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.