Анотація до роботи:

Малихін С.В. Механізми формування та процеси еволюції структури, напруженого стану і властивостей квазі- та нанокристалічних плівок металів під впливом зовнішних чинників. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.07 – фізика твердого тіла. - Харківський національний університет імені В.Н.Каразіна, Харків, 2008.

Дисертація присвячена вирішенню проблеми встановлення загальних закономірностей формування фазового складу, структури, напруженого стану та властивостей нано- та квазікристалічних плівок, що виготовлені в екстремальних умовах значного відхилення від рівноваги, та механізмів їх еволюції під дією зовнішніх чинників.

Розроблено нові та вдосконалено відомі методи дослідження напруженого стану, а також параметрів структури з урахуванням пружної деформації. З використанням комплексу методів встановлено, що тонкі кристалічні плівки і квазікристалічні стрічки мають градієнтний з товщиною розподіл параметрів структури, субструктури, напруженого стану і властивостей. Для стрічок системи Ti-Zr-Ni, які виготовлені способом швидкісного загартування, визначені режими отримання зразків однофазних або з переважним вмістом ікосаедричної квазікристалічної фази. Визначені межі її стабільності, досліджені теплофізичні та механічні властивості. Запропоновано механізм пластичної деформації квазікристалів при кімнатній температурі; на підставі експериментальних даних зроблено висновок про ізотропність модуля Юнга, коефіцієнта лінійного розширення та температури Дебая. Досліджені стимульовані хімічні реакції та зміни структурного та напруженого стану і властивостей кристалів і квазікристалів при опромінюванні іонами, квантами ВУФ, рентгенівськими променями та при насиченні воднем.

У дисертаційній роботі вирішено наукову проблему щодо встановлення загальних закономірностей формування фазового складу, структури, напруженого стану тонких наноструктурованих плівок металів Ti, Hf, W, Ni, Al, сплавів Ti-Al, сполук W₃O, WC, TiN, Cr₂N, TaSi₂ та швидко загартованих для синтезу квазікристалічних та споріднених фаз Zr-Al, Zr-V, Ti-Zr-Ni, Ti-Hf-Ni стрічок, а також механізмів еволюції структурного та напруженого стану зразків під впливом температури, насичення воднем, киснем, азотом опромінення квантами рентгенівського та вакуумного ультрафіолетового діапазонів, а також іонів Не⁺ і N⁺ низької та середньої енергії. Результати проведених комплексних і систематичних досліджень зводяться до таких основних висновків:

1. Проаналізовано розподіл залишкових напружень, рівень мікродеформацій, розмір областей когерентного розсіювання, тип та густину структурних дефектів, текстуру та фазовий склад кристалічних наноструктурних і квазікристалічних плівок, які одержують в екстремальних умовах сильного відхилення від рівноваги. Встановлено, що формування вказаних складових структурного і напруженого стану, а також їх зміна під дією зовнішніх чинників відбувається взаємопов'язано.

2. Показано, що структурний стан тонкоплівкових і стрічкових зразків безперервно змінюється в ході конденсації або кристалізації при сильному відхиленні від умов термодинамічної рівноваги, яке обумовлено переохолодженням, пересиченням за компонентах і структурними дефектами, критичним зовнішнім навантаженням або виникаючими внутрішніми напруженнями. Внаслідок цього формуються об'єкти, які характеризуються зміною по глибині фазового складу, параметрів структури, субструктури, залишкових напружень та орієнтації зерен.

3. Розроблена та використана для дослідження структури та напружень у монокристалічних та високо текстурованих зразках методика рентгенівської тензометрії кристалів гексагональної сингонії. Вона дає можливість в моделі плоско-напруженого стану незалежно обчислювати значення двох складових головних напружень ₁ та ₂, а також значення параметрів кристалічної решітки а₀ і с₀ за винятком напружень. Це дозволяє достовірно аналізувати легування, концентрацію точкових та площинних дефектів. Методика може бути поширена і на менш симетричні гратки.

4. Встановлено що при іонно-плазмових методах осадження кристалічних плівок нерівноважність обумовлена високою швидкістю термалізації адатомів та "забиттям" атомів в решітку конденсату, що є причиною переходу від макронапружень розтягу до напружень стиску, при чому суттєвий внесок в напружений стан вносять "структурні" напруження, які виникають через формування закономірно орієнтованих по відношенню до площини плівок дислокаційних петель проникнення безпосередньо під час конденсації. Зі збільшенням товщини конденсату залишкові та внутрішні напруження накопичуються. При переході через деяку межу, що залежить від температури плавлення та пружних констант, напруження релаксують із формуванням (або зміною типу) текстури, зміною густини та розподілу дислокацій та дислокаційних петель.

5. Для стрічок систем Ti-Zr-Ni, Ti-Hf-Ni, Zr-V і Zr-Al, отриманих швидкісним загартуванням, досліджена залежність фазового складу і структури від елементного складу і режимів синтезу. Винайдені оптимальні параметри синтезу однофазних ікосаедричних квазікристалів в Ti-Zr-Ni системі. Визначені межі температурної стабільності квазікристалічної фази. Досліджено залежність від режимів синтезу досконалості ікосаедричної структури – її параметру квазікристалічності, розміру областей когерентного розсіяння рентгенівських променів, величини середніх мікродеформацій, густини фазонних дефектів, залишкових напружень та окремих фізичних властивостей.

6. Вперше для вивчення особливостей напруженого стану квазікристалічних зразків рентгенівськими методами впроваджено методику багаторазових зйомок з нахилом, а для отримання характеристик субструктури: середнього розміру областей когерентного розсіяння і середніх мікродеформацій - спосіб апроксимації. Встановлено, що діючі в стрічках залишкові макронапруження врівноважуються в поперечному перетині зразків. Напруження стиснення діють із сторони, що контактувала з поверхнею охолоджуючого диску, а напруження розтягу (_max 140±10 МПа) - на протилежній поверхні стрічок.

7. При дослідженні загартованих на одному гартівному диску стрічок встановлено, що по перетину відбувається поступова зміна фазового складу, розміру зерен та областей когерентного розсіяння, густини дислокацій та фазонних дефектів, макро- та мікронапружень, мікротвердості, нанотвердості та модулю Юнга, що можна вважати проявою процесу самоорганізації структури при синтезі.

8. Вперше методом наноіндентування визначені значення модуля Юнга і нанотвердості для квазікристалічних стрічок, які виготовлені способом швидкісного загартування. Встановлено, що ці властивості є величинами ізотропними і зростають із підвищенням досконалості структури ікосаєдричної фази і досягають значення 113±1 ГПа і 7,1±0,2 ГПа відповідно. Запропонований механізм деформації ікосаедричних квазікристалів системи Ti-Zr-Ni при кімнатній температурі, який істотно відрізняється від деформації кристалів. Винайдено, що енергія активації пластичної деформації Ti-Zr-Ni квазікристалу дорівнює приблизно 0,70±0,5 еВ/ат.

9. Методом дифракції рентгенівських променів за зміною інтенсивності та положення відбиттів від різних кристалографічних площин при температурах від 80 до 300 К досліджені теплофізичні властивості Ti_41,5Zr_41,5Ni₁₇ квазікристалів та встановлено, що їх температура Дебая та коефіцієнт лінійного розширення становлять відповідно Q_Д =315±10 К та a=(8,0±0,5)10^-6 К^-1 і є величинами ізотропними.

10. Показано, що при низько- та середньо енергетичному опроміненні частками або квантами і в тонких кристалічних плівках і в квазікристалічних стрічках далеко за межами поглинання відбувається суттєва зміна параметрів структури, густини структурних дефектів та напруженого стану. При збільшенні дози ефект полягає в початковому підвищенні досконалості вихідної структури, а потім в накопиченні вторинних радіаційних дефектів.

11. Показано, що механізми необоротних процесів формування і еволюції структурного і напруженого стану тонких плівок при значному відхиленні від рівноваги підкоряються узагальненому рівнянню Гиббса-Дюгема, окремі складові якого змінюються взаємозалежно при прагненні системи до рівноваги.

Публікації автора:

1. Методы исследования атомной структуры и субструктуры материалов: [Учебн. пособие] / В.М.Иевлев, А.Т.Косилов, Ю.К.Ковнеристый, А.И.Лебедев, Э.П.Домашевская, А.В.Евтеев, С.В.Малыхин, С.С.Борисова, Е.К.Белоногов; под ред. В.М.Иевлева.- [1-е изд.].- Воронеж: Воронеж.гос.тех.ун-т, 2001.- 446 с.

2. Методы исследования атомной структуры и субструктуры материалов: [Учебн. пособие] / В.М.Иевлев, А.Т.Косилов, Ю.К.Ковнеристый, А.И.Лебедев, Э.П.Домашевская, А.В.Евтеев, С.В.Малыхин, С.С.Борисова, Е.К.Белоногов; под ред. В.М.Иевлева.- [2-е изд.].- Воронеж: Воронеж.гос.тех.ун-т, 2003.- 484 с.

3. Гладких Л.И., Малыхин С.В., Пугачёв А.Т. Дифракционные методы анализа остаточных напряжений. Теория и эксперимент: Учебн. пособ.-Х.: НТУ "ХПИ", 2006.-304 с.

4. Особенности структуры монокристаллических пленок a-Ti , конденсированных в сверхвысоком вакууме / Е.Н.Зубарев, А.А.Козьма, С.В. Малыхин, С.Т. Рощенко // Поверхность. Физика, химия, механика.- 1991.- № 5.- С.124-132.

5. Эффект дальнодействия при облучении поверхности / А.А.Козьма, С.В.Малыхин, О.В.Соболь, А.В.Аринкин, Л.С.Палатник, В.И. Пинегин, П.Г. Черемской //Физика металлов и металловедение.- 1991.- № 7.- С.168-175.

6. Генерация и эволюция радиационных дефектов в тонких пленках титана при подпороговом облучении / А.А.Козьма, С.В.Малыхин, Л.П.Тищенко, Т. И.Перегон, С.Т.Рощенко // Физика и химия обработки материалов. – 1991.- №4.-С.13-20.

7. Особенности накопления дефектов за пределами проективных пробегов ионов в зависимости от энергии, дозы и температуры облучения / О.В.Соболь, А.А.Козьма, С.В.Малыхин, Н.В. Плешивцев, Л.П.Тищенко, Т.И. Перегон // Вопросы атомной науки и техники. Сер. Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение.- 1992.- Вып. 1 (58), 2 (59).- С. 12-17.

8. Особенности накопления дефектов за пределами проективных пробегов ионов / О.В.Соболь, А.А.Козьма, С.В.Малыхин, Н.В.Плешивцев, Л.П. Тищенко, Т.И. Перегон // Известия Российской Академии наук. Сер. Физическая.- 1992.- Т. 56, № 6.- С.182-187.

9. Козьма A.A., Решетняк E.Н., Малыхин С.В. Роль радиационного фактора в формировании напряженного состояния ионно-плазменных конденсатов // Вестник Харьковского государственного политехнического университета: Новые решения в современных технологиях. –1998.- Вып. 17. - С. 83-86.

10. Особенности формирования вольфрамовых пленок, полученных методом ионно-плазменного распыления / А.А.Козьма, С.В.Малыхин, О.В.Соболь, С.С.Борисова, А.А.Подтележников // Физика и химия обработки материалов.-1998.- №3, С.49-55.

11. The effect of ion-plasma sputtering regimes on structure formation in tungsten-carbon based coatings / A.A.Kos’ma, O.V.Sobol’, E.A.Sobol’, S.V. Malykhin, A.A. Podtelezhnikov // Functional Materials.- 1999.- Vol.6, №2. - P. 267-272.

12. Kos’ma A.A., Malykhin S.V. Radiation stimulated effect in films and surface layers// Functional Materials .- 1999.- Vol.6, №2. -P. 262-266.

13. Pugachov A.T., Reshetnyak Е.N., Malykhin S.V. Lattice parameter determination in stressed hexagonal structure films using X-ray tensometry // Functional Materials.- 1999.-Vol.6, №5.-Р. 863-867.

14. Козьма А.А., C.В.Малыхин, Соболь О. В. Структура и напряженное состояние покрытий, полученных распылением вольфрама в тлеющем разряде // Физика металлов и металловедение.- 1999.-Т.87, №3.-С. 30-33.

15. Azhazha V., Grib A., Khadzhay G., Malykhin S., Merisov B., Pugachov A. Superconductivity of Ti-Zr-Ni Alloys Containing Quasi-Crystals // Physsics Letters A.- 2002.-V. 303.- P.87-90.

16. Diffuson of hydrogen in Ti-Zr-Ni quasicrystals / V.Azhazha, A.Grib, G.Khadzhay, S.Malykhin, B.Merisov, A. Pugachov // J. Phys.: Condens. Matter.- 2003.- Vol. 15.-P. 5001-5008.

17. The electrical resistivity of Ti-Zr-Ni quasicrystals in the interval 1.3-300 K / V.Azhazha, A.Grib, G.Khadzhay, S.Malykhin, B.Merisov, A. Pugachov // Physics Letters A.- 2003.-№349.- P.539-543.

18. Structure and peculiarities of nanodeformation in Ti –Zr –Ni quasi-crystals / V.Azhazha, S.Dub, G.Khadzhay, S.Malykhin, B.Merisov, A. Pugachov // Phil. Mag.- 2004.- Vol.84, № 10.- P.983–990.

19. Остаточные напряжения и структура покрытий нитридов титана и хрома, полученных методом ионно-плазменного напыления / Л.И. Гладких, С.В.Малыхин, А.Т.Пугачев, Е.Н.Решетняк, Д.Б.Глушкова, С.С.Дьяченко, Г.П. Ковтун // Металлофизика и новейшие технологии. - 2003. - Т.25, №6. - С. 763-776.

20. Residual stresses and structure in titanium films obtained by vacuum-arc depositions / Е.N.Reshetnyak, A.T.Pygachov, S.V.Malykhin, V.D. Ovcharenko // Functional materials. - 2003. - V.10, №3. - P. 402-406.

21. Рентгенографический анализ периодических композиций W/Si / Е.Н. Решетняк, С.В. Малыхин, Ю.П.Першин, А.Т. Пугачев // Вопросы атомной науки и техники, Сер.: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение. - 2003. - №3. - С. 161-166.

22. Изменение структуры, субструктуры и физических свойств Ti-Zr (Hf)-Ni квазикристаллов при насыщении водородом / В.М.Ажажа, А.Т.Пугачёв, С.С.Борисова, А.Н.Гриб, С.В.Малыхин, Б.А.Мерисов, Г.Я.Хаджай, С.Н.Дуб // Вестник Воронежского государственного технического университета.. Сер. Материаловедение.- 2004.- Вып.1.15.-С.7-11.

22. Генезис пористости в конденсированных системах / П.Г.Черемской, А.Т.Пугачев, О.В.Соболь, С.В. Малыхин, А.Л. Топтыгин, А.С. Паникарский // Вестник Воронежского государственного технического университета. Сер. Материаловедение.- 2004.- Вып.1.15.- С.12-17.

23. Condensation-dependent porosity in film nanostructures / P.G.Cheremskoy, A. T.Pugachov, O.V.Sobol, S.V.Malykhin, A.L.Toptygin, A.S.Panikarsky // Functional materials.- 2005.-Vol.12, №.3.-P.539-547.

24. Mechanical behavior of Ti-Zr-Ni quasicrystals during nanoindentation / V.Azhazha, S.Borisova, S.Dub, S.Malykhin, A.Pugachov, B.Merisov, G.Khadzhay // Physics of the Solid State.-2005.- Vol. 47, № 12.- Р. 2262–2267.

Механическое поведение Ti-Zr-Ni-квазикристаллов при наноиндентировании / В.М.Ажажа, С.С.Борисова, С.Н.Дуб, С.В.Малыхин, А.Т.Пугачёв, Б.А. Мерисов, Г.Я. Хаджай // Физика твердого тела.- 2005.- Т.47, №12.- с.2170-2175.

25. The electrical resistivity of Ti_41.5Zr_41.5Ni₁₇ quasicrystals in the temperature region 0.3–300 K / V.M.Azhazha, G.Ya.Khadzhay, S.V.Malykhin, B.A.Merisov, H.R. Ott, A.T.Pugachov, A.V. Sologubenko // Fizika Nizkikh Temperatur.- 2005.- Vol. 31, № 6.- Р. 629-633.

26. Mikhailov I.F., Borisova S.S., Fomina L.P., Malykhin S.V., Babenko I.N. Structure changes in nickel on silicon nano-layers under vacuum ultraviolet irradiation // Functional Materials.-2006.-Vol.13, №1.-P.85-89.

27. VUV Stimulated Solid-Phase Reactions on the Surface of Ni Nano-Layers on Si Substrate / I.F.Mikhailov, S.V.Malykhin, S.S.Borisova, L.P.Fomina // Functional Materials.-2006.-Vol.13, №.3. -P. 381-386.

28. Malykhin S.V., Pugachov A.T., Chernokhvostenko E.E. Thermal Expansion and Debye Temperature of Ti-Zr-Ni Quasicrystal // Functional Materials.-2006.-Vol.13, №4.-P.596-599.

29. Синтез, структура, субструктура, остаточные напряжения и отдельные физические свойства Ti-Zr-Ni квазикристаллов / В.М.Ажажа, С.М.Дуб, О.М. Гриб, Б.А. Мерисов, Г.Я.Хаджай, С.В.Малыхин, А.Т.Пугачёв, Л.И. Гладких // Вістник Харківського національного університету. Сер. Фізика.- 2006.-№ 9, № 739.- С.103 -107.

30. Effect of microstructure on plastic deformation of Cu at low homologous temperatures / Y.Estrin, N.Isaev, S.Lubenets, S.Malykhin, A.Pugachov, V.Pustovalov, E.Reshetnyak, V.Fomenko, L.Fomenko, S.Shumilin, M.Janecek, R.Hellmig // Acta Materrialia.- 2006.-V. 54.- P.5581-5590.

31. Structure and stress condition of ion-plasma hafnium condensates / A.S.Vus, S.V.Malykhin, A.T.Pugachov, E.N. Reshetnyak, R.V.Azhazha, K.V. Kovtun // Functional Materials.-2007.-Vol.14, №2.-P.204-207.

32. Malykhin S. Residual stresses in Ti_41,5Zr_41,5Ni₁₇ quasi-crystalline ribbons measured by X-ray diffraction //Functional Materials.-2007.-Vol.14, №2.-P.223-227.

33. Синтез и стабильность Ti-Zr-Ni квазикристаллов / В.М.Ажажа, А.М.Бовда, С.Д.Лавриненко, Л.В.Онищенко, С.В.Малыхин, А.Т.Пугачёв, М.В. Решетняк, А.Н.Стеценко, Б.А.Савицкий // Вопросы атомной науки и техники. Сер. Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники.- 2007.- вып. 4(16), С.82-87.

34. Synthesis, structure, substructure, residual stresses and properties of Ti-Zr-Ni and Ti-Hf-Ni icosahedral quasicrystals / V. Azhazha, S. Malykhin, A. Pugachov, S. Dub, A. Grib, G. Khadzhay, B. Merisov // Crystal materials'2005.ICCM'2005. Kharkov, Ukraine, 30 May-2 June 2005.- Kharkov.-2005.- P.26.

35. Структура, субструктура и напряженное состояние Ti-Zr-Ni квазикристаллов / В.М.Ажажа, С.В.Малыхин, А.Т.Пугачёв, Е.Н. Решетняк, М.В. Решетняк // Современное материаловедение: достижения и проблемы : Международная конференция MMS-2005. Киев, 26-30 сент. 2005 г.-К., 2005.-Т.1.- С.414-415.

36. Влияние насыщения водородом на структуру, субструктуру и физические свойства Ti-Zr-Ni квазикристаллов / В.М. Ажажа, С.С.Борисова, О.М. Гриб, С.Н.Дуб, С.В.Малыхин, Б.А.Мерисов, А.Т.Пугачёв, Г.Я. Хаджай // Современное материаловедение: достижения и проблемы : Международная конференция MMS-2005. Киев, 26-30 сент. 2005 г.-К., 2005.-Т.1.- С.416-417.

37. Изучение дефектной структуры квазикристаллов методами рентгеновской дифракции / С.В.Малыхин, А.Т.Пугачев, Л.И.Гладких, Е.Н. Решетняк // Фізичні явища в твердих тілах. Матеріали 7-ої Міжнародної конференції. Харьків, 14-15 грудня 2005 р.- Харків: ХНУ.- 2005.- С. 83.

38. Механические свойства и пластичность Ti_41.5Zr_41.5Ni₁₇ квазикристаллов по данным наноиндентирования / С.В. Малыхин, А.Т. Пугачев, С.С. Борисова, В.М. Ажажа, С.Н. Дуб // Физика конденсированного состояния вещества при низких температурах. Международная конференция. Харьков, 20-22 июня 2006 г. – Харьков, 2006.-С.239-241.

39. Low temperature plastic deformation of structurally various cooper polycrystals / V. Pustovalov, Y. Estrin, L. Fomenko, N. Isaev, M. Janecec, S.Lubenets, S. Malykhin, A. Pugachov, E. Reshetnyak, V. Fomenko, S. Shumilin, R. Hellmig // The Book of Abstracts for “23^rd European crystallographic meeting”.- Leuven, Belgium, 6-11 Aug. 2006.- Vol.1.- P.63.

40. Ажажа В.М., Лавриненко С.Д., Лонин Ю.Ф., Пилипенко Н.Н., Середа Б.В., Малыхин С.В., Пугачёв А.Т. Решетняк Е.Н., Топтыгин А.Л., Кузьменко Н.А. Структурные изменения в быстрозакаленных лентах металлических спловов при радиационном воздействии // XVII Международная конференция по физике радиационных явлений и радиационному материаловедению. Алушта, Крым, 4-9 сент.2006 г.- Алушта, 2006.- С.76.

41. Влияние облучения на структуру и субструктуру Ti_41,5Zr_41,5Ni₁₇ квазикристаллов / Н.А.Кузьменко, С.В.Малыхин, Ю.А.Похил, А.Т. Пугачёв, М.В.Решетняк, А.Л.Топтыгин // Физико-химические процессы в конденсированном состоянии и на межфазных границах: III-Всероссийская конференция ФАГРАН-2006. Воронеж, Россия, 8-14 окт. 2006 г.- Воронеж, 2006.- Т.1.-С.562-565.

42. Структура, субструктура и физико-механические свойства Ti–Zr–Ni квазикристаллов / В.М.Ажажа, А.Т.Пугачев, С.В. Малыхин, С.Н. Дуб // Сб. тез. 45 Международной конференции "Актуальные проблемы прочности".- Белгород.-2006.- С.64.

43. Влияние радиационного фактора открытого космического пространства на структурное и напряженное состояние эпитаксиальных пленок титана / В.В. Гайворонская, С.В. Малыхин, Ю.А. Похил, А.Т. Пугачёв, Е.Н. Решетняк, А.Л. Топтыгин // Физико-химические процессы в конденсированном состоянии и на межфазных границах: III-Всероссийская конференция ФАГРАН-2006. Воронеж, Россия, 8-14 окт. 2006 г.- Воронеж, 2006.- Т.1.-С.513-515.