WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика твердого тела, 2006, том 48, вып. 2 Дефекты и отслаивание аморфных нанопленок от кристаллических подложек, © С.В. Бобылев, И.А. Овидько, А.Е. Романов, А.Г. Шейнерман Институт проблем машиноведения Российской академии наук, 199178 Санкт-Петербург, Россия Санкт-Петербургский государственный университет, 198504 Санкт-Петербург, Россия Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия E-mail: ovidko@def.ipme.ru (Поступила в Редакцию 8 апреля 2005 г.

В окончательной редакции 15 апреля 2005 г.) Теоретически исследованы условия отслаивания аморфной нанопленки от кристаллической подложки.

Теоретический анализ проведен с помощью представлений дисклинационно-дислокационной модели межфазной границы „кристалл–стекло“, в рамках которой такая межфазная граница характеризуется высокой плотностью дисклинаций и дислокаций. Получен критерий отслаивания аморфной нанопленки от кристаллической подложки. Рассчитана зависимость критической толщины нанопленки (при превышении которой начинается ее отслаивание) от характеристик дисклинационно-дислокационной системы и дилатационного несоответствия.

Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 04-01-00211), ИНТАС (грант N 03-51-3779), программы РАН „Структурная механика материалов и элементов конструкций“, программ развития потенциала высшей школы и физики твердотельных наноструктур Министерства образования и науки РФ, Санкт-Петербургского научного центра РАН, Офиса морских исследований США (Office of US Naval Research, грант N 00014-05-1-0217) и Фонда содействия отечественной науке.

PACS: 62.20.Mk, 62.25.+g Аморфно-кристаллические композиты (кристаллиты сильно отличающимися друг от друга кристаллической в аморфной матрице, аморфные частицы в кристал- и аморфной фазами, значительное несоответствие являлической матрице, аморфные пленки на кристалличе- ется отличительной чертой таких границ. Как следствие, ских подложках, кристаллические пленки на аморфных они характеризуются высокой плотностью дефектов подложках и др.) являются предметом интенсивных несоответствия.

экспериментальных и теоретических исследований, что В работах [10,11] предложено описание ориентационобусловлено широким кругом их использования в совреного несоответствия между аморфной и кристалличеменных высоких технологиях (см., например, [1–9]). Фиской фазами с помощью дисклинаций несоответствия.

зические и механические свойства таких композитов суНедавно этот подход был развит и использован для щественным образом зависят от структуры межфазных оценки энергии границы раздела „кристалл–стекло“ [12].

границ раздела между кристаллическим и аморфным В настоящей работе используются результаты рабоматериалами. Роль границ „кристалл–стекло“ исключиты [12] для оценки критической толщины аморфной тельно высока в физических процессах, происходящих нанопленки (пленки наноскопической толщины), при в нанокомпозитах [9], где значительная доля общего превышении которой начинается ее отслаивание от объема материала занята межфазными границами. Все подложки.

это обусловливает значимый интерес к исследованию особенностей структуры и поведения межфазных границ „кристалл–стекло“.

1. Модель межфазной границы В технологических процессах получения аморфнов аморфно-кристаллических кристаллических композитов, в частности, аморфных композитах нанопленок на кристаллических подложках, часто сталкиваются с таким явлением, как отслаивание фаз (зароМодель межфазной границы „кристалл–стекло“ пождение и рост несплошностей на межфазных границах), дробно изложена в работе [12]. Поэтому здесь ограникоторое серьезно нарушает функциональные свойства чимся сжатым изложением основных положений модекомпозитов. Одним из важнейших факторов, влияющих на возможность отслаивания, является геометрическое ли, которые необходимы для предмета настоящей рабонесоответствие между фазами на границе между ни- ты — исследования процессов отслаивания аморфных ми. Поскольку границы „кристалл–стекло“ образованы нанопленок от кристаллических подложек.

Дефекты и отслаивание аморфных нанопленок от кристаллических подложек Такие особенности структуры металлических и ковалентных стекол, как отсутствие дальнего трансляционного порядка, существование ближнего ориентационного порядка, однородность структуры на среднемасштабном уровне и локальные искажения структуры, эффективно описываются в рамках дисклинационных моделей [13–15]. Последние представляют стекла как сплошные среды с беспорядочно распределенными дисклинационными дефектами, нарушающими дальний ориентационный порядок и ответственными за локальные искажения структуры. При этом выделяют два типа дисклинационных дефектов [14]: непрерывно распределенные дисклинации отрицательной мощности и изолированные дисклинации с большой положительной мощностью. Непрерывно распределенные дисклинации отвечают за непрерывную кривизну структуры стекол [14], а изолированные дисклинации компенсируют Рис. 1. Клиновая дисклинация большой мощности 0 (сплошэту кривизну. Такое дисклинационное представление ная жирная линия), окруженная непрерывно распределенными аморфной фазы в виде сплошной среды, содержащей клиновыми дисклинациями мощностью d в аморфной пленке дисклинационные дефекты, удобно для теоретического на кристаллической подложке. Некоторые из d-дисклинаций описания упругих полей и процессов пластической депоказаны прямыми тонкими линиями. Дисклинации 0 и d формации в аморфных структурах [12,14,15].

соединены сегментами дисклинаций кручения (штриховые) в На основе дисклинационных моделей [13–15] аморфплоскости границы „кристалл–стекло“. Клиновые дисклинации ной структуры в работе [12] было предложено следу- и дисклинации кручения образуют -образные полупетли.

ющее описание границ „кристалл–стекло“ в аморфно- В цилиндрической области радиуса Rs осуществляется полное экранирование полей напряжений дисклинаций 0 и d.

кристаллических композитах. Соглано закону сохранения дисклинационного заряда [14,15], линии дисклинаций не могут заканчиваться внутри сплошной среды:

они обязаны либо выходить на свободную поверхность, Суммарная мощность отрицательной дисклинации 0 и либо образовывать петли. Поэтому линии дисклинаций, положительных дисклинаций d равна нулю.

которые выходят на межфазную границу, не обрываются 4) Дисклинации мощностью 0 однородно распределена ней, а продолжаются в ее плоскости. Дисклинаны в аморфной фазе со средней плотностью R-2. Как s ционные сегменты, лежащие в плоскости межфазной следствие дисклинационный ансамбль аморфной фазы границы, приводят к возникновению ориентационного вблизи границы „кристалл–стекло“ может быть разбит несоответствия между аморфной и кристаллической на экранированные конфигурации, содержащиеся внутри фазами (подробнее см. [12]), а сами дисклинационные наномасштабных цилиндрических областей, которые в сегменты трактуются как дефекты несоответствия [12].

первом приближении не перекрываются и занимают Следуя [12], при рассмотрении аморфно-кристалпрактически весь аморфный материал.

лического композита будем использовать следующие Для удобства расчетов каждая дисклинация мощноупрощающие предположения.

стью 0 представляется в виде ансамбля отрицатель1) Обе фазы являются упругоизотропными средами с ных дисклинаций бесконечно малой мощности -d, одинаковыми значениями модуля сдвига µ и коэффицилинии которых совпадают с линией этой дисклинации.

ента Пуассона.

При этом суммарная мощность дисклинаций мощно2) Аморфная фаза содержит прямые клиновые дисклистью -d равна 0. Таким образом, суммарная мощнации, нормальные к поверхности раздела „кристалл– ность отрицательных (-d) и положительных (d) стекло“ (рис. 1).

дисклинаций равна нулю, а средние плотности их рас3) Клиновые дисклинации, расположенные в аморф- пределений равны. Поэтому отрицательные дисклинации ной фазе, подразделяются на две категории [13–15]:

мощностью 0 и ансамбль окружающих их положидисклинации с отрицательной мощностью 0 -0.тельных дисклинаций мощностью d представимы в и непрерывно распределенные дисклинации с беско- виде ансамбля диполей дисклинаций d и -d. При нечно малой положительной мощностью d (рис. 1). этом дисклинации d смещены относительно оси циДисклинации мощностью d (обозначаемые в дальней- линдрической области, занимаемой дисклинациями, а шем как d-дисклинации) непрерывно распределены в дисклинации -d расположены на оси цилиндра.

цилиндрической области наноскопического радиуса Rs, Как уже упоминалось ранее, введенные таким обось которой совпадает с линией дисклинации мощно- разом дисклинационные диполи должны продолжаться стью 0 (рис. 1), и обеспечивают полное экранирова- в плоскости межфазной границы „кристалл–стекло“.

ние полей напряжений, создаваемых этой дисклинацией. Поскольку внутри аморфной фазы предполагается наФизика твердого тела, 2006, том 48, вып. 250 С.В. Бобылев, И.А. Овидько, А.Е. Романов, А.Г. Шейнерман личие клиновых дисклинаций, перпендикулярных межфазной границе, дисклинационные сегменты, лежащие в плоскости границы (дисклинации несоответствия), являются дисклинациями кручения. Будем полагать, что исходный ансамбль прямолинейных клиновых дисклинаций аморфной фазы замыкается дисклинациями кручения (штриховые линии на рис. 1) в -образные полупетли. В работе [12] показано, что введенные таким образом дефекты имеют не только дисклинационную, но и дислокационную составляющую, т. е. дефектная конфигурация внутри цилиндрической области в аморфной фазе вблизи межфазной границы представляет собой непрерывное распределение -образных дисклинационно-дислокационных полупетель (дислокаций Вольтерра). В следующем разделе используем изложенную здесь модель межфазной границы „кристалл– стекло“ и результаты работы [12] для расчета условий отслаивания аморфных нанопленок от кристаллических подложек.

2. Критерий отслаивания аморфной и кристаллической фаз Для простоты рассмотрим сначала аморфно-кристаллический композит, состоящий из двух полубесконеч- Рис. 2. Отслаивание аморфной пленки от кристаллической подложки по всей площади межфазной границы (a) или на ных фаз (аморфной и кристаллической) с одинаковым участке межфазной границы (b). Линиями показаны дисклисредним расстоянием a0 между атомами в плоскости нации аморфной фазы, обрывающиеся на образовавшейся в межфазной границы. Для оценки условий отслаивания результате отслаивания свободной поверхности или замыкаюаморфной и кристаллической областей материала сравщиеся в полупетли на межфазной границе. Цилиндрические ним энергию такого композита с суммарной энергией экранированные конфигурации условно изображены тройкаотслоившихся друг от друга аморфной и кристаллими дисклинаций (жирные линии соответствуют центральной ческой фаз. При этом аморфно-кристаллический ком0-дисклинации).

позит будем характеризовать распределениями дисклинационно-дислокационных полупетель, а аморфный материал, отслоившийся от кристалла, будем описывать распределениями двуосных дисклинационных диполей, Запишем выражения для удельных энергий (на единиперпендикулярных свободной поверхности этого мацу площади поверхности) wA и wB отслоившихся друг териала (рис. 2, a). Запишем выражения для энергий от друга аморфной и кристаллической фаз. Удельная системы „кристалл–стекло“ до и после отслаивания энергия wA кристалла, отслоившегося от аморфного контактирующих фаз.

слоя, включает в себя лишь его химическую поверхЗапишем сначала выражение для энергии (на единицу ностную энергию A(wA = A). Удельная энергия wB площади поверхности) wA+B аморфно-кристаллического полубесконечного аморфного слоя, отслоившегося от композита. Энергия wA+B представима в виде кристалла, представима в виде wB = w0 + s + B. Здесь wA+B = w0 + i + AB, (1) B — химическая поверхностная энергия, а s —дополнительный отрицательный вклад свободной поверхгде w0 — поверхностная плотность энергии W0, запаности в упругую энергию распределения дисклинационсаемой распределением дисклинационных диполей (по ных диполей (на единицу площади этой поверхности).

объему цилиндра радиуса Rs ) во фрагменте некотороУдельная энергия s для полубесконечного аморфного объема бесконечного аморфного материала, i — го слоя является аналогом удельной энергии i для поверхностная плотность энергии Wi межфазной грааморфно-кристаллического композита, только в отличие ницы, обусловленная замыканием дисклинационных диот последней энергия s обусловливается не замыканием полей в полупетли, AB — химическая энергия гранидисклинационных диполей в полупетли, а их выходом на цы A (кристалл)–B (стекло). Величина i, входящая в свободную поверхность.

формулу (1), определяется выражением [12] Будем считать, что отслаивание аморфного и кристал Wi D0Rs лического слоев возможно, если оно приводит к уменьi = = (1 + 4)A + 2B +(1 - 4)C, (2) R2 s шению энергии системы, т. е. если wA + wB - wA+B < 0.

где D = µ/[2(1 - )], A 2.76, B 0.72, C 0.44. Учитывая записанные выше выражения для wA, wB и Физика твердого тела, 2006, том 48, вып. Дефекты и отслаивание аморфных нанопленок от кристаллических подложек wA+B, критерий отслаивания можно переписать в виде В книге [15] и работе [17] приведены следующие оценки: Rs 5a0 (где a0 — среднее межатомное рас < c, (3) стояние), 0 = -2 arcsin(1/ 3) -70.5 для аморфных металлов и Rs 5a0, 0 -0.5 для аморфных сплагде = A + B - AB — разность между суммарной вов. Тогда при = 0.3 получаем следующие оценки химической поверхностной энергией кристаллического для c: c/(µa0) =0.54 · 10-2 в случае 0 -0.5, и и аморфного слоев и химической энергией границы их c/(µa0) =3.31 · 10-2 при 0 -70.5.

раздела, а c = i - s.

Рассмотрим теперь случай, когда аморфно-кристалЗдесь следует особо отметить, что предложенная лический композит состоит из полубесконечной кримодель описывает процесс отслаивания несколько упросталлической подложки и аморфной нанопленки толщенно. Действительно, формула (3) представляет собой щины h Rs. В этом случае как в аморфно-кристалкритерий отслаивания пленки от подложки целиком, лическом композите, так и в аморфной нанопленке, отт. е. сразу по всей площади границы раздела (рис. 2, a).

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.