Анотація до роботи:

Пасічний М.О. Нові моделі початкових стадій дифузійних твердофазних реакцій у тонких плівках та наночастинках. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.07 – фізика твердого тіла. – Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України, Київ, 2006.

Дисертація присвячена розробці методів комп’ютерного моделювання процесів зародження і росту впорядкованих фаз на початкових стадіях дифузійних твердофазних реакцій у нанорозмірних бінарних системах.

Запропоновано Монте-Карло модель реакційної дифузії, особливість якої полягає у врахуванні різкої залежності енергій парної взаємодії від локального оточення. Підтверджено, що формування першої проміжної фази складається з концентраційної підготовки, латерального росту, нормального росту. Інкубаційний період збільшується зі збільшенням періоду мультишару і виходить на асимптотичне значення.

Підтверджено поліморфну моду зародкоутворення у полі градієнту концентрації. Затримка появи фази Al₉Co₂ у дифузійній парі Al-Co пояснена термодинамічною забороною нуклеації в різко неоднорідній зоні контакту.

Проаналізовано латеральний ріст проміжної фази при реакційній дифузії за рахунок „хімічної” рушійної сили. Встановлено, що асимптотична товщина острівця пропорційна кореню квадратному відношення коефіцієнта дифузії вздовж міжфазної межі до константи реакції на цій межі.

Досліджено температурний гістерезис розпаду у бінарних наночастинках. Підтверджено, що ширина петлі температурного гістерезису залежить від розміру частинки, швидкості зміни температури, термодинамічних та кінетичних параметрів.

У дисертації запропоновано нові моделі, котрі дозволяють описати початкові стадії дифузійних твердофазних реакцій у нанорозмірних бінарних системах при фазових переходах першого роду. Основні результати дисертаційного дослідження полягають у викладеному нижче.

1. Запропоновано нову Монте-Карло модель для опису початкових стадій реакційної дифузії. Головна особливість представленої моделі полягає у врахуванні різкої залежності енергій парної взаємодії від локального оточення, що дозволяє чітко розрізняти фази. Приведені результати свідчать про адекватність застосування представленої Монте-Карло моделі до аналізу процесів фазоутворення і структурної еволюції. Зокрема показано, що:

- формування першої проміжної фази складається з трьох стадій – концентраційної підготовки (інкубаційного періоду), лінійної стадії латерального розростання, нормального росту;

- інкубаційний період обумовлений не лише власним бар’єром зародкоутворення, а й концентраційною підготовкою (утворення твердого розчину з достатньо малим градієнтом концентрації);

- інкубаційний період збільшується зі збільшенням періоду мультишару і виходить асимптотичне значення.

2. Затримка появи першої фази Al₉Co₂ у тонкоплівковій дифузійній парі Al-Co може бути пояснена термодинамічною забороною нуклеації у полі концентраційного градієнту. Експериментальні дані із затримки появи першої фази у системі Al-Co виключають поперечну моду як можливий механізм зародження у даній системі. Однак такий механізм можливий для інших систем і/або фаз. Експериментальні дані можна пояснити реалізацією поліморфної моди, якщо значення інтервалу гомогенності фази Al₉Co₂ знаходиться у межах від Дc=0,2 ат.% до Дc=0,9 ат.%.

3. Проаналізовано граничний випадок задачі росту інтерметалідної фази при реакційній дифузії за рахунок „хімічної” рушійної сили за механізмом аналогічним до дифузійно-індукованої міграції меж. Встановлено, що асимптотична товщина острівця пропорційна кореню квадратному відношення коефіцієнта дифузії вздовж міжфазної межі до константи реакції на цій межі

, .

Вклад градієнту кривизни в потоки вздовж міжфазних меж і відповідний вплив на кінетику розростання залежать від конкретного механізму вирівнювання потоків. В більшості випадків на стадії латерального росту впорядкованих фаз „хімічна” рушійна сила дифузії вздовж міжфазних меж, викликана концентраційним градієнтом, більш вагома, ніж рушійна сила, викликана градієнтом кривизни міжфазної межі.

4. Досліджено (за допомогою кінетичного рівняння Фоккера-Планка) температурний гістерезис розпаду бб+і у бінарних наночастинках з урахуванням ефекту збіднення. Підтверджено, що ширина петлі температурного гістерезису залежить від розміру частинок, швидкості зміни температури, термодинамічних та кінетичних параметрів. А саме, зменшення розміру частинок, швидкості зміни температури, поверхневого натягу, енергії активації дифузії призводить до зменшення ширини петлі температурного гістерезису. Показано, що кінетика розпаду бб+і (при охолодженні) значно слабше залежить від розміру, ніж кінетика зворотного перетворення б+іб (при нагріванні).

Публікації автора:

1. Pasichnyy M.O., Gusak A.M. Modeling of Phase Competition and Diffusion Zone Morphology Evolution at Initial Stages of Reaction Diffusion // Defect and Diffusion Forum. – 2005. – Vols.237-240. – P.1193-1198.

2. Shirinyan A.S., Pasichnyy M.O. Hysteresis in the Process of Phase Separation of Nanopowder // Defect and Diffusion Forum. – 2005. – Vols.237-240. – P.1252-1257.

3. Pasichnyy M.O., Schmitz G., Gusak A.M., Vovk V. Application of the Critical Gradient Concept to the Nucleation of the First-Product Phase in Co/Al Thin Films // Physical Review B. – 2005. – Vol.72. – P.014118:1-7.

4. Shirinyan A.S., Pasichnyy M.O. Size-Induced Hysteresis in the Process of Nucleation and Phase Separation in a Nanopowder // Nanotechnology. – 2005. – Vol.16. – P.1724-1733.

5. Пасічний М.О., Гусак А.М. Кінетика латерального розростання острівців проміжної фази на початковій стадії реакційної дифузії // Металлофизика и новейшие технологии. – 2005. – Т.27, – №8. – С.1001-1016.

6. Гусак А.М., Запорожець Т.В., Пасічний М.О. Твердофазні реакції – нове розуміння старих проблем // Вісник Черкаського університету. – 2005. – Т.79. – С.25-50.