Главная » 2014»Август»22 » Скачать Дислокационные модели релаксации напряжений и разрушения в наноструктурных и пористых твердых телах. Шейнерман, Александр бесплатно
2:05 AM
Скачать Дислокационные модели релаксации напряжений и разрушения в наноструктурных и пористых твердых телах. Шейнерман, Александр бесплатно
Дислокационные модели релаксации напряжений и разрушения в наноструктурных и пористых твердых телах
Диссертация
Автор: Шейнерман, Александр Григорьевич
Название: Дислокационные модели релаксации напряжений и разрушения в наноструктурных и пористых твердых телах
Справка: Шейнерман, Александр Григорьевич. Дислокационные модели релаксации напряжений и разрушения в наноструктурных и пористых твердых телах : диссертация доктора физико-математических наук : 01.02.04, 01.04.07 / Шейнерман Александр Григорьевич; [Место защиты: Институт проблем машиноведения РАН] - Санкт-Петербург, 2008 - Количество страниц: 276 с. ил. Санкт-Петербург, 2008 276 c. :
Объем: 276 стр.
Информация: Санкт-Петербург, 2008
Содержание:
ВВЕДЕНИЕ
Глава 1 Механизмы релаксации напряжений в наноструктурных и пористых твердых телах (обзор)
11 Образование островков и нанопроволок при росте пленок
12 Дефекты несоответствия с пленочных гетеросистемах
13 Дислокации в твердых телах с цилиндрическими порами
14 Особенности пластической деформации и разрушения нанокристалли-ческих материалов
15 Постановка задачи
Глава 2 Дефекты несоответствия в цилиндрических нанослойных структурах
21 Напряжения несоответствия в двухслойной нанопроволоко
22 Дислокация несоответствия в двухслойной нанопроволоке
23 Дисклинационные дефекты несоответствия в двухслойной цилиндрической нанопроволоке
24 Дислокационные петли в двухслойной цилиндрической нанопроволоке
241 Поле напряжений дислокационной петли в цилиндре
242 Критическое условие формирования петли
25 Дислокации несоответствия на границе пленки, нанесенной на поверхность цилиндрической полости
Глава 3 Модели дислокаций в квантовых точках и нанопроволоках
31 Дислокации в квантовых точках и нанопроволоках на подложке
311 Дислокации в квантовых точках и нанопроволоках на подложке (обзор)
312 Модель квантовых точек как цилиндрических сегментов
32 Дислокации в квантовых точках и нанопроволоках в матрице
321 Модели дислокаций в квантовых точках и нанопроволоках, расположенных в бесконечной среде (обзор)
322 Модели дислокаций в квантовых точках и нанопроволоках вблизи свободной поверхности
33 Влияние дислокаций в подложке на переход от двумерного к трехмерному режиму роста пленок
Глава 4 Дислокации в средах с цилиндрическими порами
41 Микротрубки в бесконечной среде
411 Упругое взаимодействие микротрубки с винтовой дислокацией с замкнутым ядром
412 Упругое взаимодействие пары микротрубок
413 Микротрубка вблизи плоской свободной поверхности
414 Критические параметры расщепления микрогрубок
42 Микротрубки, перепендикулярные поверхностям кристаллов
421 Упругие поля дислокационной трубки, перпендикулярной свободной поверхности кристалла
422 Расщепление и зарастание дислокационных трубок у фронта роста кристаллов
423 Компьютерное моделирование динамики дислокационных трубок в растущих кристаллах
43 Поля напряжений дислокационных трубок с поверхностными ступеньками
431 Дислокационные трубки с поверхностными ступеньками в бесконечной среде
432 Дислокационные трубки с поверхностными ступеньками, перпендикулярные свободной поверхности
433 Силы, действующие на аксиально симметричные ступеньки
44 Взаимодействие микротрубок с включениями политипов в карбиде кремния
Введение:
В настоящее время под терминами "паноструктурные твердые тела" и "пористые твердые тела" понимают очень широкий класс структур, перечень которых постоянно растет. Общим для всех паноструктурпых твердых тел является то, что они содержат структурные элементы (пленки, включения, кристаллиты и т. д.), которые имеют по меньшей мере один характеристический размер от 1 до 100 нанометров. Примерами напоструктурных твердых тел являются нанокристаллпческие материалы, однослойные и многослойные напопленки, квантовые точки и проволоки, углеродные панотрубки, а также нанокомпозпты. Наноструктурные и пористые твердые тела обладают уникальными механическими, физическими п химическими свойствами, имеющими первостепенную значимость для новых технологий в электронной промышленности, энергетике, авиационной промышленности, машиностроении, химии, биологии п медицине (например, [1-5]). При этом механические напряжения и дефекты в паноструктурпых и пористых твердых телах оказывают определяющее влияние на их упнкальные служебные свойства п вместе с тем чрезвычайно чувствительны к структуре таких твердых тел. Как следствие, создание высококачественных электронных п конструкционных паноструктурпых и пористых материалов требует разработки моделей дефектов в этих материалах, выявления механизмов релаксации напряжений п разрушения таких материалов, а также анализа влияния структуры этих материалов и условий деформации на их механические и служебные свойства. Исследованию этих вопросов и посвящена настоящая диссертационная работа.
При исследовании механизмов релаксации напряжении п разрушения в напоструктурных твердых телах важно учитывать, что поведение дефектов в таких твердых телах имеет ряд существенных особенностей, не характерных для материалов, состоящих из структурных единиц большего размера. Одна из таких особенностей заключается в том, что в отличие от материалов с мезо- или макроструктурой, где определяющее влияние на физико-механические и служебные свойства, как правило, оказывают ансамбли дефектов и создаваемые ими коллективные эффекты, свойства наноструктурных материалов во многом зависят от наличия и поведения отдельных дефектов. Например, наличие даже изолированных дислокаций в гетероструктурах, содержащих нанопленки или напоскопнческне включения — квантовые точки или наноироволоки,— может препятствовать работе оптоэлектронных приборов на основе таких структур [2,6]. В связи с этим большое значение приобретает выявление механизмов образования дефектов в таких структурах и расчет критических условий их формирования.
Другой особенностью поведения дефектов в наноструктурыых материалах является их тенденция располагаться н аккумулироваться на границах структурных элементов. Характерным примером служат нанокрпсталлпческие материалы [5, 7] — твердые тела с размерами зерен, не превышающими нескольких десятков нанометров. Ввиду малости размеров зерен в нанокристаллических твердых телах дислокационные ансамбли внутри зерен отсутствуют, а внутренние области зерен могут содержать изолированные дислокации пли не содержать дислокаций вовсе. Вместе с тем нанокрпсталлпческие материалы имеют высокую плотность границ зерен, где в основном и аккумулнрются дефекты — зернограннчные дислокации и днсклинации.
Еще одна особенность наноструктурных материалов заключается в том, что действующие в них механизмы пластической деформации и разрушения во многом определяются размерами их структурных единиц. В частности, пластическая деформация нанокристаллических материалов с размерами зереи меньше 10-30 нм при комнатной температуре происходит в основном по границам зерен [8-22], в то время как деформация металлических нанокристаллических материалов с большими размерами зерен реализуется преимущественно за счет движения решеточных дислокаций. Аналогичный размерный эффект наблюдается и при разрушении нанокристаллических материалов: при достаточно малых размерах зерен пластичные материалы могут становиться хрупкими и разрушаться в результате распространения трещин [23-25]. Отметим также, что зарождение и рост трещин в нанокристаллических материалах на начальных стадиях разрушения обычно также происходит по границам зерен (например, [26,27]).
Необходимо подчеркнуть, что отмеченные выше эффекты имеют место не только в наноструктурных твердых телах, но и в твердых телах со структурными элементами большего размера. В частности, преимущественная пластическая деформация и разрушение твердых тел по границам зерен могу т происходить и в поликристал-лическнх материалах с высоким барьером Пайерлса (энергетическим барьером для скольжения дислокаций) или при высоких температурах. Однако наиболее характерны эти эффекты именно для наноструктурных твердых тел.
Указанные особенности поведения дефектов в наноструктурных материалах ответственны за уникальные механические свойства таких материалов, в частности, за их высокую твердость н прочность. Вместе с тем анализ механизмов пластической деформации и разрушения таких материалов с учетом важной роли границ структурных элементов требует выработки новых подходов. В настоящей диссертационной работе кроме традиционных методов теории дефектов в твердых телах н механики разрушения для анализа разрушения наноструктурных материалов используются методы, основанные на решении самосогласованных упруго-диффузионных задач и математической теории протеканпя.
Наряду с напоструктурными материалами в последние два десятилетия широкое внимание исследователей привлекают электронные порпстые материалы, обладающие уннкальпымп электронными и оптоэлектроннымп свойствами. Примерами таких материалов служат карбид кремнии, нитрид галлия и пористый кремний. Интересной особенностью этих материалов является то, что в первых двух из них образуются длинные цилиндрические поры (называемые микро- и папотрубками), содержащие винтовые дислокации [28-35]. Образование трубок является механизмом релаксации напряжений, создаваемых винтовыми дислокациями с большими векторами Бюргер-са [36]. Эксперименты показывают, что трубки могут изменять свой радиус, разветвляться пли сливаться, образовывать макропоры или, наоборот, зарастать [37-45]. При этом взаимодействие, слияние или зарастание полых трубок определяется упругим взаимодействием сопровождающих их дислокаций между собой, с границами включений, а также свободными поверхностями пор и поверхностью кристалла. Наличие полых трубок в полупроводниковых кристаллах (в первую очередь, карбиде кремния) считается крайне нежелательным, поскольку выходящие па поверхность полости препятствуют работе электронных приборов [32,37,38,40-50]. Следовательно, рост массивных высококачественных полупроводниковых кристаллов требует определения условий, при которых полые дислокационные трубки могут расщепляться и зарастать.
Таким образом, выявление дислокационных механизмов релаксации напряжений в наноструктурных и пористых твердых телах, определение условий реализации таких механизмов, а также анализ влияния дислокаций на процессы разрушения в наноструктурных и пористых твердых-телах представляет несомненный фундаментальный и практический интерес. Для решения этой задачи в настоящей работе используются методы континуальной механики. С их помощью решаются граничные задачи теории упругости и упруго-диффузионные задачи для дислокаций, рассчитываются критические условия формирования этих дефектов в квантовых точках и панопроволоках, производится анализ взаимодействия полых дислокационных трубок и условии их расщепления пли слияния в макрополости, а также исследуются условия зарождения и роста трещин и пор в нанокрпсталлических материалах; в полях напряжении, создаваемых дислокациями и диффузионным массопереносом.
Цель работы состоит в построении дислокационных моделей, достоверно описывающих релаксацию напряжений и процессы разрушения в наноструктурных и пористых твердых телах.
Краткое содержание работы
Работа состоит из введения, пяти глав основного текста, заключения и списка литературы.
Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована основная цель работы, кратко представлены содержание диссертации, сведения о ее апробации и основных публикациях по ее теме, приведены положения, выносимые па защиту.
В главе 1 дай обзор литературы, касающейся механизмов релаксации напряжений в наноструктурных и пористых твердых телах. Приведены общие сведения об образовании островков и напопроволок при росте пленок. Дано определение несоответствия и изложены основные механизмы формирования дефектов несоответствия в пленочных гетероснстемах. Дан краткий обзор экспериментальных данных и моделей образования цилиндрических пор, содержащих дислокации. Изложены основные особенности пластической деформации и разрушения нанокрпсталлических материалов. На основе анализа литературных данных определены основные задачи настоящей работы.
В главе 2 рассчитаны критические условия образования дефектов несоответствия (дислокаций, дпсклинацин, днсклинационных диполей и дислокационных петель) в двухслойных цилиндрических панопроволоках, а также условия формирования дислокационных диполей в пленках, растущих на поверхности цилиндрических пор. Для этого рассчитано поле напряжений несоответствия в двухслойной цилиндрической наноироволоке и решена граничная задача для призматической круговой дислокационной петли в упругом цилиндре. Показано, в частности, что зарождение дислокации несоответствия в двухслойной нанопроволоке энергетически выгодно, если толщины ее ядра и оболочки достаточно близки, а образование призматической дислокационной петли в такой нанопроволоке возможно, если толщины ее ядра и оболочки превышают критические значения.
Глава 3 посвящена дислокационным механизмам релаксации напряжений в квантовых точках и проволоках. В этой главе дан развернутый обзор экспериментальных наблюдений п моделей дислокаций в квантовых точках п напопроволоках, предложены п проанализированы новые модели дислокаций в таких структурах, а также теоретически исследовано влияние дислокаций на переход от послойного к остров-ковому режиму роста пленок.
В главе 4 рассматривается упругое взаимодействие и трансформации цилиндрических пор (трубок), содержащих винтовые дислокации. В качестве основы для моделирования поведения трубок решен ряд задач классической теории упругости. К этим задачам относятся задача о паре дислокационных трубок в бесконечном упру-гонзотроппом теле, задача о дислокационной трубке, перпендикулярной плоской свободной поверхности полубесконечного тела, задача о расщеплении трубки с приповерхностным перегибом, задачи расчета упругих полей и взаимодействия ступенек на цилиндрической поверхности трубки в бесконечных и полубесконечных телах, а также задачи расчета сил взаимодействия трубок с включениями. Полученные решения использованы для расчета условии расщепления трубок п анализа взаимодействия трубок с включениями полптнпов в карбиде кремния, а также взяты за основу для компьютерного моделирования случайного ансамбля трубок в процессе роста кристалла. С помощью компьютерного моделирования дано объяснение наличия как плоских, так п закрученных конфигурации трубок, наблюдаемых в карбиде кремния. Наконец, на основе анализа упругого взаимодействия трубок с включениями сделано заключение, что включения могут притягивать трубки к своим границам. Это объясняет экспериментальные наблюдения образования пор на границах включений полптнпов в карбиде кремния.
В главе 5 разработаны модели зарождения и роста нор и трещин в деформируемых напокрнсталлпческих материалах. Рассчитана энергия краевой дислокации в эллиптической поре. На основе полученного решения рассчитаны равновесный размер и форма эллиптической поры, образовавшейся в поле напряжений зернограничной дислокации с большим вектором Бюргерса. Теоретически исследовано совместное влияние зернограничных дислокации и зернограничной диффузии на зарождение напотрещнн. Для этого получено аналитическое решение упруго-диффузионной задачи о краевой дислокации в границе зерен при наличии зернограничной диффузии. Рассчитаны критические параметры зарождения нанотреицш на зернограничных дислокациях при наличии зернограничной диффузии. Показано, что интенсивная диффузия в нанокрпсталлических материалах затрудняет или полностью подавляет зарождение нанотрещнн. Кроме того, в главе о на основе теории нротекания разработан критерий разрушения деформируемых нанокрпсталлических материалов, связанного со слиянием отдельных нанотрещин в катастрофическую макротрещнну.
В заключении сформулированы основные результаты диссертации.
Апробация работы
Полученные в работе результаты докладывались па международном семинаре "Прикладные аспекты физики межфазных границ" (Санкт-Петербург, 1999), международном семинаре "Гетерогенные материалы: исследования и дизайн" (Санкт-Петербург, 2000), международных семинарах по иеразрушающему контролю и компьютерному моделированию в пауке и технике (NDTCS, Санкт-Петербург (2000, 2001, 2004) и Ольстнп, Польша, 2006), международных конференциях по высокоразрешающей рентгеновской днффракцни (ХТОР-2002 (Гренобль и Осо, Франция, 2002), ХТОР-2006 (Карлсруе и Баден-Баден, Германия, 2006) и ХТОР-2008 (Липц, Австрия, 2008)), IV национальной конференции по применению рентгеновского, син-хротронного излучений, нейтронов и электронов для исследования материалов (Москва, 2003), ежегодных Петербургских чтениях по проблемам прочности (Санкт-Петербург, 2003, 2005, 2007, 2008), ежегодных.международных летних школах-конференциях "Актуальные проблемы механики" (АРМ, Санкт-Петербург, Репино, 2003, 2004, 2005, 2006, 2008), V международном научном семинаре "Карбид кремния и родственные материалы" (ICSCRM-2004, Новгород Великий, 2004), Европейском коллоквиуме по механике 468 "Многомасштабное моделирование в механике твердых тел" (Санкт-Петербург, Решшо, 2005), II международной конференции "Паноматериалы и нано-технологии" (NN-2005, Крит, Греция, 2005), III международном научном семинаре "Современные методы анализа дифракционных данных (топография, дифрактомет-рия, электронная микроскопия)" (Великий Новгород, 2006), международном семинаре "Механика современных материалов" (МАМ-2006, Санкт-Петербург), международных конференциях по делокализованным дефектам в полупроводниках (EDS-2006 (Галле, Германия, 2006) и EDS-2008 (Пуатье, Франция, 2008)), международном семинаре "Новые подходы к высоким технологиям: нанодизайн, технология, компьютерное моделирование" (NDTCS-2007, Байройт, Германия, 2007) и 2-ом международном симпозиуме "Физика и механика больших пластических деформаций" (Санкт-Петербург, 2007).
Основные публикации по теме работы
По теме работы опубликованы монография и 59 научных статей в отечественных и зарубежных журналах, отдельный список которых приведен в конце диссертации, а также тезисы докладов, сделанных на перечисленных выше семинарах и конференциях.
Положения, выносимые на защиту
• Решения граничных задач для дислокаций в неоднородных цилиндрических наноструктурах; критерии формирования дислокаций и дисклинаций в цилиндрических нанослойных пленках.
• Критерии зарождения дислокаций в композиционных материалах с квантовыми точками и нанопроволокамн; результаты расчетов влияния дислокаций на формирование квантовых точек и нанопроволок.
• Решения граничных задач теории упругости для дислокации в средах с цилиндрическими порами; критерии расщепления дислокационных трубок; результаты компьютерного моделирования динамики дислокационных трубок в растущих кристаллах; результаты расчетов упругих полей и анализа взаимодействия ступенек па поверхности дислокационных цилиндрических пор; результаты моделирования взаимодействия дислокационных трубок с включениями.
• Анализ равновесной формы пор на зернограничпых дислокациях в нанокристаллических материалах; результаты расчетов полей напряжений зерногра-ничных дислокаций при наличии зернограннчпой диффузии; критические условия диффузионного подавления зарождения трещин; кршерий катастрофического слияния трещин в деформируемых нанокристаллических материалах.
