Физические свойства углеродных наноматериалов и легированных синтетических монокристаллов алмаза (1097954), страница 3

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 3)

ежегодно, Троицк, 2009, Суздаль,2010.Отдельные части диссертационной работы отмечены ПремиейЕвропейской группы по исследованиям при высоких давлениях в 1993 г,медалями и дипломами международных салонов инноваций иизобретений в 1996, 1998, 2008 гг., конкурса МЧС РФ "Инновации ибезопасность" 2007 г.Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 48 статьяхв научных журналах, рекомендованных ВАК России, 4 из них обзорные, 23 статьях в сборниках трудов конференций и монографиях,8 Патентах РФ и 1 патенте США, 1 авторском свидетельстве СССР, 86тезисах докладов.

Основные положения диссертации полностьюпредставлены в опубликованных работах.Личный вклад диссертанта. Автор был научным руководителеми ответственным исполнителем проведенных исследований. Основнаячасть описанных результатов исследования физических свойствуглеродныхнаноматериаловилегированныхсинтетическихмонокристаллов алмазов получена автором лично.

В большей частистатей, патентов, в авторском свидетельстве и других публикациях онявляется основным соавтором.13Структура и объем диссертации. Диссертация состоит извведения, восьми глав, заключения и библиографии, содержит 354страницы машинописного текста, включая 198 рисунков, 17 таблиц исписок литературы из 357 наименований.Содержание работыВо введении обоснована актуальность и практическая значимостьработы в связи с необходимостью развития материалов электроники, вчастности, экстремальной полупроводниковой электроники, способнойфункционировать при воздействии неблагоприятных внешнихфакторов, таких как сильные механические нагрузки, радиационноеоблучение, высокие и низкие температуры и другие факторы.Сформулированы цели и задачи диссертационной работы, научнаяновизна, основные защищаемые положения, кратко изложеносодержание диссертации.Глава 1 посвящена обзору современного состояния исследованийв области получения новых углеродных материалов для электроники,приборостроения, изучения их электронных и оптоэлектронныхсвойств, а также описаны их основные практические применения.В Главе 2 описаны новые экспериментальные методикиисследований и установки, примененные в данной работе.Исследование физических процессов в условиях сверхвысоких (до100 ГПа и выше) статических давлений проводится в специальныхаппаратах с алмазными наковальнями, изготовленными извысокочистыхмонокристалловалмазатипаIIa.Важнойразновидностью этого вида экспериментальной техники являютсясдвиговые камеры высокого давления, в которых помимо высокогодавления для активации фазовых переходов в экспериментальномобразце создаются большие сдвиговые деформации путем вращенияодной наковальни относительно другой вокруг оси приложениянагрузки.

Распределение давления по диаметру круглого образца до ипосле сдвиговых деформаций измеряется по спектрам люминесценциичастиц рубина, являющихся индикаторами давления в камере.Созданная автоматизированная оптическая установка (Рис. 1а) сосдвиговой алмазной камерой высокого давления (Рис. 1б), позволяет измерятьдавление в одной точке в течение 10 - 15 с, получать распределениедавления по площади наковален в течение 2 - 3 ч, а также исследоватьполе смещений частиц образца в камере под влиянием сдвига. Этопозволило получить качественно новую информацию о физическихпроцессах под давлением.14а)б)Рис.

1. Блок-схема автоматизированной экспериментальной установки (а) дляизмерения распределения давления по площади экспериментальных образцов всдвиговойалмазнойкамере(б)методомизмеренияспектровфотолюминесценции люминесценции маркерных частиц рубина.Для автоматического измерения поля давления в компьютервведена плата управления шаговыми двигателями двухкоординатногооптического столика, на котором установлена алмазная камеравысокого давления с образцом. Использование известных программныхсредств позволяет по окончании эксперимента строить трехмерныекартины распределения давления, представлять распределение давленияв изобарах и псевдоцветах, а также получать распределение давления подиаметрам и хордам образца (Рис.

2).а)б)0100200х, мкм300400Рис. 2. Примеры распределения давления в образцах ZnSe (а) и С60 (б),полученные с помощью автоматизированной экспериментальной установки.15На графиках распределения давления в модельном веществе ZnSe иизучаемом фуллерене С60 видны аномалии, обусловленныеструктурными фазовыми переходами.Для регистрации и обработки оптического изображения образца вустановке использован анализатор телевизионного изображения,Анализ телевизионного изображения позволяет измерять площадиотдельных частей образца, отличающиеся оптической плотностью, атакже определять траектории движения частиц вещества под влияниемсдвиговыхнапряжений(Рис.3).Показаныизображенияэкспериментального образца в проходящем свете при постояннойнагрузке в результате сдвига на 2; 6; 11о (суммарно) на прямом ходунагрузки и 2 изображения при сдвиге на 6 и 2.5° (суммарно) прификсированной нагрузке на обратном ходу.Видимая на изображениях образца центральная темная областьпредставляет собой фазу высокого давления (ф.в.д.) в ZnSe, темныеточки — частицы рубина в образце.

Наличие частиц рубина в образцепозволяет определять траектории движения вещества в условиях сдвигапутем последовательного вычитания изображений образца послекаждого сдвига на угол 2 - 5° .Рис. 3. Изображения образца ZnSe в алмазной камере высокого давленияпри различных углах сдвига подвижной наковальни относительнонеподвижной (слева) и результат последовательного вычитания изображенийпри ступенчатом осуществлении сдвига (справа).Аномалии в распределении давления в алмазной камереобусловлены изменением объемных модулей упругости и удельного16объема вещества при структурном фазовом переходе. Сдвиговыедеформации,активизируяфазовыйпереход,приводяткперераспределению давления по площади образца при неизменнойнагрузке, что в свою очередь влияет на условия протекания самогофазового перехода.

Возникает эффект положительной обратной связи,называемый самомультипликацией давления. Сочетание величиныгистерезиса фазового перехода при комнатной температуре, скачкаобъемных модулей и удельного объема в ZnSe таково, что приуменьшении нагрузки в камере фаза высокого давления сохраняетсявплоть до полной разгрузки за счет самомультипликации давления приобратном переходе. Площадь ф.в.д. убывает очень медленно и приуменьшении нагрузки, и при сдвиговых деформациях. На рис. 3представлены картины изменения изображения образца в результатесдвиговых деформаций при пошаговом вращении одной из наковален вкамере. Для сравнения приведена картина движения для образца NaCl вкамере в тех же условиях (среднее правое изображение).

Известно, чтоNaCl в этой области давлений фазовых переходов не испытывает.Исследования в модельном объекте ZnSe показали, что1 — развитие фазового перехода и перемещение частиц веществапроисходит неравномерно по площади образца, развитие фазовогоперехода на прямом ходу нагрузки вызывает провалы давления вкольцевой области, в результате чего дальнейшее превращениетормозится;2— мультипликация, т.е. увеличение максимального давления вкамере, благодаря сдвигу возможна не только при нагружении, но и приразгрузке камеры в зависимости от эволюций, которые образецпретерпел перед этим;3— в результате сдвига увеличивается перепад давления на границераздела фаз и его величина может превышать величину гистерезисафазового перехода в гидростатических условиях: так, для ZnSeгистерезис перехода в гидростатике составил ~ 4 ГПа, а перепаддавления на границе в сдвиговой камере составил 5 - 6 ГПа.Обнаруженные аномалии в распределении давления по диаметруобразца С60 (рис.

2) коррелируют с наблюдаемыми оптическимиметодами межфазными границами (разные фазы С60 имеют разныекоэффициенты поглощения). Вертикальными штриховыми линиямиотмечены области, занимаемые разными фазами полимеризованного С60после сдвига. Разработана теоретическая модель, описывающаяособенности радиального распределения давления в тонком диске приструктурном фазовом переходе со скачком удельного объема в условиях17пластического течения вещества. Показано, что в области фазовыхграниц на зависимости давления от радиуса должны возникатьаномалии в форме ступеньки или локального максимума. Определеныхарактерные размеры этих аномалий и их влияние на значениемаксимального давления. Радиус 2 фазовой границы с учетом скачкаобъема при условии термодинамического равновесия равен:Здесь P-среднее давление по площади наковален, Рп -величина давленияфазового перехода, sI- предел пластичности исходной фазы I, V/V0 скачек удельного объема при фазовом переходе.Радиус 1 стационарной области, по обе стороны от которойпроисходит движение вещества фазы I (к центру) и фазы II (от центра):По порядку величины значениегде Ек – локальныймодуль Юнга.Показано, что ширина  области двухфазного состояния равнагде=h/a -отношение радиуса диска к его толщине.В случае еслиТогда при условии пластического течения С  1 :18Полученныетеоретическизначениясогласуютсясэкспериментальными данными для фазовых переходов в модельныхобъектах KCl, ZnSe, PbSe и могут применяться для оценки величинмодуля Юнга и предела пластичности в других исследуемыхматериалах.В главе 2 также описаны методики исследования квантовыхосцилляций акустоэлектронного тока в полуметаллах, скоростейакустических волн, соотношения sp2 и sp3 -гибридизованных атомовуглерода в различных структурах и других свойств.Глава 3 посвящена исследованиям физических свойств 2D- и 3Dполимеризованных фуллеренов С60 и С70 и эндофуллерена La@C82.Обнаружено, что поверхность алмаза (001) испытывает пластическиедеформации под воздействием неалмазной углеродной фазы,полученной из фуллерена С60 в условиях сдвиговых деформаций поддавлением более 20 ГПа в сдвиговой алмазной камере высокогодавления, а также методом обработки статическим давлением 13-15 ГПапри температурах 1400-1800 К длительностью 1 мин.

На рис. 4показано изображение рабочей поверхности алмазной наковальни вкамере высокого давления после осуществления сдвиговой деформацииобразца фуллерена С60 при давлении 20 ГПа. Возникновение такогокольцевого рисунка деформаций поверхности алмаза указывает, чтотвердость полученного фуллерита не ниже твердости алмаза придавлении 20 ГПа.a)б)Рис. 4. Оптическая фотография кольцевых следов пластическойдеформации поверхности (001) кристалла алмаза в результате сдвиговойдеформации фуллерена С60 при давлении 20 ГПа (а) и пластическаядеформация поверхности (111) алмаза после индентирования ультратвердымфуллеритом (б).19Наиболее твердая поверхность (111) также деформируетсяпластически при воздействии индентора изготовленного изультратвердого фуллерита (рис. 4б). Ультратвердыми фуллеритаминазваны самые твердые разупорядоченные структуры углерода судельным весом 3.2-3.3 г см-3 и на 85±10% состоящие из sp3гибридизованных атомов углерода.

Характеристики

Список файлов диссертации