Перколяція та фазові перетворення в аморфному вуглецi - Автореферат

Велика різноманітність форм аморфного вуглецю дає можливість його використання в різних галузях. На думку ряду авторів, осадження кластерів вуглецю може бути використане для одержання нового класу пористих матеріалів з цікавими функціональними властивостями. Форму вуглецю, що являє собою матеріал, в якому вуглецеві наноструктури впроваджені в аморфний вуглець, називають наноструктурним аморфним вуглецем. Для того, щоб знайти нові шляхи керування структурою та фізичними властивостями різноманітних разупорядкованих форм вуглецю, визначити граничні умови їхньої стійкості і потенційні області застосування, необхідно розуміти природу властивостей аморфного вуглецю і мікроскопічних процесів, що відбуваються в ньому. Мета дослідження: перевірити гіпотезу існування фазового переходу в аморфному вуглецю і вивчити його, використовуючи методи теорії перколяції, розвинути методи опису наноструктурних пористих матеріалів.В цьому розділі описана також історія розвитку атомного опису механізму осадження амлазоподібного аморфного вуглецю, викладені літературні дані, що підтверджують актуальність питання про існування фазового переходу в аморфному вуглеці. Уперше алмазоподібний аморфний вуглець був отриманий у вигляді тонкої плівки шляхом осадження іонів вуглецю (ion beam deposition) [I]. Використовуючи методи осадження атомів або іонів з енергіями від 10 до 1000 ЕВ, можна одержувати плівки і покриття з аморфного вуглецю із широким діапазоном властивостей. Наприклад, для дослідження фазових перетворень в аморфному вуглеці, необхідно проводити експерименти при високих значеннях температури й тиску (більш 1000 К и 5 ГПА, відповідно). Крім класичного молекулярно-динамічного моделювання аморфного вуглецю було проведено моделювання по методу сильних звязків (tight binding:TB).Розроблена модель і проведено моделювання процесу формування наноструктурних матеріалів методом осадження пучків кластерів атомів різного розміру. Показано, що щільність структур плівок, що відтворюються моделлю, може змінюватися від 0,14 до 0,47. Шорсткість поверхні плівок, що утворюються, виявляє скейлінг по висоті h плівки: . Одержані результати якісно погоджуються з експериментальними даними по вирощуванню вуглецевих наноплівок шляхом осадження кластерів вуглецю. Для структур, сформованих кулями рівного радіуса, залежність граничної концентрації провідних куль від координаційного числа поводиться подібно аналогічної залежності для випадку регулярних ґраток.

2. Основний зміст роботи

У дисертаційній роботі за допомогою методів компютерного моделювання проведене дослідження структурних, термодинамічних, динамічних і кінетичних властивостей аморфного вуглецю. Виявлений звязок між фазовими перетвореннями і перколяційними властивостями структур аморфного вуглецю. Основні висновки роботи можна сформулювати у вигляді таких тверджень: 1. Розроблена модель і проведено моделювання процесу формування наноструктурних матеріалів методом осадження пучків кластерів атомів різного розміру. Показано, що щільність структур плівок, що відтворюються моделлю, може змінюватися від 0,14 до 0,47. Шорсткість поверхні плівок, що утворюються, виявляє скейлінг по висоті h плівки: . При зменшенні щільності плівки скейлінговий параметр збільшується з 0,11 до 0,26. Одержані результати якісно погоджуються з експериментальними даними по вирощуванню вуглецевих наноплівок шляхом осадження кластерів вуглецю. Досліджено перколяційні властивості розглянутих структур. Для структур, сформованих кулями рівного радіуса, залежність граничної концентрації провідних куль від координаційного числа поводиться подібно аналогічної залежності для випадку регулярних ґраток.

2. Запропонований новий числовий метод для обчислення транспортних властивостей неоднорідних середовищ і мереж. В цьому методі мережа, розбивається на блоки, що досліджуються окремо. Це дає виграш у швидкості алгоритму і дозволяє застосовувати метод для дослідження нерегулярних мереж. Проведено оцінку ефективності запропонованого методу. Встановлено, що існує оптимальний розмір, що мінімізує час обчислень. Метод дозволяє обчислювати провідність двовимірних і тривимірних систем таких розмірів, що не досягалися раніше широко використовуваними релаксаційними методами. На відміну від релаксаційних методів, описаний метод дає точне значення провідності мережі.

3. Декількома методами визначено час релаксації рідкого вуглецю і знайдена залежність часу релаксації від температури. Визначено температуру склування рідкого вуглецю і знайдена її залежність від тиску. Вперше, в рамках використаної моделі, знайдена залежність температури плавлення алмаза від тиску.

4. Вперше показано, що стійкість кристалітів алмаза, впроваджених у переохолоджену рідину вуглецю, залежить від існування перколяційного кластера сусідніх 4-х координованих атомів. Виявлено, що звязок стійкості кристалітів із протіканням зникає при температурі більш 5000 К. Вперше для визначення стійкості кристалітів алмаза, впроваджених в аморфних вуглець, запропонований перколяційний критерій.

5. Заґартуванням розплаву був змодельований аморфний вуглець. Виявлено особливості на залежностях термодинамічних властивостей аморфного вуглецю від тиску. Вперше показано, що стрибок термодинамічних властивостей аморфного вуглецю спостерігається при тому тиску, при якому утворюється перколяційний кластер 4-х координованих атомів і стрибком змінюються парні корелятори. Одержані результати вказують на існування фазового переходу в аморфному вуглецю.

6. На основі отриманих автором результатів та результатів досліджень інших авторів запропоновано топологічний критерій для визначення алмазоподібного вуглецю: аморфний вуглець є алмазоподібним, якщо в ньому існує перколяційний кластер атомів. Знайдені значення тиску 13 ГПА і концентрації атомів 30-40%, при яких низькокоординований аморфний вуглець переходить у висококоординований, добре погоджуються з експериментом.

Таким чином, у результаті виконання дисертаційної роботи вирішені всі задачі поставлені перед здобувачем.

1. Simulation of cluster-assembled nanostructured materials / M.S. Byshkin, A.S. Bakai, N.P. Lazarev, A.A. Turkin // Cond. Matt. Phys. - 2003. - V.6, №1. - P. 93-104.

2. Byshkin M.S. A new method for the calculation of the conductivity of inhomogeneous systems / M.S. Byshkin, A.A. Turkin // J. Phys. A. - 2005. - V. 38. - P. 5057-5067.

3. Byshkin M.S. Molecular dynamics simulation of phase transitions in liquid carbon / M.S. Byshkin, A.S. Bakai, A.A. Turkin // Problems of Atomic Science and Technology. - 2007. - № 3(2). - P. 363-367.

4. Бышкин М.С. Перколяция и фазовый переход в аморфном углероде. Молекулярно-динамическое моделирование / М.С. Бышкин, А.С. Бакай, А.А. Туркин // Вісник ХНУ. - 2007. - № 781. - С. 81-87.

5. Компьютерное моделирование синтеза гетерофазных структур при осаждении атомных кластеров / А.С. Бакай, М.С Бышкин, Н.П. Лазарев, А.А. Туркин // Алмазные пленки и пленки родственных материалов: 5-й международный симпозиум, 2002 г.: сб. тр. - Х.: Харьковский физикотехнический институт, 2002. - С. 65-72.

6. Бышкин М.С. Фазовые превращения в аморфном углероде / М.С. Бышкин, А.С. Бакай, А.А. Туркин // Нанотехнологическая Ассамблея, 2007 г.: сб. тр. - Х.: Харьковский физикотехнический институт, 2007. - Т. 2. - С. 90-95.

Размещено на .ru