Введение к работе
Актуальность темы исследования. Механизмы зарождения новых фаз, их рост и взаимодействие остаются предметом научных дискуссий в современной физике конденсированного состояния. Основные научные представления о равновесии фаз даны в классической работе Дж. В. Гиббса, в которой сформулированы правило фаз и термодинамическая теория многофазных равновесий. Дальнейшее развитие исследований теории фазовых переходов связаны с именами известных исследователей XVIII–XXI вв.: П. Эренфеста, Л.Д. Ландау, Д.Тарнбалла, Ю.М. Гуфан и др.
Особое место в этом вопросе занимает эффект возникновения и роста жидкой фазы в контакте разнородных веществ, названный Д.Д. Саратовкиным и П.А. Савинцевым в 1941 году контактным плавлением (КП). Необходимым условием для проявления КП является наличие точки минимума (эвтектики) на любой равновесной диаграмме состояния (ДС), т.е. . Причем экспериментально установлено, что эвтектическая концентрация (), практически совпадает с концентрацией жидкой фазы (), образующейся в контакте. Такой вид КП назовем стабильным контактным плавлением (СКП), соответственно эвтектику – стабильной. Здесь следует отметить, что не ясно, какие именно особенности во взаимодействии контактируемых компонент приводят к существованию эвтектической точки.
В то же время известно, что если раздельно нагретые образцы, находящиеся при одинаковой температуре, привести в контакт (импульсный режим), то они сплавляются (соединяются) при температуре () ниже, иногда значительно, температуры плавления наинизшей эвтектики (). Такое поведение характерно для систем с химсоединениями. Назовем такой вид КП - метастабильным контактным плавлением (МСКП), а эвтектику - метастабильной.
Следует отметить, что к настоящему времени нет единой точки зрения на природу и механизм начальной стадии ни стабильного, ни метастабильного КП. Особенно неоднозначны ответы на вопросы, возникающие при объяснении МСКП. Как происходит соединение образцов: путём образования жидкой фазы или за счёт твёрдофазной реакции? Чему соответствует концентрация образовавшейся фазы?
В то же время эффект КП используется во все возрастающих масштабах: в создании легкоплавких припоев, при контактно-реактивной пайке, при разработке бесфлюсового соединения различных узлов в микронаноэлектронике, металлизации керамических поверхностей и т.д.
Отсутствие понимания природы явления на микро(нано)уровне не позволяет дать ответы на поставленные выше вопросы и для решения прикладных задач.
Таким образом, изучение процессов (плавления), происходящих в контакте веществ на микро(нано)уровне (наноконтактное плавление (НКП)) при различных условиях контактирования, весьма актуально как с теоретической, так и практической точек зрения.
Основная цель работы: установление общих закономерностей стабильного и метастабильного КП и экспериментальная проверка гипотез о природе и механизме этих явлений, в том числе на микро(нано)уровне. Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:
-
Визуализировать процесс начальной стадии КП в реальном времени на нанометровых масштабах, используя современную экспериментальную базу для исследования поверхности кристаллов, созданную в КБГУ.
-
Описать аналитически вид линии ликвидус равновесных и неравновесных ДС и показать, что до реального соприкосновения образцов происходит взаимодействие собственных полей кристаллов, приводящих к изменению структуры контактирующих поверхностей.
-
Показать теоретически неоднородность расплава вблизи линии ликвидуса, особенно в области перитектик и точек перегиба .
-
В рамках построенной термодинамической теории, используя модели межатомных взаимодействий Леннарда-Джонса и Сюзерленда, установить аналитический вид , соответственно, в простой эвтектической системе Bi-Sn и в системе Cd-Sb с химическим взаимодействием компонент.
-
Изучить роль химсоединений на ДС металлов; показать необязательность их наличия и соответственно необязательность их подавления для сплавления (проявления Т-эффекта) образцов при <.
На защиту выносятся:
методика, позволяющая наблюдать процессы, происходящие на поверхности кристаллов в реальном времени, и их взаимодействие до и после контактирования;
классификация стадий процесса КП, включающая стадию изменения структуры поверхности образцов (нановыступов) под действием их полей до соприкосновения;
термодинамическая теория построения фазовых диаграмм состояния, устанавливающая неоднородное строение расплава, вблизи обусловленное наличием перегибов, инконгруэтно плавящихся интерметаллидов или перитектических точек на ДС;
экспериментальное доказательство необязательности наличия химсоединения на ДС контактируемых металлов и необязательность подавления процесса зарождения интерметаллида для проявления сплавления (соединения) контактируемых образцов при < ;
- теоретическая оценка величины эффекта понижения температуры сплавления (соединения) при <в системах In-Bi и Bi-Tl на основе представлений о метастабильной эвтектике.
Объекты исследования
Объектами исследования являлись бинарные системы: Cd-Sb, Cd-Sn, Cd-Pb, Bi-In, Bi-Pb, Bi- Sn, Bi-Tl, In-Tl, In-Pb.
Научная новизна.
Разработка и применение защищаемых положений позволили получить следующие новые научные результаты.
1. Впервые визуализирован процесс взаимодействия наноразмерных выступов (наноконтактное плавление), имеющихся на реальных поверхностях контактируемых образцов в реальном времени, предложен механизм начальной стадии стабильного и метастабильного КП.
2. Теоретически обоснована неоднородность структуры расплава вблизи точек эвтектики, перитектики и перегиба на , и областей с инконгруэнтно плавящимися интерметаллидами.
3. Построена термодинамическая теория неравновесного и равновесного КП, на основе которой, используя модели межатомных взаимодействий Леннарда-Джонса и Сюзерленда, установлен аналитический вид в простой системе Bi-Sn и в системе Cd-Sb с химсоединением компонент.
4. Показана необязательность наличия химсоединений на ДС для проявления метастабильного контактного плавления и в связи с этим необязательность подавления их образования.
5. Показано, что взаимодействие полей еще до реального соприкосновения образцов «разрыхляют» поверхностные слои контактируемых металлов, что способствует развитию быстротечности диффузионных процессов при реальном физическом контакте.
6. Впервые исследовано стабильное и метастабильное контактное плавление в системе Tl-Bi при наличии электропереноса. Показано, что в токовых образцах при стабильном контактном плавлении нарушается параболическая зависимость протяженности роста жидкой зоны от времени. В случае метастабильного контактного плавления ток, проходящий через зону контакта, позволяет установить, соединились образцы или нет.
Достоверность полученных результатов подтверждена использованием апробированных экспериментальных методов, соответствующих задачам исследования и корректной оценкой погрешностей измерения, многократным повторением экспериментов, а также согласованностью полученных результатов с литературными данными.
Практическая значимость работы: результаты работы о формировании переходных слоев могут быть использованы для создания конструкционных материалов с наперед заданными свойствами в металлургии, порошковой металлургии, в (нано-) электронике, т.е. при решении всех прикладных задач, в которых используются сплавы с эвтектическим типом ДС.
Полученные в работе данные могут быть использованы при совершенствовании технологии контактно-реактивной пайки, в машиностроении, ядерной энергетике, в создании легкоплавких припоев, металлизации керамических поверхностей и т.д.
Установленные в работе режимы КП могут оказаться полезными при проектировании электронных приборов с разрываемыми контактами.
Результаты расчетов взаимосвязи и параметров модели межатомных взаимодействий, визуализация начальной стадии процесса КП используются при чтении лекций по спецкурсу «Фазовые переходы в наноматериалах» в Кабардино-Балкарском государственном университете и по спецкурсу «Нанотехнологии» в Чеченском государственном университете.
Апробация работы
Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на семинарах лаборатории фазовых переходов НИИ физики Ростовского госуниверситета, кафедры общей физики Чеченского госуниверситета, кафедры физики наносистем Кабардино-Балкарского госуниверситета, а также докладывались и нашли одобрение на международных и всероссийских конференциях: «Фазовые превращения в твердых растворах и сплавах» – 7-й международный симпозиум, г. Сочи, 2004 (ОMA-2004); «Порядок, беспорядок и свойства оксидов» – 7-й международный симпозиум, г. Сочи, 2004 (ОDPO-2004); «Фазовые превращения в твердых растворах и сплавах» – 8-й международный симпозиум, г. Сочи, 2005 (ОMA-2005); «Порядок, беспорядок и свойства оксидов» – 8-й международный симпозиум, г. Сочи, 2005 (ОDPO-2005); «Фазовые превращения в твердых растворах и сплавах» – 9-й международный симпозиум, г. Сочи, 2006 (ОMA-2006); «Порядок, беспорядок и свойства оксидов» – 9-й международный симпозиум, г. Сочи, 2006 (ОDPO-2006); «Фазовые превращения в твердых растворах и сплавах» – 10-й международный симпозиум, г. Сочи, 2007 (ОMA-2007); «Плавление, кристаллизация и свойства оксидов», г. Ростов-на-Дону, п. Лоо, Россия, 2007 (MCMO-2007); «Физика низкоразмерных систем и поверхностей» – Первый международный симпозиум, г. Ростов-на-Дону, п. Лоо 2008 (LDS-2008); «Фазовые превращения в твердых растворах и сплавах» – 11-ый международный симпозиум, г. Сочи, 2008 (ОMA-2008); «Фазовые превращения в твердых растворах и сплавах» – 12-й международный симпозиум, г. Ростов-на-Дону – г. Сочи, 2009 (ОMA-2009); «Порядок, беспорядок и свойства оксидов» – 12-й международный симпозиум, г. Ростов-на-Дону – г. Сочи, 2009 (ОDPO-2009); Микро- и нанотехнологии в электронике. Нальчик: Кабардино-Балкарский госуниверситет, 2009.
Личный вклад автора: диссертационная работа представляет собой итог самостоятельной работы автора. Все методические разработки, теоретические и экспериментальные результаты, приводимые в диссертации, были получены лично автором или при его непосредственном участии.
Выбор темы, планирование диссертации, постановка задач исследований осуществлялись научным руководителем доктором физико-математических наук, профессором А.А. Ахкубековым. Он же принимал участие в выборе моделей фазовых диаграмм, обсуждении результатов, написании статей. Заведующий кафедрой теоретической физики Чеченского государственного университета доктор физико-математических наук, профессор Р.Х. Дадашев консультировал при выводе теоретических моделей. Остальные соавторы плодотворно участвовали в программной реализации расчетов и в обсуждении результатов.
Публикации: по теме диссертационной работы опубликовано 16 работ, включая 5 статей, которые опубликованы в научных изданиях, включенных в списки ВАК.
Объем и структура диссертации
