Введение к работе
Актуальность темы
Исследование физических свойств поверхности твердого тела является актуальным научным направлением. Потребности современного производства (создание тонкопленочных структур в микроэлектронике, совершенствование технологических методов управления свойствами поверхности деталей узлов трения с целью повышения их работоспособности, износостойкости и долговечности) требуют детального учета факторов, влияющих на величину взаимодействия разнородных материалов, соприкасающихся своими поверхностями.
Явление возникновения связи между поверхностными слоями разнородных конденсированных тел, приведенных в соприкосновение, получило название адгезии. Адгезия зависит от природы контактирующих тел, свойств их поверхностей и площади контакта. С физической точки зрения адгезия определяется силами межмолекулярного взаимодействия, наличием ионной, ковалентной, металлической и других типов связи. Возникает необходимость определения характеристик адгезионного взаимодействия различных материалов, как с точки зрения прикладной, так и фундаментальной науки о поверхностных явлениях.
Однако, значение адгезионной прочности зависит не только от вида связи между телами, вступившими в контакт, но и от метода ее измерения, а также от способа отрыва. Например, производя отрыв пленки от подложки с различной скоростью, можно получить разное значение адгезионной прочности. Методов неразрушающего контроля адгезионной прочности, дающих надежные результаты, к сожалению, к настоящему времени пока не существует. На результаты измерения адгезионной прочности может повлиять и напряженное состояние границы раздела между пленкой и подложкой вследствие термических или усадочных явлений в материалах. В процессе напыления на поверхности подложки может образоваться тончайший слой окисла, оказывающий заметное влияние на адгезию покрытия. Неизбежная шероховатость поверхностей сред, вступающих в контакт, определяет появление зазора между поверхностями. Все это указывает на сложность получения достоверных экспериментальных значений адгезионной прочности покрытий, непосредственного определения роли малых зазоров, а в особенности прогнозирования их влияния на сцепление тел.
В связи с этим возрастает роль теоретического подхода к определению адгезионных характеристик различных материалов. При этом критерием правильности той или иной модели адгезионного взаимодействия и предсказываемых ею значений адгезионных характеристик может служить сопоставление рассчитанных и измеренных значений поверхностной энергии материалов, поскольку методики экспериментального определения поверхностной энергии дают более надежные результаты, чем при определении адгезионной прочности.
Сама по себе задача расчета поверхностной энергии металла является сложной и до сих пор теория, дающая удовлетворительные результаты для всего ряда металлов, не построена. Трудности описания связаны с сильной неоднородностью системы в приповерхностной области, а также с возникающими структурными искажениями поверхностного слоя металлов.
Цель работы
К настоящему времени развитие теории неоднородного электронного газа уже создало базу для приложений МФП к различным задачам, касающихся поверхностных свойств металлов. Однако изменение свойств твердых тел, связанное с существованием и взаимодействием поверхностей, удалось сколько-нибудь адекватно описать лишь для некоторых модельных систем и простых металлов. В случае же металлов других групп для получения достоверных результатов используется ряд подгоночных эмпирических параметров, и, следует отметить, что почти нет теорий способных адекватно описывать поверхностные и адгезионные свойства полупроводников, сложных соединений и сплавов.
В связи с этим целью настоящей диссертации является:
разработка методики самосогласованного расчета и получение значений поверхностной энергии металлов с учетом поправок на неоднородность электронной системы и дискретность кристаллической структуры в рамках метода функционала электронной плотности;
исследование влияния различных обменно-корреляционных поправок и смещения поверхностной ионной плоскости на значения поверхностной энергии металлов;
разработка методов расчета работы выхода электрона с поверхности металлов как одной из важнейших поверхностных характеристик, определяющей энергетическое состояние поверхности, и сопоставление полученных значений с результатами экспериментальных исследований;
расчет межфазной энергии взаимодействия, энергии адгезии и силы адгезионного взаимодействия различных металлов в рамках метода функционала электронной плотности с учетом градиентных поправок на неоднородность системы и смещения ионных плоскостей в межфазной области раздела сред;
- исследование зависимости адгезионных характеристик от расстояния
между поверхностями металлов и диэлектрической проницаемости промежу
точного слоя;
разработка модели адгезионного взаимодействия металлов и полупроводников, а также сложных соединений на основе диэлектрического формализма и использовании представлений о коллективных возбуждениях электрон-ионной системы - плазмонах;
расчет энергии адгезии и силы адгезионного взаимодействия для ряда металлов, полупроводников и сложных соединений, а также расчет адгезионных характеристик контакта данных материалов с диэлектрической средой.
Научная новизна результатов
-
Впервые в рамках МФП проведен учет различных обменно-корреляцион-1ых поправок и исследовано влияние градиентных поправок второго и четвертого порядков на значения поверхностной энергии, работы выхода и адгези-энных характеристик металлов;
-
Впервые в рамках самосогласованного вариационного подхода проведен расчет смещения 8 приповерхностной ионной плоскости относительно объ-гмного положения и проанализировано влияние эффектов решеточной релак-:ации на значения поверхностной энергии и работы выхода для различных граней кристаллической поверхности металлов.
-
Впервые получены согласующиеся с экспериментом значения работы выхода для переходных и благородных металлов.
-
Впервые при учете влияния электрон-ионного взаимодействия на поверхностные и адгезионные характеристики металлов был использован обобщенный псевдопотенциал Хейне-Абаренкова.
-
Впервые в рамках диэлектрического формализма при использовании представлений о поверхностных плазмонах проведен расчет межфазной энергии взаимодействия, энергии и силы адгезионного взаимодействия металлов, полупроводников и сложных соединений в зависимости от величины вакуумного зазора h.
Практическая значимость работы
На основе разработанных в диссертации теоретических методов, составленных по ним программ для ПЭВМ была создана для АО "Сибкриотехника" инженерная методика расчета адгезионных и триботехнических характеристик узлов сухого трения с самосмазывающимися и износостойкими покрытиями. Данная методика позволила уже на стадии технологической проработки узлов трения выбирать наиболее подходящие материалы и покрытия с оптимальными адгезионными и триботехпическнми свойствами, а также прогнозировать их долговечность.
Разработанный метод определения работы выхода электронов с поверхности металлов позволил создать для АО "Сибкриотехника" расчетную программу определения адгезионной прочности покрытий по результатам измерения контактной разности потенциалов.
Развитые в диссертации методы и полученные результаты могут быть применены не только в криогенной и микрокриогенной технике, но и в микроэлектронике при нанесении тонкойленочных полупроводниковых покрытий, при создании многослойных структур, при получении материалов с заданными поверхностными свойствами и т.д.
Основные положения, выносимые на защиту
1. Вариационный метод расчета поверхностной энергии металлов с учетом градиентных поправок к плотности энергии неоднородного электронного газа второго и четвертого порядков. Принципы выделения типов обменно-корреляционных поправок на неоднородность для различных классов металлов.
-
Вариационный метод расчета смещения поверхностной ионной плоскости в различных металлах и результаты анализа влияния данных релаксационных эффектов на значения поверхностных и адгезионных характеристик широкого ряда металлов.
-
Согласованный с расчетом поверхностной энергии метод определения работы выходы электронов с поверхности различных металлов.
-
Методика использования псевдонотенциала Хейне-Абаренкова для расчета поверхностных и адгезионных характеристик металлов.
5. Метод и результаты использования представлений о поверхностны?
плазмонах для расчета характеристик адгезионного взаимодействия метал
лов, полупроводников и сложных соединений.
Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсу ждались на Российской межвузовской научно-технической конференции "Фун даментальные проблемы металлургии" ( Екатеринбург, 1995); на Российскоі научно-технической конференции "Покрытия, упрочнение, очистка. Эколо гически безопасные технологии и оборудование" (Москва, 1995); на ХХХ1\ Международной научной студенческой конференции "Студент и научно технический прогресс" (Новосибирск, 1996); на научных семинарах кафедрі теоретической физики и физического факультета ОмГУ.
Структура и объем диссертации
