістерських дисертацій та 7 дипломних бакалаврських робіт.

Результати роботи відповідають світовому рівню. Запропоновані підходи та методи мають універсальний характер і можуть бути застосовані при виготовленні функціональних елементів наноелектроніки, наноелектрики.

2101ф «Вплив йонного опромінення на структуру, абсорбційну здатність та корозійні властивості нанорозмірних металевих композицій», (інженерно-фізичний факультет, керівник С.І. Сидоренко)  

Затверджене технічне завдання та одержано номер державної реєстрації НДР. Науково обгрунтувано вибір об’єктів дослідження, одержано серію зразків для дослідження та проведено їх низькоенергетичну йонну обробку. Узагальнено закономірності вторинної іонної емісії при бомбардуванні металевих поверхонь протонами та іонами, розглянуто особливості прояву матричних ефектів. Досліджено процеси формування дефектної структури та поверхневої релаксації кристалічної гратки у моно- та багатошарових плiвках перехiдних металів після низькоенергетичної йонної обробки.

Проведений структурно-фазовий аналіз тришарових плівкових композицій Ni/Cu/V/Si(001) та  Ni/Cu/Cr/Si(001) як після термічного відпалу в атмосфері аргону, так і після  низькоенергетичного опромінення іонами аргону в інтервалі енергій: 400 еВ – 2000 еВ. Аналіз проведено із використанням синхротронного випромінювання (RIKEN SPring-8 Center, BL44B2) методом ширококутового рентгенівського розсіювання ковзаючого пучка (GIWAXS). Встановлено, що низькоенергетичне іонне опромінення зовнішньої поверхні нанорозмірних композиції при певних порогових значеннях енергії та часу обробки ініціює перебіг процесів масопереносу за дефектно-градієнтно-індукованим механізмом. Наявність градієнту концентрації дефектів по товщині плівкового матеріалу виступає в якості додаткової до градієнту концентрації рушійної сили масопереносу. В інтервалі енергій 600 еВ – 800 еВ та тривалості обробки 20 – 30 хвилин досягається суттєве зменшення концентрації оксидів основних компонентів і підвищення корозійної стійкості. Створено моделі для візуалізації структурно-фазових змін під дією йонного опромінення. Показано, що після різних режимів йонного бомбардування відбувається формування нетипових, порівняно з масивним станом, структурно-концентраційних та концентраційно-фазових неоднорідностей по товщині та об’єму плівкового матеріалу – термодинамічно нерівноважних, але кінетично стійких метастабільних структур різного типу: твердих псевдорозчинів заміщення домішок, проміжних фаз взаємно нерозчинних елементів,  багатокомпонентних проміжних фаз, структур із аномально високою концентрацією дифузантів у границях зерен матриці. 

            У звітному році з використанням результатів виконаних робіт розроблено і впроваджено нові курси лекцій «Інструментарій комп’ютерного дизайну матеріалів», «Основи моделювання фізичних процесів», підготовлено до друку навчальний посібник та підручник, опубліковано 8 статей (3 у закордонних та 5 у фахових виданнях, з яких до міжнародних наукометричних баз даних SCOPUS  входять 8), прийнято до друку 4 статі (2 статті у закордонних та 2 у фахових виданнях SCOPUS), зроблено 11 доповідей на міжнародних конференціях (з них 2 – закордонних), 3 свідоцтва про реєстрацію авторського права на твір наукового характеру, подано заявку на патент. До виконання залучалось 6 студентів, з яких 4 з оплатою. Захищено 3 магістерських роботи та 3 бакалаврські роботи, до аспірантури зараховано одного аспіранта. Підготовано до захисту кандидатську дисертацію А.К. Орлова. Відповідальним виконавцем Владимирським І.А. одержано грант Президента України для підтримки наукових досліджень молодих учених та стипендію Кабінету Міністрів України для молодих вчених. Відбулось 3 наукових стажування за кордоном, виконується міжнародний проект, подано на конкурс 4 проектних пропозиції.

Ф75/146-2018 від 03.09.2018 «Низькотемпературне формування магнітно-градієнтних нанорозмірних матеріалів на основі FePt» (інженерно-фізичний факультет, керівник І.А. Владимирський)

Виявлено закономірності термічно-індукованого структуро- та фазоутворення в нанорозмірних плівкових композиціях на основі Pt/Fe з додатковими шарами легуючих елементів, що мають різні механізми взаємодії з основними елементами (є в них не розчинними або здатні до формування з ними хімічних сполук).

Зокрема, за допомогою досліджень методами рентгеноструктурного фазового аналізу, пошарового хімічного аналізу методом мас-спектрометрії вторинних нейтральних часток і виявлення магнітних властивостей методом SQUID-магнітометрії виявлено послідовність дифузійного фазоуторення в нанорозмірних плівкових композиціях Pt(15 нм)/Mn(10 нм)/Fe(15 нм) при їх термічній обробці у вакуумі: Виявлено, що на початкових етапах термічної обробки формується впорядкована подвійна фаза PtMn, а також спостерігається виражена сегрегація Mn на вільній поверхні. На наступному етапі відбувається дифузійне формування антиферомагнітної фази FeMn, що супроводжується суттєвим зменшенням загальної намагніченості плівкових композицій. Завершальний етап перебігу дифузійних процесів супроводжується формуванням невпорядкованої фази Fe₃Pt.

Також досліджено вплив введення додаткового проміжного шару Tb на дифузійні процеси і температури фазових перетворень в нанорозмірних шаруватих композиціях Pt(15 нм)/Tb(10 нм)/Fe(15 нм) при термічній обробці у вакуумі. Встановлено, що на початковому етапі термічної обробки (215°С) композиції з додатковим проміжним шаром Tb відбувається формування інтерметалідної фази Pt₂Tb, а на наступному етапі, при температурі 280°С – формування невпорядкованої фази А1-FePt. При цьому активно розвиваються процеси окислення Tb, а також формування його силіциду. Впорядкована фаза L1₀-FePt в даних композиціях починає формуватися при температурі 500°С.

За результатами роботи опублікована 1 стаття у закордонному виданні, 1 статтю подано до друку та зроблено 1 доповідь на міжнародній конференції з опублікуванням тез.

2102п «Наукові основи механохімічного УЗУО-синтезу зносостійких покриттів конструкційних сплавів авіаційної техніки для підвищення військової спроможності» (інженерно-фізичний факультет, керівник С.М. Волошко).

Затверджене технічне завдання та одержано номер державної реєстрації НДР. Науково обгрунтувано вибір об’єктів дослідження, запропоновано нові методики УЗУО для механохімічного синтезу зносостійких покриттів та одержано серію зразків для дослідження. Проведено рентгеноструктурний аналіз, трансмісійну електронну мікроскопію, локальний хімічний аналіз на растровому електронному мікроскопі Tescan Mira 3 LMU з енергодисперсійним аналізатором, виміряно мікротвердість зразків до і після обробки, зносо- та корозійну стійкість. Застосовано методику наноіндентування (microhardness/scratch tester “Micron-gamma”), а також використано интерференційний 3D профилометр “Micron-alpha”.

Відпрацьовано оптимальні режими УЗУО для синтезу зносостійких покриттів та зміцнення поверхні легких конструкційних сплавів. Досліджено жаростійкість та мікротвердість поверхневих шарів титанового сплаву ВТ6 після УЗУО із додаванням у зону впливу порошків оксидів Al₂O₃ та Cr₂O₃. Доведено можливість синтезу шляхом такої обробки композиційних покриттів товщиною від 5 мкм до 25 мкм. Максимальне зростання мікротвердості (HV) в 1,7 разів спостерігається при додаванні порошку Cr2O3, але сформоване покриття має незадовільну суцільність. У той же час, втрата маси внаслідок термічної обробки (500 ºС, 100 годин) виявилась найменшою для зразків після УЗУО з порошком Al2O3, що свідчить про істотний позитивний вплив такої обробки на жаростійкість сплаву ВТ6. При цьому мікротвердість приповерхневої області матеріалу збільшується у 1,5 рази. При використанні суміші порошків досягаються проміжні значення товщини покриття, його мікротвердості та жаростійкості. Для практичних застосувань оптимальним є синтез композиційних покриттів ультразвуковою ударною обробкою поверхні сплаву ВТ6 з порошком Al2O3, що дозволяє досягти значення HV 4,5 ГПа та зменшити втрату маси зразків після термічної обробки з ~13% до ~0,03%.

Доведено можливості низькотемпературного синтезу твердих покриттів на сплавах з низькою температурою плавлення і високою спорідненістю до кисню, таких як алюмінієві або магнієві сплави. Синтезовано тверді покриття ZrN та ТiN на алюмінієвому сплаві Д16. Для досягнення високої адгезійної міцності між покриттям і субстратом, використане попереднє низькоенергетичне йонне опромінення поверхні сплаву для видалення природного оксидного шару. Проведено металографічні та електронно-мікроскопічні дослідження структури сформованих покриттів, визначено умови формування мікро- та наноструктур в поверхневих шарах. Обрані та використані оптимальні технологічні режими дозволили отримати покриття стехіометричного складу товщиною ~2 мкм з нанорозмірною стовпчастою мікроструктурою з розміром стовпчастих зерен 20-50 нм уздовж поперечного перерізу. У порівнянні із вихідним сплавом синтезовані покриття мають високі антикорозійні властивості у сольовому розчині та значення мікротвердості (~15-17 ГПа), а також низький коефіцієнт тертя і високу зносостійкість при зворотному ковзанні в рідкому парафіні.

Робота відповідає світовому рівню. Впровадження УЗУО в інженерію металевих поверхонь дозволить підвищити довговічність робочих деталей і вузлів із конструкційних легких сплавів і, таким чином,  збільшити термін служби устаткування в авіаційній, автомобільній промисловості, машинобудуванні та медицині. Результати представляють практичну цінність для  багатьох підприємств, які об’єднує Державний концерн “Укроборонпром”, а саме: ПАТ “МОТОР СІЧ”; ДП «Антонов»; ДП «Завод 410 цивільної авіації»; ДП «Запорізьке машинобудівне конструкторське бюро «Прогрес» імені академіка А.Г. Івченка тощо.

У звітному році з використанням результатів виконаних робіт розроблено і впроваджено нові курси лекцій «Кінетика процесів у матеріалах» та «Твердофазні перетворення» для аспірантів 1-го та 2-го року навчання, підготовлено до друку два навчальних посібники та підручник, 11 статей (4 у закордонних та 7 у фахових виданнях, з яких до міжнародних наукометричних баз даних SCOPUS входять 10, прийнято до друку 6 статей (3 статті у закордонних та 3 у фахових виданнях SCOPUS), зроблено 13 доповідей на міжнародних конференціях (з них 2 – закордонних), 3 свідоцтва про реєстрацію авторського права на твір наукового характеру. До виконання залучалось 6 студентів, з яких 3 з оплатою. За результатами наукових; сумісниками по темі опубліковано розділ монографії у закордонному виданні та опубліковано 7 статей, досліджень студентами захищено 4 магістерських роботи та 2 бакалаврські роботи, до аспірантури зараховано одного аспіранта. Відбулось 2 наукових стажування за кордоном.

2509-ф – «Термічна стабільність та експлуатаційна надійність нанорозмірних металевих плівок на діелектриках та напівпровідниках» (Інженерно-фізичний факультет, керівник С.М. Волошко)

Розроблено комплексний науковий підхід для врахування «перехресних ефектів» впливу фізико-технологічних параметрів термічного осадження на структуру і властивості нанорозмірних металевих плівок Cu-Sn, Cu-Mn, Cu-Sn-Mn, Ni-Au, Cu-Au, Ti-Ag, Fe-Pt, Ag-Pd, Pd-Ho. Встановлено загальні закономірності перебігу дифузійних процесів внаслідок подальшої термічної обробки у кисень- та водневмісних атмосферах. Показано вплив фактору нанорозмірності, який проявляється в тому, що у досліджуваних плівкових композиціях порівняно із масивними матеріалами та системами субмікронної товщини спостерігається: інша послідовність та температурні інтервали формування фаз; наявність фаз, нетипових для масивного стану в певних температурних інтервалах або відсутність фаз, які мають формуватися за діаграмою фазової рівноваги; існування одночасно метастабільних, але кінетично стійких пересичених твердих розчинів різної концентрації. Встановлений взаємозв’язок процесів реакційної багатофазної дифузії, пороутворення, формування оксидних шарів та їх впливу на термічну стабільність та електрофізичні властивості. Розвинуто модельні уявлення щодо механізмів та кінетики термічно-стимульованої дифузії (із врахуванням ієрархічної будови нанокристалічних матеріалів, бімодальної структури границь зерен та упорядкування),  а також специфічних ефектів, обумовлених інверсією матеріалів шарів, впливом додатково нанесених шарів, фізико-хімічними процесами на внутрішніх границях розділу, формуванням оксидних шарів на зовнішній поверхні та пористості в об’ємі. Доведено, що процеси оксидо- та гідридоутворення на зовнішній поверхні стимулюють розвиток дифузійного масопереносу за зернограничним механізмом та термодинамічно визначають закономірності фазоутворення в об’ємі; на цій основі запропоновано феноменологічні та аналітичні моделі дифузії у нанорозмірних шарах. Застосовано також підходи «ab initio», Car-Parinello молекулярної динаміки, кінетичної моделі Monte Carlo з метою комп’ютерного моделювання та оптимізації досліджуваних процесів. Запропоновано металознавчі критерії для визначення режимів термічної обробки, які забезпечують підвищення термічної стабільності металевих плівкових контактів як частини мікроелектронних пристроїв із більш високими ступенем інтеграції, щільністю монтажу, швидкодією, надійністю та іншими характеристиками.

            Результати роботи впроваджено в навчальний процес: поставлено нові спецкурси «Атомний дизайн та зондові нанотехнології модифікації поверхні», «Комп’ютерне конструювання матеріалів»; розроблено 3 нових розділи з 3 дисциплін («Інформаційні та комунікаційні технології у науковій діяльності матеріалознавця» з дисципліни «Інформаційні технології розв’язання фізико-технічних задач», «Зерногранична дифузія в нанокристалічних матеріалах з ієрархічною структурою» з дисципліни «Теорія тепло- та масопереносу», «Матеріалознавчі основи ортопедичної стоматології» з дисципліни «Міждисциплінарні проблеми фізичного матеріалознавства»), впроваджено комп’ютерний практикум з дисципліни «Комп’ютерне моделювання процесів тепло- та масопереносу». Захищено одну кандидатську дисертацію, одну прийнято до захисту, одну підготовано до захисту. Виконано 3 міжнародні проекти VISBY, CRDF, CNRS. Видано дві монографії, три навчальних посібника, методичні вказівки, 4 патенти, 4 свідоцтва про реєстрацію авторського права, представлено експонати на V Міжнародній виставці «Металообробка. Інструмент. Пластмаса – 2013» та у  Науковому парку «Київська політехніка». Опубліковано: 30 статей, з яких 15 – у міжнародних виданнях із високим імпакт-фактором (у т.ч. зі студентами 3, аспірантами 7), 3 – у журналах наукометричних БД; 12 – у фахових виданнях України, зроблено 51 доповідь на конференціях (з них 49 – на міжнародних, 25 – студентами). Захищено 20 дипломних робіт, одержано премію НАН України за кращу науково-дослідну роботу серед студентів вищих навчальних закладів, гранти та стипендії за програмами Erasmus Mundus, Visegrad Scholarship, ESRF (European Synchrotron Radiation Facility, ILL (Institut Laue-Langevin, International Neutrons Research Centre), VISBY, «Завтра. UA».  

Робота відповідає світовому рівню. Одержані результати відкривають нові технологічні можливості керованого формування наперед заданих структурно-концентраційно-фазових розподілів речовини, досягнення якісно нового – підвищеного – ступеня керованості і відтворюваності процесів виробництва тонких і надтонких плівок, тонких приповерхневих шарів, шаруватих композицій металів і металічних сплавів нанометрової товщини, досягнення якісно нових властивостей і характеристик, збільшення відсотку виходу годних. Галузі використання: мікро- та наноелектроніка, оптоелектроніка, нанотехнології, тонкоплівкове матеріалознавство, медична інженерія поверхні, гетерогенний каталіз, захисні покриття, мікроробототехніка, мікромеханічні прилади для медицини, сенсорні  та тензорні датчики.

2510-ф – «Формування функціональних та біосумісних композиційних покриттів на сплавах титану і заліза, зміцнених вуглецевими нанотрубками та елементами втілення, за умов екстремальних енергетичних впливів» (інженерно-фізичний факультет, керівник С.І. Сидоренко)

Вперше розвинуто наукові основи принципово нового способу формування біосумісних (із сплавами титану) покриттів з вуглецевими нанотрубками (ВНТ) на полікристалічних шарах окису кремнію з нікелевими та залізними каталітичними центрами, які отримані методом CVD для імплантатів, протезів опорно-рушійного апарату людини та медичних інструментів. Вперше була запропонована модель фізико-хімічних процесів формування композиційних покриттів при лазерному опромінюванні підкладок з ВНТ з попередньо нанесеним шаром порошку гідроксиапатиту.

Із використанням методу електроіскрового (ЕІЛ) та лазерного (ЛЛ) легування запропоновано створення покриттів на сплавах заліза різного функціонального призначення з підвищеними фізико-механічними властивостями. При застосуванні нових технологічних прийомів ЕІЛ та ЛЛ з використанням нас ичувальних середовищ комплексного складу (за рахунок дворазової зміни насичувальної атмосфери під час ЕІЛ та додавання порошкоподібних карбідів Cr₃C₂, TiC, ZrC, графіту у рідинне середовище та з використанням  під час ЛЛ порошкоподібних (ТіС, TiN) та пастоподібних обмазок) встановлена можливість збільшити поверхневу твердість сплавів заліза до 4 – 10 ГПа та підвищити рівень зносостійкості у 4 – 8 разів внаслідок додаткового збагачення поверхні карбідами, нітридами та карбонітридами. Розвинуто методи розрахунку розподілу температури в приповерхневому шарі сплавів заліза та його зміну з часом в процесі ЛЛ. Запропоновано механізм зміцнення матеріалу в зоні лазерної дії в процесі лазерної обробки за наявності обмазок.

Результати роботи впроваджено в навчальний процес: розроблено нові лабораторні роботи «Іонно-плазмовий метод отримання вуглецевих нанотрубок»; «Високотемпературний диференційний термічний аналіз»; «Визначення кінетики масоперенесення в процесі формування багатокомпонентних покриттів методом пошарового електроіскрового легування» в рамках курсу «Основи техніки фізичного експерименту», розроблений новий модуль курсу лекцій «Високоенергетичні методи отримання біосумісних матеріалів».

Захищено дві кандидатські дисертації, підготовлені розділи докторської дисертації. Видано одну монографію, підготовлено навчальний посібник, опубліковано 7 статей, зроблено 31 доповідь на 16 конференціях (з них 15 міжнародних); одержано 5 свідоцтв про реєстрацію авторського права. За результатами наукових досліджень студентами захищено 3 магістерські роботи, 3 дипломні роботи спеціалістів та 10 бакалаврських  робіт.

Робота відповідає світовому рівню. Отримані результати дозволили розробити принципово новий спосіб формування біосумісних покриттів для імплантатів та протезів опорно-рушійного апарату людини, які за своїми фізико-механічними та біологічними властивостями перевищують існуючі аналоги і водночас можуть бути економічно-вигідними для широкого застосування.

Планується науково-практичні результати, отримані в роботі, використовувати для розробки новітніх технологій серійного виробництва протезів та імплантатів в стоматології, хірургії опірно-рушійного апарату людини, медичних інструментах, тощо, а також для створення покриттів з підвищеною адгезією до матеріалів основи з різним функціональним призначенням методом електроіскрового та лазерного легування, для досягнення якісно нових властивостей і характеристик.

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 пошарового магнетронного осадження шарів чистих металів Pt і Fe товщиною 15 нм і шару Ag товщиною 0; 10; 15 і 30 нм на підкладинку монокристалічних оксиду алюмінію Al₂O₃(0001) і MgO(001) були отримані зразки нанорозмірних плівкових композицій Pt/Fe/Al₂O₃(0001), Pt/Ag/Fe/Al₂O₃(0001), Pt/Fe/MgO(001) і Pt/Ag/Fe/MgO(001). Товщина шарів визначалася з тривалості осадження (розрахована зі швидкості розпорошення кожної мішені) і перевірена за допомого профілометричного аналізу. Зразки плівкових композицій були відпалені у атмосфері проточного N₂ в температурному інтервалі 620 – 1170 К.

Встановлено, що надструктурний рефлекс (001) хімічно впорядкованої фази L1₀(FePt)_ГЦТ від плівок на підкладці Al₂O₃(0001) з′являється після відпалу двошарової плівки Pt/Fe за температури 620 К, а тришарової Pt/Ag/Fe – за температури 670 К, інтенсивність якого значно збільшується зі збільшенням температури відпалу. Плівки мають структуру з вираженою текстурою (001), формування якої підтвердила візуалізована полюсна фігура (001). Текстура в тришарових плівках Pt/Ag/Fe є менш вираженою в порівнянні з двошаровими плівками Pt/Fe. Дослідження магнітних властивостей плівок Pt/Fe і Pt/Ag/Fe після відпалу в температурному інтервалі 970 – 1070 К показало, що криві намагнічування всіх плівок дуже подібні при вимірі в двох напрямках. Коерцитивна сила двошарової плівки Pt/Fe після відпалів за температур 970 і 1070 К складає 14 і 15,8 кОе, відповідно. Для плівок з проміжним шаром срібла ці значення збільшились до 17,7 і 24,2 кОе, відповідно. Тобто введення проміжного шару срібла і наступна термічна обробка є ефективним методом збільшення коерцитивної сили плівок.  

Встановлено, що осадження плівок Pt/Fe і Pt/Ag/Fe на підкладинки MgO(001) з кубічною структурою призводить до значного підвищення температури утворення хімічно впорядкованої L1₀(FePt)_ГЦТ до 870 К в порівнянні з підкладинкою Al₂O₃(0001) з гексагональною структурою. З підвищенням температури відпалу інтенсивність даного рефлексу зростає і він стає вужчим. Однак інтенсивність фундаментального рефлексу (111) залишається більшою за інтенсивність рефлексу (001) навіть після високотемпературних відпалів, що свідчить про наявність сильної текстури (111) в плівках. Інтенсивність рефлексу (111) від срібла в тришаровій плівці також збільшується зі збільшенням температури відпалу.

Результати пошарового хімічного аналізу дуже схожі для плівок, осаджених на всі досліджувані монокристалічні підкладинки: навіть після відпалу при температурі 770 К спостерігається практично гомогенне перемішування шарів Pt і Fe. Цей факт свідчить про те, що тип монокристалічної підкладинки не впливає на швидкість дифузійних процесів, однак має сильний вплив на процес впорядкування і формування текстури в плівках.

Результати пошарового хімічного аналізу дуже схожі для плівок, осаджених як на підкладинки MgO(001) так і на підкладинки Al₂O₃(0001): навіть після відпалу при температурі 770 К спостерігається практично гомогенне перемішування шарів Pt і Fe. Можна допустити, що тип монокристалічної підкладинки не впливає на швидкість дифузійних процесів, однак має сильний вплив на процес впорядкування і формування текстури в плівках.

Встановлено, що рівень напружень в плівках, осаджених на монокристалічні підкладинки MgO(001), значно низчий в порівнянні з плівками, осадженими на монокристалічну підкладинку Al₂O₃(0001), що можна пояснити напруженим станом, який виникає через неспівпадіння кристалічних граток і температурних коефіцієнтів лінійного розширення плівки та підкладинки.

Роль проміжного шару срібла проявляється у збільшенні коерцитивної сили плівок після їх відпалу. Це може бути пояснено зменшенням магнітної взаємодії між зернами фази L1₀(FePt)_ГЦТ через їх ізоляцію. Ізольовані зерна були сформовані через обмежену розчинність срібла в решітці FePt і його тенденцію до зернограничної і поверхневої сегрегації.

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.)

Сворені нові засади формування стабільних нанорозмірних магнітно-твердих плівок FePt з  впорядкованою фазою L1₀(FePt)  шляхом регулювання швидкості твердотільних реакцій за допомогою використання додаткових шарів легуючих елементів (Ag, Au, Cu) як регуляторів дифузійних потоків. Досягнуто зменшення на 100 К температури утворення магнітно-твердої фази L1₀(FePt)   за рахунок екстра рушійної сили при створенні додаткових меж розділу і напруженого стану, що прискорює  процеси дифузійного упорядкування.. Зменшення магнітної взаємодії між зернами  і, як наслідок, збільшення коерцитивної сили  досягається шляхом введення проміжних  шарів елементів Ag, або Au, які  нерозчинні в плівках Fe₅₀Pt₅₀.  Запропоновано новий науковий підхід застосування при  термічній обробці замість вакууму атмосфери Ar з 3 об.% Н₂, що  дозволяє нейтралізувати оксидоутворюючу дію O₂. Втілення атомів водню в решітку фази L1₀-FePt викликає формування твердих розчинів, що забезпечує термічну стабілізацію розміру зерен фази L1₀-FePt на рівні 20 нм і мінімазцію поверхневої шорсткості плівкового матеріалу на рівні ±2 нм.  

 Уперше отримано за рахунок збільшення рівня стискуючих напружень в плівці  на  підкладинках монокристалічного Al₂O₃(0001) орієнтаційне [001] зростання зерен фази L1₀–FePt з розташуванням вісі легкого намагнічуванняc перпендикулярно до підкладинки. Створена і експеріментально підтверджена модель, що  формування гомогенного шару FePt в плівках  Pt/Fe і Pt/Ag/Fe на SiO₂/Si(001)  відбувається шляхом перетворень, індукованих зернограничною дифузією, при цьому гомогенний шар формується через рух границь зерен у напрямках, перпендикулярних до їх вихідного положення.

Результати НДР впроваджено у навчальний процес: розроблено 2 нових розділів   в лекційних курсах з дисциплін  “Тонкоплівкове матеріалознавство”, “Матеріалознавчі основи інженерії поверхні” 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”, “Особливості дослідження  морфології поверхні нанорозмірних плівок за допомогою атомно- силової мікроскопії”, “Визначення магнітної структури нанорозмірних плівок методом МСМ (магнитно-силової мікроскопії)”, “Оцінка магнітних властивостей методом  SQUID – магнетометрії”, “Розрахунок анізотропії магнітної енергії нанорозмірних плівок по кривим намагнічування”. Захищено 1 кандидатська і підготовлено до захисту 2 кандидатських дисертації ; видано  монографія (1 розділ) та 1 підручник з грифом МОН; опубліковано: 15 статтяй (у тому числі зі студентами 3), 6  статей у міжнародних виданнях, 15 публікацій у журналах наукометричних БД; зроблено 41 доповдіь  на 27 конференціях (з них 29 – на міжнародних), студентами – 19  тез доповідей; одержано 3 патента України.  До виконання НДР залучено 21 студентів. Студентами захищено 5 магістерських робіт, 2  дипломних проектів спеціаліста.

 Розробка перевищує світові аналоги. Запропоновані підходи та методи мають універсальний характер і можуть бути застосовані при виготовленні функціональних елементів наноелектроніки, наноелектрики. Розроблено рекомендації щодо вибору технологічних параметрів процесу  формування і стабілізації магнітно-твердих плівок FePt, застосування яких дозволить підвищити щільність магнітного запису і збереження інформації.

2816-ф – «Фізико-хімічні основи зміцнення поверхні легких конструкційних сплавів ультразвуковою ударною обробкою за кріогенних температур» (Інженерно-фізичний факультет, керівник С.М. Волошко)

Доведено можливість механічного легування поверхневих шарів алюмінієвого сплаву Д16 та армко-Fe шляхом їх спільної ультразвукової ударної обробки в інертному середовищі за умов квазігідростатичного стиснення. Максимальна концентрація Fe у приповерхневих шарах сплаву Д16 після обробки з амплітудою ультразвукового перетворювача А=25 мкм впродовж 100 с становить ~10-12 ат.%. Неочікуваним результатом є поверхнева сегрегація Cu (до ~30 ат.%) у локальних ділянках поверхні. На контактній поверхні армко-Fe після такого режиму УЗУО вміст Al досягає 90 ат.%, одночасно відбувається масоперенесення і інших компонентів сплаву Д16 – Cu, Mg та  Mn.

Показано, що збільшення мікротвердості поверхні сплаву Д16 ультразвуковою ударною обробкою за умов контакту із пластиною армко-Fe (порівняно із вихідним станом сплаву Д16) обумовлене синергетичним впливом наступних факторів: зменшенням розміру ОКР, збільшенням рівня мікродеформації кристалічної гратки та механохімічною взаємодією Al з Cu та Fe в процесі деформації. Відомо, що у системі Al–Cu–Fe за певних умов у області концентрацій 62,5-70 ат.% Al, 20-25 ат.% Cu та 10-12,5 ат.% Fe можуть формуватись різні фази: як інтерметалідні (апроксимантні), так і квазікристалічна (ікосаедрична і-фаза близького до зафіксованого хімічного складу Al₆₂Cu_25,5Fe_12,5). Встановлення структури утворених фаз потребує подальших досліджень.

Результати досліджень можуть стати фізичною основою для розробки нової технології поверхневого легування легких конструкційних сплавів за допомогою ультразвукової ударної обробки.

2811-ф – «Формування градієнтних станів в наношарових металевих плівкових композиціях через процеси на зовнішній поверхні» (Інженерно-фізичний факультет, керівник С.І. Сидоренко)

Методом магнетронного осадження отримано зразки шаруватих нанорозмірних плівкових композицій на основі сплаву FePt на хімічно інертних підкладинках SiO₂/Si(001).

Вивчено вплив товщини проміжного шару Ag на фазові перетворення в тонкоплівкових композиціях FePt/Ag/FePt. Виявлено, що збільшення товщини проміжного шару Ag від 7,5 нм до 30 нм в плівкових композиціях з шарами сплаву Fe₅₀Pt₅₀ приводить до зменшення температури утворення хімічно-впорядкованої фази L1₀-FePt на ~100 К. Можливе пояснення даного явища полягає в різниці між напруженими станами, що виникають в досліджуваних плівкових композиціях внаслідок різниці температурних коефіцієнтів лінійного розширення шарів та підкладинки.

Також виявлено, що збільшення товщини проміжного шару Ag приводить до збільшення значення коерцитивної сили композицій, що може бути наслідком насичення границь зерен фази L1₀-FePt немагнітною компонентоюі обмеженню обмінної взаємодії між зернами. Визначено, що введення проміжного шару Ag товщиною 30 нм сприяє формуванню в плівковому матеріалі переважної орієнтації зерен, за якої відбудеться поворот вісі легкого намагнічування у напрямку, перпендикулярному до підкладинки.

Досліджено процеси низькотемпературного дифузійного фазоутворення в шаруватих системах Pt/Fe з додатковими проміжними шарами. Методом магнетронного осадження отримано серії модельних зразків шаруватих тонкоплівкових композицій Pt/Fe та Pt/Au/Fe на підкладинках монокристалічного Al₂O₃(0001).

Зразки піддано низькотемпературному (330^оС) відпалу з різною тривалістю (до 62 годин) у високому вакуумі.

Виявлено, що в даному випадку гомогенізація складу плівкових композицій і формування невпорядкованої фази A1-FePt та впорядкованої фази L1₀-FePt відбуваються за специфічним механізмом – шляхом індукованих зернограничною дифузією перетворень, при яких кінцевий гомогенний шар формується через рух границь зерен у напрямках, перпендикулярних до їх вихідного положення. 

При цьому показано, що введення проміжного шару Au товщиною 10 нм між шарами Pt товщиною 15 нм і Fe товщиною 15 нм приводить до прискорення низькотемпературної гомогенізації шарів та збільшення ступеню впорядкування і коерцитивної сили фази FePt. При цьому результати пошарового хімічного аналізу методом мас-спектрометрії вторинних нейтральних часток засвідчили «рух» шару Au при низькотемпературній термічній обробці в напрямку підкладинки плівкової композиції.

Виявлено механізм впливу проміжного шару Au на закономірності дифузійного фазоутворення в шаруватих плівкових композиціях Pt/Fe: напруження, які виникають на границях поділу між шарами плівкових композицій внаслідок невідповідності параметрів їх кристалічної будови і різниці в температурних коефіцієнтах їх лінійного розширення сприяють прискоренню дифузійних процесів і перебігу процесу впорядкування. А зменшення магнітної взаємодії між зернами фази L1₀-FePt внаслідок насичення їх границь золотом приводить до збільшення коерцитивної сили впорядкованої фази. Крім того, утворення фази A1-FePt може відбуватись і в границях зерен вихідного шару Au, що також є джерелом виникнення додаткових напружень.

2816-ф – «Фізико-хімічні основи зміцнення поверхні легких конструкційних сплавів ультразвуковою ударною обробкою за кріогенних температур» (Інженерно-фізичний факультет, керівник С.М. Волошко)

Відпрацьовані режими зміцнення поверхневих шарів сплавів Д16, ВТ6 та нержавіючої сталі ультразвуковим ударним обробленням у інертній атмосфері та рідкому азоті з точки зору оптимального поєднання твердості і пластичності. Запропоновано новий спосіб механічного легування поверхні алюмінійового сплаву Д16 ультразвуковим обробленням залізним бойком в різних середовищах. Досліджено хімічний склад поверхні та поперечного перерізу за допомогою локального мікрорентгеноспектрального аналізу, виміряно мікротвердість після УЗУО різної тривалості від 40 с до 250 с, визначено товщину зміцнених шарів. Виконано рентгеноструктурний аналіз, визначено  розмір ОКР, параметри гратки, мікронапруження. З’ясовано закономірності синтезу нітридних сполук у поверхневих шарах сталі 12Х18Н10Т після УЗУО та механізми процесів аномального масоперенесення атомів азоту у процесі кріодеформації, розраховано кількісні дифузійні параметри. Виміряно магнітні властивості. Встановлено закономірності впливу різних режимів УЗУО – амплітуди ультразвукового перетворювача та часу обробки та подальшої термічної обробки – на механічні властивості, структурно-фазові перетворення, концентраційні неоднорідності, пошарову еволюцію структури безпосередньо після оброблення та природного старіння алюмінієвих та титанових сплавів, а також наступного низькотемпературного відпалу. Встановлено домінуючі  механізми зміцнення  на різних кінетичних стадіях оброблення та закономірності синтезу наноструктурованих покриттів. Запропоновані модельні уявлення щодо механізмів поверхневої наноструктуризації та структурно-деформаційного ультразвукового зміцнення.

За результатами роботи видано 1 навчальний посібник, подано 2 заявки на свідоцтва про реєстрацію авторського права на твір наукового характеру, опубліковано 7 наукових статей, з яких 6 статей в фахових виданнях, 1стаття в закордонному виданні, 7 статей в журналах, що входять до наукометричних БД, зроблено 11 доповідей, у т.ч. 9 на міжнародних наукових (з них 3 на зарубіжних) конференціях з опублікування тез, захищено 1 магістерську дисертацію, 3 дипломні роботи бакалавра.

Основні положення роботи впроваджені до навчального посібника С.І. Сидоренко, С.М. Волошко. Термодинаміка та кінетика дифузії: Навч. посіб. – К.: НТУУ «КПІ», 2016.–99 с. в рамках дисципліни «Теорія тепло- і масопереносу».

2811-ф – «Формування градієнтних станів в наношарових металевих плівкових композиціях через процеси на зовнішній поверхні» (Інженерно-фізичний факультет, керівник С.І. Сидоренко)

Методом магнетронного осадження отримано серії модельних зразків шаруватих тонкоплівкових композицій Pt/Fe, Pt/Ag/Fe, Pt/Au/Fe та Pt/Cu/Fe на аморфних підкладинках SiO₂(100 нм)/Si(001) та монокристалічних підкладинках MgO(001), SrTiO₃(001) та Al₂O₃(0001).

Досліджувані плівкові зразки піддано лазерній обробці і термічному відпалу у високому вакуумі.

Особливості формування структури і фазового складу даних плівкових композицій виявлено шляхом in-situ вимірювання електричного опору при термічній обробці, а також методами рентгеноструктурного фазового, електронно-оптичного, мікрорентгеноспектрального і мікроструктурного аналізу.

Методом in-situ резистометрії виявлено, що в плівкових композиціях з проміжними шарами Ag і Cu температури утворення невпорядкованої фази A1-FePt і впорядкованої фази L1₀-FePt зміщені в бік менших температур в порівнянні з плівковою композицією Pt/Fe без проміжного шару (температури фазових перетворень виявлено за перегинами на кривій залежності поверхневого електроопору від температури термічної обробки). Більш того, методом рентгеноструктурного фазового аналізу показано, що після відпалу плівкова композиція з проміжним шаром Ag має найбільший ступінь впорядкування і найбільшу кількість зерен фази L1₀-FePt, орієнтованих у напрямку, перпендикулярному до підкладинки (що обумовлює формування необхідних магнітних властивостей матеріалу – розворот вісі легкого намагнічування в напрямку [001]).

Ймовірна причина зменшення температури фазових перетворень при введенні в плівкові композиції на основі Pt/Fe додаткових проміжних шарів легуючих елементів полягає у додаткових напруженнях, що виникають на границях поділу внаслідок неспівпадіння параметрів кристалічної будови і температурних коефіцієнтів лінійного розширення матеріалів шарів. 

Виявлено, що процеси дифузійного фазоутворення в об’ємі нанорозмірних плівкових композицій Pt/Fe, Pt/Ag/Fe і Pt/Au/Fe при їх термічній і лазерній обробці термодинамічно обумовлюються процесами на зовнішній поверхні.

Побудовано моделі границь розділу контактів тонкошарових систем, які можуть бути використані в якості сонячних батарей, а саме графен-Ме та Ag-Ме, де Ме – W, Pt, Au, Pd, Mo, Al, Fe. Для моделі границі розділу графен-Ме проведено релаксацію з метою виявлення зміни структури приграничних областей Ме під дією графена. Розраховано коефіцієнти самодифузії (Ag, Me) та гетеродифузії (Ag-Me, Me-Ag), а також термодинамічну стабільність  з метою визначення придатності застосування Ме у якості дифузійного бар’єра для Ag при робочих температурах.

Для моделі графен-Fe підтверджено ефект деформації моношару графена, що раніше було виявлено експериментально методом атомно-силової мікроскопії, а також показано можливий ефект деформації поверхневих шарів Fe.

Для моделі Ag-Ме розраховано енергії формування вакансії та коефіцієнти само- та гетеро- дифузії, що перебігають за вакансійним механізмом та визначено, що Mo – найкращий кандидат для електропровідного дифузійного бар’єру для Ag.

Опубліковано 2 наукові статті, з яких 1 стаття в фахових виданнях, 1стаття в закордонному виданні, 2 в журналах, що входять до науко метричних БД, зроблено 9 доповідей, з яких 7 на міжнародних наукових конференціях з опублікування тез,  захищено 1 робота спеціаліста, 7 робіт бакалавра.

        Удосконалення навчального процесу завдяки науковим дослідженням: основні положення роботи впроваджені у навчальному посібнику “Фізичні властивості та методи дослідження матеріалів” (2016) та методи лабораторних роотах з однойменної дисципліни (2016). Оновлено розділи лекційних курсів «Теорія тепло- і масопереносу» і «Міждисциплінарні проблеми фізичного матеріалознавства».

2915-ф – «Формування фазового складу, структури  плівок FePd, FePt – середовища магнітного запису і зберігання інформації підвищеної щільності» (Інженерно-фізичний факультет, керівник Макогон Ю.М.)

Розроблено  технічнє завдання  і зроблен літературний огляд.  Обгрунтувано вибір об’єктів дослідження і поставлені завдання дослідження. Магнетронним методом осадження  отримано зразкі нанорозмірних плівок еквіатомного сплаву Fe₅₀Pd₅₀ та композицій – плівка  Fe₅₀Pd₅₀ з додатковим шаром Au. товщиною (0,3 -0,9) нм. Загальна товщина кожної плівокової  композиції 5 нм. В якості підкладинок застосовані пластини окисненого монокристалічного  кремнію  SiO₂(100нм)/Si(001). Проведено термічне обробляння плівкових композиций  FePd,  FePd/Au на підкладках SiO₂/Si(001) з додатковим шаром Au  в різних газових середовищах – у N₂ методом швидкісний термічної обробці (RTA) , у водні, у високому (3.х 10^-3Па),  вакуумі.

         Відпрацьовано методики фізичного матеріалознавства : для дослідження фазового складу і  структури в нанорозмірних плівках.- рентгеноструктурний фазовий аналіз; для оцінки рівня механічних напружень – рентгенівська тензометрія.  Для визначення параметрів морфології поверхні та  кристалічної структури – растрова електронна мікроскопія; просвічувальна електронна, атомно-силова мікроскопія; мікроскопія поперечних перерізів. Для виявлення розподілу хімічних елементів по товщині плівки –  мас-спектрометрія вторинних нейтралей; мас-спектрометрія вторинних іонів;  Резерфордівське зворотне розсіювання. Для визначення електрофізичних властивостей – методи вимірювання магнітних властивостей за допомогою SQUID  – магнітометра і методу MOKE, резистометрії та інших сучасних методів  досліджень.

            Встановлені закономірності дифузійного формування магнітно-твердої  впорядкованої фази L1₀(FePd) в нанорозмірних плівкових композиціях FePd,   FePd/Au. Особливостю формування фази L1₀(FePd) у порівнянні з формуванням фази L1₀-FePt є потреба в більший тривалості відпалу. Результати дослідження  показали, що  умовами   процесів впорядкування при термооброблянні  плівці FePd і перебігу твердотільної реакції A1(FePd) →L1₀(FePd) є ії легування  золотом. При цьому зменьшується температура формування магніто – твердої  фази L1₀(FePd).  

За результатами роботи підготовлено до захисту 1 кандидатську дисертацію, отримано 1 патент України на корисну модель, опубліковано 5 наукових статей, з яких 3 статті в фахових виданнях, 2 статті в закордоних виданнях, 5 – в журналах, що входять до наукометричних БД, зроблено 12 доповідей, у т.ч. 8 на міжнародних наукових конференціях з опублікування тез, захищено 3 магістерські дисертації та 3 роботи бакалавра.

2816-ф «Фізико-хімічні основи зміцнення поверхні легких конструкційних сплавів ультразвуковою ударною обробкою за кріогенних температур» (Інженерно-фізичний факультет, керівник С.М. Волошко)

Одержані принципово нові наукові знання щодо фізико-матеріалознавчих основ та закономірностей зміцнення поверхневих шарів легких конструкційних сплавів шляхом ультразвукової ударної обробки (УЗУО) за кріогенних температур. Ці закономірності обумовлюються пригніченням процесів динамічного повернення та динамічної рекристалізації, а також ефекту анігіляції дислокацій під дією фактору глибокого охолодження. Доведено можливість формування нітридних сполук в приповерхневих шарах за рахунок явища механодинамічної дифузії атомів азоту із зовнішнього середовища в процесі кріодеформації. Відмінною рисою отриманих результатів від вітчизняних та зарубіжних аналогів є поверхнева обробка матеріалу за кріогенних температур в умовах гідростатичного стиснення замість добре відомих методів кріодеформації всього об’єму матеріалу. Подрібнення вихідної структури до наномасштабного рівня, а також перебіг механохімічних реакцій під дією УЗУО за кріогенних температур (77,4 К) порівняно з традиційною методикою УЗУО надає можливість зміцнення поверхні до ~500 %, збільшення товщини модифікованого шару до ~250 мкм, (на повітрі до ~100 мкм),  зменшення шорсткості поверхні в 2,5 рази, підвищення зносо- та корозійної стійкості, втомної довговічності до ~3 разів, зменшення тривалості процесів модифікації поверхні матеріалу до декількох хвилин.

За результатами НДР розроблено і впроваджено новий лекційний курс «Матеріалознавство низькорозмірних структур» та новий цикл лабораторних робіт «Вторинно-іонна мас-спектрометрія у дослідженнях поверхні твердого тіла» з цієї дисципліни,  розроблено нові розділи «Моделювання процесів аномального масопереносу під дією УЗУО» дисципліни «Комп’ютерне моделювання процесів тепло- та масопереносу» та «Атомно-зондова томографія» з дисципліни «Теорія тепло- та масопереносу», а також оновлено цикл лабораторних робіт із дисципліни «Фізичні методи дослідження». Захищено 2 кандидатських дисертації; видано монографію у видавництві «Наукова думка» та розділ монографії у закордонному видавництві Wiley-VCH, 1 навчальний посібник; підготовано до друку навчальний посібник, підручник та практикум (інструкції до лабораторних робіт з дисципліни «Сучасні експериментальні методики фізичного матеріалознавства»); опубліковано: 26 статей у журналах, що входять до міжнародних наукометричних БД; зроблено 40 доповідей на міжнародних конференціях; одержано 6 свідоцтв про реєстрацію авторського права. Захищено 6 магістерських та 6 бакалаврських робіт.

Робота відповідає світовому рівню. Впровадження УЗУО в інженерію металевих поверхонь дозволить підвищити довговічність робочих деталей і вузлів із конструкційних легких сплавів і, таким чином,  збільшити термін служби устаткування в авіаційній, автомобільній промисловості, машинобудуванні та медицині. Результати представляють практичну цінність для  багатьох підприємств, які об’єднує Державний концерн “Укроборонпром”, а саме: ПАТ “МОТОР СІЧ”; ДП «Антонов»; ДП «Завод 410 цивільної авіації»; ДП «Запорізьке машинобудівне конструкторське бюро «Прогрес» імені академіка А.Г. Івченка тощо.

2811-ф – «Формування градієнтних станів в наношарових металевих плівкових композиціях через процеси на зовнішній поверхні» (Інженерно-фізичний факультет, керівник С.І. Сидоренко)

Встановлено закономірності енергетично індукованих дифузійних структурно-фазових перетворень в плівкових градієнтно-функціональних матеріалах з суттєво відмінними термодинамічними та кристалохімічними властивостями шарів металів (V-Ag, Pd-Ho, Ni-Cu-Cr та ін.) в рамках підходу до цих процесів як до багатостадійних, наслідком яких є цілеспрямоване формування градієнтних граничних (критичних) станів.

Варіюванням складу атмосфери термічної обробки можливо контролювати параметри кристалічної будови та текстури зерен, морфологію поверхні нанорозмірних плівкових металевих матеріалів. Також показано, що істотний вплив на закономірності структурно-фазових перетворень в нанорозмірних плівкових композиціях чинить ступінь вакууму, в якому проводиться термічна обробка.

Підтверджено ефект «дифузійного насосу», який полягає у тому, що при термічному обробленні в кисне- та воднево- вмісних атмосферах фізико-хімічні процеси на зовнішній поверхні нанорозмірних металевих композицій термодинамічно визначають дифузійне фазоутворення в об’ємі.

Показана можливість вирівнювання хімічного складу за товщиною шаруватих нанорозмірних плівкових композицій при відносно низьких температурах їх відпалу, за яких домінуючим механізмом дифузії є зернограничний механізм. Дифузійне фазоутворення і твердотільні реакції в даному випадку обумовлюються зміщенням границь зерен внаслідок зернограничної дифузії; позаду границі, що рухається, залишається реакційний шар кінцевої фази.

Розвинуто алгоритми «комп’ютерного конструювання» нових матеріалів як поєднання квантово-імітаційного моделювання та дослідної перевірки його результатів.

Показана можливість розробки нового способу керування хімічною активністю нанорозмірних шарів перехідних металів, що використовуються для формування топології мікро- та наноелектронних пристроїв і захисту їх від корозії, шляхом іонного бомбардування. 

За результатами НДР розроблено і впроваджено розділи лекційного курсу «Міждисциплінарні проблеми фізичного матеріалознавства». Підготовлено до захисту 2 кандидатські дисертації – ст. викладача Конорева С.І. «Ефекти структурних змін та термостабільність сонячних елементів нового покоління засобами мультимасштабного моделювання» (науковий керівник проф. Сидоренко С.І.), аспіранта Орлова А.К. «Термічно-індуковані структурні перетворення в нанорозмірних плівках перехідних металів за даними синхротронного аналізу» (науковий керівник проф. Сидоренко С.І.). Захищено 1 кандидатську дисертацію – М.М. Ворон «Управління структурою та властивостями титанових сплавів шляхом оптимізації технологічних параметрів електронно-променевої гарнісажної плавки з електромагнітним перемішуванням розплаву», спеціальність 05.16.04 – Ливарне виробництво, 2015 р. Видано 1 монографію (І.А. Владимирський, Ю.М. Макогон, С.І. Сидоренко «Дифузійне формування нанорозмірних магнітних матеріалів на основі FePt» К.: НТУУ «КПІ ім. Сікорського»), 2017 – 344 с., 1 навчальний посібник (В.В. Холявко, І.А. Владимирський, О.О. Жабинська «Фізичні властивості та методи дослідження матеріалів» , К.: НТУУ «КПІ ім. Сікорського», 2016 – 156 с.); розділи підручника (С.І.Сидоренко, С.М. Волошко «Теорія тепло- та масопереносу», К.: НТУУ «КПІ ім. Сікорського» , 2017 – 208 с. (розділи 8-13)), опубліковано: 8 статей у журналах, що входять до міжнародних наукометричних баз даних; 13 статей у вітчизняних фахових наукових журналах; зроблено 34 доповіді на міжнародних конференціях; одержано 6 патентів та свідоцтв авторського права. Захищено 6  магістерських дисертацій. Розпочато виконання спільного з університетом м. Аугсбург (Німеччина) наукового проекту “Холодна гомогенізація шаруватих тонких плівок на основі Fe/Pt, індукована дифузійними процесами” (2017-2020 рр.), що фінансується Німецьким дослідницьким товариством (DFG).

Робота відповідає світовому рівню. Одержані результати будуть сприяти подальшому розвитку теорії конденсованого стану речовини і дозволять розробити феноменологічну теорію дифузії в нанорозмірних металевих плівкових матеріалах.

2915-ф – «Формування фазового складу, структури  плівок FePd, FePt – середовища магнітного запису і зберігання інформації підвищеної щільності» (Інженерно-фізичний факультет, керівник Макогон Ю.М.)

Магнетронним методом осадження отримано: 1. Зразки нанорозмірних плівок еквіатомного сплаву Fe₅₀Pd₅₀ та композицій – плівка Fe₅₀Pd₅₀ з додатковими шарами Ag та Cu товщиною (0,3 -0,9) нм. Загальна товщина кожної плівокової  композиції 5 нм. 2. Зразки плівок шарів металів з різним співвідношенням концетрацій Fe та Pd: Pd(6 нм)/ Fe(4,6 нм); Pd(7 нм)/Fe(5 нм); Pd(6 нм)/Me(x нм)/Fe(4,6 нм); Pd(7 нм)/Me(x нм)/ Fe(5 нм) з додатковими шарами Me: Cu, Ag товщиною (0,2 -0,4) нм.3. Зразки нанорозмірних плівок шарів металів- Pt/Fe, Pt/Me/Fe, (де Me – Ag, Au, Cu).  Додаткові шари Me: Cu, Ag товщиною 10 нм. Загальна товщина кожної плівокової  композиції до 40 нм. В якості підкладинок застосовані пластини окисненого монокристалічного кремнію SiO₂(100нм)/Si(001) за кімнатних температур.

Проведено термічне обробляння плівкових композиций в різних газових середовищах – у N₂ методом швидкого термічного відпалу (RTA), відпали у водні та у високому (3.х 10^-3Па)вакуумі. Варіювання виду термічної обробки, її температури та часу витримки проведено з метою пошуку оптимального режиму термічної обробки даних плівок для формування в їх структурі хімічно впорядкованої фази L1₀-FePd.

Встановлено, що механізм дифузійного формування магнітно-твердої впорядкованої фази L1₀-FePd та її магнітні властивості в нанорозмірних плівкових композиціях FePd, FePd/Au, FePd/Ag і FePd/Cu при відпалі у атмосфері водню відрізняеться від цих процесів при відпалі у вакуумі. Pd сприяє дисоціації молекулі водню на атоми. Вони при втіленні у кристалічну гратку фази А1 FePd розташувується в октаедричних порожнинах. Це спотворює елементарну комірку і ослаблює зв’язки між атомами Fe↔Pd, що прискорює процес упорядкування. Оптимальними умовами для отримання впорядкованої фази L1₀ є відпал у водні за температури 650 ⁰С з витримкою 1 год плівок FePd/Au, FePd/Ag з товщиною додаткового шару 0,3 нм і FePd/Cu з товщиною додаткового шару 0,6 нм. Заміщення атомів Pd та Fe атомами Ag, Au та Cu при відпалі плівок у водні за температури 650 ⁰С впродовж 1 год призводить до зменшення коерцитивної сили. При більш високих температурах відпалу, або більшої тривалості в плівці збільшується концентрація легуючого елемента (Ag, Au, Cu), що супроводжується формуванням потрійного сполучення FePdMe, де Me –Ag, Au, Cu. Магнітні властивості в плівці практично зникають.

Завдяки науковим дослідженням відбулося удосконалення навчального процесу» у лекційному курсі «Матеріалознавство функціональних тонких плівок та покриттів». Оновлено розділи «Функціональні тонкі плівки у мікроприладах». Підготовано лабораторний практикум з лекційного курсу «Матеріалознавство функціональних тонких плівок та покриттів.Підготовлено до захисту 1 кандидатську дисертацію (Вербицька М.Ю.), опубліковано 5 статей у фахових виданнях України, з них 4 статті у наукометричних базах даних Scopus, зроблено 12 доповідей на 8 конференціях (7 міжнародних (11 доповідей) та 1 всеукраїнська (1 доповідь)), з них 3 доповіді на 2 закордонних. До виконання залучалось  8 студентів та  1 аспірант; студентами захищено 3 магістерські дисертації, 1 дипломна спеціаліста та 2 бакалаврські роботи.