Введение к работе
Актуальность темы. Атомно-кинетическое описание механизмов и закономерностей зарождения и роста новой фазы является важнейшей задачей физики конденсированного состояния Одним из главных факторов, влияющих на структурную организацию пленочных гетерофазных систем, типы и распределение дефектов в них, ориентационные соотношения является величина размерного несоответствия кристаллических решеток контактирующих фаз
С учетом только размерного несоответствия следует ожидать высокую чувствительность структуры и субструктуры растущих пленок, характера сопряжения и, соответственно, структуры межфазных границ к его величине и знаку Структурное и размерное несоответствие лежит в основе формирования дислокационной структуры, как на межфазной границе, так и в объеме пленки
Формирование границы сопряжения фаз, дефектной структуры пленки происходит, как правило, в процессе ее получения Поэтому традиционные методы изучения уже сформированной структуры и субструктуры не раскрывают механизмы их эволюции в процессе формирования пленки Для получения такой информации, как правило, прибегают к методам компьютерного моделирования, и в первую очередь, к методу молекулярной динамики, который использует адекватные потенциалы межатомного взаимодействия и позволяет проследить за поведением всех атомов системы на всех этапах ее эволюции Этот метод создает реальные предпосылки для разработки новых подходов к анализу структурных и фазовых превращений на атомном уровне, что важно как для более глубокого понимания нелинейных процессов самоорганизации в конденсированных средах, так и для эффективного использования в прикладных аспектах науки о материалах
Работа выполнена в рамках проекта ГБ 0101 Федеральной целевой программы "Интеграция науки высшего образования России на 2002-2006 года"
Цель работы. Установление закономерностей сопряжения на границе раздела пленки и подложки, особенностей структурных и субструктурных превращений при ориентированной кристаллизации пленочных гете-росистем с большим размерным несоответствием Ag/(001)Ni, Ag/(110)Ni, Ag/(11 l)Ni, Ni/(001)Ag, Ni/(110)Ag, Ni/(11 l)Ag
Для этого решались следующие задачи
создание моделей пленочных гетеросистем Ag на (001), (110), (11 l)Ni и Ni на (001), (110), (11 l)Ag,
молекулярно-динамическое моделирование ориентированной кристаллизации аморфных пленок Ag на (001), (ПО), (lll)Ni и Ni на (001), (ПО), (lll)Ag,
изучение основных закономерностей формирования структуры и субструктуры при ориентированной кристаллизации пленочных гетероси-стем с большим размерным несоответствием Ag/Ni (f0 = 0,16) и Ni/Ag (f0 = -0,136),
исследование процессов перестройки субструктуры в ходе изохронного отжига;
исследование влияния ориентации подложки на процессы структурной перестройки аморфных пленок,
изучение влияния знака и величины размерного несоответствия на формирование субструктуры и ее эволюцию в процессе отжига
Научная новизна.
1 Установлено, что аморфные пленки в системах Ag/(001)Ni, Ni/(001)Ag и Ni/(110)Ag кристаллизуются с образованием ГПУ фазы с ори-ентационными соотношениями
(0001)[2TTO]Ag||(001)[110]Ni,
(1120) [0001] Ni И (001)[100]Ag и
(1 T00)[TT20]Ni || (110)[1 T0]Ag, соответственно
2. Кристаллизация аморфных пленок системы Ag/(lll)Ni (/6=0,16,) при скорости нагрева 16,7х10пК/с происходит на 500К ниже, чем для системы Ni/(1 ll)AgOo = - 0,136)
3 Установлено, что в гетеросистемах Ag/(11 l)Ni и Ni/(11 l)Ag отклонение от параллельной ориентации путем поворота вокруг нормали к плоскости подложки происходит за счет увеличения плотности узлов совпадения из смежных эквивалентных позиций гексагональной решетки
4. Установлено, что на межфазной границе в системе Ag/(110)Ni компенсация размерного несоответствия в направлении [001] происходит за счет образования дефектов упаковки, ограниченных частичными дислокациями Шокли с векторами Бюргерса я/6[112] и а/6[11 2 ], а в направлении [Т10] путем увеличения расстояния между атомами, пленка испытывает остаточные напряжения сжатия в направлении [001], растяжения - в направлении [TlO]
5 Кристаллизация аморфных пленок в системах Ag/(001)Ni,
Ni/(110)Ag и Ag/(110)Ni осуществляется с образованием высокой концен
трации вакансий и их скоплений (полос сброса) на границе раздела фаз
6 Показано, что в процессе изотермического отжига системы моно
слой Ni/(001)Ag в результате эстафетного механизма диффузии концентра
ция атомов Ag в монослое достигает 88%, а атомов Ni в верхнем слое под
ложки -91% В системе Ag/( 110)Ni концентрация атомов Ni в первом слое
пленки в результате отжига достигает 23%
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Кристаллизация аморфных пленок в системах Ag/(001 )Ni ^=0,16), Ni/(001)Ag и Ni/(110)Ag (f0=- 0,136) происходит с образованием ГПУ структуры, в отличие от аналогичных изоморфных систем с малым размерным несоответствием (fB <0,1), кристаллизующихся с образованием ГЦК структуры параллельной ориентации
-
Показано, что температура кристаллизации аморфных пленок при скорости нагрева 16,7хЮ"К/с для систем с положительным знаком размерного несоответствия выше, чем для систем с отрицательным знаком размерного несоответствия Исключение составляют системы с ориентацией подложки (111)
-
Кристаллизации аморфных пленок систем Ag/(001)Ni, Ag/(111 )Ni и Ni/(lll)Ag сопровождается поворотом пленки относительно подложки вокруг нормали к границе раздела
-
Разные механизмы компенсации размерного несоответствия в двух неэквивалентных направлениях [001] и [TlO] системы Ag/(110)Ni приводят к формированию пленки с анизотропией субструктуры и внутренних напряжений
-
Компенсация размерного несоответствия в системах Ag/(001)Ni, Ni/(110)Ag и Ag/(110)Ni осуществляется за счет высокой концентрации вакансий и их скоплений на границе раздела фаз
-
В системе монослой Ni/(001)Ag в результате изотермического отжига ~90% атомов монослоя и верхнего слоя подложки обмениваются местами
Практическая значимость работы. Полученные результаты могут быть использованы при проектировании многослойных пленочных гетерост-руктур в системах с большим размерным несоответствием кристаллических решеток
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были представлены на следующих симпозиумах, конференциях и семинарах Международной школе — семинаре «Нелинейные процессы в дизайне материалов» для молодых ученых, аспирантов и студентов (Воронеж, 2002), V Международной конференции «Нелинейные процессы и проблемы самоорганизации в современном материаловедении» (Воронеж, 2004), XXI Международной конференции «Нелинейные процессы в твердых телах» (Воронеж, 2004), XI Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых (Екатеринбург, 2005)
Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 научных работ, в том числе 2 -в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце
автореферата, лично соискателю принадлежат в [1-3,7] - работы по созданию моделей пленочных гетеросистем на основе Ag и Ni, в [6] - компьютерный эксперимент по изучению влияния размерного фактора на кристаллизацию аморфного кластера, в [1-5,7] — работы по моделированию ориентированной кристаллизации аморфных пленок
Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, трех глав, выводов и списка использованной литературы (132 наименования) Работа изложена на 132 страницах, содержит 73 рисунка
Автор выражает глубокую благодарность заведующему кафедрой материаловедения и физики металлов Косилову Александру Тимофеевичу и научному консультанту Евтееву Александру Викторовичу за помощь и постоянную поддержку в работе
