Моделирование структуры декагональных квазикристаллических сплавов AL-переходной металл Михалюк, Алексей Николаевич

Введение к работе

Актуальность темы. В настоящее время в связи с развитием микро- и нанотехнологий наблюдается повышенный интерес к получению и исследованию новых перспективных материалов, одними из которых являются квазикристаллические сплавы различных симметрий. Квазикристаллы прочнее и менее подвержены деформации, чем обычные кристаллы, состоящие из тех же элементов, также они имеют значительно отличающиеся электрические, магнитные и оптические свойства. Квазикристаллы - не изоляторы и не полупроводники: в отличие от металлов, их электросопротивление при низких температурах аномально велико, и уменьшается с ростом температуры. Одними из наиболее совершенных, упорядоченных и стабильных фаз являются декагональные квазикристаллы, часто встречающиеся среди группы сплавов Al-переходной металл. В отличие от квазикристаллов икосаэдрической симметрии, они являются апериодическими лишь в плоскости, в третьем же измерении они представляют периодическую упаковку декагональных столбовидных кластеров. Данная особенность их структуры обуславливает их необычные электрические и механические свойства, например, вдоль десятикратной оси проводимость ведет себя как в нормальном металле, а в квазикристаллических плоскостях - описанным выше образом.

Интерес к квазикристаллическим веществам обусловлен перспективами фундаментальных исследований и их практического использования в качестве базовых материалов микро- и наноэлектроники.

Несмотря на то, что квазикристаллы являются объектом обширных научных исследований, до настоящего времени всё ещё остаётся не до конца раскрытым вопрос устройства их структуры, и механизма их формирования.

Существует два подхода к изучению и синтезу квазикристаллических покрытий. Физический подход включает непосредственное получение квазикристаллов и изучение их свойств разнообразными методами микроскопии; а также численные методы, такие, как метод молекулярной динамики и метод Монте-Карло, позволяющие моделировать рост квазикристаллической структуры из атомов, наделённых, например, парным ближнедействующим потенциалом, тогда при поочередном присоединении атомов к растущему кластеру в качестве критерия используется принцип минимума потенциальной энергии кластера. Математический подход решает задачу построения бездефектного апериодического покрытия, замощения из минимального множества плиток так, чтобы синтезированное покрытие соответствовало принципу максимальной плотности, и чтобы в нём отсутствовали наложения и поры. В данной диссертационной работе сделана попытка сблизить эти два подхода, и установить связь между абстрактными плитками и миром реалистичных атомов, благодаря представлению и описанию атомной структуры квази-элементарной ячейки через плиточную модель замощения, спроектированную из декагональных кластеров.

Целью диссертационной работы является исследование структуры декагональных квазикристаллических сплавов Al- переходной металл путём построения модели синтеза декагонального квазикристаллического покрытия в плоскости R₂, и изучение его структурных, топологических, и геометрических свойств в сравнительном анализе с ромбическим покрытием. Для решения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Определить алгебраическую структуру, лежащую в основе алгоритма синтеза декагонального квазикристаллического покрытия, описать её алфавит и грамматику.

2. Согласно полученной процедуре реализовать покрытие в плоскости R₂, и провести её статистический, топологический, и теоретико-информационный анализ.

3. Описать модель элементарной ячейки полученного покрытия, и определить её атомную структуру на примере трёхкомпонентного квазикристаллического сплава Al₇₂ Ni₂₀Co₈.

4. Ввести информодинамические характеристики, позволяющие количественно оценить степень упорядочения структуры декагонального квазикристаллического покрытия. Выполнить сравнительный анализ с ромбическим пентагональным покрытием. Оценить фрактальные характеристики.

На защиту выносятся следующие результаты:

4. 1. Процедура синтеза совершенного декагонального квазикристаллического покрытия по локальным правилам на кластерном уровне. Экспериментальное и статистическое подтверждение дальнего упорядочения и бездефектности полученного покрытия.

   2. Результаты комплексного исследования и анализа статистических, топологических и информационных свойств структуры декагонального квазикристаллического покрытия.

   3. Особенности атомной структуры квази-элементарной ячейки декагонального квазикристалла Al₇₂ Ni₂₀Co₈.

   4. Характер упорядочения декагонального и ромбического квазикристаллических паркетов, полученных в рамках информодинамического метода. Фрактальные характеристики данных покрытий.

   Научная новизна и практическая значимость работы состоит в том, что в ней детализирована процедура синтеза декагонального квазикристаллического покрытия, которая по своему характеру, хотя и является нерекурсивной, может быть описана в дуальных представлениях при помощи конечного набора эвристик. Впервые предложено и реализовано кластерное построение декагонального квазикристаллического покрытия на уровне декагонов двух типов, которые с точки зрения конфигурационного совершенства являются более энтропийно-выгодными моделями, чем используемые до этого декагоны Гуммельт [2]. Выявленные особенности атомной структуры квази-элементарной ячейки могут быть полезны для изучения атомных флуктуаций, или локальных фазонных эффектов, часто проявляющихся как атомные беспорядки на парах переключающихся атомных узлов, отделенных расстоянием, меньшим обычного межатомного.

   Предложенный в работе информодинамический формализм может быть использован при исследовании проблем структурной кинетики, а также сравнительного анализа широкого класса сеточных систем по степени их упорядочения, организации и т.д. , в частности, для классических кристаллографических симметрий,

   квазикристаллических материалов, и аморфных сред. Результаты работы могут быть полезны при построении структурно- топологических моделей, которые могут лежать в основе технологий получения квази-, нанокристаллов, и объяснять физические свойства и процессы, протекающие в неравновесных средах. Также результаты могут быть полезны для технологов и разработчиков новых квазикристаллических материалов для наноэлектроники. Результаты работы могут использоваться при чтении лекционных курсов.

   Достоверность полученных результатов состоит в многократном систематическом и корректном выполнении алгоритмов по моделированию квазикристаллических покрытий. Достоверность результатов подтверждена: - согласием результатов аналитических и численных расчетов с экспериментальными данными других авторов; - теоретические расчёты по построению модели синтеза, а также её адекватность доказаны и подтверждены многократной повторяемостью вычислительных данных;- верность теоретических выводов подтверждена их согласованностью с известными литературными данными.

   Личный вклад автора: автором диссертационной работы была разработана процедура синтеза декагонального покрытия, и описана её алгебраическая структура в обобщённом, радиальном и стримерном представлениях. Были предложены модели квази-элементарных ячеек, выполнен их сравнительный анализ с моделью Гуммельт. Произведен большой объем вычислений по построению энтропийных и статистических зависимостей для древесно-графовых структур, отображающих решеточные системы. В целях количественной диагностики характера дальнего упорядочения решеточных систем была построена методика информодинамического анализа. Проведена обширная апробация на средах с различными типами упорядочения. Все расчеты были произведены автором самостоятельно, многократно проверены в независимых методиках. Обсуждение и интерпретация численных и экспериментальных результатов проводились совместно с научным руководителем и соавторами публикаций.

   Апробация работы: основные результаты работы докладывались и были опубликованы в сборниках трудов региональных, всероссийских и международных конференций, семинаров, симпозиумов: на Всероссийском семинаре «Моделирование неравновесных систем» (Красноярск 2008, 2009, 2010); Всероссийском семинаре «Нейроинформатика, её приложения и анализ данных» (Красноярск 2008, 2009, 2010); Международном семинаре «Физико-математическое моделирование систем» (Воронеж 2008); Всероссийской конференции (Владивосток-ТОВМИ, 2008, 2010, 2012); Международной конференции «Распознавание образов и анализ изображений: новые информационные технологии» (Нижний Новгород 2008); Международной конференции «Фазовые превращения и прочность кристаллов» (Черноголовка 2008); Петербургских чтениях по проблемам прочности и роста кристаллов (Санкт-Петербург 2008); Всероссийской научной конференции физиков и молодых учёных (Кемерово 2009); Всероссийской конференции студентов, аспирантов и молодых учёных по физике (Владивосток, ДВГУ 2009); Всероссийской конференции по физике ПДММ (Владивосток, ДВО РАН 2009); Международной конференции «Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы» (Ульяновск,2009); Международной конференции «Фазовые переходы, критические и нелинейные явления в конденсированных средах» (Махачкала 2009); Международном симпозиуме «Термодинамика неупорядоченных сред и пьезоактивных материалов» (Пятигорск 2009); Всероссийской конференции по физике полупроводников и наноструктур (Санкт-Петербург 2009); Международной конференции «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов» (Москва, ИМЕТ РАН 2011); International Symposium on Lattice Field Theory (Beijing, China, 2009); в журналах: «Проблемы эволюции открытых систем» (2008) «Известия РАН. Серия физическая» (2009), «Теоретическая и математическая физика» (2010), Physica A (Elsevier) (2010).

   Публикации: всего по материалам диссертации опубликовано 25 работ, основные из которых перечислены в конце автореферата, из них 4 статьи - в научных журналах из перечня ВАК.

   Структура и объём диссертации: диссертационная работа состоит из введения, основной части, состоящей из четырёх глав, заключения, приложения, и списка литературы (124 наименований). Общий объём диссертации составляет 142 страницы, включая 64 рисунков, 7 таблиц, и список литературы.

   Похожие диссертации на Моделирование структуры декагональных квазикристаллических сплавов AL-переходной металл

   

   Теоретическое исследование электронной структуры металлов и сплавов под давлением: Al-Si, Al-Ge, In и Bi-Sb Михайлушкин Аркадий Станиславович

   

   Компьютерное моделирование структуры и свойств аморфных металлов и сплавовКаширин Владимир Борисович

   Компьютерное моделирование структуры и свойств некоторых жидких и аморфных металлов и сплавов на основе Fe, Ag и NiМомчев, Младен Пенев

   Моделирование атомных неоднородностей в квазикристаллах Al-Mn и твердых растворах Mn в благородных металлах методами теории функционала плотностиБочаров, Павел Владимирович

   

   Моделирование процессов перестройки структуры комплексов переходных металлов в конденсированных средахДарховский Михаил Борисович

   

   Моделирование роста пор в облученных металлах с ОЦК и ГЦК структуройАунг Мо

   

   Моделирование структур метастабильных состояний в сплавах с эффектом памяти формы на основе NiAl и NiTiНгуен Ван Тхуан

   Теория и моделирование кинетики фазовых превращений и структура фаз в сплавах железаОкишев, Константин Юрьевич

   

   Кристаллогеометрический анализ упорядоченных структур составов АВ, АВ2, АВ3, АВ4 и компьютерное моделирование упорядочения сплавов с отклонением от стехиометрического составаАли Абдул Халим

   

   Модулированные структуры, предпереходные явления и свойства металлических сплавов (Ni-Al) и оксидов Y(Eu)-Ba-Cu-OКузнецова Елена Игоревна