Змочування, поверхнева енергія і фазові переходи рідина  кристал в одно - і двокомпонентних конденсованих плівках

Key words: island film, nanoparticle, metals, phase transition, melting, crystallization, supercooling, phase diagram, wetting, surface energy, size effect.

Ларин В.И. Смачивание, поверхностная энергия и фазовые переходы жидкость кристалл в одно- и двухкомпонентных конденсированных пленках. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук по специальности 01.04.07 - физика твердого тела. - Харьковский национальный университет имени В.Н. Каразина, Харьков, Украина, 2005.

Диссертация посвящена решению проблемы установления общих закономерностей фазовых переходов жидкость кристалл в конденсированных пленках одно- и двухкомпонентных металлических систем и их связи с размерным эффектом, а также с поверхностными явлениями на границе раздела твердой и жидкой фаз. Установлены общие закономерности плавления и кристаллизации наночастиц различных металлов (In, Sn, Bi, Pb, Al, Ag, Au, Cu, Fe, Co, Ni, Pt) и бинарных сплавов (Bi-Sb, Bi-Sn, Bi-Pb). Показано, что при плавлении и кристаллизации наночастиц металлов выполняется закон соответственных состояний: в относительных координатах "температура - размер" данные по плавлению и кристаллизации описываются обобщенной диаграммой, из которой следует зависимость температурного гистерезиса при плавлении и кристаллизации от размера наночастиц и обращение его в нуль для частиц критического размера. На этом основании сделан вывод об из изменении характера фазового перехода - для наночастиц критического размера кристаллизация происходит без переохлаждения, а фазовый переход из дискретного становится непрерывным. Установлено, что при условиях, близких к гомогенному зарождению, для наночастиц металлов и бинарных сплавов относительное переохлаждение в пределе составляет примерно 0,4 от соответствующей температуры перехода (температуры плавления массивного материала либо температуры ликвидуса для бинарных сплавов).

Методом образцов переменного состава и состояния построены фазовые диаграммы "температура - состав" для бинарных пленок (Bi-Sb, Bi-Sn, Bi-Pb) и проанализирована их эволюция при уменьшении характерного размера. Установлено, что для бинарных пленок толщиной 100 нм и более их дпаграммы соответствуют фазовым диаграммам массивных образцов, с уменьшением толщины пленок при t<50 нм их фазовая диаграмма смещается в область более низких температур и этот эффект тем больше, чем меньше толщина. Выполнен термодинамический анализ эволюции фазовых диаграмм бинарных пленочных систем различного типа при уменьшении характерного размера.

Исследовано смачивание в нанодисперсных контактных системах различного типа: "наночастица - подложка" (In/C, Sn/C, Bi/C, Pb/C,Si, Au/C), "наночастица - пленка переменной толщины - подложка" (Pb/Ni/NaCl (001) и Pb/Ni/Si (111)) и "наночастица - свободная пленка переменной толщины" (In/C, Sn/C и Pb/C). Установлено, что размерный эффект при смачивании имеет общий характер и проявляется в зависимости краевого угла смачивания от размера частиц и толщины пленки - подложки. Выполнено теоретическое описание размерного эффекта при смачивании для систем "наночастица - подложка" с учетом размерной зависимости поверхностной энергии собственно микрокапли и межфазной энергии микрокапля - подложка. Определены межфазные энергии границ "наночастица - подложка" исследованных систем и их размерные зависимости. Показано, что размерный эффект при смачивании в системах "наночастица - пленка переменной толщины - подложка" обусловлен деформацией пленки каплей, степень которой зависит от толщины пленки. Это позволило определить величину поверхностной энергии пленок аморфного углерода толщиной 5 - 15 нм.

По данным исследований кинетики испарения малых частиц получены сведения о размерной зависимости поверхностной энергии наночастиц Pb и Аu. С использованием результатов по плавлению наночастиц различных металлов (In, Sn, Bi, Pb, Al, Au, Pt) определены их поверхностные энергии в твердой фазе и их температурные зависимости в интервале (0,6-1)T_s. Установлена общая закономерность для температурной зависимости поверхностной энергии наночастиц исследованных металлов в твердой фазе: в области предплавильных температур (0,8-1)T_s температурный коэффициент поверхностной энергии нелинейно возрастает по модулю, что обусловлено возрастанием концентрации вакансий.

На основе обобщения всех полученных данных впервые установлены и проанализированы общие закономерности при плавлении и кристаллизации наночастиц различных исследованных металлов и бинарных сплавов. Выполнена систематика результатов по смачиванию в наноразмерных системах различного типа, а также по поверхностной энергии наночастиц металлов, ее размерной и температурной зависимости.

Ключевые слова: островковые пленки, наночастицы, металлы фазовые переходы, плавление, кристаллизация, переохлаждение, фазовые диаграммы, смачивание, поверхностная энергия, размерный эффект.

Размещено на Allbest.ru