Введение к работе
Актуальность темы. Исследование размерных зависимостей поверхностных свойств металлических систем актуально в связи с развитием нанотехнологий, разработкой капиллярных аккумуляторов энергии, элементной базы наноэлектроники. При переходе к нанообъектам применение ряда соотношений, полученных в теории поверхностных явлений для макросистем затруднительно. Поэтому предпринимаются попытки развития теории нанообъектов различными методами: путем модернизации термодинамики поверхностных явлений, модификации электронных теорий, развития метода молекулярной динамики. Эти исследования указывают на определяющую роль поверхностных явлений в формировании физико-химических свойств нанообъектов и наносистем.
В частности с поверхностными свойствами непосредственно связана размерная зависимость температуры плавления и температуры контактного плавления (КП). И если по размерной зависимости температуры плавления имеется значительный объем как экспериментальных, так и теоретических данных, то зависимость температуры КП от размеров нанообъектов в литературе встречается крайне редко. Недостаточно изучено влияние внешних электромагнитных полей и давления на размерные эффекты температуры контактного плавления. Вместе с тем подобные данные необходимы для разработки технологии контактно реактивной пайки, при изготовлении нанодиодов и нанотранзисторов, при оптимизации технологии изготовления тонкопленочной элементной базы электроники, технологии получения объемных наноматериалов методом жидкофазного спекания нанокристаллов и т.д.
Диссертационная работа выполнена в Кабардино-Балкарском государственном университете в соответствии с планом НИР КБГУ. Работа выполнена частично при финансовой поддержке грантов Минобрнауки (РПН 2.1.2.25) «Исследование влияния концентрации наночастиц на эксплуатационные свойства полимер-полимерных систем с различной эффективной гибкостью молекул» и РФФИ №09-02-96501-а/Ю «Влияние щелочноземельных добавок на кинетику контактного плавления металлов».
Цель работы. В настоящей работе ставится задача изучить размерные зависимости поверхностной энергии и температуры контактного плавления тонкопленочных металлических систем.
Для достижения указанной цели решались следующие задачи:
-
В рамках метода функционала электронной плотности (МФЭП) изучить размерные эффекты поверхностной энергии (ПЭ) и работы выхода электрона (РВЭ) тонких пленок, нанонитей и наночастиц на границе с диэлектрической средой.
-
В рамках термодинамики поверхностных явлений получить новые соотношения для размерной зависимости температуры КП.
-
Экспериментально изучить размерные зависимости температуры КП двухслойных металлических пленок.
-
Установить влияние электромагнитного поля, а также внешнего давления на размерные эффекты температуры КП.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Новые соотношения для размерной зависимости температуры КП микро- и наноструктур, полученные на основе размерных зависимостей поверхностного натяжения по Р. Толмену, В. Нонненмахеру, В. Кузнецову.
-
Установленное повышение температуры КП микро- и наноструктур в электромагнитных полях и при наличии внешних давлений.
-
Выявленные взаимосвязи между повышением межфазной энергий и уменьшением поверхностной сегрегации поверхностно-активного компонента с уменьшением толщины тонких пленок сплавов щелочных металлов.
-
Установленная линейная зависимость РВЭ алюминиевых нанонитей и наночастиц от обратного значения диэлектрической проницаемости среды.
Научная новизна полученных результатов:
-
Получены новые соотношения для размерной зависимости температуры КП на основе размерных зависимостей поверхностного натяжения по Р.Толмену, В. Нонненмахеру, В. Кузнецову.
-
На двухслойных металлических пленках экспериментально подтверждены известные и новые размерные зависимости температуры контактного плавления.
-
Выявлено влияние диэлектрической среды на размерные зависимости ПЭ и поверхностной сегрегации Cs в пленках сплавов LixCs1-x. Показано, что при уменьшении толщины пленки поверхностная сегрегация Cs уменьшается, что приводит к увеличению ПЭ.
-
Установлено, что влияние электромагнитного поля и давления приводят к увеличению температуры КП металлических микро- и наноструктур.
-
Показано, что диэлектрическая среда приводит к уменьшению РВЭ нанонитей и наночастиц алюминия, при этом РВЭ пропорциональна обратной величине диэлектрической проницаемости.
Достоверность основных результатов. Научные положения, результаты теоретических и экспериментальных исследований, выводы по диссертации оригинальны и получены с использованием современных методов. Достоверность научных положений подтверждена системным подходом к исследованиям, применением аттестованных измерительных средств, анализом погрешности опытов, воспроизведением экспериментов и сопоставлением полученных результатов с независимыми данными других исследователей.
Практическая ценность результатов. Результаты НИР могут использоваться для оптимизации технологий контактно-реактивной пайки керамик и полупроводников, жидкофазного спекания микро- и нанопорошковых материалов методом КП, создания новых катодных материалов, в которых для снижения РВЭ металлов используются полимерные, алмазоподобные и другие диэлектрические покрытия, а также для создания новых металлополимерных нанокомпозиционных материалов.
Результаты работы использовались в учебном процессе при чтении спецкурса «Фазовые переходы в наноматериалах» на Физическом факультете Кабардино-Балкарского государственного университета им. Х.М. Бербекова и спецкурса «Нанофизика и нанотехнологии» на факультете электронной техники Северо-Кавказского горно-металлургического института.
Апробация результатов. Основные результаты диссертации докладывались на: 8-ом Международном симпозиуме «Фазовые превращения в твёрдых растворах и сплавах» (ОМА-2005) 12–16 сентября, г. Сочи; 5-й Национальной конференции по применению рентгеновского, синхротронного излучений, нейтронов и электронов для исследования наноматериалов и наносистем (РСНЭ НАНО 2005) 14–19 ноября 2005, Москва, ИК РАН;
9-м Междисциплинарном, Международном симпозиуме «Порядок, беспорядок и свойства оксидов» (ODPO-9) 15-23 сентября 2006, Ростов-на-Дону,
п. Лоо; Харьковской нанотехнологической ассамблее: 18-м Международном симпозиуме «Тонкие пленки в оптике и наноэлектронике», Харьков, 2006; Международном семинаре «Теплофизические свойства веществ», Нальчик, КБГУ, 2006; 7-й Международной научной конференции «Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии» 17–22 сентября, 2007г., Кисловодск; 10-ом Международном Междисциплинарном симпозиуме «Фазовые превращения в твердых растворах и сплавах» (OMA-10) 19–24 сентября 2007, Ростов-на-Дону п. Лоо; 8-й Международной научной конференции «Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии» 2008,
14–19 сентября, Кисловодск; 11-м Международном Междисциплинарном симпозиуме «Порядок и беспорядок и свойства оксидов» (ODPO–11) 16–21 сентября 2008, п. Лоо; Первом Международном Междисциплинарном симпозиуме «Физика низкоразмерных систем и поверхностей» (LDS-2008) 5-9 сентября 2008,
п. Лоо; 6-th International Conference «High Temperature Capillarity», Athens,
6–9 May 2009; Втором Международном симпозиуме «Плавление, кристаллизация металлов и оксидов» MCMO–2009 Ростов-на-Дону, п. Лоо, 5–9 сентября 2009; 12-ом Международном Междисциплинарном симпозиуме «Порядок и беспорядок и свойства оксидов» (ODPO–12), п. Лоо, 17–22 сентября 2009; Втором Международном симпозиуме «Физика низкоразмерных систем и поверхностей» (LDS–2), п. Лоо, 3-8 сентября 2010; 13-ом Международном Междисциплинарном симпозиуме «Порядок, беспорядок и свойства оксидов» (ODPO–13),
16–21 сентября 2010; Международной научно-технической конференции «Микро- и нанотехнологии в электронике», 11–16 октября 2010.
Личный вклад автора
Диссертационная работа представляет собой в основном итог самостоятельной работы автора.
Постановка задач исследований осуществлялась научным руководителем. Экспериментальные исследования размерного эффекта температуры КП проводились совместно с Р.А. Мусуковым. Соавторы статей принимали участие в обсуждении полученных результатов.
Публикации: по теме диссертации опубликовано 18 работ, пять из
них – в журналах, рекомендуемых ВАК.
Объем и структура диссертации
Диссертационная работа изложена на 135 страницах машинописного текста, содержит 49 рисунков и 5 таблиц, состоит из введения, четырех глав, выводов и списка литературы из 186 наименований.
