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.