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.