Размещено на http://www.allbest.ru/

Харківський національний університет ім. В. Н. Каразіна

УДК 538.975

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук

Зміна параметра гратки в острівцевих вакуумних конденсатах

01.04.07 -- фізика твердого тіла

Кришталь Олександр Петрович

Харків 2000

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми дисертації зумовлена тим, що малі частинки, із яких складаються острівцеві конденсати, є основою нанокристалічних матеріалів, які знаходять широке використання в багатьох галузях науки і техніки. В острівцевих конденсатах через малість характерного розміру (розмір острівців) властивості можуть змінюватися в таких широких межах, яких неможливо досягти на звичайних масивних зразках.

Однією з найважливіших характеристик малих частинок є величина параметра кристалічної гратки, яка відрізняється від значень цієї ж величини, характерних для масивних зразків. Ці відмінності можуть бути зумовлені як геометричним розміром (розмірний ефект), так і різноманітними фізико-технологічними умовами одержання таких об'єктів і особливостями їх наступних обробок. Тільки врахування впливу усіх факторів дозволить виявити, коли відмінність у величині параметра гратки зумовлена розмірним ефектом, а коли іншими причинами, наприклад, домішками.

З досліджень зміни параметра в малих частинках, і зокрема в острівцевих конденсатах, є достатня кількість праць. Але, на жаль, ці результати не завжди однозначні, що проявляється в тому, що для одних і тих же речовин спостерігається як збільшення, так і зменшення параметра гратки при зменшенні характерного розміру частинок. Це утруднює використання накопичених даних та їх однозначну інтерпретацію, яка відсутня до цього часу, оскільки в останні роки була показана неправомірність використання для пояснення зменшення параметра гратки в малих частинках найбільш поширеної у літературних джерелах концепції лапласового тиску. Усе це вказує на необхідність систематичних досліджень впливу різних чинників на зміну параметра гратки в малих частинках та пошук відповідного механізму, який давав би можливість несуперечливо описати розмірну залежність параметра гратки елементів з різним характером сил зв'язку.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Виконана робота пов'язана з дослідженнями, які проводяться на кафедрі експериментальної фізики фізичного факультету ХНУ ім. В.Н.Каразіна за такими НДР:

1) Поверхневі явища, фазові перетворення та структура в конденсованих плівках (номер держреєстрації 0197U002487);

2) Структура та поверхневі явища в острівцевих плівках металів і сплавів (номер держреєстрації 0197U008108);

3) Фазові діаграми бінарних сплавів в конденсованих плівках (номер держреєстрації 0194U18999).

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є електронографічне дослідження характеру зміни параметра гратки в малих частинках в острівцевих конденсатах ГЦК металів (Cu, Ag, Au, Al, Ni) в залежності від розміру частинок та умов їх формування при термічному випаровуванні та магнетронному розпиленні і з'ясування можливого механізму розмірної зміни параметра гратки.

Для цього необхідно було розв'язати такі задачі:

провести детальні дослідження зміни параметра гратки в острівцевих вакуумних конденсатах ГЦК металів при зміні у широких межах розміру частинок та умов їх формування;

з'ясувати характер зміни параметра гратки, обумовлений малістю розміру та іншими факторами;

порівняти отримані результати з наявними в літературі та з'ясувати причини протиріч між ними;

обгрунтувати можливий механізм розмірної залежності параметра гратки в нанооб'єктах та проаналізувати правомірність його використання для пояснення зміни параметра гратки частинок у досліджених острівцевих вакуумних конденсатах.

Наукова новизна отриманих результатів.

Уперше проведені електронографічні дослідження параметра гратки в острівцевих вакуумних конденсатах міді, срібла, золота, алюмінію та нікелю при зміні в широких межах умов їх конденсації при термічному випаровуванні та магнетронному розпиленні. Показано, що параметр гратки в малих частинках в залежності від умов їх формування може як зменшуватися, так і збільшуватись при зменшенні розміру частинок.

Встановлено, що в острівцевих конденсатах усіх досліджених металів, препарованих в умовах, коли вплив газових домішок зведено до мінімуму, параметр гратки зменшується при зменшенні розміру частинок.

Показано, що зменшення параметра гратки в малих частинках досліджених металів зумовлено збільшеною в порівнянні з масивними зразками концентрацією вакансій в них.

На підставі термодинамічного аналізу зниження температури плавлення малих частинок отримано вираз для обчислення об'єму вакансії та виконані оцінки об'єму вакансії для ряду елементів з різними типами кристалічної структури та характером сил зв'язку. Отримані дані разом з наявними в літературі свідчать про те, що якщо об'єм вакансії менший ніж об'єм атома, то параметр гратки зменшується, а якщо він більший ніж об'єм атома, то параметр гратки збільшується при зменшенні розміру частинок.

На основі аналізу експериментальних даних, які свідчать про зниження температури плавлення та зменшення параметра гратки малих частинок, показано, що енергія утворення об'ємних та поверхневих вакансій зменшується при зменшенні розміру частинок і при деякому їх розмірі (~1нм) енергія утворення об'ємних вакансій стає рівною енергії утворення поверхневих вакансій, тобто при зменшенні розміру частинок всі вакансії по своїм енергетичним характеристикам вже є поверхневими. Це вказує на те, що зменшення параметра гратки в частинках ГЦК металів, які досліджувались, зумовлено переважно поверхневими та приповерхневими вакансіями.

Отримані дані про поверхневу енергію та її розмірну залежність для частинок міді, срібла, золота, алюмінію та нікелю.

Практичне значення отриманих результатів. Результати досліджень зміни параметра гратки в малих частинках в острівцевих конденсатах ряду ГЦК металів можуть бути використані в різноманітних галузях науки і виробництва - фізиці і хімії малих частинок, матеріалознавстві, мікроелектроніці, оптиці тонких плівок, оптоелектроніці та інших і розширюють знання про природу та можливі механізми структурних розмірних ефектів. Отримані результати про розмірну залежність енергії утворення об'ємних та поверхневих вакансій важливі для розуміння релаксаційних процесів у нанодисперсних матеріалах та для прогнозування їх дифузійної активності для випадків, коли дифузія реалізується за вакансійним механізмом (наприклад, для пояснення початкових стадій спікання нанодисперсних порошків).

Розроблений метод прецизійного визначення параметра гратки з використанням двох еталонів може бути застосований для вимірювання параметра гратки різних нанодисперсних матеріалів за допомогою дифракції електронів.

Отриманий вираз для визначення об'єму вакансії може бути використаний для швидкої оцінки об'єму вакансії та при читанні спецкурсів, в яких розглядаються дефекти в твердих тілах.

Розвинуті в роботі уявлення про вакансійний механізм можуть бути використанні при дослідженні та інтерпретації результатів з дифузійної активності нанооб'єктів та наноматеріалів, зокрема і вакуумних конденсатів (як острівцевих так і полікристалічних суцільних). Ці уявлення можуть бути також поширені на пояснення ряду властивостей острівцевих плівок з різною структурою та типом сил зв'язку, наприклад, зміни параметра гратки в малих частинках кріокристалів (Ar, Kr, Ne, Xe).

На захист виносяться такі конкретні наукові результати і положення.

Результати систематичного дослідження зміни параметра гратки малих частинок в острівцевих вакуумних конденсатах (Cu, Ag, Au, Al та Ni), отриманих шляхом термічного випаровування та магнетронного розпилення, які вказують на те, що параметр гратки в малих частинках у залежності від умов їх препарування може як зменшуватися, так і збільшуватися при зменшенні розміру частинок. При цьому для частинок усіх досліджених ГЦК металів в острівцевих плівках, препарованих в умовах, коли вплив газових домішок зведено до мінімуму, параметр гратки зменшується при зменшенні розміру частинок.

Вираз для оцінки об'єму вакансії, який отримано із використанням термодинамічного підходу на підставі аналізу зниження температури плавлення малих частинок та значення величини об'єму вакансії для ряду елементів. Ці результати в поєднанні з наявними в літературі свідчать, що в залежності від співвідношення розміру вакансії та атому параметр гратки буде зменшуватися (об'єм вакансії менший ніж об'єм атому), або збільшуватися (об'єм вакансії більше за об'єм атому) при зменшенні розміру частинок відповідних елементів.

Зменшення параметра гратки в малих частинках ГЦК металів, які досліджувалися, зумовлено збільшеною в порівнянні до масивних зразків концентрацією вакансій в них. При цьому енергія утворення об'ємних та поверхневих вакансій зменшується при зменшенні розміру і при деякому розмірі енергія утворення об'ємних вакансій стає рівною енергії утворення поверхневих вакансій. Відповідно зменшення параметра гратки в малих частинках зумовлено переважно поверхневими та приповерхневими вакансіями.

Особистий внесок здобувача. Результати, які ввійшли до дисертації, надруковані в статтях [1-7] і тезах наукових конференцій [8-15]. У праці [1] здобувач отримав вираз для оцінки об'єму вакансії та обчислив об'єм вакансії для ряду елементів. У праці [2] він отримав експериментальні залежності зміни параметра гратки в острівцевих вакуумних конденсатах Au, Ag, Cu, препарованих шляхом термічного випаровування, та розробив методу двох еталонів для прецизійного вимірювання параметра гратки з використанням дифракції електронів. У праці [3] дисертант описав зміну параметра гратки в рамках вакансійного механізму розмірних ефектів у малих частинках ГЦК елементів. У праці [4] він отримав розмірну залежність енергії утворення вакансій, а у праці [5] показав, що зміна параметра гратки в малих частинках зумовлена переважно поверхневими та приповерхневими вакансіями. У праці [6] дисертант отримав експериментальні залежності зміни параметра гратки в острівцевих конденсатах Al, Cu та Ni, препарованих шляхом магнетронного розпилення, та показав, що ці залежності можуть бути пояснені в рамках вакансійного розмірного ефекту. У праці [7] він показав, що при деякому розмірі в малих частинках об'ємні вакансії за своїми енергетичними характеристиками перетворюються в поверхневі, тобто у малих частинках розміром ~1нм не можна розділити вакансії на об'ємні та поверхневі.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи доповідались на 2-й конференції "Применение персональных компьютеров в научных исследованиях и учебном процессе" (Харьков, 1996), Міжнародній конференції “Физические явления в твердых телах” (к 80-летию академика И.М. Лифшица, Харьков, 1997), VI Міжнародній конференції "Фізика і технологія тонких плівок" (Івано-Франківськ, 1997), International Workshop on Physics and technology of nanostructured, multicomponent materials (Uzhgorod, 1998), VIII International Workshop on Ion Beam Surface Diagnostics (Uzhgorod, 1998), Topical conference on microstructures and surface morphology evolution in thin films (Trieste, Italy, 1999), VII Міжнародній конференції з фізики і технології тонких плівок, (Івано-Франківськ, 1999), 18th European Conference on Surface Science (Vienna, Austria, 1999).

Публікації. Основні результати дисертації опубліковано у 15 працях: з них - 7 статей у наукових журналах і 8 тез доповідей на конференціях.

Структура дисертації. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, висновків і списку використаних літературних джерел із 121 найменувань. Обсяг дисертації складає 126 сторінок, у тому числі 29 рисунків і 7 таблиць.

Основний зміст роботи

гратка острівцевий вакуумний конденсат

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, визначені мета і задачі дослідження, відзначена наукова новизна отриманих результатів, сформульовані основні наукові положення, які виносяться на захист, наукове і практичне значення роботи.

У першому розділі “Особенности структурного и фазового состояния малых частиц” розглянуті особливості структури і фазового стану малих частинок і кластерів, означені межі розмірів, які займають малі частинки в острівцевих плівках, і обговорюється, коли тип їх структури відповідає структурі масивного кристала.

Експериментальні дані про розмірну залежність параметра гратки в малих частках ГЦК металів украй суперечливі. Для одних і тих же самих речовин спостерігалося як збільшення, так і зменшення параметра гратки при зменшенні характерного розміру. Очікується, що для всіх металів повинне спостерігатися зменшення параметра гратки при зменшенні розміру, а його збільшення або сталість пов'язана з впливом домішок. Серед механізмів, які використовуються для пояснення зменшення параметра гратки, широко застосовується концепція поверхневого тиску, однак останнім часом ця концепція зустрічається з серйозними протиріччями. Серед можливих механізмів пояснення ряду властивостей острівцевих плівок перспективним виглядає вакансійний механізм, який грунтується на врахуванні підвищеної концентрації вакансій у малих частинках і який потребує подальшої розробки.

Далі розглядаються наявні в літературі дані стосовно основних характеристик вакансій - об'єму та енергії їх утворення. Оскільки частка поверхневих атомів у малих частинках може досягати декількох десятків відсотків, то внесок поверхневої частини в загальну енергію системи стає визначальним, тому розглядається поверхнева енергія малих частинок, її розмірна залежність. Вказується, що дослідження малих частинок дозволяють одержати інформацію не тільки про поверхневу енергію у твердій фазі, але й про її температурну залежність, що до цього часу не може бути отримано іншими методами.

Другий розділ “Методика проведения экспериментов” присвячений опису установок для препарування острівцевих плівок у різних умовах за методами термічного випаровування і магнетронного розпилення при зміні умов їх формування в широких межах. Описані особливості препарування, електронографічного і електрономікроскопічного досліджень малих частинок в острівцевих плівках із характерним розміром менш ніж 10нм. Запропоновано метод прецизійного визначення параметра гратки острівцевих плівок за допомогою дифракції електронів. Метод грунтується на використанні двох еталонів, що дозволяє уникнути помилок, пов'язаних із нестабільністю прискорючої напруги електронографа, і одержувати спільну дифракційну картину від досліджуваного зразка та еталона приблизно з однаковою інтенсивністю дифракційних ліній.

У третьому розділі “Изменение параметра решетки в островковых конденсатах ГЦК металлов” викладені результати експериментального дослідження з використанням дифракції електронів та електронної мікроскопії острівцевих конденсатів Cu, Ag, Au, Al та Ni, які препаруються шляхом термічного випаровування та магнетронного розпилення при зміні умов конденсації в широких межах (Р=10^-6 - 10^-3 Па і швидкість конденсації V=0.01-4нм/c).

Виявлено, що тип структури частинок, препарованих як з використанням методу термічного випаровування, так і магнетронного розпилення, відповідає структурі масивних кристалів. При цьому параметр гратки малих частинок досліджуваних металів може як збільшуватися, так і зменшуватися в залежності від фізико-хімічних умов препарування плівок (швидкість конденсації/ тиск залишкового газу), а не методу одержання.

Встановлено, що в умовах, коли вплив газових домішок зведено до мінімуму, параметр гратки в малих частинках досліджуваних металів завжди зменшується. Проведено також порівняння отриманих у дисертації експериментальних результатів з існуючими в літературі даними. Виконаний аналіз показав, що збільшення параметра гратки в малих частинках нікелю, відомі з літератури, та тенденція до його збільшення в частинках міді обумовлені газовими домішками, вирішальною із яких є Кисень. Встановлено, що при магнетронному розпиленні Аргон практично не захоплюється у процесі росту острівців і суттєво не впливає на їхню структуру. Аналіз отриманих даних за допомогою відомої концепції поверхневого тиску дає значення величин поверхневої енергії, які помітно відрізняються від літературних.

У четвертому розділі “Вакансионный механизм изменения параметра решетки” обговорюється розмірне зменшення параметра гратки в малих частинках досліджуваних ГЦК металів з використанням вакансійного механізму, який базується на урахуванні збільшеної концентрації вакансій у малих частинках у порівнянні зі значенням у масивних зразках. Оскільки об'єм вакансії V_v відрізняється від об'єму атома , то при концентрації вакансій у малій частинці C_r відносна зміна параметра кристалічної гратки a/a₀ визначається, як показано М.Томпсоном у 1971р., за виразом

, (1)

у якому V_v= - V_v.

Концентрація вакансій в малих частинках, як показано в дисертації, може бути визначена з використанням декількох підходів, які дають однакові результати. Так, можна скористатися аналогією процесів випаровування та утворення вакансії, на яку вказував ще Я.Френкель. Оскільки для сферичної частинки радіуса r енергія випаровування зменшена на величину 4r² ( - питома поверхнева енергія), то для енергії утворення вакансій E_r у малій частинці можна записати вираз

, (2)

де E_v - енергія утворення вакансій.

У зв'язку з тим, що для малих частинок вже сама поверхнева енергія залежить від розміру (в першому наближенні, як _r=(1-/r)), то з урахування (2) вираз для відносного зменшення параметра гратки набуває вигляду

, (3)

де exp(S/k) - множник, пов'язаний зі зміною коливальної ентропії при утворенні вакансії, - поверхнева енергія для масивного зразка, - постійний параметр, що має зміст ширини зони переходу “мала частинка - вакуум”, k - стала Больцмана, T - температура.

Оскільки у вираз для відносної зміни параметра гратки входить об'єм вакансії, в окремому пункті розглянуто питання про його оцінку. На основі аналізу накопичених до цього часу даних за термічними та термодинамічними характеристикам малих частинок отримано вираз для об'єму вакансії (V_v).

При цьому враховувалось, що енергія утворення вакансій (E_v) прямо пропорціональна температурі плавлення (T_s), а саме

, (4)

де - сталий множник, який залежить від типу кристалічної гратки. Частинка радіуса r має знижену температуру плавлення T_r, тобто перехід до малої частинки супроводжується зниженням температури плавлення в порівнянні з масивними зразками на величину T=T_s-T_r, якій відповідає зменшення енергії утворення вакансій

. (5)

З другого боку, зниженню температури плавлення T може бути співставлена певна зміна тиску P і відповідно зміну енергії утворення вакансій можна записати у вигляді

. (6)

З рівності виразів (5) та (6), з врахуванням того, що P і T пов'язані між собою простим співвідношенням

в якому dP/dT визначається з рівняння Клаузіуса-Клапейрона, отримано вираз для оцінки об'єму вакансії

(7)

( - теплота плавлення, - відносна зміна об'єму при плавленні) і обчислені його відповідні значення для ряду елементів (Табл.1). Порівняння обчислених значень V_v/ з відомими з літературних джерел вказує на правомірність оцінки об'єму вакансії за допомогою виразу (7).

Загальним при цьому є те, що для більшості з наведених у Таблиці 1 елементів об'єм вакансії значно менший ніж об'єм атома. У той же час для кристалів інертних газів (Ar, Kr, Xe) він перевищує об'єм атома. Це вказує на те, що згідно з розвинутими уявленнями для малих частинок цих елементів при зменшенні їх розміру повинно мати місце збільшення параметра гратки. Відповідні оцінки, виконані в роботі для малих частинок кристалів Xe, узгоджуються з наявними в літературі даними про збільшення параметра гратки в острівцевих плівках Xe.

Табл.1. Співставлення обчисленого згідно виразу (7) об'єму вакансії з наявними в літературі (Магомедов М.Н. 1992)

У наступному пункті проведено аналіз отриманих експериментальних результатів а також наявних у літературі даних про зменшення параметра гратки і показано, що вони задовільно описуються в рамках вакансійного механізму.

При цьому для аналізу експериментальних результатів і відповідних оцінок вираз (3) представлено у формі

, (8)

де .

Якщо прийняти у відповідності з відомими з літератури даними, наприклад, для золота A0.5 і врахувати, що при T=300K exp(_E_v/kT)exp(-40) і для частинки з r210^-7см exp(3/rkT) exp(10), то вакансій не досить для забезпечення вимірюваного за дифракційними методами зменшення параметра гратки. Це протиріччя, як показано в роботі, не є суттєвим. Якщо врахувати, що для таких малих частинок вирішальною є роль поверхні і, що для частинок з лінійним розміром <10нм частка поверхневих та приповерхневих атомів може сягати декількох десятків відсотків, то, вірогідно, повинні розглядатись перш за все поверхневі та приповерхневі вакансії з відповідною енергією утворення.

Виконаний в роботі аналіз отриманих експериментальних даних відносно зменшення параметра гратки, представлених в координатах “ln(a/a)-1/r”, показує, що вони описуються виразом (8) при =1500мДж/м² для Cu, =1450мДж/м² для Ag, =1400мДж/м² для Au, =1150мДж/м² для Al, =1860мДж/м² для Ni. Значення параметра вказані у Висновках (пункт 7). Екстраполяція отриманих експериментальних даних до перетину з віссю ординат дає енергію утворення вакансій 0.3еВ для Ag, Cu, Au, у той час як енергія утворення об'ємних вакансій для масивних зразків складає приблизно 1еВ. Ці значення енергії утворення вакансій, вірогідно, необхідно розглядати як енергію утворення поверхневих вакансій. Такий висновок узгоджується з існуючими теоретичними уявленнями про поверхневі та приповерхневі вакансії в малих частинках та експериментальними спостереженнями перетворення в малих частинках об'ємних дефектів за своїми енергетичними характеристиками у поверхневі.

Враховуючи важливість цього питання далі розглянута розмірна залежність енергії утворення об'ємних та поверхневих вакансій у малих частинках і показано, що при зменшенні розміру частинок енергія утворення як об'ємних, так і поверхневих вакансій зменшується (Рис. 3а). Так для оцінки розмірної залежності енергії утворення вакансій досить скористатись виразом (4). Оскільки частинка радіусом r плавиться при більш низькій температурі ніж масивні зразки, то для неї енергія утворення вакансій визначається виразом

. (9)

Виходячи з того, що зменшення параметра гратки в малих частинках зумовлено підвищеною в порівнянні з масивними зразками концентрацією вакансій в них, залежність E_r від r можна розрахувати за допомогою виразу

. (10)

Видно, що вона розташована значно нижче залежності, розрахованої за зменшенням температури плавлення, і, як показано в роботі, відповідає енергії утворення поверхневих вакансій. При цьому енергія утворення об'ємних та поверхневих вакансій зменшується при зменшенні розміру частинок і при деякому їх розмірі енергія утворення об'ємних вакансій стає рівною енергії утворення поверхневих вакансій.

Висновки

Список опублікованих праць здобувача за темою дисертації

Гладких Н.Т., Крышталь А.П. Оценка относительного объема вакансии. // ФММ.-1998. - Т.85, №1. - С. 156-158.

Гладких Н.Т., Крышталь А.П. Изменение параметра решетки в островковых вакуумных конденсатах Cu, Ag, Au. // ВАНТ.-1998.- В.2(3). - C.57-66.

Гладких Н.Т., Крышталь А.П.Уменьшение параметра решетки в малых металлических частицах и вакансионный размерный эффект. // Вістник Ивано-Франківського крайового відділення Українського фізичного товариства та Прикарпатського університету ім. В.Стефаника “Фізика і хімія твердих тіл”. - 1998. - №6. - С. 59-66.

Гладких Н.Т., Крышталь А.П. Оценка объема вакансии и размерной зависимости энергии их образования. // Вестник ХГУ, серия “Физика”. - 1998. - № 418, вып.2. - С. 65-69.

Гладких Н.Т., Крышталь А.П. Уменьшение энергии образования вакансий в малых металлических частицах. // ВАНТ. - 1998. - 3(69), 4(70). - С.45-47.

Гладких Н.Т., Крышталь А.П. Изменение параметра решетки в малых частицах Al, Cu и Ni при магнетронном нанесении. // ВАНТ. - 1999. - 2(10). - С. 104-106.

Gladkikh N.T., Kryshtal O.P. On the size dependence of the vacancy formation energy. // Functional materials. - 1999.- V.6, № 5.- С.823-827.

Габусу П.А., Ефимов С.В., Крышталь А.П. Моделирование поведения параметра решетки малых металлических частиц. // Материалы 2-й конференции “Применение персональных компьютеров в научных исследованиях и учебном процессе”, Харьков, ХГУ. - 1996. - С. 66.

Гладких Н.Т., Крышталь А.П. Изменение параметра решетки в островковых пленках меди. // Физические явления в твердых телах. Материалы III Международной конференции, Харьков, ХГУ. - 1997. - С.174.

Гладких Н.Т., Крышталь А.П. Об изменение параметра решетки в островковых пленках Cu, Ag, Au. // Фізика і технологія тонких плівок. Матеріали VI Міжнародної конференції, Івано-Франківськ, Україна. - 1997. - N1. - С.59.

Gladkikh N.T., Kryshtal A.P. Pecularities of state and physico-chemical properties of small metallic particles. // International Workshop on Physics and technology of nanostructured, multicomponent materials, Uzhgorod, Ukraine. - 1998.- P.9.

Гладких М.Т. Кришталь О.П. Зменшення параметра гратки та енергії утворення вакансій в малих частинках ГЦК металлів. // VIII International Workshop on Iom Beam Surface Diagnostics, Uzhgorod, Ukraine. - 1998.- P.129.

Гладких Н.Т., Крышталь А.П. Уменьшение параметра решетки, поверхностной энергии и энергии образования вакансий в островковых конденсатах ГЦК металлов. // VII Міжн. конф. з фізики і технології тонких плівок, Івано-Франківськ, Україна. - 1999. - С.78.

Gladkikh N.T., Kryshtal O.P. Decreases in Lattice Parameter and Vacancy Formation Energy in Small Metal Particles. // Topical conference on microstructures and surface morphology evolution in thin films, Triest, Italy. - 1999. - P.26.

Gladkikh N.T., Kryshtal O.P. Vacancy mechanism of lattice parameter decrease in small particles of fcc metals. // 18 European Conference of Surface Science, Vienna, Austria. - 1999. - P.Tu-P-054.

Анотації

Кришталь Олександр Петрович. Зміна параметра гратки в острівцевих вакуумних конденсатах. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.07 - фізика твердого тіла. - Харківський національний університет ім. В.Н.Каразіна, Харків, 2000.

Отримані експериментальні дані про розмірну залежність параметра гратки в острівцевих вакуумних конденсатах Cu, Ag, Au, Al та Ni, одержаних шляхом термічного випаровування та магнетронного розпилення при зміні умов препарування в широких межах. Розроблено метод двох еталонів для прецизійного вимірювання параметра гратки в острівцевих плівках з використанням дифракції електронів. Встановлено, що параметр гратки досліджених металів може як збільшуватись, так і зменшуватись при зменшенні характерного розміру в залежності від умов їх препарування. В умовах, коли вплив газових домішок зведено до мінімуму, параметр гратки досліджених елементів зменшується при зменшенні характерного розміру. Зменшення параметра гратки пояснено в рамках вакансійного механізму, який грунтується на урахуванні збільшеної концентрації вакансій в малих частинках у порівнянні з масивними зразками. Визначена розмірна залежність енергії утворення об'ємних і поверхневих вакансій і показано, що зміна параметру гратки в малих частинках ГЦК металів обумовлена поверхневими і приповерхневими вакансіями. Отримано вираз для оцінки об'єму вакансії та обчислено об'єм вакансії для ряду елементів. Показано, що характер розмірної залежності параметра гратки (зменшення або збільшення в порівнянні з масивними зразками) визначається співвідношенням між об'ємами атома та вакансії. Отримані дані про поверхневу енергію та її розмірну залежність в малих частинках Cu, Ag, Au, Al та Ni.

Ключові слова: параметр гратки, вакансійний механізм, об'єм вакансії, енергія утворення вакансій, острівцеві плівки, малі частинки, розмірні ефекти.

Крышталь Александр Петрович. Изменение параметра решетки в островковых вакуумных конденсатах. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.07 - физика твердого тела. - Харьковский национальный университет им. В.Н.Каразина, Харьков, 2000.

Получены экспериментальные данные о размерной зависимости параметра решетки в островковых вакуумных конденсатах меди, серебра, золота, никеля и алюминия, препарированных путем термического испарения и магнетронного распыления при изменении физико-химических условий конденсации в широких пределах. Для прецизионного определения параметра решетки островковых конденсатов разработан метод двух эталонов с использованием дифракции электронов. Этот метод позволяет избежать ошибок, связанных с нестабильностью ускоряющего напряжения, и получать дифракционную картину от образца и эталона примерно с одинаковой интенсивностью. Показано, что параметр решетки в островковых пленках исследованных металлов в зависимости от условий препарирования может как уменьшаться, так и увеличиваться. Причем в условиях, когда влияние примесей сведено к минимуму, параметр решетки исследованных металлов, препарированных как при термическом испарении, так и магнетронном распылении, уменьшается с уменьшением размера частиц. Увеличение параметра решетки связывается с влиянием газовых примесей (в основном кислорода), попадающих в островковые конденсаты в процессе их препарирования. Показано, что размерные зависимости параметра решетки малых частиц исследованных металлов, полученные при магнетронном распылении, коррелируют с зависимостями для частиц, формирующихся при термическом испарении. Это указывает на то, что в процессе формирования островков аргон практически не захватывается. Уменьшение параметра решетки объясняется в рамках вакансионного механизма, основанного на увеличенной концентрации вакансий в малых частицах по сравнению с массивными образцами.

На основании анализа понижения температуры плавления малых частиц получено выражение для оценки объема вакансии и вычислены его значения для ряда элементов. Показано, что когда объем вакансии меньше объема атома (например, ГЦК металлы), параметр решетки уменьшается, а когда объем вакансии больше объема атома (например, кристаллы инертных газов) - увеличивается с уменьшением размера частиц.

На основании данных по понижению температуры плавления и уменьшения параметра решетки в малых частицах показано, что энергия образования как объемных, так и поверхностных вакансий уменьшается с уменьшением размера частиц и при некотором размере уже нельзя разделить вакансии на объемные и поверхностные. В работе определены значения энергии образования поверхностных вакансий для частиц исследованных металлов и показано, что уменьшение параметра решетки обусловлено преимущественно поверхностными и приповерхностными вакансиями.

Получены данные о поверхностной энергии и ее размерной зависимости для частиц золота, серебра, меди, алюминия и никеля.

Ключевые слова: параметр решетки, вакансионный механизм, объем вакансии, энергия образования вакансий, островковые пленки, малые частицы, размерные эффекты.

Kryshtal Oleksandr Petrovich. Changes in lattice parameter of island vacuum condensates. - Manuscript.

Thesis for a Doctor of philosophy degree (Ph.D.) in physics and mathematics on speciality 01.04.07 - Condensed Matter Physics. - Karazin V.N. Kharkov National University, Kharkov, 2000.

The experimental data on the size dependence of the lattice parameter in Cu, Ag, Au, Al and Ni island vacuum condensates prepared over a wide range of conditions have been obtained via thermal evaporation and magnetron sputtering technique. The method of two standards for precise measurement of lattice parameter in island films using high energy electron diffraction method has been developed. It has been established, that the lattice parameter of investigated elements can both increase or decrease with the decrease of the characteristic size and this behaviour depends on the preparation conditions. Under preparation conditions, when the influence of gas impurity is minimal, the lattice parameter of investigated elements decreases with the decrease of the characteristic size. The decrease of the lattice parameter has been explained in the framework of vacancy mechanism which is based on the account of increased concentration of vacancies in small particles as compared with this value for massive samples. The size dependence of formation energy of both volume and surface vacancies has been determined and it has been shown, that the decrease of the lattice parameter in small particles of fcc elements is caused by surface and near-surface vacancies. The expression for evaluation a vacancy volume has been obtained and the volume of a vacancy for a number of elements has been calculated. It has been shown, that the character of the size dependence of the lattice parameter (decrease or increase in comparison with massive samples) is determined by a ratio of the atom and vacancy volumes. The data on surface energy and it's size dependence in Cu, Ag, Au, Al and Ni small particles has been obtained.

Размещено на Allbest.ru