Кінетика початкових стадій реакційної дифузії - Автореферат

Тут за останні роки відбувся значний прогрес, який полягає передусім у надвисокому ступені інтеграції електронних мікросхем (процесорів, блоків памяті), котрі виробляють за планарною технологією і всі елементи яких утворюються дифузійним шляхом. Особлива роль у цій проблемі належить початковій стадії дифузійної взаємодії, оскільки саме тут у переважній більшості випадків визначається подальший шлях еволюції системи, як правило, серед декількох можливих. На таких просторових масштабах необхідно брати до уваги також розмірну залежність поверхневого натягу, котрий відіграє ключову роль у процесі фазоутворення при переході першого роду, визначаючи розмір критичного зародку та умови рівноваги нанометричних виділень нової фази. В силу особливостей початкової стадії реакційної дифузії у наносистемах аналітичний підхід ускладнений за рахунок істотної нелінійності задачі, зміну умов рівноваги для малих частинок нової фази (розмірні ефекти), а також неадекватності детерміністичного підходу та застосування гідродинамічної шкали при описі дифузійної взаємодії фаз, оскільки для нанометричних частинок відчутний вплив можуть чинити флуктуації. Хмельницького і входила в НДР кафедри по темі: "Дослідження початкових стадій реакційної дифузії та конкуренції проміжних фаз в металевих сплавах" (затверджена наказом Міносвіти України №37 від 13.02.97, номер державної реєстрації 01960018033).При обрахунку енергій активації ДЕІ було застосовано гамільтоніан Ізінга для енергії у вузловій конфігурації атомів, а у сідловій точці запропоновано множити енергії парної взаємодії дифундуючого атома з найближчими його сусідами на певні сталі поправкові множники. Нижче певної критичної температури у бінарній системі з такою структурою і стехіометричним складом 50/50 відбувається фазовий перехід до впорядкованої фази з шаховим порядком типу в-латуні, коли атоми одного сорту, скажімо, A, перебувають переважно на вузлах однієї з двох еквівалентних (квадратних) підрешіток (атоми іншого сорту B - на вузлах іншої). Спочатку було досліджено рівноважні значення параметрів порядку та їх флуктуації при низьких температурах (високому ступені впорядкування) у стехіометричному випадку. Було побудовано температурні залежності рівноважних значень порядку зе і парної кореляційної функції fe, рівноважну діаграму зе - fe, температурні залежності середніх квадратів флуктуацій параметрів порядку, а також їх парної кореляційної функції та кореляції З метою дослідити вплив початкового концентраційного стрибка на можливість та ступінь вираженості осциляційного режиму впорядкування в процесі взаємної дифузії (як у феноменологічній моделі) нами було здійснено симуляцію вакансійної міграції у різних дифузійних парах з початковими розподілами атомів, що відповідають профілям з наступними перепадами концентрацій: 0.00 - 1.00, 0.20 - 0.80, 0.40 - 0.60 та 0.50 - 0.50 (гомогенний сплав).У дисертації здійснено опис процесу фазоутворення на початковому етапі взаємної дифузії у нанометричних когерентних системах для випадків фазового переходу як першого, так і другого роду методом компютерного моделювання кристалічного сплаву на атомному рівні. Методом МК-моделювання вакансійної дифузії, а також у рамках простої феноменологічної моделі було встановлено можливість немонотонного режиму впорядкування в полі градієнта концентрації і дифузійних потоків. Вперше запропоновано модифікацію МК-схеми вакансійної дифузії, котра описує фазовий перехід першого роду між твердим розчином і впорядкованою фазою з практично нульовим інтервалом гомогенності. В межах запропонованої моделі встановлено розмірну залежність ефективного поверхневого натягу між впорядкованою фазою та твердим розчином за рахунок зазначених кореляції - поверхневий натяг зменшується при зменшенні розміру частинки.

Основний зміст роботи

У дисертації здійснено опис процесу фазоутворення на початковому етапі взаємної дифузії у нанометричних когерентних системах для випадків фазового переходу як першого, так і другого роду методом компютерного моделювання кристалічного сплаву на атомному рівні. Основні результати дисертаційного дослідження полягають у нижчевикладеному.

1. Методом МК-моделювання вакансійної дифузії, а також у рамках простої феноменологічної моделі було встановлено можливість немонотонного режиму впорядкування в полі градієнта концентрації і дифузійних потоків.

2. Амплітуда осциляцій та саме існування даного явища залежить від ступеня неоднорідності (що задається початковим концентраційним стрибком). Знайдений осциляційний режим зумовлений залежністю коефіцієнта дифузії від ступеня дальнього порядку в дифузійній зоні.

3. Вперше запропоновано модифікацію МК-схеми вакансійної дифузії, котра описує фазовий перехід першого роду між твердим розчином і впорядкованою фазою з практично нульовим інтервалом гомогенності. Для модельної бінарної системи отримано рівноважну фазову діаграму та виявлено вплив скінченності розміру впорядкованої області на умови рівноваги.

4. Виявлено існування кореляцій розміру та форми рівноважних нанометричних частинок впорядкованої фази та дано їх кількісний опис. В межах запропонованої моделі встановлено розмірну залежність ефективного поверхневого натягу між впорядкованою фазою та твердим розчином за рахунок зазначених кореляції - поверхневий натяг зменшується при зменшенні розміру частинки.

5. З використанням розробленої МК-моделі встановлено існування двохстадійного росту фази в мультишарах і для випадку дифузійно непрозорої фази. Підтверджено гіпотезу про відповідність першої стадії реакції латеральному розростанню доменів впорядкованої фази вздовж поверхні початкового дифузійного контакту, а другої стадії - нормальному росту прошарку утвореної сполуки.

6. Зясовано вплив неоднорідності на кінетику процесу: чим більший ступінь неоднорідності системи, тим менша швидкість реакції на обох стадіях. Виявлено можливість стійкого у часі пересичення у вихідних твердих розчинах на другій стадії реакції. Спираючись на цей факт, подано трактування результатів чисельного експерименту на основі спрощеної феноменологічної моделі.

1. Гусак А.М., Ковальчук А.А. Компьютерная имитация начальной стадии взаимной и реакционной диффузии методом Монте-Карло // МФИНТ. - 1997. - Т. 19, №7. - С. 39-47.

2. Ковальчук А.О. Дослідження термодинаміки розпаду сплаву в наносистемах у результаті фазового переходу першого роду шляхом моделювання вакансійної дифузії методом Монте-Карло // УФЖ. - 2001. - Т.46, №12. - С. 1304-1309.

3. Тарасенко С.А., Ковальчук А.А. Исследование методом Монте-Карло зависимости корреляционного множителя от степени дальнего порядка в бинарных сплавах // МФИНТ. - 1997. - Т.19,№10. - С. 32-34.

4. Gusak A.M. and Kovalchuk A.O. Oscillatory regime of ordering during interdiffusion // Phys. Rev. B. - 1998. - Vol.58,№5 - P. 2551.

5. Gusak A.M., Kovalchuk A.A. and Bogatyrev A.O. Monte-Carlo Simulation of Nucleation and Competition of Intermediate Phases at the Initial Stage of Reactive Diffusion // Defect Diffus. Forum. - 1997. - Vol.143-147,№5. - P. 661-666.

6. Gusak A.M., Bogatyrev A.O. and Kovalchuk A.O. Initial Stage of Reactive Diffusion - Nucleation and Avrami Kinetics // Proceedings of the International Conference on Diffusion in Materials DIMAT"2000 by Defect and Diffusion Forum. - 2001. - Vol.194-199 - P. 1625-1630.

7. Hodaj F, Gusak A., Desre P., Kovalchuk A. Nucleation Modes in Sharp Concentration Gradient // Proc. MRS Fall"97 Meeting. - 1998.

8. Kovalchuk A.O. Kinetics of Ordering in Alloys Close to Equilibrium // Solid State Phenomena, edited by M. Danielewski. - 2000. - Vol. 72. - P. 197-202.

9. Kovalchuk A.O. Correlations of the Fluctuations of Order Parameters in Binary Stoichiometric Alloys at the Equilibrium // Proc. International Conference on Diffusion in Materials DIMAT"2000 by Defect and Diffusion Forum. - 2001. - Vol.194-199 - P. 435-440.

10. Gusak A.M., Hodaj F., Kovalchuk A.O. COMPETITION OF INTERMEDIATE PHASE NUCLEATION MODES IN THE CONCENTRATION GRADIENT // Вісник Черкаського університету. - 1997. - Вип. 1. - С. 80-91.

11. Богатырев А.О., Гусак А.М., Ковальчук А.А. Зародышеобразование, конкуренция и упорядочение промежуточных фаз при реакционной диффузии // Тезисы III Черкасского семинара стран содружества "Актуальные вопросы диффузии, фазовых и структурных превращений в сплавах СОКИРНЕ"95". - Сокирне (Украина). 1995. - С. 14-15.

12. Ковальчук А.О. Компютерне моделювання дифузійних процесів у плоскій кристалічній ґратці методом Монте-Карло // Тези Всеукраїнської конференції молодих науковців "Інформаційні технології в науці та освіті" (ІТОН"97). - Черкаси (Україна). 1997. - С. 109.

13. Ковальчук А.О. Моделі початкової стадії реакційної дифузії // Тези Третьої Всеукраїнської конференції молодих науковців "Інформаційні технології в науці, освіті і техніці" (ІТОНТ-2002). - Черкаси. 2002 - С. 21.

14. Kovalchuk A.O. Nonmonotonous Ordering at the Initial Stage of Interdiffusion // Abstract of International Workshop "Diffusion and diffusional phase transformations in alloys" (DIFTRANS"98). - Cherkasy (Ukraina). 1998. - P. 109.

15. Kovalchuk A.O. Correlations of Fluctuations of Order Parameters in Binary Stoichiometric Alloy in Equilibrium // Abstract of International Workshop "Diffusion in Materials" (DIMAT"2000). - Paris (France). 2000. - P. 118.

16. Kovalchuk A.O. MC MODELLING OF THE FIRST ORDER TRANSITION DURING THE DECOMPOSITION OF THE SUPERSATURATED SOLID SOLUTION AND IN THE REACTIVE DIFFUSION PROCESS IN BINARY ALLOY // Abstract of International Workshop "Diffusion and diffusional phase transformations in alloys" (DIFTRANS"2001). - Cherkasy (Ukraina). 2001. - P. 72.