Введение к работе
Актуальность темы. Современный уровень развития научно-
технического прогресса на основе начинающегося широкого использования
неравновесных материалов и линейных эффектов, особенно
высокотемпературной сверхпроводимости, низкотемпературной
пластичности тесно связан с принципиально новыми подходами для изменения структурных физико-химических свойств реальных кристаллов и композитов.
Одним из таких подходов является, исследование и применение метода упрочняющего протонирования. заключающегося в варьировании параметров структуры. Эффективность такого подхода определяется не только объемом знаний о них, но и наличием общего научного подхода и общих критериев для материалов.
При создании новых полупроводниковых и диэлектрических материалов было показано, что наблюдается сложное взаимосоподчинение образующих структуру элементов и их контрастов. Однако большинство исследований посвящено изучению и обобщению результатов модифицирования материалов и композиций лишь на одном микроскопическом уровне. Не рассматриваются с единых позиций процессы самоорганизации локальных структурных преобразований. Кроме того, исследование полупроводников, диэлектриков и материалов с нелинейными свойствами, образованных в результате протонной обработки- тонкослойного протонирования, дает массу необъяснимых в рамках традиционных подходов эффектов.
Достигнутый к настоящему времени высокий уровень инструментального изучения атомной структуры, элементного состава не могут оказать существенную помощь в раскрытии природы и разработке общего подхода для объяснений поведения, реальных кристаллов,
низкоразмерных композиций межфазовых переходов и других явлений, являющихся типичными для материаловедения протонорованных кристаллов. Основой подхода для решения этих вопросов является физика приповерхностного тонкого слоя занимающаяся изучением закономерностей и механизмов структуры тонких слоев реальных кристаллов и композиций с пространственно неоднородным распределением электронной плотности.
Потребности науки и техники предопределяют актуальность развития структурной физики приповерхностных тонких слоев диэлектриков, полупроводников и соединений во взаимосвязи со свойствами, которые являются основой неравновесных когерентных материалов.
Цель исследования состояла в развитии на основе представлений физического материаловедения - физики приповерхностных тонких слоев, включающей закономерности и механизм образования блочной структуры реальных кристаллов и композиций с пространственно неоднородным распределением электронной плотности, выявление физической природы минимальных бездефектных блоков, осущесвляющих свойства кристаллических веществ, и на этой основе разработку методики создания блочной модулированной структуры реальных кристаллов и композиций, усовершенствование методов изучения рассеяния рентгеновских и электронных лучей на блоках, использование полученных результатов для практических целей.
При этом решались следующие задачи:
-установление общих закономерностей образования блочных
модулированных структур и блоков с пространственно неоднородным
распределением электронной плотности;
-проведение анализа дифракционных и электронно-микроскопических
картин, инвариантно выделенных отображений, выяснение причин
возникновения контрастных линий и путей создания, соподчиненных когерентных модулированных структур; -изучение кристаллографических особенностей образования, форм и размеров блоков, составляющих их частиц и классификация простых веществ и соединений по этим параметрам;
-исследование природы влияния однородных деформаций блоков, вызванных дефектностью и легированием твердых веществ и соединений на заданные коллективные электронные возбуждения и рентгеноэмиссию -исследование влияния ионного облучения и механических деформаций на образование блоков;
-обобщение и экспериментальная реализация физических принципов
получения блочной структуры полупроводников,диэлектриков и
соединений с необходимыми для практики неравновесными свойствами.
Научная новизна работы заключается в следующем:
Впервые систематически исследована связь структурной физики тонких
приповерхностных слоев полупроводников, диэлектриков и соединений со
свойствами блоков, которые составляют основу новых материалов.
Обнаружены неизвестные ранее эффекты соподчинения размеров блоков,
бездефектность блоков и влияние примесей на коллективные электронные
возмущения. Установлены общие для полупроводников, диэлектриков и
соединений закономерности и механизмы блочной структуры реальных
кристаллов с пространственно неоднородным распределением электронной
плотности. Показано, что однородные деформации блоков, вызванные
собственной и примесной- дефектностью, способствуют образованию
устойчивых блоков.
На базе развиваемой концепции обобщены и объяснены вопросы строения и модифицирования структуры тонкого приповерхностного слоя
реальных кристаллов и композиций, способы управления однородными деформациями блоков, условия формирования блоков.
Проведено комплексное изучение блочной структуры тонкого слоя реальных кристаллов и композиций с пространственно неоднородным распределением электронной плотности на основе полученного уравнения кинематической теории дифракции и экспериментально выделеных в полупроводниках,диэлектриках и соединениях структурных элементов.
На основе установленной взаимосвязи блочной структуры и структуры тонких слоев сформулированы и экспериментально реализованы основные условия, обеспечивающие' симметрийные свойства подвергнутых однородным деформациям блоков и формирование на основе устойчивого сохранения положений полос равной электронной плотности заданного уровня коллективных электронных возбуждений. Эти условия предполагают наличие:
-масштабирования симметрии блока на весь объем кристалла неравновесными полями протонов;
-сохранение симметрии каждого блока в отдельных группах блоков, обусловленных определенными неоднородными деформациями;
-демпфирования смещений блоков водородными связями на инвариантных границах.
Установлено, что прочностные свойства материалов определяются размерами блоков и их соподчиненностью, которая хорошо описывается математически последовательностью чисел ряда Фиббоначчи.
Установлена корреляция между мощностью протонных пучков и размерами областей мартенситных превращений.
Показаны возможные пути и конкретная реализация практического использования блочных структурных уровней тонких слоев в реальных кристаллах, композициях и соединениях.
Практическая ценность работы: Основные научные положения работы, критерии и принципы эффективности способа упрочняющего модифицирования реализованы на практике при разработке материалов с комплексом заданных физико-механических свойств:
-технология приповерхностного (<140 мкм) протонирования наносекундным (50 не) пучками (Е= 300 кэВ) с высокой плотностью мощности (150А/см2) и в расплавах слабых органических кислот кристаллов LiNbOs и GaAs;
-технология мартенситного упрочнения протонированными пучками нитрида бора (ВЫг) до BNe на глубине 20 мкм;
-технология повышения износостойкости при резании в 2,5 раза твердосплавными резцами ВК-8;
-результаты работы использованы при разработке: лопаток турбин из титанового сплава ВТ-9, легированного РЗЭ; наноразмерных металлических (А1, Си, Та) и неметаллических (С) пленок.
Внедрение разработанных способов рентгенодифракционного выделения блочной структуры реальных кристаллов и композиций обеспечивает:
-качественно новый подход к изучению протонированных слоев LiNbCb и GaAs ,способ определения размеров блоков в С, WC-Co, BN, GaAs, №зРеДЮ,анализ влияния модифицирующих воздействий на блоки в WC, ТЮ.АЬОз, Ni3Fe, А1, Сц, Ре;методику исследования сложных фазовых переходов "порядок-беспорядок" С11ь- А2, МоРі2 -тип"- А1 в сплавах А1Сг2, NiV2;
Полученные в диссертационной работе результаты в рамках нового научного направления- структурной физики тонких приповерхностных слоев
способствуют формированию современных представлешш о закономерностях и механизмах блочной структуры тонких слоев в реальных кристаллах и композициях с пространственно неоднородным распределением электронной плотности, их влиянию на прочностные и неравновесные физико-химические свойства полупроводников, диэлектриков, простых веществ и соединений, они могут быть использованы при составлении учебных программ и написании монографии по соответствующим разделам физики полупроводников и диэлектриков.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Новое представление о блочной структуре реальных
полупроводниковых и диэлектрических кристаллов и композиций с
пространственно-неоднородным распределением электронной плотности
основанное на данных о кинематическом рассеянии рентгеновских и
электронных лучей на структурных элементах-блоках- бездефектных, не
имеющих примесей и несущих на себе все кристаллохимические и
физические свойства реальных кристаллов и композиций. Атлас расчетных и
экспериментальных параметров блоков для большинства простых веществ,
диэлектриков и полупроводников и ряда твердых соединений и их
кристаллографические особенности образования, формы, размеры блоков,
взаимосвязь с радиусами составляющих их частиц и тип химической связи.
2. Особенности формирования блоков при ионном облучении и
механических деформациях. Технические решения по созданию
рентгеноэмиссионных датчиков на основе моделирования однородных
деформащш блоков, вызванных собственной примесной дефектностью
реальных кристаллов и композиций.
3. Механизмы структурных фазовых переходов с учетом
преобразования размеров и формы блоков.
4.Способы упрочняющего протонного модифицирования тонких слоев с помощью варьирования параметров блоков в кристаллах GaAs, BN и LiNb03.
Совокупность полученных в работе результатов составила основу нового научного направления в области структурной физики тонкого слоя реальных кристаллов и композиций во взаимосвязи с физическими свойствами блоков.,
Апробация работы. Основные результаты проведенных исследований докладывались: на УП Всесоюзном совещания "Упорядочение атомов и его влияния на свойства сплавов" (.Свердловск, 1983), 1У Всесоюзной конференции по кристаллохимии интерметаллических соединений (Ленинград, 1983), Х1У, ХУ Всесоюзном совещании по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами(Москва, 1985), 1 Всесоюзной научно-технической конференции по прикладной рентгенографии (Ленинград, 1986), совещании "Планарные дефекты в упорядочивающихся сплавах и интерметаллидах (Барнаул, 1987), совещании «Кинетика и термодинамика пластической деформации» (Барнаул, 1988), У Всесоюзной конференции но кристаллохимии интерметатлических соединений (Ленинград, 1989),Всесоюзной конференции по прикладной рентгенографии (Ленинград, 1990), П Межреспубликанском семинаре "Рентгеновские исследования материалов в особых условиях" (Киев, 1991),П семинаре России и стран СНГ (Обнинск, 1992), У1 семинаре "Структура дислокаций и механические свойства металлов и сплавов" (Свердловск, 1993), 4-ой Международной конференция "Компьютерное конструирование перспективных материалов и технологий" (Томск, 1995), 3 rd International Conference on the Application of Diamond Films and Related Materials , Gaithersburg, August, 21-24, 1995, научно- практической конференции , посвященной 100-летию ТПУ, май , 1996, ХХУ1 Международной конференции по физике взаимодействия частиц с кристаллами, МГУ,
1996,Всероссийской конференции "Химия твердого тела и новые материалы" Екатеринбург, УрО РАН, 14-16 октября, 1996, Международной научно-технической конференции «Композиты-в народное хозяйство России»(Композит-97),Барнаул, 1997.
