Введение к работе
Актуальность проблемы и цель работы: Диссертационная работа посвящена теоретическому описанию фазовых превращений в системах атомов, адсорбированных поверхностью металла, сопровождающихся возникновением упорядоченных структур в виде островков новой фазы. Зарождение и рост адсорбционного монослоя частиц, нанесенных на поверхность металлической подложки из источников с различными свойствами, приводит к качественному изменению свойств системы. Фазовые превращения здесь имеют характер неупорядоченная фаза - упорядоченная фаза, а также возможны структурные фазовые превращения внутри уже возникшей упорядоченной фазы. Рост новой фазы может сопровождаться возникновением как структур с простой пространственной формой, так и структур со сложной морфологией, в том числе фракталов. Актуальность исследования этих явлений определяется необходимостью прогнозировать поведение конкретных систем адсорбированных атомов. Наряду с прикладным, изучение этих явлений представляет общефизический интерес, поскольку связано с исследованием фундаментальных вопросов теории фазовых переходов в равновесных и неравновесных системах.
При описании свойств сложных систем обычно отдельно рассматривают термодинамические свойства и кинетику фазовых превращений. Изучение термодинамических свойств сводится к вычислению свободной энергии системы, знание которой позволяет определять структуру возможных в данной системе фаз и области их устойчивости, а также строить фазовые диаграммы. Расчет свободной энергии реалистических систем а настоящее время осуществлен лишь в сравнительно простых моделях. Прежде всего - это модель жесткой решетки, в рамках которой предполагается, что частицы располагаются только в узлах фиксированной решетки. Такое предположение возможно, если частицы неподвижны, а при фазовом переходе решетка не деформируется. Очевидно, что при реальных фазовых переходах, в том числе и на поверхности металлической подложки, указанные условия нарушаются. Другой нетривиальный вопрос расчета свободной энергии связан с корректным учетом дальнодействующего межатомного взаимодействия. Как правило, используется приближение самосогласованного поля, применимое, когда большое число частиц находится в радиусе взаимодействия. Однако в реальных расчетах учитывается только взаимодействие между ближайшими соседями.
Основной теорией кинетики фазовых превращений в металлах является феноменологическая теория Зельдовича-Фолмера. В ней предполагается, что условия фазового перехода выполнены, и он идет флуктуационным путем через образование зародышей новой фазы из пересыщенного раствора. При этом в теорию вводится ряд феноменологических параметров и специальные граничные условия для описания роста и растворения зародышей новой фазы.
Наряду с теорией Зельдовича-Фолмера широко используется феноменологическое описание фазовых превращений, основанное на разложении Ландау свободной энергии' по
параметру (параметрам) порядка вблизи точки фазового перехода. Такой подход позволяет без дополнительных предположений исследовать кинетику роста и растворения зародышей новой фазы, решая уравнение для поля параметра порядка (УПП), описывающее релаксацию метастабильного состояния системы в наиболее выгодное энергетическое состояние (Паташинский А.З., Шумило Б.И., 1979). Микроскопическое построение разложения Ландау осуществлено лишь для некоторых конкретных систем.
Цель диссертационной работы: Исследование условий и характера фазовых превращений в системах адсорбированных поверхностью металла частиц, взаимодействующих как друг с другом, так и с внешним полем решетки подложки, а также кинетики образования и роста зародышей новой фазы в таких системах в рамках единого подхода, основанного на статистическом расчете свободной энергии и ее разложении по параметру (параметрам) порядка.
Новизна и практическая ценность: На основе развитого в диссертации метода расчета свободной энергии, корректно учитывающего далыюдействующую и короткодействующую части взаимодействия адатомов друг с другом, а также их взаимодействие с внешним полем подложки, проведено исследование фазовых превращений в системах адсорбированных поверхностью металла атомов. Определены условия фазовых превращений, позволяющие строить фазовые диаграммы, исходя из свойств потенциалов парного межатомного взаимодействия адатомов друг с другом и с полем решетки подложки. Исследована зависимость симметрии возникающих в результате фазового превращения структур адатомов от таких параметров системы как температура, средняя плотность адатомов на поверхности, характеристики потенциалов взаимодействий адатомов друг, с другом и с полем подложки. Определены и. исследованы возможные режимы кинетики роста зародышей новой фазы, а также установлены критерии возникновения явления неустойчивости их азимутальной формы в этих режимах.
Результаты работы позволяют сформулировать следующие положения, выносимые из защиту
-
Развит единый подход для описания двумерных фазовых превращений на поверхности металла в системах адатомов, взаимодействующих между собой и с полем подложки.
-
Предложена модель, называемая в работе' 'двухмодовой* моделью, в рамках хоторой проводится выделение неустойчивых мод микроскопической плотиости адатомов и поиск их амплитуд вблизи точек фазовых переходов в системе.
-
Построено разложение для функционала свободной энергии системы взаимодействующих адатомов по амплитудам неустойчивых мод микроскопической плотности частиц - параметрам порядка - в рамках предложенной "двухмодовой* модели. Метод позволил корректно учесть как дальнодействующий характер взаимодействия частиц, так и их сильное короткодействующее отталкивание, что позволило отказаться от обычно используемой модели жесткой решетки.
-
Определены условия и типы возможных фазовых превращений в сиаеме адатомов на металлической подложке и построены фазовые диаграммы. Выяснена зависимость
.- * . -
симметрии возникающих в результате фазового прехода структур от параметров системы (температура, средняя плотность адатомов на поверхности, характеристики потенциалов взаимодействий адатомов друг с другом и с полем подложки).
-
Дано микроскопическое обоснование и определены области применимости феноменологическчх теорий, используемых при описании кинетики фазовых превращений в адсорбированном слое.
-
Классифицированы и изучены все возможные режимы кинетики релаксации поля параметра порядка в двумерной системе, обусловленные вкладами различных процессов в механизмы роста островков новой фазы.
-
Исследовано влияние различных механизмов роста на неустойчивость азимутальной формы островков новой фазы. Изучено влияние анизотропных внешних условий на критерии фрактальной неустойчивости.
Апробация работы, публикации: Основные результаты диссертации опубликованы в работах [1-6] и докладывались на научных семинарах МИФИ и конференции "Взаимодействие ионов с поверхностью" [6].
Структура и объем: Диссертация состоит из введения, трех глав основного содержания, заключения и 4* приложений, содержит 149 страниц текста, включая 20 рисунков и список литературы из 133х наименований.
