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.