Анотація до роботи:

Чорноус А.М. Розмірні ефекти в електрофізичних властивостях нанокристалічних плівкових систем в умовах взаємної дифузії та фазоутворення. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.07-фізика твердого тіла.–Сумський державний університет. Суми, 2006.

Дисертація присвячена встановленню загальних закономірностей у структурно-фазовому стані та електрофізичних властивостях (температурний коефіцієнт опору (ТКО) і коефіцієнт поздовжньої тензочутливості (КТ)) багатошарових металевих плівкових систем. Комплексне дослідження фазового складу, кристалічної структури і дифузійних процесів для систем, які у масивному стані характеризуються різним типом взаємної розчинності компонент, показало, що у плівкових зразках на основі Ni і Co, Ti, V або Cr та Ti і Co у результаті дифузії після відпалювання до температури Т_в >700-800 К відбувається утворення твердих розчинів (плівки Ni/(Co, V або Cr) та Co/Cu)) та інтерметалідів (плівки Ni/(V або Ті) і Со/Ті) у відповідності до діаграми стану спочатку біля межі поділу шарів з подальшим поширенням твердофазних реакцій на увесь зразок у міру збільшення температури і часу відпалювання. У плівках на основі Со і Cr та Cu, Sc і Cr за таких умов термообробки зберігається індивідуальність шарів. На основі запропонованої методики проведено розрахунок внеску в питомий опір, ТКО і КТ одношарових плівок об'ємного поверхневого і зерномежового розсіювання електронів. Проведений порівняльний аналіз величин параметрів електроперенесення, з якого випдиває, що їх значення визначається ступенем дисперсності кристалітів. Встановлено загальні закономірності у розмірних залежностях ТКО і КТ для багатошарових металевих систем загального і періодичного типу. Показано, що в межах фрагмента значення електрофізичних властивостей залежно від співвідношення між собою їх асимптотичних величин зі збільшенням товщини окремих шарів можуть монотонно збільшуватися, зменшуватися або осцилювати. Встановлено, що існує кореляція між величинами електрофізичних властивостей і структурно-фазового стану плівкових систем. На основі порівняльного аналізу результатів апробації макроскопічних, напівкласичних і феноменологічних моделей для ТКО і КТ зроблено висновок, що врахування температурних і деформаційних ефектів для параметрів електроперенесення дозволяє досягти кращого узгодження експериментальних даних з теоретично розрахованими.

Проведене у дисертаційній роботі комплексне дослідження дало можливість здійснити подальший експериментальний та теоретичний розвиток наукового напряму «Розмірні явища в кристалічній структурі та електрофізичних властивостях багатошарових плівкових систем» щодо нанокристалічних зразків, в яких проходять процеси взаємної дифузії і відбувається фазоутворення. В результаті були сформульовані такі узагальнюючи висновки:

1. На основі дослідження розмірних і термодинамічних ефектів у механічних властивостях тонких плівок Cr, Cu, Ni, Co та ін. можна говорити про такі закономірності:

– макронапруження структурного походження мають величину, що на порядок більше за макронапруження термічного походження;

– із збільшенням товщини (середнього розміру кристалітів) величина структурних макронапружень зменшується, що узгоджується з теоретичними розрахунками на основі моделі взаємодії зерен;

– за рахунок зміни внеску міжфазної поверхневої енергії у силу тертя ковзання величина тангенціальної складової адгезії більша нормальної у 1,5–3 рази;

– величина адгезії зменшується при збільшенні поверхневої енергії плівки і підкладки, і товщини зразків, що можна пояснити на основі уявлень про вільну енергію адгезії і розмірну залежність поверхневої енергії.

2. Вивчення структурно-фазового та елементного складу нанокристалічних багатошарових плівкових систем дозволило встановити такі закономірності:

– у свіжоосаджених зразках спостерігається індивідуальність окремих шарів, хоча в них і відбувається взаємне проникнення компонентів (переважно по межам зерен) за рахунок конденсаційно-стимульованої дифузії, кількісною характеристикою якої є ефективна температура, еквівалентна температурі термодифузії;

– у плівкових системах на основі Ni і (Co, Ti, V або Cr) та Ti і Co у результаті термостимульованої дифузії при Т_в >700-900 К відбувається утворення твердих розчинів (плівки Ni/(Co, V або Cr)) переважно на основі ГЦК-решітки Ni та проміжних фаз Ni₃Ti, NiТі, NiTi₂, Ті₂Со, ТіСо, ТіСо₂ і NiV₂ (плівки Ni/(V або Ті) і Со/Ті) відповідно до діаграми стану спочатку біля межі поділу шарів з подальшим поширенням фазоутворення на увесь зразок у міру збільшення температури і часу відпалювання;

– у плівкових системах на основі Co і Cr та Co, Cu і Sc, що пройшли термообробку до 650-800 К до великої міри спостерігається індивідуальність окремих шарів, хоча у них і відбувається взаємна зерномежова дифузія; різні варіанти дво- і трикомпонентних плівкових зразків на основі зазначених металів являють собою зручні об’єкти для апробації теоретичних моделей розмірного ефекту у електрофізичних властивостях багатошарових систем;

– величина ефективного коефіцієнта термодифузії має величину (D~ 10^-18 м²/с) для систем з необмеженою взаємною розчинністю компонентів (плівки на основі Ni і Co) і зменшується до D~10^-20 м²/с у міру зниження ступеня розчинності (плівки на основі Cu і Cr).

3. Вперше експериментально показано, що у багатошарових плівкових системах на хід температурних залежностей електричного опору та ТКО впливають дифузійні процеси в об'ємі зразків, які викликають концентраційні ефекти. Зокрема, особливості при характерних температурах (Дебая, Кюрі і Неєля) на температурних залежностях електрофізичних властивостей можуть як проявлятися чітко, так і бути розмитими і повністю вироджуватися, що пов’язано із ступенем взаємного проникнення компонентів системи.

4. На основі вперше запропонованої методики проведено розрахунок внеску в питомий опір, ТКО і КТ об'ємного, поверхневого і зерномежового розсіювання електронів для плівок Ti, V, Cr, Ni, Cо, Cu і Mo. Встановлено, що внесок кожного механізму є розмірно залежною величиною від товщини і розміру кристалітів.

5. Вперше проведений порівняльний аналіз величини параметрів електроперенесення в металевих зразках (плівки товщиною до 500 нм і дроти діаметром 0,03-0,5 мм) показав, що їх значення визначається ступенем дисперсності кристалітів. Із зменшенням розміру зерен від 600 до 10 нм величини параметра дзеркальності і СДВП зменшується (від р0,6 до р0 і від л₀ 90 до л₀ 10 нм відповідно), а коефіцієнта розсіювання на міжкристалітних межах зростає (від R(0,1-0,2) до R(0,6-0,7)).

6. Встановлено, що одна із причин, яка суттєво впливає на експериментальну величину ТКО багатошарових плівкових структур та узгодження її з теоретично розрахованим значенням, пов'язана з процесами взаємної дифузії і фазоутворення. У системах з низькою взаємною розчинністю (на основі Co і Cr та Co, Cu і Sc) за рахунок зерномежової дифузії змінюються умови розсіювання на межах зерен, що викликає зміну електрофізичних властивостей зразків. Для плівкових систем (на основі Ni і (V, Cr або Co)), в яких утворюються тверді розчини в усьому об’ємі зразка, найкращу відповідність експериментальним даним забезпечує формула для ТКО плівкового сплаву.

7. Вперше на основі теоретичних розрахунків та експериментальних результатів встановлено загальні закономірності у розмірних залежностях ТКО і КТ для багатошарових плівкових систем загального і періодичного типу. Показано, що в межах фрагмента значення ТКО і КТ із збільшенням товщини окремих шарів можуть залежно від співвідношення між собою їх асимптотичних величин і монотонно збільшуватися, зменшуватися або осцилювати. Величини ТКО і КТ не залежать від кількості фрагментів і монотонно змінюються із збільшенням їх товщини.

8. Вперше проведено апробацію асимптотичних співвідношеннь для ТКО одно-, дво- та багатошарових плівок металів, що отримані з використанням модифікованої теорії Маядаса-Шатцкеса. Показано, що для дво- і багатошарових зразків періодичного типу, у яких зберігається індивідуальність шарів (на основі Co і Cr та Co, Cu і Sc), експериментальні та розрахункові значення ТКО узгоджуються з точністю до 30%.

9. Врахування температурних і деформаційних ефектів для параметрів електроперенесення у рамках феноменологічних моделей для ТКО і КТ дозволило досягти узгодження експериментальних даних з розрахованими з точністю до 22-25%, що свідчить про суттєвий вплив зазначених явищ на електрофізичні властивості.

10. Вперше експериментально показано, що багатошарові плівкові системи мають у декілька разів вищу (від 1,4 до 16,7) чутливість до деформації, ніж одношарові металеві плівки, що обумовлено появою у них додаткового механізму розсіювання носіїв заряду – меж поділу між шарами. У зв'язку з цим багатошарові металеві плівки на основі металів Co і Cr та Co, Cu і Sc з низькою взаємною розчинністю можуть бути використані як чутливі елементи для тензодатчиків.

Публікації автора:

1. Protsenko I., Odnodvoretz L., Chornous A. Electroconductivity and tensosensibilyty of myltilayer films // Металлофиз. новейшие технол.–1998.–Т.20, №1.– С. 36–44.

2. Проценко И.Е., Чорноус А.Н., Шовкопляс О.В. Исследование електрофизических свойств двухслойных пленочных систем на основе титана, кобальта, никеля // ВАНТ. Серия Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники.–1998.–№2(3)–3(4).– С. 102–106.

3. Lasyuchtnko O.B., Protsenko I.Yu., Chornous A.M. Contribution of the grain–boundary and surfase scattering of conductivity electrons to the size effect of tensosensibility // Functional Materials.– 1999.–V.6,№5.– P. 880–883.

4. Проценко С.И., Чорноус А.Н. Методика разделения вклада зернограничного и поверхностного рассеяния электронов в величину удельного сопротивления и термического коеффициента сопротивления металлических пленок // ВАНТ. Серия Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники.–1999.–№2(10).– С. 107–109.

5. Белоус Е.А., Чорноус А.Н. Зернограничное рассеяние электронов в пленках меди // ВАНТ. Серия Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники.–1999.–№1(9).– С. 76–78.

6. Однодворець Л.В., Проценко С.I., Чорноус А.М. Про можливостi макроскопiчної апроксимацiї мiкроскопiчної моделi Дімміха // Вісник СумДУ.– 1999.– № 2(13).–С. 18–21.

7. Experimental test of a three–dimensional model for electrophysical properties of metal films / A.М. Chornous, N.М. Opanasyuk, A.D. Pogrebnjak., I.Yu. Protsenko // Jpn. J. Appl. Phys.– 2000.– V.39, №12В.– L1320–L1323.

8. Бiлоус О.А., Дехтярук Л.В., Чорноус А.М. Розмiрно–кiнетичнi ефекти у полiкристалічних металевих плiвках Cu та Ni// Металлофиз. новейшие технол. –2001.– Т.23, № 1. –С.43–50.

9. Розмiрнi ефекти в термiчному коефiцiєнтi опору та коефiцiєнтi розсiювання електронiв на межi зерна в тонких металевих плівках / О.А. Бiлоус, Л.В. Дехтярук, С.І. Проценко, А.М. Чорноус // Вісник СумДУ. Серія Фізика, математика, механіка.– 2001.– № 3(24),4(5).– С.–67–73.

10. Проценко І.Ю., Чорноус А.М., Шпетний І.О. Електрофізичні властивості двошарових плівок на основі Со, Сr, Ni в умовах взаємної дифузії атомів // Науковий вісник Ужгородського університету. Серія Фізика.—2001. – № 10. – С. 199–206.

11. Вплив дифузійних процесів на електрофізичні властивості металевих плівок з покриттям / І.Ю. Проценко, Ю.М. Овчаренко, А.М. Чорноус, Т.П. Говорун // Вісник СумДУ. Серія Фізика, математика, механіка. – 2002. – №5–6. – С.50–56.

12. Проценко С.И., Токмань В.В., Чорноус А.Н. Формирование многослойных пленочных структур с отрицательным термическим коэффициентом сопротивления и увеличенным коэффициентом тензочувствительности // Вестник Воронежского ГТУ. Серия Материалловедение.– №1.11.– 2002.– С.–17–19.

13. Фазоутворення та структурні зміни в двошарових плівкових системах Ti/Co і Ni/(Ti, V, Co, Cr) у процесі ізохронного відпалу / І.Ю. Проценко, В.В. Токмань, А.М. Чорноус, І.О. Шпетний // Металлофиз. новейшие технол. –2003.– Т.25, № 3.–С.319–331.

14. Проценко С.І., Чорноус А.М. Дослідження і прогнозування тензорезистивних властивостей плівкових систем на основі Cr, Cu, i Sc // Металлофиз. новейшие технол. –2003.– Т.25, №5 .–С.587–601.

15. Білоус О.А., Чорноус А.М. Електрофізичні властивості плівок молібдену в умовах внутрішнього розмірного ефекту // ВАНТ. Серия Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники.–2003 .–№5.– С.146–151.

16. Проценко І.Ю., Чорноус А.М., Шпетний І.О. Дифузійні процеси у двошарових металевих плівках // Вісник Львівського університету. Серія Фізична.–2003.–Вип.36.–С.116–122.

17. Білоус О.А., Проценко І.Ю., Чорноус А.М. Вплив ступеня дисперсності кристалітів на параметри електропереносу металевих матеріалів // ФХТТ .–2003.–Т.4,№1.–С.48–57.

18. Проценко C.І., Чорноус А.М. Температурні ефекти в термiчному коефiцiентi опору багатошарових плівкових систем // Вісник СумДУ. Серія Фізика, математика, механіка.–2003.–№10(56).–С.43–51.

19. Вплив розсіювання електронів на міжфазній межі на величину коефіцієнта тензочутливості металевих плівок / Є.О. Забіла, Л.В. Однодворець, C.І. Проценко, А.М. Чорноус // Вісник СумДУ. Серія Фізика, математика, механіка.–2003.–№.8(54)–С. 71–78.

20. Conductivity and temperature coefficient of resistance of two–layer polycrystalline films / L. Dekhtyaruk, S. Protsenko, A. Chornous, I. Shpetnyi // Ukr. J. Phys. .–2004.–V. 49, № 6.–P.587–597.

21. Chornous A., Protsenko I., Shpetnyi I. Electrophysical properties of double–layer nickel–base and vanadium–base films within the intermediate temperature range // Cryst. Res.Technol.– 2004 .–V.39,№7 .– P.602–610.

22. Ефект тензочутливості у тонких металевих полікристалічних плівках / Л.В. Дехтярук, Є.О. Забіла, C.І. Проценко, А.М. Чорноус // Металлофиз. новейшие технол. –2004.– Т.26, № 10.–С.–1333–1345.

23. Some thermodynamic effect in thin films adhesion / A.M. Chornous, G.V. Kirik, I.Yu. Protsenko, O.D. Stadnik // Functionals Materials.–2005.–V.12,№1.–P.51–54.

24. Стадник А.Д., Кирик Г.В., Чорноус А.Н. Технология получения и свойства покрытий на композиционных материалах // Металлофиз. новейшие технол.–2005.–Т.27, №8.– С. 1027–1037.

25. Проценко С.І., Синашенко О.В., Чорноус А.М. Внесок температурних ефектів у термічний коефіцієнт опору багатошарових плівкових систем // Металлофиз. новейшие технол.–2005.–Т.27, №12.– С.1621 –1633.

26. Conductivity and temperature coefficient of resistance of multilayer polycrystalline films / L. Dekhtyaruk, I. Protsenko, A. Chornous, М. Marszalek // Cryst. Res.Technol.– 2006 .–V.41,№4.– P.388–399.

27. А.с. 0031144А Україна, 6G01B7/16. Чутливий елемент тензодатчика / Л.В Однодворець, С.I. Проценко, А.М. Чорноус.– № 98073761; Заявлено 14.07.1998; Опубл. 15.12.2000, Бюл. N 7–II.– С. 1.190.

28. Электрофизические свойства одно– и многослойных пленок металлов. I. Удельное сопротивление и тензочувствительность однослойных пленок / Л.В. Однодворец, Ю.М. Овчаренко, Н.Н. Опанасюк, И.Е. Проценко, А.Н. Чорноус // Вісник СумДУ .– 1996.– № 1(5).–С.9–17.

29. Однодворец Л.В., Проценко И.Е., Чорноус А.Н. Тензочувствительность многослойных металлических пленок // Труды Украинского вакуумного общества.– Харьков: УВО, 1996.– Т.2 – С. 225–229.

30. Чорноус А.М. Тензочутливiсть тонких плiвок на основi перехiдних d–металiв // Вісник СумДУ.– 1997.– № 1(7).–С.87–94.

31. Особливостi розмiрного ефекту в електропровiдностi двошарових плiвок з вiдмiнним температурним коефiцiєнтом опору / А.М. Чорноус, Ю.М. Овчаренко, С.I. Проценко, О.В. Шовкопляс // Вісник СумДУ.– 1997.– № 1(7).–С.95–99.

32. Chemical transformations in metal films under influence of electrons / I. Protsenko, A. Chornous, L. Odnodvoretz, N. Opanasyuk, O. Shovkoplyas // Materials International Conference on Electron Beam Techologies. –Varna: IE, 1997.– P. 239–244.

33. Chemical and structure transition in metallic films under influence of electrons / I. Protsenko, O. Shovkoplyas, A. Chornous, Y. Ovcharenko // Materials International Sumposium IIST97.– Lublin: TUL, 1997.–P. 160–164.

34. Розмiрнi ефекти в електричних властивостях тонких плiвок титану / О.В. Шовкопляс, А.М. Чорноус, О.Б. Ласюченко, I.Ю. Проценко //Труды Украинского вакуумного общества.– Харьков: УВО, 1997.– Т.3 – С.533–536.

35. Електрон–фононна взаємодiя у конденсатах мiдi / О.А. Бiлоус, В.С. Кшнякiн, В.О. Черкаська, А.М Чорноус // Вісник СумДУ .– 1999.– № 2(13).–С. 22–25.

36. Бiлоус О.А., Токмань В.В., Чорноус А.М. Вплив товщини конденсатiв Ni,Cu та Mo на структурнi характеристики // Тонкие пленки в электронике. – Харьков: ННЦ ХФТИ, 2001.– С. 177–181.

37. Вплив статичної деформацiї на фiзичнi процеси у металевих плiвках О.Б. Ласюченко, I.Ю. Проценко, В.А. Хворост, А.М. Чорноус // Тонкие пленки в электронике. – Харьков: ННЦ ХФТИ, 2001.– С. 122–125.

38. Токмань В.В., Проценко И.Е., Чорноус А.Н. Особенности кристаллической структуры и електрофизических свойств пленочных материалов на основе Ni, Ti и Со // Тонкие пленки в электронике. – Харьков: ННЦ ХФТИ, 2001.– С.23–26.

39. Проценко И.Е., Чорноус А.Н., Хворост В.А. Фазообразование, диффузионные процессы и электрофизические свойства многослойных металлических пленочных структур // Тонкие пленки в оптике и электронике.– Харьков:ННЦ ХФТИ, 2002.–С. 6–22.

40. Проценко С.И., Чорноус А.Н. Особенности размерного эффекта тензочувствительности в одно и трехслойных пленках на основе Cr, Cu и Sc // Тонкие пленки в оптике и электронике. – Харьков:ННЦ ХФТИ, 2002.–С. 136–140.

41. Маршалек М., Проценко С.И., Чорноус А.Н. Структурно–фазовое состояние двухслойных пленок Co/Cu и Co/Cr // Тонкие пленки в оптике и электронике.–Харьков:ННЦ ХФТИ, 2003.–С. 205–208.

42. Чорноус А.М. Загальні закономірності розмірного ефекту в електрофізичних властивостях багатошарових металевих плівок // Материалы 6–й Международной конференции ''Физические явления в твердых телах''.– Харьков: НУ, 2003.–С.27.

43. Диффузионные процессы в нанопленочных системах на основе Cr и Cu, Cr и Fe / В.В Бибик, Л.В. Дехтярук, С.И. Проценко, А.Н. Чорноус // Материалы V Международной конференции «Нелинейные процессы и проблемы самоорганизации в современном материаловедении».– Воронеж: ВГТИ, 2004. – Т.1. –С.163-164.