Введение к работе
Актуальность проблемы. В физическом материаловедении наука о внутренних поверхностях раздела вылилась в самостоятельное крупное направление, интенсивно и небезуспешно разрабатывавшееся в последние три десятилетия. Большой вклад в разработку проблемы б части структуры и свойств границ зерен внесли отечественные ученые: А.Н. Орлов, В.М. Косевич, Ч. В. Копецкий, Л. С. Швиндлерман. И. М. Михайловский, Б. С. Бокштейн. В. В. Рыбин, В. Н. Перевезенцев. Л. К. Фионова, Р.З. Валиев, А. В. Андреева и др.
Актуальность проблемы реального строения границ раздела в кристаллических твердых телах (границы зерен и межфазные границы) сохраняется в силу ряда обстоятельств принципиального характера.
Во-первых, ее можно считать в основном решенной только в отношении границ зерен, представляющих, в определенной степени, частные случаи межкристаллитных границ. Что касается межфазных границ (МГ), то на момент постановки настоящей работы была хорошо изучена дислокационная структура в эпитаксиальных гетерострукту-рах при параллельном сопряжении кристаллических решеток родственных материалов. Оставался открытым вопрос о пределах применимости зернограничных моделей к описанию субструктуры (модель решетки совпадающих узлов и зернограничных дислокаций), атомной структуры (модель структурных элементов) к межфазным границам для широкого интервала размерного и ориентационного несоответствия однотипных и разнотипных кристаллических решеток.
Во-вторых, в последние годы интенсивно развиваются новые направления физического материаловедения и технологии материалов - нанокристаллические материалы, многослойные тонкопленочные композиции. В этих объектах обьемная доля внутренних поверхностей может быть соизмерима с долей матричных фаз. В тоже время представления о релаксированной атомной структуре межфазных границ общего типа в металлических системах отсутствовали.
В-третьих, при прогнозировании возможных ориентационных соотношений между кристаллическими фазами исходили, в основном, из классических кристаллогеометрических критериев, которые не могли объяснить природу многих нетривиальных ориентационных соотношений, а применительно к пленочным системам - размерный фазовый и ориентационный эффект, проявляющийся во многих случаях роста пленок.
В тоже время, при понимании того, что энергетический критерий является наиболее объективным в прогнозе ожидаемых ориентационных соотношений, данные об угловой и размерной зависимости
энергии межфазных границ при сопряжении различными плоскости} для разных типов кристаллических решеток отсутствовали. Особе значение это имеет в решении проблем роста и структуры многослоі ных пленочных композиций.
Цель и задачи исследования. Цели работы - для основных ел; чаев сопряжения однотипных и разнотипных кристаллических решет< металлов (ГЦК, ОЦК, ГПУ) определить в широком интервале ориент; ционного и размерного несоответствия энергию границ, редаксир< ванную атомную структуру и суОструктуру, разработать критерии д. определения специальных межфазных границ, рассмотреть примені мость к межфазным границам моделей, развитых для границ зерен.
Решались следующие задачи:
разработка методики компьютерного моделирования грані раздела и их анализа,
расчет энергии межфазных'границ в широком интервале ра; мерного и ориентационного несоответствия,
.- исследование релаксированной атомной структуры и субструї туры границ,
- электронномикроскопическое и электронографическое иселеді
вание структуры и ориентационных соотношений в двухслойных пл(
ночных системах различных пар металлов.
' Научная новизна результатов. Впервые получены в комплею представления о релаксированной атомной структуре, субструктуре зависимости энергии от параметров межфазных границ в металличе* ких системах.
Определены ориентационные соотношения, соответствующие СПі циальным межфазным границам, при сопряжении плоскостями малых и дексов ГЦК, ОЦК и ГПУ кристаллов в широком интервале размерно: несоответствия. Получена возможность использования энергетическ го критерия"для прогнозирования специальных границ в этих сист мах и анализа размерного эффекта при росте пленок.
Сформулированы критерии для поиска низкоэнергетических ор: ентаций, показана их эффективность и возможность использован: для МГ. образованных более сложными кристаллическими решетками.
Анализ релаксированной атомной структуры и субструктуры п казал, что при всех значениях размерного и ориентационного нес ответствия границы обладают периодической субструктурой, отклон ние от специальной ориентации может компенсироваться как дислок
плми с решеточными вокторами Бюргерса, так и граничными дислока-иями, подобными зсрнограиичным дислокациями.
Разработаны методы прогнозирования атомной и дислокационной труктурн МГ; получены параметры специальных границ, необходимые лл описания их субструктуры. Разработал алгоритм определения труктурных элементов, составляющих границу. Выделены основные ипы суОструктуры границ. Определены векторы Бюргерса граничных ислокаций и области их возможного экспериментального наблюдения.
Разработан пакет программ для компьютерного моделирования и омплексного анализа границ раздела в кристаллических материалах.
Работа выполнялась в рамках научного направления - структура нутренних поверхностей раздела в кристаллических твердых телах, ущественный вклад в развитие этого направления может внести разработка методики компьютерного моделирования границ раздела, позволяющая провести комплексный анализ энергии, релакеированной томной структуры и субструктурн границ, а также формулировка ритериев для определения специальных орионтационных соотношений а межфазных границах.
Объектами исследования являются можфазнне границы различных риентаций, смоделированные на компьютере, а также двухслойные леночные образцы большого ряда металлических систем.
Достоверность и надежность. Результаты расчета энергии и рогнозируомая субструктура границ подтверждаются, результатами кепериментального исследования двухслойных пленочных металличес-нх системах и согласуются с полученными ранее результатами для раниц зерен, как частных случаев границ раздела. Использование ззличных методик анализа границ приводит к аналогичным результа-тм и подтверждают правомочность и достоверность разрабатываемого чдхода к анализу межкристаллитных границ.
Достоверность экспериментальных результатов основывается на зрошо апробированных высокоразрешающих методиках дифракции жжтронов и. просвечивающей электронной микроскопии пленочных (кристаллов большого ряда металлических систем.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту:
- рассчитанные зависимости энергии межфазннх границ от угла ворота 3 и отношения параметров решеток а в интервале значений -- 0.7 - 1.42 в системах ГЦК-ГЦК и ГЦК-ОЦК для различных варианте сопряжения плоскостями малых индексов определяют основные гщиальные ориентации и области их реализации, тек самым лозво-14 предсказать оптимальные ориентационные соотношения при росте
пленок для любых пар металлов с ГЦК и ОЦК решетками;
распространение зернограничных моделей на межфазные границы в кристаллических металлических системах для всего интервала размерного и ориентационного несоответствия; установлена связь между релаксированной атомной структурой и сеткой первичных дислокаций, определяемой 0-решеткой, вплоть до периодов дислокаций в несколько межатомных расстояний;
совокупность результатов, позволяющих использовать энергетический критерий для прогнозирования ожидаемых ориентационных соотношений на границах раздела металлических систем с ГЦК, ОЦК и ГПУ решетками в широком интервале несоответствия и анализа размерного ориентационного и фазового эффекта;
критерии выявления специальных границ: 1 - хорошее согласование плотноупакованных плоскостей на границе, 2 - параллельные системы первичных дислокаций и кратное отношение их периодов: чем меньше кратность, тем меньше энергия;
развитие модели структурных единиц: со структурным элементом - атомным комплексом - можно связать устойчивую дислокационную конфигурацию; по рассчитанной дислокационной структуре можно определить атомные комплексы, составляющие границу; расширение понятия структурного элемента на устойчивые дислокационные конфигурации, которые могут представлять собой бесконечные полосы;
вторичные граничные дислокации можно рассматривать как результат сопряжения областей, релаксированных к структуре ближайшей специальной ориентации, или как искажения сеток первичных дислокаций;
основные типы структур специальных и близких к ним границ, различающиеся по виду дислокационной ячейки, образующей структурный элемент;
пакет программ, позволяющий провести комплексный анализ границы раздела: определять решетки совпадающих узлов, анализировать картины наложения двух решеток, рассчитывать энергию, релак-сированную атомную структуру границ и распределение энергии по границе, рассчитывать сетки первичных и вторичных дислокаций и т.д.
Практическое значение результатов работы может быть сформулировано в следующих положениях:
возможность использования энергетического критерия для прогнозирования оптимальных ориентационных соотношений на границе раздела металлов с ГЦК, ОЦК, ГПУ решетками: большое влияние геометрических факторов на энергию границ позволяет распространить результаты для анализа систем с более сложными типами кристаллических решеток;
предложенные критерии выявления специальных границ можно эффективно использовать для анализа границ раздела в сложных структурах, где затруднительно провести моделирование из-за трудностей определения потенциалов взаимодействия;
совокупность полученных результатов позволяет прогнозировать ориентационные соотношения и субструктуру многослойных ориентированных металлических пленочных систем, а также субструктурные изменения при росте слоев в этих системах;
развитые представления, в определенной мере, могут быть распространены и на субмонослойные покрытия: двумерный кристалл на свободной поверхности;
разработан пакет программ, позволяющий провести компьютерное моделирование и комплексный анализ структуры и субструктуры межкристаллитных границ раздела; он может быть использован при дальнейших исследованиях в этом направлении, в частности, при изучений фазовых превращений в твердых телах, рекристаллизации, процессов скольжения на границах и взаимодействия границ с решеточными дислокациями, влияния границ раздела на процесс деформации поликристаллических и многофазных материалов и т.д.
По результатам диссертации готовится к изданию учебное пособие "Ориентированный рост пленок" по курсу "Физика и технология тонкопленочных материалов".
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на I и II Всесоюзных конференциях по структуре и свойствам границ зерен (Уфа, 1983; Воронеж, 1987,), III Всесоюзном семинаре "Структура и свойства границ зерен" (Черноголовка, 1981). советско-японском семинаре по границам раздела (Москва, 1990), VI международной конференции по межзеренным и межфазным границам в материалах (Салоники, 1992), I российско-французском семинаре "Структура и свойства границ зерен" (С.-Петербург,
1993), XI Всесоюзной. XV. XVI российских конференциях по элект ронной микроскопии (Москва, 1979; Черноголовка. 1994, 1996), V] Международном конгрессе по электронной микроскопии (Гаага. 1980)
VI Международной конференции по росту кристаллов (Москва. 1980)
VII Всесоюзной конференции по росту кристаллов (Москва, 1988)
Всесоюзной конференции по формированию металлических конденсате
(Харьков, 1990), V Всесоюзной конференции "Текстура и рекристаі
лизация в металлах и сплавах" (Уфа, 1987). II Всесоюзном симпозр
уме по активной поверхности твердых тел (Тарту, 1977), сежящ
"Процессы переноса в реальных кристаллах и на их поверхності
(Харьков, 1991). VI Всесоюзной конференции по поверхности
свойствам полупроводников (Киев, 1977), семинаре "Вакуумная me
таллизация" (Харьков. 1996). семинаре "Микроматериаловедеиис
(Москва, 1991). II Всесоюзной конференции "Физикохимия ультрадис
персных систем" (Рига, 1989). симпозиуме "Синергетика. Структур
и свойства материалов, самоорганизующиеся технологии" (Москве
1996).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 39 научных рг бот.
Яичный вклад автора. Разработаны методика компьютерного мс делирования границ раздела в кристаллических материалах и паке программ, позволяющий провести комплексный анализ границы разд« ла: определять решетки совпадающих узлов, анализировать карт наложения двух решеток, рассчитывать энергию, релаксированнз атомную структуру границ, распределение энергии по границе, сеті первичных и вторичных дислокаций и т.д.
Рассчитаны значения энергии в широком интервале ориентацис ного и размерного несоответствия для межфазных границ, образов? ных плоскостями малых индексов ГЦК и ОЦК решеток, определены сі циальные ориентации для рассмотренных случаев сопряжения фаз. I основе энергетического критерия проведен анализ размерного зффеї та в задании ориентационных соотношений при росте пленок. Сформ; лированы критерии для поиска специальных ориентации.
Проведено исследование релаксированной атомной структуры субструктуры межфазных границ, определены основные типы субструї туры, векторы Бюргерса граничных дислокаций. Развиты представл! ния о структуре межфазных границ в рамках модели структурных эл* ментов.
В экспериментальных исследованиях участвовал в постановке задачи, обсуждении и анализе экспериментальных результатов.