Введение к работе
Актуальность проблемы. Исследования в области механики и физики границ раздела составляют одно из наиболее приоритетных направлений в науке о структуре и свойствах современных материалов и твердотельных систем, в частности, в формировании представлений о механическом поведении реальных неоднородных твердых тел. Выступая в качестве упрочняющих, охрупчивающих или пластифицирующих элементов, каналов облегченного диффузионного массопереноса, источников и стоков для различных дефектов, границы раздела часто играют определяющую роль как в создании равновесного упруго-деформированного состояния, так и в развитии процессов пластической деформации и разрушения материалов. Этим обусловлено особое внимание, которое уделяется в последние годы экспериментальным и теоретическим исследованиям реальной структуры границ раздела, включающей разнообразные дефекты. Фактически, именно поведение таких дефектов, которые одновременно являются источниками упругих полей и элементарными носителями пластической деформации, обычно контролирует развитие деформационных процессов вблизи границ. Особую роль здесь играют линейные дефекты — дислокации и дисклинации, которые, с одной стороны, создают наиболее мощные и дальнодей-ствующие упругие поля и, с другой стороны, способны служить эффективным каналом релаксации внешних упругих напряжений. Таким образом, изучение поведения линейных дефектов на границах раздела является сегодня одним из наиболее конструктивных подходов к пониманию роли границ и построению их теоретического описания. В ряду прочих важных проблем о дефектах на границах раздела выделяется класс задач о равновесных или устойчивых дефектных образованиях, к решению которых применимы методы механики деформируемого твердого тела. Решения таких задач могут служить отправной точкой для разработки кинетических моделей эволюции дефектных структур на границах раздела. Именно изучению устойчивых структур линейных дефектов, дислокаций и дисклинации, на границах раздела в современных неоднородных материалах и посвящена настоящая работа. В качестве таких реальных неоднородных систем здесь выступают тонкопленочные гете-роэпитаксиальные структуры, на которых построены приборы современной микро- и оптоэлектроники, и ультрамелкозернистые поликристаллы (включая нанокристаллы) — новый класс перспективных конструкционных материалов, обладающих необычно высокими прочностными свойствами. И в тех. и в других границы раздела играют ведущую роль, являясь рабочей зоной в полупроводниковых гетеросистемах и основным упрочнителем и пластификатором
в ультрамелкозернистых поликристаллах.
Таким образом, актуальность темы диссертации определяется как необходимостью построения теоретических моделей устойчивых дефектных конфигураций на границах раздела, так и выбором в качестве приложения этих моделей реальных перспективных материалов и твердотельных структур.
Цель работы состоит в построении теоретических моделей, достоверно описывающих устойчивые конфигурации линейных дефектов на границах раздела в кристаллических твердых телах.
Лля достижения этой цели были поставлены и решены следующие основные задачи:
-
Построение моделей равновесных конфигураций частичных дислокаций несоответствия в тонкопленочных гетероэпитаксиаль-ных системах. Расчет критических параметров гетеросистемы (толщины эпитаксиальной пленки и несоответствия параметров кристаллических решеток пленки и подложки), характеризующих переход к равновесной конфигурации полных дислокаций несоответствия.
-
Построение моделей устойчивых конфигураций стыковых и зернограничных дисклинаций в поли- и нанокристаллических твердых телах. Исследование различных вариантов расщепления таких дисклинаций на ансамбли дисклинаций меньшей мощности и анализ условий реализации этих вариантов. Определение условий зарождения микротрещин вдоль границ зерен вблизи расщепленных дисклинационных конфигураций.
-
Разработка дислокационно-структурной и дисклинационно-структурной моделей квазипериодических границ зерен конечной длины, анализ их упругих полей и энергий. Исследование зависимости энергии квазипериодических границ зерен от элементарных перестроек их структуры (перестановок структурных единиц).
Научная новизна. В диссертации впервые:
— решена задача о равновесном двумерном распределении частичных дислокаций несоответствия в тонкопленочной гетероэпи-таксиальной системе с комплексным учетом таких факторов как влияние свободной поверхности эпитаксиальной пленки, взаимодействие дислокаций с упругим полем несоотвествия и их взаимодействие между собой; в пространстве несоответствий и толщин пленки определены области когерентного (бездислокационного) состояния гетеросистемы, раздельного и совместного существования частичных и полных дислокаций несоответствия;
построены теоретические модели расщепления стыковых и зернограничных дисклинаций в поли- и нанокристаллах на ансамбли зернограничных дисклинаций меньшей мощности, проведен корректный расчет и анализ энергии полученных дисклинационных конфигураций; показано, что такие расщепления стыковых и зернограничных дисклинаций могут служить альтернативой зарождению микротрещин, поскольку ведут к увеличению равновесного размера последних и, соответственно, к снижению вероятности их появления;
предложены дислокационно-структурная и дисклинационно-структурная модели квазипериодических границ зерен конечной длины, проведен анализ их упругих полей и энергий; показано, что в квазипериодических границах зерен конечной длины, в отличие от периодических границ зерен, возможны элементарные структурные перестройки (перестановки структурных единиц), не изменяющие энергию таких границ.
Научная и практическая значимость работы. Развитые в работе теоретические модели устойчивых конфигураций линейных дефектов на границах раздела в неоднородных средах могут быть использованы в качестве физической основы при изучении механизмов пластической деформации и разрушения перспективных конструкционных материалов и твердотельных структур микро- и оптоэлек-троники. Построенные модели объясняют ряд эффектов, наблюдаемых на эксперименте (раздельное и совместное существования частичных и полных дислокаций несоответствия в гетероэпитакси-альных системах, изменение мощности стыковых дисклинаций в процессе пластической деформации поли- и нанокристаллов), и предсказывают новые эффекты (расщепление стыковых и зернограничных дисклинаций на ансамбли зернограничных дисклинаций меньшей мощности, снижение вероятности образования при этом микротрещин, возможность таких элементарных структурных перестроек квазипериодических границ зерен конечной длины, которые не изменяют энергию этих границ). Они способствуют пониманию сути физических процессов, протекающих в реальных неоднородных материалах и могут рассматриваться как теоретическая основа дли совершенствования технологии их производства.
Достоверность результатов и выводов обеспечивается использованием корректных математических методов решения поставленных задач, проведением проверок и предельных переходов к уже известным решениям, сравнением, где это возможно, с результатами экспериментов и компьютерного моделирования. Физическая обоснованность построенных моделей подтверждается их соответствием экспериментальным наблюдениям устойчивых дефектных конфи-
гураций и хорошим согласием между теоретическими оценками и измеряемыми величинами.
Основные положения, представленные к защите.
1. Модели равновесных конфигураций частичных дислокаций
несоответствия в тонкопленочных гетероэпитаксиальных системах,
расчет критических параметров гетеросистемы, характеризующих
переход к равновесной конфигурации полных дислокаций несоответ
ствия.
-
Модели устойчивых конфигураций стыковых и зерногранич-ных дисклинаций в поли- и нанокристаллических твердых телах, исследование различных вариантов расщепления таких дисклинаций _ на ансамбли дисклинаций меньшей мощности и анализ условий реализации этих вариантов, определение условий зарождения микротрещин вдоль границ зерен вблизи расщепленных дисклинационных конфигураций.
-
Дислокационно-структурная и дисклинационно-структурная модели квазипериодических границ зерен конечной длины, анализ их упругих полей и энергий, исследование зависимости энергии квазипериодических границ зерен от элементарных перестроек их структуры (перестановок структурных единиц).
Работа проводилась в рамках выполнения поисковой НИР по теме N 01.9.30005492 "Моделирование поведения дефектов и пластической деформации в новых конструкционных материалах: нано-кристаллах, квазикристаллах и композитах с некристаллическими составляющими" и НИР, поддержанных грантами РФФИ N 95-02-03807 "Поверхности раздела в металлических квазикристаллах, на-нокристаллах и наностеклах" и N 98-02-16075 "Поверхности раздела сложной структуры в металлических твердых телах и тонких пленках".
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на Второй международной конференции по наноструктурным материалам (NANO'94, Штутгарт, ФРГ, 1994), 7 Международной конференции по межзеренным и межфазным границам в материалах (НВ'95, Лиссабон, Португалия, 1995), XXXII Межреспубликанском семинаре "Актуальные проблемы прочности", посвященном памяти В.А.Лихачева (Санкт-Петербург, 1996), Международном совещании по новым концепциям для материалов высоких технологий — 98 "Неразрушающий контроль и компьютерное моделирование в материаловедении и машиностроении" (NDTCS-98) (Санкт-Петербург, 1998), Школе перспективных исследований НАТО "Материаловедение боридов, карбидов и нитридов" (Санкт-Петербург, 1998), а так-
же на семинарах в Институте проблем машиноведения РАН (СПб) и Санкт-Петербургском государственном техническом университете.
Публикации. По теме работы опубликовано 6 научных статей в отечественных и зарубежных журналах и сборниках, а также тезисы 2 докладов на конференциях. Список публикаций приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав основного текста, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации составляет 137 страницы, из них 83 страницы основного текста, 3 таблицы и 37 рисунков. Список цитируемой литературы состоит из 204 наименований.