Розробка методики вимірювання крайових кутів змочування для конденсованих плівок металів і сплавів з використанням просвічуючої мікроскопії. Вивчення змочування в острівцевих плівках металів у залежності від розміру частинок і товщини плівок-підкладок.
При низкой оригинальности работы "Змочування, поверхнева енергія і фазові переходи рідина  кристал в одно - і двокомпонентних конденсованих плівках", Вы можете повысить уникальность этой работы до 80-100%
Так, наприклад, у 1960 році було виявлено ефект зміни механізму конденсації плівок на підкладці з градієнтом температур. Фізичне обґрунтування ефекту довгий час було предметом дискусії, але в результаті показано, що температура зміни механізму конденсації відповідає переохолодженню, яке необхідне для кристалізації рідких острівків на підкладці в даних умовах експерименту. На сьогодні експериментальні і теоретичні дослідження проводяться широким фронтом в різних напрямках фізики і хімії твердого тіла Особливе місце серед ультрадисперсних систем (їх називають також нанодисперсними системами) займають обєкти, у яких інтервал розмірів частинок або інших структурних одиниць складає 10-102 нм. Нарешті, формування частинок, розмір яких суттєво менший 10 нм, тісно повязано з кінетикою утворення зародків і наступною кристалізацію, оскільки приблизно саме такі розміри мають критичні зародки нової фази. На підставі аналізу експериментальних досліджень процесів змочування у високодисперсних системах типу "мікрокрапля - хімічно інертна підкладка", "мікрокрапля - плівка змінної товщини - підкладка” і “мікрокрапля - вільна аморфна карбонова плівка" вперше показано, що виявлений автором раніше розмірній ефект змочування у системі Sn/С має загальний характер і полягає у зменшенні кута змочування як при зменшенні розміру частинок In, Ві, Pb, Au, так і при зменшенні товщини плівок (підкладок) для систем In/С, Sn/С, Pb/С відповідно.У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації і розглянуто суть проблеми, яка досліджується. Наведено інформацію про особистий внесок здобувача, відомості про апробацію роботи, публікації і структуру дисертації. Розглянуто теоретичні моделі плавлення малих частинок, експериментальні методи і результати досліджень залежності температури плавлення малих частинок від їхнього розміру. З даних наукової літератури випливає, що з експериментів по плавленню малих частинок можна одержати відомості про ПЕ мікрочастинок або про МФЕ границі кристал - власний розплав. Розглянуто також результати експериментів по кристалізації однокомпонентних високодисперсних металевих розплавів з переохолодженого стану.Розглянуто і обґрунтовано ЕМ методики, застосовані для визначення крайових кутів змочування мікрокраплями твердих підкладок, використання яких дозволило досліджувати змочування в острівцевих плівках у широкому інтервалі кутів змочування (q900) і розмірів частинок від 3 нм до 105 нм і більших. Результати дослідження кінетики випаровування частинок у вакуумі свідчать про те, що параметр a також залежить від їхнього розміру, тому оцінені з експериментів значення параметра a для Pb і Au у табл. Для системи Pb/Ni/NACL (001) в інтервалі товщин плівок 5 нм? 40 нм, тобто при малих товщинах проміжного шару величина ?q набуває значень, які відповідають змочуванню масивної підкладки NACL, а при великих товщинах нікелевого шару кут ?q близький до кутів змочування свинцем компактного нікелю. При ЕМ дослідженнях профілів металевих крапель виявлено розходження у формі міжфазної границі "мікрокрапля - підкладка" для частинок, сконденсованих на вільні плівки і на плівки, що знаходяться на твердій поверхні. Величина прогину плівки (ступінь її деформації) залежить від її товщини і не залежить від розміру мікрокрапель у межах 30? 30 нм для систем In/C, Sn/C і Pb/C узгоджуються з даними, визначеними при вивченні розмірного ефекту при змочуванні з високодисперсною рідкою фазою (табл.У дисертації вирішено наукову проблему щодо встановлення загальних закономірностей фазових переходів рідина «кристал у високодисперсних конденсованих плівках однокомпонентних (In, Sn, Ві, Pb, Al, Ag, Au, Cu, Fe, Со, Ni) і двокомпонентних (Ві-Sb, Ві-Sn, Ві-Pb) металевих систем і їх звязку з розмірним ефектом, а також з поверхневими явищами на межі розподілу твердої і рідкої фаз. У роботі експериментально досліджено загальні закономірності плавлення і кристалізації наночастинок різних металів і бінарних сплавів, визначено вплив характерного розміру, ступеня змочування, а також домішок на переохолодження при кристалізації і поверхневу енергію конденсованих плівок. Основні наукові результати: Вперше на підставі одержаних експериментальних результатів і аналізу літературних джерел показано виконання закону відповідних станів при плавленні і кристалізації наночастинок різних металів (In, Sn, Ві, Pb, А1, Ag, Au, Cu, Fe, Со, Ni, Pt), який проявляється у тому, що у зведених координатах "TR/Ts - R/Ra", фазові стани наночастинок металів описуються загальною діаграмою “температура - розмір”. Із діаграми випливає: а) - зменшення температурного гістерезису при фазовому переході рідина«кристал зі зменшенням розміру наночастинок і наближення його до нуля для наночастинок критичного розміру; На прикладі острівцевих плівок вісмуту вперше встановлено залежність граничної температури кристалізації переохолоджених наночастинок від розміру і визначено розмірну залежність температурного гістерезису при фазових переходах рідина «криста
План
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
Вывод
У дисертації вирішено наукову проблему щодо встановлення загальних закономірностей фазових переходів рідина « кристал у високодисперсних конденсованих плівках однокомпонентних (In, Sn, Ві, Pb, Al, Ag, Au, Cu, Fe, Со, Ni) і двокомпонентних (Ві-Sb, Ві-Sn, Ві-Pb) металевих систем і їх звязку з розмірним ефектом, а також з поверхневими явищами на межі розподілу твердої і рідкої фаз. У роботі експериментально досліджено загальні закономірності плавлення і кристалізації наночастинок різних металів і бінарних сплавів, визначено вплив характерного розміру, ступеня змочування, а також домішок на переохолодження при кристалізації і поверхневу енергію конденсованих плівок. Це вимагало розробки нових експериментальних методик і комплексного дослідження поверхневих явищ і процесів кристалізації в конденсованих плівках вказаних металів і бінарних систем в інтервалі розмірів частинок від одиниць до сотень нанометрів. Основні наукові результати: Вперше на підставі одержаних експериментальних результатів і аналізу літературних джерел показано виконання закону відповідних станів при плавленні і кристалізації наночастинок різних металів (In, Sn, Ві, Pb, А1, Ag, Au, Cu, Fe, Со, Ni, Pt), який проявляється у тому, що у зведених координатах "TR/Ts - R/Ra", фазові стани наночастинок металів описуються загальною діаграмою “температура - розмір”. Із діаграми випливає: а) - зменшення температурного гістерезису при фазовому переході рідина«кристал зі зменшенням розміру наночастинок і наближення його до нуля для наночастинок критичного розміру;
б) - зміна характеру фазового переходу рідина « кристал для наночастинок критичного розміру: із дискретного він стає неперервним.
На цій підставі запропоновано критичний розмір Rc розглядати як межу між наночастинками і кластерами.
2. На прикладі острівцевих плівок вісмуту вперше встановлено залежність граничної температури кристалізації переохолоджених наночастинок від розміру і визначено розмірну залежність температурного гістерезису при фазових переходах рідина « кристал. Це дозволило встановити критичний розмір наночастинок, нижче якого кристалізація проходить без переохолодження, а фазовий перехід рідина«кристал із дискретного стає неперервним. Критичній точці при кристалізації наночастинок вісмуту на аморфній карбоновій підкладці відповідає температура Tc»310±5 К і розмір Rc»2-3 нм”.
Показано, що міжфазна енергія кристал - власний розплав зменшується, починаючи з розмірів наночастинок ~20-25 нм і це є основною причиною зменшення енергетичного барєру при кристалізації, а також приводить до залежності температури кристалізації переохолоджених частинок від їх розміру.
3. На підставі одержаних у роботі результатів і аналізу даних, які є в наукових працях про величини переохолоджень при кристалізації показано, що як для острівцевих плівок металів (In, Sn, Ві, Pb, Ag, Au, Cu, Fe, Со, Ni, Pt), так і для плівок двохкомпонентних сплавів (Ві-Pb і Ві-Sb) величина максимального відносного переохолодження при кристалізації в умовах наближення до гомогенного зародження гранично складає »0,4 TS. Досягнуті експериментально граничні величини відносних переохолоджень для різних металів і бінарних сплавів в даний час лежать у інтервалі (0,33-0,38) Ts.
4. Із використанням експериментальних даних, одержаних при дослідженнях плівок змінного складу і змінного стану, побудовані фазові діаграми “температура - склад” для конденсованих плівок бінарних систем Ві-Sb, Ві-Sn і Ві-Pb товщиною 100 нм і більше, показана їх відповідність фазовим діаграмам масивних зразків. Встановлено, що при зменшенні товщини плівок у результаті розмірного ефекту фазова діаграма бінарної системи зміщується в область більш низьких температур, зберігаючи при цьому загальні контури. Виконано аналіз еволюції фазових діаграм різного типу в результаті проявлення розмірного ефекту.
5. На основі виконаних експериментальних досліджень змочування у високодисперсних системах типу "мікрокрапля - підкладка" і "мікрокрапля - тонка вільна плівка" вперше показано, що розмірний ефект при змочуванні, виявлений нами раніше для системи Sn/С, має загальний характер і проявляється в залежності крайового кута змочування від розміру частинок або від товщини вільної плівки. Проведено теоретичний опис розмірного ефекту при змочуванні і встановлено, що для систем "мікрокрапля - підкладка" він обумовлений залежністю від розміру поверхневої енергії краплі і міжфазної енергії межі "мікрокрапля - підкладка", а для систем "мікрокрапля - тонка вільна плівка" розмірна залежність крайового кута змочування визначена ступенем деформації плівки мікрокраплею.
6. На основі аналізу результатів досліджень процесів плавлення і кристалізації, випаровування і змочування в конденсованих плівках вперше одержано дані про розмірну для наночастинок Pb, Au і температурну залежності поверхневої енергії для In, Sn, Ві, Pb, Al, Au, Pt і їх поверхневих характеристик. Установлено загальну закономірність, яка свідчить про те, що температурна залежність поверхневої енергії металів відхиляється від лінійної при наближні до температури плавлення, що повязано з підвищенням концентрації вакансій. Показано, що розмірна залежність поверхневої енергії наночастинок стає помітною при розмірах наночастинок менше ніж 10 нм, а міжфазна енергія у межах "кристал - власний розплав" і "мікрочастинка - підкладка" зменшується при розмірах 20-25 нм. У обох випадках для наночастинок розміром 3-5 нм зменшення поверхневої і міжфазної енергії складає (0,65-0,7) від значення, характерного для масивного зразка.
7. Розроблено, обґрунтовано і апробовано нові методики досліджень різних фізичних характеристик конденсованих плівок металів і сплавів. Серед них основні: - визначення величин переохолодження при кристалізації конденсованих плівок бінарних систем різної дисперсності на основі даних щодо механізму їх конденсації у вакуумі на підкладку з градієнтом температур, - визначення температури обєкта при дослідженні кінетики випарювання острівцевих плівок при нагріванні їх в електронному мікроскопі, - електронно-мікроскопічні методики вимірювання крайових кутів змочування для мікрокрапель розміром від 3 нм і більше.
Список литературы
Поверхностные явления и фазовые превращения в конденсированных пленках / Гладких Н.Т., Дукаров С. В., Крышталь А. П., Ларин В. И., Сухов В.Н., Богатыренко С. И. / Под ред. проф. Н. Т. Гладких. - Харьков: ХНУ имени В.Н.Каразина, 2004. - 274 с.
Размерный эффект при смачивании островковыми пленками висмута и свинца углеродных подложек / Н.Т. Гладких, С.П. Чижик, В.И. Ларин, С.В. Дукаров, Л.К. Григорьева, И.В. Кудрик., В.Д. Фролов // Изв. АН СССР. Сер. Металлы. - 1981, № 4. - C. 96-103.
Переохлаждение при кристаллизации металлов в островковых пленках / Н.Т. Гладких, С.П. Чижик, В.И. Ларин, Л.К. Григорьева, В.Н. Сухов // Изв. АН СССР. Сер. Металлы.-1982, №5.- С. 196-212.
Определение поверхностной энергии малых частиц и ее размерной зависимости / Н.Т. Гладких, В.И. Ларин, С.В. Степанова, С.В. Чмель // Адгезия расплавов и пайка материалов. - К.: Наукова думка, 1983, № 13. - C. 37-40.
Гладких Н.Т., Ларин В.И., Сухов В.Н. Переохлаждение при кристаллизации Fe, Co и Ni на Al203 подложках. // Адгезия расплавов и пайка материалов.- К.: Наукова думка, 1983, № 12.- C. 28-32.
Смачивание свинцом пленок никеля различной толщиниы на кремниевой подложке / Н.Т. Гладких, В.И. Ларин, С.В. Дукаров, С.П. Чижик, Л.К. Григорьева // Адгезия расплавов и пайка материалов. - К.: Наукова думка, № 13. - 1984. - C. 27-28.
Методы определения краевых углов смачивания / Н.Т. Гладких, С.П. Чижик, В.И. Ларин, Л.К. Григорьева, С.В. Дукаров // Поверхность. Физика, химия, механика. - 1985. - №11. - С. 124-131.
Размерные эффекты при смачивании в ультрадисперсных системах / Н.Т. Гладких, С.П. Чижик, В.И. Ларин, Л.К. Григорьева, С.В. Дукаров // Поверхность. Физика, химия, механика . - 1985. - №12. - С. 111-121.
Размерные явления при фазовом переходе жидкость-кристалл / Н.Т. Гладких, С.П. Чижик, Л.К. Григорьева, Р.Н. Куклин, В.И. Ларин // Журнал экспериментальной и теоретической физики.- 1985 - T. 88. - C. 1706-1717.
Переохлаждение при кристаллизации двухкомпонентных сплавов в конденсированных пленках / Н.Т. Гладких, С.П.Чижик, В.И. Ларин, Л.К. Григорьева, В.Н. Сухов // Докл. АН СССР.- 1985.- Т. 282, №6.- C. 1367-1370.
Исследование двухкомпонентных диаграмм состояния с применением конденсированных пленок / Н.Т. Гладких, С.П. Чижик, В.И. Ларин, Л.К. Григорьева, В.Н. Сухов // Докл. АН СССР.- 1985.- Т. 280, №4.- C. 858-861.
Изучение диаграмм состояния системы висмут-сурьма в тонких пленках / А.В. Кузниченко, В.И. Ларин, В.Н. Сухов, А.Л. Самсоник, В.И. Майстренко, Т.И. Боровская // Вестник ХГУ.- 1986.- № 289, - С. 41-45.
Переохлаждение при кристаллизации в конденсированных пленках двухкомпонентных сплавов / Н.Т. Гладких, С.П. Чижик, В.И. Ларин, Л.К. Григорьева, В.Н. Сухов // Докл. АН СССР.- 1987.- Т.297, №1.- C. 84-88.
Исследование структуры двойных сплавов в конденсираванных пленках / Н.Т. Гладких, С.П. Чижик, В.И. Ларин, Л.К. Григорьева, А.Л. Самсоник, В.Н. Сухов // Известия АН СССР. Сер. Металлы. - 1987, №1. - С. 176-184.
Гладких Н.Т., Ларин В.И., Дукаров С.В. Размерный эффект при смачивании островковыми конденсатами металлов свободных углеродных пленок // Адгезия расплавов и пайка материалов. - К.: Наукова думка, 1987, № 19. - C. 36-42.
Диаграммы состояния бинарных сплавов в конденсированных пленках / Н.Т. Гладких, С.П. Чижик, В.И. Ларин, Л.К. Григорьева, В.Н. Сухов // Докл. АН СССР.- 1988.- Т. 300, №3.- C. 588-592.
Переохлаждение при кристаллизации бинарных сплавов в конденсированных пленках / Н.Т. Гладких, С.П. Чижик, В.И. Ларин, Л.К. Григорьева, В.Н. Сухов, Н.А. Макаровский // Известия АН СССР. Сер. Металлы. - 1989, №5.- С. 44-51.
Размерная и температурная зависимости поверхностного натяжения ультрадиперсных металлических частиц / Н.Т. Гладких, Л.К. Григорьева, С.В. Дукаров, В.Е. Зильберварг, В.И. Ларин., Л.Є. Нагаев, С.П. Чижик // Физика твердого тела. - 1989. - T. 31, в. 5. - C. 13-22.
Поверхностные явления и фазовые превращения в конденсированных пленках / Н.Т. Гладких, С.В. Дукаров, В.И. Ларин, В.Н. Сухов // “Физико-химические, структурные и эмиссионные свойства тонких пленок и поверхности твердого тела”. Тематич. сб. научн. трудов под ред. акад. Находкина Н.Г. - К.: УМК ВО. -1992. - С. 184-200.
Гладких Н.Т., Ларин В.И., Сухов В.Н. Диаграммы состояния и переохлаждение при кристаллизации бинарных сплавов в конденсированных пленках. (I. Диаграммы состояния) // Расплавы. - 1993, №3. - С. 29-39.
Гладких Н.Т., Ларин В.И., Сухов В.Н. Диаграммы состояния и переохлаждение при кристаллизации бинарных сплавов в конденсированных пленках. (II. Переохлаждение при кристаллизации) // Расплавы. - 1993, №5. - С. 8-16.
Gladkich N.T., Larin V.I., Majboroda S.A. Influence of size on the supercooling in the crystallization of bismuth island films // Cryst. Res. Technol. - 1994. - V. 29. - P. 51-59.
Гладких Н.Т., Ларин В.И., Дукаров С.В. Температурная зависимость поверхностной энергии твердых тел // Функциональные материалы. - 1994.- Т. I, №2.- С. 50-54.
Ларин В.И. Особенности фазового перехода жидкость“«кристалл в островковых пленках // Вістник ХДУ. Сер. Фізика. - 1998. - №418. - C. 70-73.
Фазовые диаграммы в конденсированных пленках / Н.Т. Гладких, В.И. Ларин, А.В Кунченко, В.И. Лазарев, А.Л. Самсоник, В.Н. Сухов // ВАНТ. - 1998. - в. 2(3), 3(4).- С. 47-56.
Size Effect upon Solidification of Small Bismuth Particles / N.T. Gladkich, O.P. Krystal, S.V. Dukarov, V.I. Larin // The Phys. of Metals and Metallurg. -1998. - V. 85, №5.- P. 536-541.
Larin V.I. Capillary characteristycs of thin films and small particles // Functional materials. - 1998. -V.5, №2. - P. 145-163.
Larin V.I. Determination of surface energy from kinetics of theire evaporation // Functional Materials. - 1998. - V. 5, №1. - P. 104-108.
A Method of Studying Phase Diagrams of Binarry Systems / N.T. Gladkich, V.I. Larin, A.V. Kunchenko, V.I. Lazarev, A.L. Samsonik, V.N. Sukhov // Functional Materials. - 1999. - V. 6, №.5. - C. 958-963.
Larin V.I., Borodin A. Dimentional effect at wetting in Au-C system // Functional Materials. - 2001. - V. 8, №2. - P. 1-5.
Гладких М.Т., Ларін В.i., Кришталь О.П. Про розмірну залежність поверхневої енергії наночастинок // Фізика і хімія твердого тіла. - 2001.- Т. 2, №3. - С. 395-400.
Дослідження бінарних фазових діаграм з використанням конденсованих плівок змінного складу та змінного стану / М.Т. Гладких, О.В. Кунченко, В.І. Ларін, В.І. Лазарєв, О.Л. Самсонік, В.М. Сухов // Фізичний збірник НТШ. - 1998. - T.3. С. 389-395.
Способ получения диаграмм состояния двухкомпонетных сплавов; А.С. 1-1206664 А СССР, МКИ В 25. Гладких Н.Т., Чижик С.П., Ларин В.И., Григорьева Л.К., Сухов В.Н., Куклин Р.Н. 3717767/24-25(041156); Заявлено 02.04.1984; Опубл. 23.01.86, Бюл. №3 - C. 166.
Гладких Н.Т., Ларин В.И., Степанова С.В. In situ исследование испарения малых частиц // Тез. докл. Х11 Всес. конф. по электронной микроскопии. - М.: Наука - 1982. - C. 288.
Применение электронной микроскопии для исследования смачивания в высокодисперсных системах / Н.Т. Гладких, В.И. Ларин, С.В. Степанова, С.В. Дукаров // Тез. докл.XII Всес. конф. по электронной микроскопии. - М.: Наука - 1982. - C. 188 - 189.
Ларин В.И. Размерные эффекты поверхностных явлений в конденсировыанных пленках // Тез. докл. II Вс. конф."Физика и технология тонких пленок". - Ивано-Фр.: изд ПИ - 1984. - C. 16.
Фазовый размерный эффект в конденсированных пленках металлов и сплавов / Н.Т. Гладких, В.И. Ларин, С.П. Чижик, Л.К. Григорьева, А.Л. Самсоник, В.Н. Сухов // Матер.1У Вс. симпозиума "Свойства малых частиц и островковых металлических пленок. - К: "Наукова думка" - 1985. - C. 165-166.
Переохлаждение при кристаллизации малых частиц висмута / Н.Т. Гладких, В.И. Ларин, С.В. Дукаров, А.П. Крышталь // Materials of VI International Conference “Physics and Tecnology of thin Films” (ICPTTF-VI).- Івано-Франківськ: вид. ПЛАЙ. - 1997.- ч.II.- C. 62.
Особенности исследования бинарных фазовых диаграмм в конденсированных пленках / Н.Т. Гладких, В.И. Ларин, В.И. Лазарев, А.В. Кунченко, А.Л. Самсоник, В.Н. Сухов // Materials of VI International Conference “Physics and Tecnology of thin Films” (ICPTTF-VI). - Івано-Франківськ: вид. ПЛАЙ.- 1997, ч.1. - C. 58.
Гладких Н.Т., Ларин В.И. Поверхностная энергия ультрадисперсных металлических частиц // Материалы 3-й Международной конференции “Физические явления в твердых телах” (к 80-летию академика И.М. Лифшица). - Харьков: изд ХГУ - 1997. - C. 172.
Фазовые диаграммы бинарных конденсированных пленок / Н.Т. Гладких, В.И. Ларин, В.И. Лазарев, А.В. Кунченко, А.Л. Самсоник, В.Н. Сухов // Материалы 3-й Международной конф. “Физические явления в твердых телах” (к 80-летию академика И.М. Лифшица). - Харьков: изд. ХГУ; 1997. - C. 173.
В.И. Ларин. Поверхностная энергия наночастиц // Materials of VIII International Conference “Physics and Tecnology of thin Films” (ICPTTF-VIII). - Ivanovo- Francivsk: вид. ПЛАЙ.- 2001.- P. 21-22.
Ларин В.И. Капиллярные характеристики тонких пленок и малых частиц // Материалы 6-й Международной конференции “Физические явления в твердых телах” - Харьков: изд. ХНУ.- 2003. - С. 26.
Размерные эффекты в диаграммах состояния двойных систем / В.И. Лазарев, В.И. Ларин, А.Л. Самсоник, В.Н. Сухов // Материалы 6-й Международной конференции “Физические явления в твердых телах”. - Харьков: изд. ХНУ.- 2003. - С. 21.
Larin V.I. Some physical characteristics of nanoparticles // Materials of International Conference “Crystal materials - 2005” - Kharkov, STS Inctitute for Single Crystals. - 2005 - P. 63.
Ларін В.И. Змочування, поверхнева енергія і фазові переходи рідина « кристал в одно - і двокомпонентних конденсованих плівках. -Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.07 - фізика твердого тіла. - Харківський національний університет імені В.Н. Каразіна, Харків, Україна, 2005.
Дисертація присвячена вирішенню проблеми щодо встановлення загальних закономірностей переходів рідина « кристал у плівках одно - (In, Sn, Ві, Pb, Ag, Au, Cu, Fe, Со, Ni, Pt) і двокомпонентних (Ві-Pb і Ві-Sb) металевих систем і їхнього звязку з розмірним ефектом, а також з поверхневими явищами на межі розділу твердої і рідкої фаз. Показано, що при плавленні і кристалізації наночастинок виконується закон відповідних станів. Встановлено, що для наночастинок металів і бінарних сплавів відносне переохолодження при кристалізації в межі складає 0,4 від відповідної температури переходу. Побудовано фазові діаграми "температура - склад" для бінарних плівок і проаналізовані їхні еволюції при зменшенні характерного розміру. Досліджено змочування в системах наночастинка - підкладка різного типу і показано, що розмірний ефект має загальний характер і виявляється у залежності кута змочування від розміру наночастинок (In/C, Sn/C, Pb/C, Si, Bi/C, Au/C) і товщини плівки - підкладки (In/C, Sn/C, Pb/C). На основі узагальнення всіх отриманих даних уперше встановлені і проаналізовані загальні закономірності при плавленні і кристалізації наночастинок низки досліджених металів і плівок бінарних сплавів. Виконано систематику результатів щодо поверхневої енергії наночастинок досліджених металів (In, Sn, Bi, Pb, Al, Au, Pt) її розмірної (Au, Pb) і температурної залежності.
Larin V.I. Wetting, surface energy and liquid « crystal phase transitions in single- and double-component condensed films. - Manuscript.
Dissertation to get the degree of doctor of science in physics and mathematics, specialty 01.04.07 - solid state physics. - V.N. Karazin Kharkiv National Unniversity, Kharkiv, Ukraine, 2005.
The dissertation is devoted to solving the problem of establishing general rules for liquid - crystal transitions in single- (In, Sn, Ві, Pb, Ag, Au, Cu, Fe, Со, Ni, Pt) and double-component (Ві-РЬ і Ві-Sb) metallic systems and their relation to size effect as well as surface phenomena at the solid-liquid interface. The rule of corresponding states is shown to hold under melting and crystallization of nanoparticles. The limiting relative supercooling under crystallization is found to be 40% of the corresponding transition temperature. Temperature-content phase diagrams for binary films are constructed and their evolution on the characteristic size decreasing is followed. Wetting in nanoparticle-substrate systems of various types is studied and shown to possess size effect. It manifests itself in the dependence of wetting angle on nanoparticle size (In/C, Sn/C, Pb/C, Si, Bi/C, Au/C) and film-substrate thickness (In/C, Sn/C, Pb/C). The results are systematized with respect to nanoparticle surface energy of metals under study (In, Sn, Bi, Pb, Al, Au, Pt), their size (Au, Pb) and temperature dependency.
Ларин В.И. Смачивание, поверхностная энергия и фазовые переходы жидкость « кристалл в одно- и двухкомпонентных конденсированных пленках. - Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук по специальности 01.04.07 - физика твердого тела. - Харьковский национальный университет имени В.Н. Каразина, Харьков, Украина, 2005.
Диссертация посвящена решению проблемы установления общих закономерностей фазовых переходов жидкость « кристалл в конденсированных пленках одно- и двухкомпонентных металлических систем и их связи с размерным эффектом, а также с поверхностными явлениями на границе раздела твердой и жидкой фаз. Установлены общие закономерности плавления и кристаллизации наночастиц различных металлов (In, Sn, Bi, Pb, Al, Ag, Au, Cu, Fe, Co, Ni, Pt) и бинарных сплавов (Bi-Sb, Bi-Sn, Bi-Pb). Показано, что при плавлении и кристаллизации наночастиц металлов выполняется закон соответственных состояний: в относительных координатах "температура - размер" данные по плавлению и кристаллизации описываются обобщенной диаграммой, из которой следует зависимость температурного гистерезиса при плавлении и кристаллизации от размера наночастиц и обращение его в нуль для частиц критического размера. На этом основании сделан вывод об из изменении характера фазового перехода - для наночастиц критического размера кристаллизация происходит без переохлаждения, а фазовый переход из дискретного становится непрерывным. Установлено, что при условиях, близких к гомогенному зарождению, для наночастиц металлов и бинарных сплавов относительное переохлаждение в пределе составляет примерно 0,4 от соответствующей температуры перехода (температуры плавления массивного материала либо температуры ликвидуса для бинарных сплавов).
Методом образцов переменного состава и состояния построены фазовые диаграммы "температура - состав" для бинарных пленок (Bi-Sb, Bi-Sn, Bi-Pb) и проанализирована их эволюция приуменьшении характерного размера. Установлено, что для бинарных пленок толщиной 100 нм и более их дпаграммы соответствуют фазовым диаграммам массивных образцов, с уменьшением толщины пленок при t<50 нм их фазовая диаграмма смещается в область более низких температур и этот эффект тем больше, чем меньше толщина. Выполнен термодинамический анализ эволюции фазовых диаграмм бинарных пленочных систем различного типа приуменьшении характерного размера.
Исследовано смачивание в нанодисперсных контактных системах различного типа: "наночастица - подложка" (In/C, Sn/C, Bi/C, Pb/C,Si, Au/C), "наночастица - пленка переменной толщины - подложка" (Pb/Ni/NACL (001) и Pb/Ni/Si (111)) и "наночастица - свободная пленка переменной толщины" (In/C, Sn/C и Pb/C). Установлено, что размерный эффект при смачивании имеет общий характер и проявляется в зависимости краевого угла смачивания от размера частиц и толщины пленки - подложки. Выполнено теоретическое описание размерного эффекта при смачивании для систем "наночастица - подложка" с учетом размерной зависимости поверхностной энергии собственно микрокапли и межфазной энергии микрокапля - подложка. Определены межфазные энергии границ "наночастица - подложка" исследованных систем и их размерные зависимости. Показано, что размерный эффект при смачивании в системах "наночастица - пленка переменной толщины - подложка" обусловлен деформацией пленки каплей, степень которой зависит от толщины пленки. Это позволило определить величину поверхностной энергии пленок аморфного углерода толщиной 5 - 15 нм.
По данным исследований кинетики испарения малых частиц получены сведения о размерной зависимости поверхностной энергии наночастиц Pb и Au. С использованием результатов по плавлению наночастиц различных металлов (In, Sn, Bi, Pb, Al, Au, Pt) определены их поверхностные энергии в твердой фазе и их температурные зависимости в интервале (0,6-1)Ts. Установлена общая закономерность для температурной зависимости поверхностной энергии наночастиц исследованных металлов в твердой фазе: в области предплавильных температур (0,8-1)Ts температурный коэффициент поверхностной энергии нелинейно возрастает по модулю, что обусловлено возрастанием концентрации вакансий.
На основе обобщения всех полученных данных впервые установлены и проанализированы общие закономерности при плавлении и кристаллизации наночастиц различных исследованных металлов и бинарных сплавов. Выполнена систематика результатов по смачиванию в наноразмерных системах различного типа, а также поповерхностной энергии наночастиц металлов, ее размерной и температурной зависимости.
