Міжфазні поверхні в процесах кристалізації розплавів

Размещено на http://www.allbest.ru/

[Введите текст]

Дніпропетровський національний університет імені Олеся Гончара

РАСЩУПКІНА МАРІЯ СЕРГІЇВНА

УДК 539.2: 548.5

МІЖФАЗНІ ПОВЕРХНІ В ПРОЦЕСАХ КРИСТАЛІЗАЦІЇ РОЗПЛАВІВ

01.04.07 - фізика твердого тіла

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Дніпропетровськ - 2009



Дисертацією є рукопис

Робота виконана на кафедрі металофізики Дніпропетровського національного університету імені Олеся Гончара Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник доктор фізико-математичних наук, професор ОВРУЦЬКИЙ Анатолій Матвійович, Дніпропетровський національний університет імені Олеся Гончара професор кафедри металофізики (м. Дніпропетровськ).

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, професор лауреат Державної премії України МАСЛОВ Валерій Вікторович, завідувач відділу кристалізації Інституту металофізики імені Г. В. Курдюмова НАН України (м. Київ).

Доктор фізико-математичних наук, професор СОКОЛОВСЬКИЙ Олександр Йосипович, Дніпропетровський національний університет імені Олеся Гончара, професор кафедри квантової макрофізики (м. Дніпропетровськ).

Захист дисертації відбудеться “13” листопада 2009 р. о 1415 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.051.02 при Дніпропетровському національному університеті імені Олеся Гончара (49050, Дніпропетровськ, вул. Наукова 13, корп. 11, ауд. 300).

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Дніпропетровського національного університету ім. О. Гончара.

Автореферат розісланий “5” жовтня 2009 р.

Вчений секретар І. М. Спиридонова



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Задачі про атомну структуру та формотворення міжфазних поверхонь є актуальними для сучасної фізики росту кристалів і досліджень, пов'язаних із розробкою нових технологій створення матеріалів для електронних приладів та інших матеріалів зі спеціальними характеристиками.

Атомна структура поверхні кристалів визначає механізм їхнього росту та, зрештою, позначається на якості монокристалів, епітаксійних плівок, властивостях матеріалів і покриттів в кристалічному стані. При вирощуванні монокристалів на їхню якість впливає також утворення комірчастої структури міжфазної межі, яка визначається не тільки атомною структурою поверхні, але й умовами росту. Тому задача вивчення стабільності поверхні кристалів до збурень її форми також є актуальною. Але для її повного розв'язку потрібен одночасний розгляд процесів, що відбуваються у різних просторових масштабах.

Особливо важливим є визначання даних про стадії процесів, які практично недоступні для експериментальних досліджень. Саме тому у сучасних дослідженнях росту кристалів широко застосовують різні методи моделювання: різновиди методу сіток для розгляду процесів тепло- і масоперенесення; метод молекулярної динаміки; метод Монте-Карло. Притому, останні два використовують для розгляду процесів на атомному рівні. Кожний з цих методів накладає свої просторові та часові обмеження - на розміри системи і час перебігу процесів, які можуть бути змодельовані за допомогою сучасних ЕОМ. Машинний час, необхідний для відтворення того самого реального часу перебігу процесів в системах з багатьох тисяч атомів для методу молекулярної динаміки, на кілька порядків перевищує машинний час, потрібний для розгляду цих процесів за допомогою методу Монте-Карло. Набагато менші просторові та часові обмеження мають місце при розгляді процесів перенесення за методом сіток. Але при використанні цього методу для задач визначення профілю міжфазної межі необхідне застосування дрібних сіток для порівняно великих просторових розмірів. І знову виникає потреба в застосуванні дуже потужних ЕОМ.

Для розв'язку вищеназваних задач необхідно вдосконалювати моделі відповідних процесів та методик моделювання. При проведенні моделювання треба врахувати всі основні фактори, що впливають на структуроутворення кристалічної фази, забезпечити візуалізацію усіх процесів та знайти відповіді на питання про перебіг ряду фізичних явищ у різних просторових та часових масштабах.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження виконувалось на кафедрі металофізики Дніпропетровського національного університету ім. О. Гончара відповідно до держбюджетної теми науково-дослідних робіт № 7-140-06 “Фізичні аспекти кристалізації аморфних та нанокристалічних сплавів в умовах надшвидкого охолодження”. Тематика досліджень входила у координаційні плани Наукової Ради АН України “Поверхневі явища в розплавах і контактуючих з ними твердих фазах”.

Мета і задачі дослідження. Мета роботи - розкриття механізмів поверхневих явищ під час кристалізації та опис формотворення поверхонь кристалів на атомному та мікроскопічному рівнях.

Мета досягається аналітичним розв'язанням наступних задач:

- визначення впливу умов кристалізації на атомну будову поверхонь кристалів;

- визначення факторів, що впливають на рельєф плівок при рідкофазній епітаксії;

- визначення ролі адсорбційних процесів при рості кристалів, їхній вплив на якість зв'язку плівок з підкладками;

- уточнення механізмів утворення плівок шляхом конденсації з газової фази з наступною кристалізацією;

- визначання рельєфу нестійких поверхонь у різних просторових масштабах.

Для розв'язку поставлених задач була необхідна розробка нових моделей, що краще відображають реальні процеси, і розвиток методик моделювання для їх аналізу: методик кінетичного Монте-Карло моделювання та методики розв'язку дифузійних задач кристалізації за методом сіток.

Об'єкти дослідження. Процеси, що мають місце на поверхнях розділу фаз: адсорбційні явища під час росту кристалів; процеси формування тонких плівок з рідкої та газової фази; процеси структуроутворення міжфазної межі при спрямованому твердінні у різних просторових масштабах.

Предмет дослідження. Однофазні системи: Si, Pb, Ni - при вивченні рідкофазної епітаксії, утворення плівок з газової фази, та однокомпонентні модельні системи з різною ентропією плавлення при вивчені ступеня поверхневого упорядкування; бінарні системи Bi-In, Bi-Sn, Bi-Pb, SCN-ACE (сукцинонітрил-ацетон) - при дослідженні структури поверхонь кристал-бінарний розплав та при вивченні розвитку комірчастої структури під час спрямованого твердіння сплавів; гіпотетичні трикомпонентні системи з різними параметрами, що характеризують взаємодію атомів, - при дослідженні адсорбційних явищ.

Методи дослідження. Усі дослідження проводились шляхом моделювання з використанням спеціально розроблених комп'ютерних програм, що реалізують нові різновиди методики кінетичного Монте-Карло моделювання та поліпшеної методики моделювання за методом сіток.

Наукова новизна одержаних результатів.

1. Запропоновані нові моделі для аналізу поверхневих явищ під час кристалізації, що дозволяють вивчати стадії процесів, які практично недоступні для експериментальних досліджень:

- тривимірна модель ґраткової рідини для розгляду процесів кристалізації з урахуванням адсорбційних явищ на міжфазних поверхнях у багатокомпонентних системах;

- універсальна модель дрібної ґратки для аналітичного дослідження утворення плівок з газової фази.

2. Для бінарних систем уперше встановлено, як величина міжатомної взаємодії різнойменних атомів впливає на структуру поверхні первинних гранних кристалів. У випадку сильного зв'язку таких атомів у рідині атомна шорсткість міжфазної межі швидше зменшується зі збільшенням концентрації другого компонента. Виявлено природу ефекту покращення адгезії до підкладки потрійного розплаву з активним B-компонентом при введенні інактивного C-компонента, який сильно взаємодіє з основним A-компонентом і слабко взаємодіє з B-компонентом. Неактивний С-компонент, концентрація якого підвищена у другому від підкладки шарі, відтягує А-компонент з першого шару, - вміст В-компонента в першому шарі підвищується, і тому покращується адгезія плівок до підкладки.

3. Уперше відтворено всі стадії процесу конденсації плівок. Встановлено, що контактні кути зростаючих під час конденсації дрібних крапель з підкладкою залежать не лише від їхнього розміру, але й від інтенсивності потоку атомів до поверхні. Процес утворення кристалічних плівок можна інтенсифікувати, застосовуючи підігріті підкладки та підвищені інтенсивності потоку атомів до поверхні.

4. Уперше проведено аналітичне дослідження розвитку комірчастої структури при спрямованому твердінні з одночасним урахуванням анізотропії швидкості росту та поверхневого натягу. Встановлено, що анізотропія швидкості росту більш істотно, ніж поверхневого натягу, впливає на швидкість розвитку та форму комірок і сприяє утворенню регулярніших структур. В тривимірному випадку швидкості розвитку комірок вищі, а максимуми їхньої залежності від ширини комірок зсунуті вбік менших значень ширини.

5. Уперше досліджено спрямоване твердіння в атомному масштабі. Встановлена нижня межа довжин хвиль (~ 30 міжатомних відстаней) збурень, для яких комірчаста структура розвивається подібно до того, як це має місце у мікроскопічному масштабі. Теоретично очікувана стійкість фронту за дуже великих швидкостей протягування зразка не підтверджується моделюванням через локальні флуктуації швидкості росту.

Практичне значення одержаних результатів. Отримані в роботі результати роблять певний внесок у розвиток атомних моделей процесів кристалізації та методик моделювання атомної будови поверхонь кристалів, епітаксії, адсорбційних процесів при рості кристалів, утворення плівок шляхом конденсації з газової фази, розвитку комірчастої структури поверхонь при спрямованому твердінні.

Практичне значення мають результати моделювання щодо факторів, які зумовлюють кінетику епітаксії і структуру епітаксійних плівок. Розкрито природу впливу неактивного третього компонента на адсорбцію до підкладок активного другого компонента у сплавах, що використовуються для паяння керамічних матеріалів з металами. Структура острівкових плівок залежить від інтенсивності потоку атомів до поверхні, оскільки ця величина впливає на кути змочування підкладки краплями, що утворюються.

Ці результати дають можливість полегшити пошук прогресивніших технологічних процесів отримання покриттів із заданими властивостями.

Запропоновані моделі та методики можна застосовувати не тільки для дослідження суто фізичних питань, а й до імітації технологічних процесів з тим, щоб оптимізувати експериментальні дослідження при розробці нових технологій.

Ряд характеристик, визначених при моделюванні утворення плівок і розвитку комірчастої структури поверхонь, може бути напряму враховано для створення відповідних технологій.

Розроблені методики моделювання вже впроваджені в навчальному процесі як лабораторні роботи зі спецкурсів: «Моделювання спрямованої кристалізації», «Застосування методу Монте-Карло для пошуку рівноважних структур», «Моделювання конденсації тонких плівок з газової фази».

Достовірність результатів дослідження. Перед застосуванням розроблених методик проводилося дослідження впливу величини кроку за часом на результати моделювання. Застосовувалися такі значення кроку за часом, подальше зменшення яких не змінювало результати моделювання.

В усіх випадках, коли можна було знайти в літературі аналоги моделювання процесів в подібних або інших моделях, проводилося моделювання для тих самих об'єктів. Наприклад, в літературі відомі результати моделювання розвитку комірчастої структури в системі SCN-ACE у двовимірному випадку без урахування анізотропії швидкості росту й поверхневого натягу. Саме для цієї системи були проведені наші дослідження. І результати моделювання на наших нерівномірних сітках збігалися з опублікованими даними для спрощеної моделі. Тому з'явилася впевненість, що наша більш розвинена модель є достовірною. Наші розв'язки демонструють експериментально спостережувані явища: появу дрібних комірок поблизу локальних поверхневих збурень, конкуренцію в зростанні між різними комірками і розвиток більш-менш регулярної комірчастої структури - при моделюванні спрямованого твердіння.

Моделювання утворення плівок з газової фази за універсальною моделлю дрібної ґратки також відображає всі експериментально спостережувані явища: виникнення рідких шарів або крапель, їхнє злиття, дозрівання за Освальдом, кристалізацію, перебіг всіх процесів за участю вакансій - при моделюванні конденсації. Це підтверджує адекватність реальності цієї моделі.

Особистий внесок здобувача. Тема дисертаційної роботи була запропонована доктором фіз.-мат. наук, професором Овруцьким А. М. Основні результати та висновки дисертації одержані особисто автором. В роботах [1, 2] авторові належать результати, отримані з використанням авторського варіанту моделі ґраткового газу, які стосуються кінетики утворення тонких кристалічних плівок з рідкої фази, аналіз їхньої щільності та кластерної структури. В роботах [3, 4] авторові належать всі основні результати, отримані з використанням авторської моделі ґраткової рідини, що стосуються структури поверхні кристалів та адсорбційних явищ. В роботах [5, 8] автором проведено аналіз температурної залежності модуля Юнга, і з використанням авторської моделі дрібної ґратки отримані дані щодо кінетики утворення плівок за механізмом пар-кристал. В роботах [6-7] автор проводила аналіз даних про структуру поверхні кристалів та кінетику росту при спрямованому твердінні з використанням авторської моделі ґраткової рідини [6] та з використанням авторського варіанту методики розв'язку крайової задачі за методом сіток [7]. Здобувач особисто розробляла комп'ютерні програми, проводила числові експерименти, аналізувала свої результати, приймала участь у підготовці статей до друку.

Апробація роботи. Результати роботи доповідались та обговорювались на конференціях: Міжн. конф. “Фізико-хімічні основи формування і модифікації мікро- та нанострутур” (Харків, 2008); X нац. конф. по росту кристаллов (Москва, 2002); ІХ міжн.конф. “Фізика і технологія тонких плівок” (Івано-Франківск, 2003); XІ нац. конф. по росту кристаллов (Москва, 2004); IV Int. Conf. “High Temperature Capillarity” (Sanremo, Italy, 2004); Int. Conf. “Crystal Materials” (Kharkov, 2005); VIII Міжн. молод. наук.-практ. конф. “Людина і Космос” (Дніпропетровськ, 2006); VII Int. conf. “EUTECTICA” (Дніпропетровськ, 2006); XІІ нац. конф. по росту кристаллов (Москва, 2006); Int. Conf. “Crystal Materials” (Kharkov, 2007); Міжн. конф. “Сучасні проблеми фізики твердого тіла” (Київ, 2007); IV Int. Conf. “High Temperature Capillarity” (Alicante, Spain, 2007); XІІІ нац. конф. по росту кристаллов (Москва, 2008 г.); НАН України, Всеукр. конф. молодих вчених “Сучасне матеріалознавство: матеріали та технології” (Київ, 2008); Межд. конф. “Современные проблемы физики металлов” (Киев, 2008), XІІ міжнародна конференція “Фізика і технологія тонких плівок” (Івано-Франківск, 2009).

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 8 статей і 15 тез міжнародних і національних наукових конференцій. 7 статей опубліковано у фахових журналах (за кордоном - 3 статті).

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, 4 додатків і переліку використаних джерел. Посилання на авторські роботи є у всіх розділах, окрім першого. Загальний обсяг роботи складає 131 сторінку. Дисертація містить 1 таблицю, 48 рисунків - у тексті та 14 на 7 окремих сторінках, список використаних джерел з 146 найменувань на 16 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

кристал плівка конденсація фаза

У вступі обґрунтовано актуальність та доцільність обраної теми дослідження, сформульовано мету і задачі роботи, наукову новизну і практичну цінність отриманих результатів. Наведено відомості щодо апробації результатів дослідження, кількості публікацій за матеріалами дисертації, структури та обсягу роботи.

Перший розділ містить аналіз літературних даних щодо механізмів та кінетики утворення тонких плівок (підрозділ 1.1): стислий опис технологій отримання тонких плівок; основні положення теорії росту кристалів; опис основних механізмів росту кристалів на підкладках; огляд робіт з кінетики епітаксійного росту тонких плівок; зазначення особливостей, що мають місце при конденсації тонких плівок з газової фази.

У підрозділі 1.2 надано опис основних методик моделювання фізичних процесів. Описані загальні засади застосування методу Монте-Карло у статистичній фізиці та для пошуку рівноважних структур.

Розглянута методика кінетичного Монте-Карло моделювання росту кристалів, закладена в роботах Беннеми, Чернова, Джексона, Гільмера, застосування цього методу до моделювання росту малих кристалів (у Дніпропетровському університеті) та процесів утворення тонких плівок.

У підрозділі 1.3 наведено огляд літератури щодо стійкості фронту кристалізації при спрямованому твердінні, розглянуто теоретичні роботи зі стійкості фронту, починаючи з класичної роботи Маллінза та Секерки, наведено аналітичні розв'язки задач тепло- та масоперенесення при рості кристалів. Представлені експериментальні дані щодо морфології фронту кристалізації (зокрема, результати досліджень, виконаних в Інституті металофізики АН України) та описані відомі результати моделювання спрямованого твердіння. Зазначено особливості моделювання росту кристалів на основі розв'язку задач тепло- і масоперенесення за методом сіток, зокрема проблеми точності, стійкості і збіжності розв'язків.

У другому розділі описані розроблені у дисертаційній роботі моделі та методики моделювання, які застосовувалися для розв'язання поставлених задач.

У підрозділі 2.1.1 викладено поліпшене обґрунтування основних формул для розрахунку ймовірностей зміни стану атомів при кінетичному моделюванні за методом Монте-Карло. Оскільки система не обмінюється частинками з термостатом розглядали канонічний ансамбль. У відношенні ймовірностей приєднання (до кристалу) і відриву атомів, що випливає з принципу мікроскопічної зворотності, враховували різне виродження енергетичних станів для кристала й рідкої фази:

, (1)

де ?Е - зміна енергії зв'язків атома, ?Sпл = -?Нпл/Тпл - ентропія плавлення, знак “-”, оскільки при приєднанні атома до кристала коливальна ентропія зменшується. З урахуванням виразу залежності енергії системи від кількостей зв'язків різного типу (s-s, s-l, l-l) для будь-якої тривимірної кристалічної структури показано, що:

, (2)

де ДNsl - зміна кількостей зв'язків через міжфазну межу при зміні стану одного атома (з “рідкого” на “твердий” - l>s), sl - надлишкова енергія взаємодії через поверхню. Такому відношенню відповідають звичайні вирази для ймовірностей приєднання (до кристалу) і відриву атомів:

(3, а)

(3, б)

де o - частота коливань атома; _ - крок за часом, ns - кількість s-s зв'язків “твердого” атома, який може змінити свій стан. Але тепер формули (3 а, б) можна застосовувати для будь-яких структур.

У підрозділі 2.1.2 описано схему для тривимірного кінетичного моделювання поверхневих процесів за методом Монте-Карло з урахуванням взаємодії з сусідніми атомами, що належать першій, другій і третій координаційним сферам. Ця схема базується на моделі ґраткового газу, у якій приєднання атомів до поверхні кристала відбувається безактиваційно. Розплаву приписується така сама структура, яку має кристал. Імовірність відриву випадково обраного s-атома від кристала за час визначається експонентним фактором від енергії U його зв'язків із сусідніми s-атомами.

(4)

де U=2(n11+n22+n33), n1, n2, n3 і 1, 2, 3 - відповідно, числа сусідніх “твердих” атомів і енергії (в разі взаємодії з першими, другими і третіми сусідами). Для відриву атома зі зламу сходинки необхідно затратити роботу H=2(z11+z22+z33), де z1, z2, z3 - відповідні координаційні числа. Розглядався випадок слабкої залежності енергії взаємодії від відстаней: 1/2/3=(1/r13)/(1/r23)/(1/r33), де r1, r2, r3 - радіуси координаційних сфер. Взаємодію з підкладкою для атомів, що межують із нею, ураховували, розглядаючи її як кристалічну з тією самою структурою.

У підрозділі 2.1.3 описано модель ґраткової рідини для методу Монте-Карло, в якій існує енергетичний бар'єр для приєднання “рідких” атомів до кристалів, і враховується дифузія атомів за вакансійним механізмом.

Імовірність приєднання атомів до кристалу

p⁺=--K⁺t_minn_oexp((m-2n_lзj)/kT) exp(-H/kT) (5)

Тут 2n_lзj - величина додаткового енергетичного бар'єру; вона пропорційна числу зв'язків n_l атома, що розглядається, з іншими рідкими атомами. з(<1) ---множник (величина 2zзj дорівнює енергії активації самодифузії в рідкій фазі); =H(T₀-T)/T - різниця хімічних потенціалів у рідкому й твердому стані для компонента, що виділяється.

Відповідно, імовірність відриву атома від кристала становить

p^-=--t_min--n_oexp(-2n_s(1+з)j/kT- u_s/kT), (6)

де n_s - число s-s зв'язків атома, u_s - зміна енергії зв'язку атома з підкладкою при зміні його стану (у разі першого від підкладки шару), u_s=4e2j (e - коефіцієнт, що залежить від компонента). Енергетичний бар'єр дорівнює 2(1+з)j на один s-s зв'язок.

У підрозділі 2.1.4 описано універсальну модель дрібної ґратки для кінетичного моделювання процесів конденсації плівок з газової фази за методом Монте-Карло, в якій немає умовного розділення атомів на “тверді” чи “рідкі”, а вакансії утворюються внаслідок теплового руху атомів за рахунок їхньої дифузії з поверхні. Моделювання проводиться на модельній сітці з кроком за усіма напрямками, у 4 рази меншим за очікуваний параметр кристалічної ґратки a.

В цій моделі ймовірність осадження атомів визначалася інтенсивністю їхнього потоку до поверхні (якщо відповідні місця не затінювалися). Імовірності відриву (випаровування) атомів визначалися експонентним фактором від енергії їхніх зв'язків. Імовірність стрибків на доступні місця визначалася за формулою:

pjump= oexp(-(Enew-Eold)/kT), (7)

де - крок за часом; o - частота власних коливань атомів; Enew та Eold - енергії взаємодії атома (в одиницях kBT, kB - постійна Больцмана, T - температура; ентропійний фактор виродження станів враховувався для атомів з упорядкованим оточенням) з усіма сусідніми атомами в межах сфери обрізки (атомами з координатами типу від [[Ѕ00]] до [[ѕЅ0]]) для можливого нового та попереднього місцеположення. Значення енергій взаємодії визначалися згідно з розрахованим потенціалом парної взаємодії. Мінімальне значення потенціалу для рівноважної позиції типу [[ЅЅ0]] визначалося як - Нev/6 (ГЦК ґратка, Нev - теплота випаровування). Інші значення визначалися за звичайною формулою:

U=Uo+bx2-gx3, (8)

у якій х - це зміщення другого атома від рівноважної позиції, стала b пов'язана із модулем Юнга: b=EYu·a/4 (для ГЦК ґратки), а стала g - з коефіцієнтом теплового розширення бT: g=2b2бTr0/(3kBT),  - міжатомна відстань.

У підрозділі 2.2 описана методика застосування сіток, що перебудовуються, для моделювання спрямованого твердіння на основі числового розв'язку двовимірних і тривимірних дифузійних задач та спосіб вирішення проблеми точного врахування умови балансу речовини для різкої міжфазної межі. Для економії машинного часу використовували нерівномірні сітки (див. приклад на рис. 1). А крок за часом визначався найменшою відстанню д між найближчими вузлами: ф < д2/2D (D - коефіцієнт дифузії).

Рис. 1. Схема двовимірної нерівномірної сітки, що перебудовується.

В розділі 3 наведено результати моделювання міжфазних поверхонь та процесів утворення плівок на атомному рівні.

Підрозділ 3.1 присвячений кінетиці утворення епітаксійних плівок з рідкої фази. В ньому наведені результати кінетичного моделювання, при якому - на кожному кроці за часом - обов'язково випробовуються усі атоми на можливість їхнього переходу з однієї фази в іншу і ще враховується можливість виникнення кристалічних кластерів розміром в 3 або 4 атоми.

На рис. 2 наведено розгортку частини розглянутої області та розподіл атомів у шарах для кремнію, що кристалізується. На рис. 2 а показані "тверді" атоми в першому шарі, а на рис. 2 b декілька послідовних шарів. Атоми основної орієнтації тут чорні. Спочатку виникають двовимірні зародки. Зростаючий центр кристалізації - тривимірний. Анізотропія швидкості росту досить велика. Для застосування епітаксійних шарів у першу чергу важлива їхня суцільність. Ми вивчали ступінь заповнення твердими атомами різних шарів при певному, досить близькому до одиниці ступені заповнення першого шару. Приклади таких залежностей відображені на рис. 2 c. для випадку порівняно сильної епітаксії.

Рис. 2. a, b - плівка кремнію в процесі кристалізації, ?Hпл/kTпл=7.2, T=1100 К; c - заповнення “твердими” атомами послідовних атомних шарів; для 1-3 ?Т=100, 200 і 250 К, 4 - автоепітаксія, ?Т=250 К.

Високий ступінь заповнення першого шару (98 %) досягається при масовій товщині порядку 3-15 атомних шарів), залежно від величини енергії зв'язку з підкладкою (при автоепітаксії масова товщина становить лише 3-4 атомні шари) і величини переохолодження. Зі збільшенням переохолодження суцільна плівка утворюється при меншій її товщині.

Підрозділ 3.2 присвячений вивченню зміни структури і кінетики росту сходинок на поверхні кристала. Зокрема, визначали енергетичні параметри, що відповідають зникненню сходинки - розпаду її на кластери під час росту кристала в слабко переохолодженому розплаві.

Урахування енергії активації для приєднання атомів до кристала призводить при розрахунках до структур із значно меншою шорсткістю міжфазної поверхні, що відповідає експериментальним даним. Для переходу від гранних до округлих форм росту в нашій моделі отримане значення надлишкової енергії s-l зв'язку /kT0.34 (параметр шорсткості для простої кубічної ґратки б=?ДH/kT1.36), яке відповідає даним експериментальних досліджень бінарних систем.

В підрозділі 3.3 наведені результати моделювання росту кристалів зі змішаних розплавів за методом Монте-Карло.

Для систем Bi-Sn і Bi-In вивчено структуру міжфазної межі, розподіли компонентів і розподіли за розмірами двовимірних зародків кристалічної фази. При рості кристалів вісмуту з розплавів системи Bi-Sn з'являються і зникають крупніші двовимірні зародки, ніж у разі аналогічних розплавів системи Bi-In. До того ж, у системі Bi-Sn вище долі кластерів з малим числом обірваних зв'язків. Різниця атомної шорсткості міжфазної межі у вивчених системах пов'язана з фізико-хімічними властивостями другого компонента (в першу чергу, з теплотою випаровування). Зв'язки олово - вісмут через міжфазну межу енергетично вигідні, і середнє значення параметра шорсткості при цьому збільшується.

При вивченні адсорбції компонентів розплавів до підкладки енергію взаємодії атомів різних компонентів з підкладкою і один з одним варіювали в значних межах. Розглядали випадок, коли другий активний компонент ( B-компонент ) може кристалізуватися на підкладці. Для основного A-компонента взяті термодинамічні параметри міді: Тпл=1356 К, Hпл/kTпл=1.13, Hвип/kTпл=27, =Hпл/6, VllAA=-HвипТпл/3T - енергія зв'язку двох атомів в рідині (6 найближчих сусідів у простій кубічної ґратці).

Рис. 3 відображує структуру шару рідини, що межує з підкладкою, в разі дво- і трикомпонентних систем. Шляхом вивчення концентраційних профілів показано, що неактивний C-компонент (темно-сірий , 10 %), який сильно взаємодіє з основним A-компонентом і слабко взаємодіє з підкладкою та активним B-компонентом, впливає на адсорбцію B-компонента. Введення С-компонента призводить до підвищення вмісту В-компонента в першому шарі і тому підвищує адгезію плівок з підкладкою. Експериментально цей ефект встановлений в роботах Найдича Ю.В., Перевертайла В.М. і Логінової О. Б. при дослідженні змочування графітових підкладок розплавами Ni-Mn-Cu, Ni-Mn-Sn, Ni-Ті-Cu, Ni-Ті-Sn та ін. [1].

Рис. 3 Структура атомного шару, що межує з підкладкою (вакансії - білі, основний A-компонент - світло-сірий, B-компонент - сірий, C-компонент - темно-сірий, кристалічна фаза B-компонента - чорна): а, b - за рівноважних умов (температура ліквідусу Te=1216 K і Te=1150 K);

с - переохолоджений (Te=1200 K, T=400 К) розплав; =1.0, uAl,sb=0.7VllAA, uBl,sb=0.8VllAA, uCl,sb=0.4VllAA; VllCA=1.2VllAA, VllCB=0.6VllAA.

В підрозділі 3.4 наведені результати моделювання утворення плівок з газової фази. Для отримання близьких до табличних значень температури плавлення кристалічних плівок враховували температурну залежність модуля Юнга, що брався в основу побудови потенціалів. Відомі з літератури дані щодо температурної залежності модуля Юнга можна описати виразом EYu(Т)=EYu(T0)·(1- к(T _T0)/(Tпл _T0)). В роботі використовували значення: к=0.43 для Pb і к=0.54 для Ni.

В залежності від температури аморфних підкладок на їх поверхні (при моделюванні) майже одразу утворюється кристалічна фаза, або спочатку утворюються рідкі краплі, а потім відбувається кристалізація. Такі процеси експериментально вивчалися в роботах Гладких Н. Т. зі співробітниками (Харківський університет ім. Каразіна) [2].

Доки поверхнею підкладки переміщуються поодинокі атоми, це - поверхневий газ. Час очікування зародження крапель залежить від падаючого потоку І. Він дуже великий при малій інтенсивності потоку, або при низькому значенні коефіцієнта bs, що характеризує взаємодії атомів з підкладкою. На рис. 4, а-с показані краплі свинцю, осаджені за температури T = 580 K. Крапля, що утворилася внаслідок злиття (рис. 4, с) почала кристалізуватися.

На рис. 4, d наведені залежності кута змочування від радіусу крапель. Крива 1 узгоджується з експериментальними даними для відповідного потоку (крива 3). Втім, кути змочування залежать також від потоку, і при більшій його інтенсивності вони суттєво менші (крива 2).

Рис. 4. Злиття крапель свинцю, осаджених за температури T = 580 K, та залежність кута змочування краплями аморфної підкладки в залежності від їх радіусу; bs=0.3, T=610 K, 1 - I=32.9 мкс-1, 2 - I=198.7 мкс-1; 3 - за експериментальними даними [2].

При малій інтенсивності потоку перехід від змочування до незмочування дуже різкий. Так для нікелю при значеннях bs <0.3, І <20 мкс-1 на атомне місце, краплі з часом відриваються від підкладки. За умов сильної взаємодії (bs > 0.7) або низьких температур кристалічна фаза утворюється дуже швидко. Але у разі сильної взаємодії з аморфною підкладкою і досить великому потоці (І >30 мкс-1 на ат. місце) в найближчих до підкладки шарах виникає аморфна фаза з підвищеною щільністю (рис. 5, a). Зміна щільності з відстанню від підкладки показана на рис. 5, b.

Рис. 5. Вертикальний переріз структури найближчого до підкладки шару нікелю (a) та щільність пакування (с) в різних атомних шарах (b).

В розділі 4 наведено результати моделювання розвитку комірчастої структури при спрямованому твердінні.

В підрозділі 4.1 вивчається стійкість поверхні щодо синусоїдальних збурень фронту, заданих в початкових умовах, і проводиться порівняльний аналіз результатів, отриманих для двовимірного і тривимірного випадків на основі розв'язку дифузійної задачі. Анізотропія поверхневого натягу і кінетичного коефіцієнта у двовимірному випадку задавалась формулами:

б=б0(1+zб cos4(ц + цcr)); в=в0(1+zв cos4(ц + цcr)), (9)

де кут характеризує орієнтацію ділянки поверхні. Ступінь анізотропії задається коефіцієнтами zб, zв; орієнтація кристала враховується постійною добавкою cr.

Рис. 6. Швидкості розвитку збурень від довжини хвилі, в=0.5 м/с, zв=0, c=1.6810-4 м: a) двовимірний випадок; b) тривимірний випадок.

- =3, zб =0.06; - =3, zб=0; - =3, zб= -0.06;

- =1.5, zб =0.06; - =1.5, zб =0; - =1.5, zб= -0.06.

Інтервал довжин хвиль, в якому амплітуда збурення зростає, залежить від основного контролюючого параметра =V/Vc, де V - швидкість протягання, а Vc - швидкість переміщення границі, вище якої з'являється концентраційне переохолодження (лс - відповідна до Vc довжина хвилі, за якої поверхня найбільш нестабільна). На рис. 6 наведені отримані залежності швидкості розвитку збурень ( - експоненційна складова амплітуди у виразі (r,t)=0+kexp(ikr)exp(t), k - хвилевий вектор) від довжини хвилі при ізотропному і анізотропному поверхневому натягу. При довжинах хвиль в районі максимуму кривих, швидше розвиваються збурення у разі орієнтації кристала з максимумом поверхневого натягу в напрямку протягання. Якщо максимум залежності () не гострий, можливе співіснування комірок різної ширини. Анізотропія кінетичного коефіцієнта з максимумом у напрямку протягання зсуває максимуми убік менших довжин хвиль і робить їх гострішими. Наявність гострого максимуму забезпечує формування більш регулярних структур. В тривимірному випадку швидкості розвитку збурень вищі. Інтервали довжин хвиль, що розвиваються, менші, і вони зсунуті вбік менших довжин хвиль (рис. 6, b).

В підрозділі 4.2 наведено результати вивчення розвитку хвильових збурень при спрямованому твердінні шляхом кінетичного Монте-Карло моделювання в моделі ґраткової рідини.

Нижня межа довжин хвиль, для яких збурення розвиваються, дещо перевищує значення л0, розраховане як нейтрально-стабільна довжина хвилі. Довжина хвилі 0  30 міжатомних відстаней. Це пов'язано з локальними флуктуаціями росту, які руйнують менші за шириною виступи.

При рості кристала за дуже високої швидкості протягання V=1500 Vc, немає стійких комірок внаслідок флуктуацій міжфазної межі, а тверда фаза, що утворюється, містить дуже багато включень з підвищеним вмістом домішки. Концентрація розчиненої речовини в рідині поблизу поверхні стає нижчою, і причина комірчастого росту - концентраційне переохолодження - знімається. Очікувана за теорією Маллінза і Секерки стійкість фронту при дуже великих швидкостях протягування зразка не підтверджується моделюванням через локальні флуктуації швидкості росту.



ВИСНОВКИ

1. Розроблені методики кінетичного моделювання за методом Монте-Карло для реалізації нових моделей, що краще відображають реальні процеси:

- тривимірна модель ґраткової рідини для розгляду процесів кристалізації з урахуванням адсорбційних явищ на міжфазних поверхнях;

- універсальна модель дрібної ґратки для аналітичного дослідження утворення плівок з газової фази;

2. Розвинута методика аналізу еволюції мікроструктури поверхні кристала при спрямованому твердінні шляхом чисельного розв'язку дифузійної крайової задачі за методом сіток з урахуванням анізотропії швидкості росту і поверхневого натягу. Новий спосіб точного врахування граничної умови збереження речовини на міжфазній межі дозволив вперше врахувати кінетику поверхневих процесів, а отже і анізотропію швидкості росту.

3. При моделюванні рідкофазної епітаксії вивчено як на однорідність плівок впливають параметри системи та умови кристалізації: енергії зв'язку атомів між собою та з підкладкою, величина переохолодження. При збільшенні переохолодження суцільна плівка утворюється за меншої масової товщини. Однорідність в орієнтації центрів кристалізації, практично повна епітаксія, досягається при різниці енергій зв'язку атомів з підкладкою для основної й неосновних орієнтацій зародків у 0.2-0.3 ?Hпл в залежності від структури.

4. Встановлено як величина міжатомної взаємодії різнойменних атомів впливає на структуру поверхні граних первинних кристалів у бінарних системах. У разі сильного зв'язку таких атомів у рідині атомна шорсткість міжфазної межі швидше зменшується зі збільшенням концентрації другого компонента.

5. У багатокомпонентних системах на перебіг кристалізації впливає адсорбція компонентів на міжфазній межі. Додання інактивного третього компонента може призвести до підвищення концентрації активного компонента в приповерхневому шарі та поліпшити адгезію плівок до підкладки.

6. Під час моделювання конденсації плівок з газової фази при значних потоках та значній взаємодії атомів з підкладкою отримано підвищену щільність плівки в перших до підкладки шарах.

7. Контактні кути зростаючих під час конденсації дрібних крапель залежать від їхнього розміру. Контактні кути залежать також від інтенсивності потоку атомів до поверхні. При більшій інтенсивності потоків кути повільніше збільшуються зі зростанням розміру крапель.

8. На основі вивчення щільності плівок у послідовних атомних шарах при різних температурах підкладки та інтенсивності потоку атомів до поверхні встановлено, що процес утворення кристалічних плівок можна інтенсифікувати без погіршення їх структури, застосовуючи підігріті підкладки та підвищені інтенсивності потоку атомів до поверхні.

9. Внаслідок аналізу розвитку комірчастої структури при спрямованому твердінні з одночасним урахуванням анізотропії швидкості росту та поверхневого натягу встановлено, що анізотропія швидкості росту більш ефективно впливає на швидкість розвитку та форму збурень і сприяє утворенню більш регулярних структур. В тривимірному випадку швидкості розвитку збурень вищі, ніж у двовимірному випадку, а вершинки комірок значно гостріші.

10. Монте-Карло моделювання спрямованого твердіння в атомному масштабі виявило існування нижньої межі довжин хвиль (~30 міжатомних відстаней). При дуже великих швидкостях протягування зразка неможливо отримати стійкий фронт кристалізації (дуже дрібнокомірчасту поверхню, згідно очікуванням теорії) через локальні флуктуації швидкості росту, а структура кристала, що утворюється за таких умов, є вкрай недосконалою.



СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ

1. Найдич Ю. В. Смачиваемость графита многокомпонентными сплавами на никель-титановой и никель-ванадиевой основе / Найдич Ю. В., Перевертайло В. М., Логинова О. Б. // Адгезия расплавов и пайка материалов. - 1991. - Вып. 25, т. 2. - С. 76-69.

2. Поверхностные явления и фазовые превращения в конденсированных плёнках / [ Гладких Н. Т., Дукаров С. В., Крышталь А. П. и др.]; под. ред. проф. Н. Т. Гладких. - Харьков : ХНУ им. В. Н. Каразина, 2004. - 276 с.

3. СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

4. Овруцкий А. М. Монте-Карло моделирование кристаллизации тонких плёнок / Овруцкий А. М., Расщупкина М. С., Рожко А. А. // Вісник ДНУ. Сер. "Фізика. Радіоелектроніка". - 2004. - № 2/2. - С. 100-106.

5. Ovrutsky A. M. Monte-Carlo Modeling of Crystallization of Thin Films / Ovrutsky A. M., Rasshchupkyna M. S., Rozhko A. A., Ermakova G. A. // Physics and Chemistry of Solid State. - 2004. - V. 5, № 3. - P. 498-503.

6. Овруцкий А. М. Расширенная схема Монте-Карло моделирования поверхностных процессов при росте кристаллов / Овруцкий А. М., Расщупкина М. С. , Рожко А. А., Антропов С. С. // Вісник ДНУ. Сер. "Фізика. Радіоелектроніка". - 2006. - № 2/3. - C. 107-113.

7. Овруцкий А. М. Адсорбционные явления при росте кристаллов / Овруцкий А. М., Расщупкина М. С., Рожко А. А. // Поверхность. Сер. "Рентг., синхр. и нейтр. исследования". - 2006. - №1. - C. 85-91.

8. Овруцький А. М. Моделювання конденсації тонких плівок з газової фази / Овруцький А. М., Расщупкіна М. С. // Вісник ДНУ, сер. "Фізика. Радіоелектроніка". - 2008. - Вип. 15, №2/2. - С. 93-96.

9. Ovrutsky A. M. Modeling of Directional Solidification on an Atomic Scale / Ovrutsky A. M., Rasshchupkyna M. S. // Materials science and Engineering A. - 2008. - V. 495. -. P. 292-295.

10. Ovrutsky A. M. Modeling of Directional Solidification in 2D and 3D Cases / Ovrutsky A. M., Rasshchupkyna M. S. // Crystallography Reports. - 2008. - V. 53, No 7. - P. 1208-1213.

11. Овруцкий А. М. Моделирование конденсации тонких плёнок из газовой фазы / Овруцкий А.М., Расщупкина М. С., Лисняк С. А. // Фізико-хімічні основи формування і модифікації мікро- та нанострутур: Зб. наук. праць. за матеріалами міжнар. конф. (Харків, 11-13.10.208) в 2-х т. - 2008. - Т. 1 - С. 198-202.

12. Овруцкий А. М. Моделирование спонтанной кристаллизации при высоких переохлаждениях расплавов / Овруцкий А. М., Расщупкина М. С.// X национальная конференция по росту кристаллов (Москва, 24-29.11.2002 г.): Тез. докл., С. 446.

13. Овруцкий А. М. Монте-Карло моделирование кристаллизации тонких пленок / Овруцкий А. М., Расщупкина М. С., Ермакова Г. А.// Матеріали ІХ міжн. конф. “Фізика і технологія тонких плівок” (Івано- Франківск, 19-25.05.2003), С. 104.

14. Овруцкий А. М. Адсорбционные явления при росте кристаллов / Овруцкий А. М., Расщупкина М. С., Рожко А. А. // XІ национальная конференция по росту кристаллов (Москва, 13-17.12.2004 г.) : Тез. докл. С. 100.

15. Ovrutsky A. M. Monte-Carlo Simulations of Thin Films Crystallization During Cover Forming or Joining Process / Ovrutsky A. M., Ermakova G. A., Posylayeva O. A., Rasshchupkyna M. S., Rozhko A. A. // IV International Conference “High Temperature Capillarity” (Sanremo, Italy, 2004), Abstr. book, P. 100.

16. Ovrutsky A. M. The extended scheme of the Monte Carlo simulation of surface processes at growth of crystals / Ovrutsky A. M., Rasshchupkyna M. S., Rozhko A. O., Tchelbaevsky Z. Yu. // International Conference “Crystal Materials” (Kharkov, 30.05.-02.06.2005) : Abstr. book, P. 87.

17. Расщупкіна М. С. Адсорбційні явища при кристалізації сплавів / Расщупкіна М. С., Овруцький А. М., Рожко А. О. // VIII Міжнар. молод. наук.-практ. конф. “Людина і Космос” (Дніпропетровськ, 13-14.04.2006) : Тези доп. P. 333.

18. Овруцкий А. М. Моделирование направленной кристаллизации для двумерного и трехмерного случаев / Овруцкий А. М., Расщупкина М. С., Сергеев Г. О. // VII International conference “EUTECTICA” (Dniepropetrovsk, 26-29.9.2006) / Теория и практика металлургии. Спец. выпуск. 2006. - Вип. 4-5 (53-54). - P. 54-55.

19. Овруцкий А. М. Моделирование направленной кристаллизации в двумерном и трехмерном случаях / Овруцкий А. М., Расщупкина М. С., Рожко А. А. // XІІ национальная конференция по росту кристаллов (Москва, 23-27.10.2006) Тез. докл. С. 156.

20. Ovrutsky A. M. Monte Carlo Simulation of Directional Solidification on an Atomic Scale / Ovrutsky A. M., Rasshchupkyna M. S. // International Conference “Crystal Materials” (Kharkov, 17-20.09.2007) : Abstr. book, P. 80.

21. Ovrutsky A. M. Simulations of Crystallization of Metals on an Atomic Scale / Ovrutsky A. M., Prokhoda A. S., Rasshchupkyna M. S., Rozhko A. O., Mukhin A. A.// Міжнар. конф. “Сучасні проблеми фізики твердого тіла” (Київ, 2-4.10.2007) : Abstr. book, P. 110-111.

22. Ovrutsky A. M. Modeling of Directional Solidification a Micro and on an Atomic Scales/ Ovrutsky A. M., Rasshchupkyna M. S. // IV Int. Conf. “High Temperature Capillarity” (Alicante, Spain, 21-24.03.2007) : Abstr. book P. 113.

23. Расщупкина М. С. Универсальная методика кинетического моделирования конденсации пленок / Расщупкина М. С., Овруцкий А. М., Мухин А. А. // XІІІ национальная конференция по росту кристаллов (Москва, 23-27.10.2008 г.) : Тез. докл. С. 156.

24. Расщупкина М. С. Новая методика моделирования конденсации пленок / Расщупкина М. С., Овруцкий А. М., Мухин А. А. // НАН України, Всеукраїнська конференція молодих вчених “Сучасне матеріалознавство: матеріали та технології” (Київ, 12-14.11.2008) : Тез. докл. C. 248.

25. Башев В. Ф. Анализ массовой кристаллизации на основе точного решения диффузионной задачи в трёхкомпонентной системе/ Башев В. Ф., Овруцкий А. М., Рожко А. А., Расщупкина М. С. // НАН Украины, Межд. конф. “Современные проблемы физики металлов” (Київ, 7-9.10.2008) /Сб. тез., С. 223.

26. Башев В.Ф. Моделювання конденсації тонких бінарних плівок систем Fe-Cu та Ni-Ag з газової фази / Башев В.Ф., Мухін А.А.. Овруцький A.M., Расщупкіна М.С. // Матеріали ІХ міжн.конф. “Фізика і технологія тонких плівок” (Івано-Франківск, 18-23.05.2009), С. 148-149.



АНОТАЦІЯ

Расщупкіна М. С. Міжфазні поверхні в процесах кристалізації розплавів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.07 фізика твердого тіла. - Дніпропетровський національний університет ім. О. Гончара, Дніпропетровськ, 2009 р.

Дисертація присвячена дослідженню атомної структури та мікроструктури міжфазних поверхонь в процесах кристалізації. Дослідження проводилось шляхом моделювання з використанням спеціально розроблених комп'ютерних програм, що реалізують нові різновиди методики кінетичного Монте-Карло (МК) моделювання та поліпшеної методики моделювання дифузійних процесів за методом сіток.

Встановлено, як на однорідність плівок під час рідкофазної епітаксії впливають величина переохолодження і енергія зв'язку з підкладкою.

Шляхом МК моделювання росту кристалів зі змішаних розплавів встановлено, як величина міжатомної взаємодії різнойменних атомів впливає на структуру поверхні первинних граних кристалів. Виявлено природу ефекту покращення адгезії до підкладки потрійного розплаву з активним B-компонентом при введенні інактивного C-компонента, який сильно взаємодіє з основним A-компонентом і слабко взаємодіє з B-компонентом.

Шляхом МК моделювання вперше відтворено всі стадії процесу утворення плівок з газової фази. Встановлені фактори, що впливають на контактні кути зростаючих під час конденсації малих крапель. Визначені фактори, що впливають на щільність напилених плівок.

Уперше виконано моделювання спрямованого твердіння з одночасним урахуванням анізотропії швидкості росту й поверхневого натягу. Встановлено, що анізотропія швидкості росту більше впливає на розвиток збурень і сприяє утворенню більш регулярних структур. В тривимірному випадку швидкості розвитку комірок вищі, а їхня ширина - менша.

МК моделювання спрямованого твердіння виявило існування нижньої межі ширини (~ 30 міжатомних відстаней) комірок, що можуть утворюватись. Флуктуації росту руйнують менші комірки. Також встановлено, що теоретично очікувана стійкість фронту при дуже високих швидкостях протягування зразка не підтверджується результатами МК моделювання через локальні флуктуації швидкості росту, а структура кристала, що утворюється за таких умов, є вкрай недосконалою.

Ключові слова: моделювання за методом сіток, Монте-Карло моделювання, міжфазні поверхні, тонкі плівки, конденсація, змочування, адсорбція, спрямоване твердіння.



АННОТАЦИЯ

Расщупкина М. С. Межфазные поверхности в процессах кристаллизации расплавов. - Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата физико-математи-ческих наук по специальности 01.04.07 физика твердого тела. - Днепропетровский национальный университет им. О. Гончара, Днепропетровск, 2009 г.

Диссертация посвящена исследованию атомной структуры и микроструктуры межфазных поверхностей в процессах кристаллизации. Исследование проводилось путем моделирования с использованием специально разработанных компьютерных программ, которые реализуют новые разновидности методики кинетического Монте-Карло (МК) моделирования и улучшенной методики моделирования диффузионных процессов методом сеток.

Установлено, как на однородность пленок при жидкофазной эпитаксии влияют величина переохлаждения и энергия связи с подложкой.

Путем МК моделирования роста кристаллов из смешанных расплавов установлено, как величина межатомного взаимодействия разноименных атомов влияет на структуру поверхности первичных гранных кристаллов. Выявлена природа эффекта улучшения адгезии к подложке тройного расплава с активным B-компонентом при введении инактивного C-компонента, который сильно взаимодействует с основным A-компонентом и слабо взаимодействует с B-компонентом.

Путем МК моделирования впервые воспроизведены все стадии процесса образования пленок из газовой фазы. Установлены факторы, влияющие на контактные углы растущих при конденсации малых капель. Определены факторы, влияющие на плотность напиленных пленок.

Впервые выполнено моделирование направленного затвердевания с одновременным учетом анизотропии скорости роста и поверхностного натяжения. Установлено, что анизотропия скорости роста больше влияет на развитие возмущений и способствует образованию более регулярных структур. В трехмерном случае скорости развития ячеек выше, а их ширина - меньше.

МК моделирование направленного затвердевания обнаружило существование нижней границы ширины (~ 30 межатомных расстояний) ячеек, которые могут образовываться. Флуктуации роста разрушают меньшие ячейки. Также установлено, что теоретически ожидаемая устойчивость фронта при очень высоких скоростях протягивания образца не подтверждается результатами МК моделирования из-за локальных флуктуаций скорости роста, а структура кристалла, образованного при таких условиях, крайне несовершенна.

Ключевые слова: моделирование по методу сеток, Монте-Карло моделирование, межфазные поверхности, тонкие пленки, конденсация из пара, смачивание, адсорбция, направленное затвердевание.



SUMMARY

Rasshchupkyna M. S. Interfaces during processes of crystallization of melts - Manuscript.

...