Анотація до роботи:

Серга М. А. Закономірності гетерогенного зародкоутворення при вирощуванні монокристалів алмазу методом температурного градієнту без використання алмазних затравок. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.01 – Матеріалознавство. – Інститут надтвердих матеріалів
ім. В. М. Бакуля НАН України, Київ, 2009.

Дисертацію присвячено вирішенню актуальної науково-технічної задачі вирощування монокристалів алмазу методом температурного градієнту без використання алмазних затравок шляхом ініціювання гетерогенного зародкоутворення.

Встановлено, що критичне пересичення сплаву-розчинника вуглецем, яке необхідне для ініціювання зародкоутворення алмазу, можливо створити за рахунок застосування розчинників вуглецю, що не утворюють карбіди, наприклад нікелю.

Встановлено ефект впливу структури графіту на процес зародкоутворення алмазу і його росту при використанні методу температурного. Визначено що мінімальна енергія зародкоутворення при використанні конічних концентраторів відповідає кут конуса 40–60 та отримано стабільний ефект ініціювання зародкоутворення алмазу.

Показано, що основний напрям росту кристалів алмазу в обмеженому циліндричному об’ємі співпадає з віссю симетрії четвертого порядку L₄, та визначено, що швидкість росту близько 0,1 мм/год дозволяє отримувати якісні циліндричні монокристали алмазу Розроблено рекомендації для вирощування монокристалів алмазу заданого розміру та форми.

В роботі вирішено актуальну науково-технічну задачу вирощування монокристалів алмазу методом температурного градієнту без застосування затравки, спрямованим ініціюванням гетерогенного зародкоутворення в ростовому об’ємі, що дозволило збільшити кількість вирощуваних кристалів в одному циклі.

Основні наукові та практичні результати:

1. Встановлено ефект впливу досконалості структури графіту на процес зародкоутворення алмазу і його росту при використанні методу температурного градієнту та показано, що найефективнішим є графіт з найбільш досконалою структурою, що забезпечує ефективне ініціювання зародкоутворення алмазу.

2. Показано, що центри ініціювання зародкоутворення діаметром 0,5–0,7 мм ефективно забезпечують гетерогенне зародкоутворення і ріст монокристалів, збільшення діаметру понад 0,7 мм призводить до росту двійників та друз.

3. В якості алмазоподібних структур для ініціювання гетерогенної нуклеації при вирощуванні алмазу можливе використання гексагонального нітриду бору, який в умовах високих тисків та температур переходив в кубічний (6 ГПа, 1400 С), збільшилась кількість друз та двійників в порівнянні з застосуванням графіту.

4. Встановлено, що застосування тугоплавких карбідів кремнію та бору для ініціювання нуклеації при вирощуванні монокристалів алмазу призводить до утворення великої кількості зародків, навіть при діаметрі концентраторів зародкоутворення менш ніж 0,7 мм, що в подальшому призводить до росту друз та двійників.

5. Вперше встановлено, що при ініціюванні зародкоутворення алмазу з застосуванням пересичення вуглецем з ініціаторів зародкоутворення, що містять вуглець, в площині підкладки відбувається утворення нових простих форм алмазу, які є результатом процесу розчинення однойменних простих форм розчинення – (047), (123), (127), (134), (135), (145), (149), (345) и (469).

6. Встановлено, що для ефективного ініціювання гетерогенного зародкоутворення перспективним є застосування розчинників вуглецю, що не утворюють карбіди, наприклад нікелю, що в результаті контактного плавлення приводить до локального пересичення сплаву-розчинника Fe-Ni вуглецем та за рахунок цього локально змінює склад розчинника.

7. Визначено, що мінімальна енергія зародкоутворення при використанні конічних концентраторів, що складається з енергії, що витрачається на створення об’єму нової фази, та енергії, що йде на утворення нової поверхні розділу між фазами та пропорційна площі зародка, відповідає куту конуса 46 та отримано стабільний ефект ініціювання зародкоутворення алмазу при куті конуса 40–60.

8. На основі розрахункових та експериментальних даних визначена швидкість росту 0,1 мм/год, що дозволяє отримувати якісні циліндричні монокристали алмазу, та вперше показано, що основний напрям росту кристалів алмазу в обмеженому циліндричному об’ємі співпадає з віссю симетрії четвертого порядку L₄.

9. Розроблено рекомендації щодо вирощування монокристалів алмазу при застосуванні локального гетерогенного зародкоутворення та щодо вирощування монокристалів алмазу циліндричної форми, що були випробувані на державному підприємстві «Алкон-Діамант» та отримано позитивний висновок для їх використання та застосування отриманих монокристалів при виготовленні правлячого алмазного інструменту.

Публікації автора:

1. Заневский О. А. Резистивные свойства дисперсно-композиционных материалов на основе графита / О. А. Заневский, М. А. Серга, А. А. Будяк, С. А. Ивахненко // Сверхтвердые материалы. – 2004. – № 5. – С. 20–26. Автором виконано експериментальні дослідження резистивних властивостей дисперсно-композиційних матеріалів на основі графіту. Виконано розрахунки тепло- та електропровідності композиційних матеріалів в залежності від їх складу.

2. Серга М. А. Моделирование температурных полей в ячейке для выращивания монокристаллов алмаза при стимулированном зародышеобразовании / М. А. Серга, С. Н. Шевчук // Сверхтвердые материалы. – 2005. – № 6. – С. 71–77. Здобувачем розраховано розподіл стаціонарних температурних полів при ініціюванні зародкоутворення алмазу при вирощуванні монокристалів методом темпера-турного градієнту, проаналізовано вплив зміни конструкції схеми нагріву контейнеру АВТ на розподіл температури в ростовій комірці.

3. Ivakhnenko S. O. Temperature condition in a cone / S. O. Ivakhnenko, M. A. Serga, S. N. Shevchuk, V. V. Yanovsky // Functional materials. – 2008 – № 4. – С. 505–510. Автором розраховано поле температури в конусі при умовах, що утворюються при ініціюванні зародкоутворення алмазу, в результаті одержано точні стаціонарні розподіли температури та описано стадію виходу на стаціонарний режим.

4. Лысаковский В. В. Новые простые формы синтетических алмазов /
   В. В. Лысаковский, С. А. Ивахненко, М. А. Серга, В. Н. Квасница // Сверхтвердые материалы. – 2006. – № 5. – С. 25–29. На основі аналізу вирощених монокристалів алмазу автором встановлено існування нових простих форм росту, визначені кристалографічні індекси граней, вивчена їх морфологія та висунуто припущення про механізм утворення цих граней як стабілізацію форм розчинення при досягненні відповідних значень насичення вуглецем сплаву-розчиннику.

5. Серга М. А. Использование теплостоков для стимулирования гетерогенного зародышеобразования / М. А. Серга, Т. В. Коваленко, С. Н. Шевчук, В. В. Лысаковский // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология изготовления и применения. – 2007. – Вып. 10. – С. 284–288. Автором виконано розрахунки температурних полів при застосуванні різних матеріалів для ініціювання гетерогенного зародкоутворення алмазу. На основі експериментальних даних показано ефективність застосування нікелю та графіту для ініціювання нуклеації при вирощуванні монокристалів алмазу.

6. Деклараційний пат. № 2002108474 Україна, МПК В01J3/06. Шихта для виготовлення контейнера апарата високого тиску / Серга М. А., Шевчук С. М., Виноградов С. О., Івахненко С. О., Заневский О. О., Білоусов І. С. ; опубл. 15.07.2003, Бюл. № 7. Автором виконано експерименти по вирощуванню монокристалів алмазу при застосуванні контейнерів, виготовлених з запропонованого складу шихти.

7. Пат. на винахід № 200607898 Україна, МПК В01J3/06, В01J3/00. Контейнер пристрою високого тиску для одержання надтвердих матеріалів / Серга М. А., Виноградов С. О., Івахненко С. О. ; опубл. 10.07.2007, Бюл. № 10. Автором виконано серію експериментів по вирощуванню монокристалів алмазу з застосуванням розроблених контейнерів, на основі експериментальних даних оптимізовано склад матеріалів, що використовуються при виготовленні контейнеру.

8. Заневский О. А. Дисперсно-композиционные материалы на основе графитов для изготовления резистивных элементов / О.А. Заневский, М.А. Серга, А.А. Будяк, С.А. Ивахненко // Тези 2-ї Міждунар. конф. «Углерод: фундаментальные проблемы науки, материаловедение, технология», 15–17 октября 2003 г., г. Москва. – С. 104. Автором виконано експериментальні дослідження резистивних властивостей дисперсно-композиційних матеріалів на основі графіту.

9. Серга М.А.Застосування ініціювання гетерогенного зародкоутворення при синтезі монокристалів алмазу методом температурного градієнту / М.А. Серга, Коваленко Т.В., Лисаковський В.В., Шевчук С.М., Будяк О.А. // Тези Міжнар. конф. студентів і молодих науковців з теоретичної та експериментальної фізики «ЕВРИКА» 2007 р., м. Львів. – D5. Автором, на основі розрахунку температурних полів, експериментально доведено можливість використання ряду матеріалів для ініціювання гетерогенного зародкоутворення алмазу при вирощувані монокристалів методом температурного градієнту.

10. Serga M.A. Growing of cilindrical single crystal diamond / M.A. Serga, S.O. Ivakhnenko, T.V. Kovalenko, V.V. Lysakovskyi // International Conference «Crystal Materials’2007» (ICCM’2007). – Kharkov, 2007. – P. 117. На основі експериментальних даних автором показано можливість вирощування монокристалі алмазу циліндричної форми методом температурного градієнту. На основі отриманих результатів впроваджено ряд змін до конструкції ростової комірки, спрямованих на збільшення розмірів вирощених кристалів та підвищення ефективності ініціювання зародкоутворення алмазу.

11. Serga M.A. Stimulation of nucleation during the growing of diamond single crystal at the thermodynamic stable zone / M.A. Serga, S.O. Ivakhnenko // International Conference ‘Crystal Materials’2005’ May 30–June 2, 2005. – Kharkov, 2005. – Р. 17. Автором виконано дослідження по ініціюванню гетерогенного зародкоутворення алмазу при вирощуванні монокристалів методом температурного градієнту.