Preview

Заводская лаборатория. Диагностика материалов

Расширенный поиск
Доступ открыт Открытый доступ  Доступ закрыт Только для подписчиков

Моделирование реакционной взаимодиффузии в поликристаллических системах с ограниченной растворимостью компонентов

https://doi.org/10.26896/1028-6861-2019-85-9-35-41

Полный текст:

Аннотация

Синтез многослойных тонкопленочньгх функциональных покрытий предусматривает осаждение материалов и отжиг. При этом возможны процессы взаимодиффузии и фазообразования. Однако моделирование реакционной взаимодиффузии в таких системах, как металл — поликристаллический оксид с ограниченной растворимостью компонентов до последнего времени не осуществляли. Вместе с тем моделирование позволяет выбирать условия отжига (время и температуру), необходимые для включения металла в решетку оксида и его однородного распределения в ней. Представлена количественная модель взаимодействия в слоистой системе металл — поликристаллический оксид другого металла в условиях ограниченной растворимости на основе представлений о взаимной диффузии компонентов и объемных реакций образования сложных оксидов. Модель использовали при исследовании процесса модифицирования тонких пленок оксида титана переходными металлами. Приведены результаты численного анализа экспериментальных концентрационных распределений компонентов в тонкопленочньгх поликристаллических системах Со - ТЮ2 и Fe - Ti02, включая значения индивидуальных коэффициентов диффузии исследуемых металлов и титана в условиях вакуумного отжига. Модель хорошо описывает основные закономерности процесса (появление титана в пленке металла, глубокое проникновение Fe и Со в пленку оксида титана), а также позволяет объяснить образование сложных оксидов не путем послойного роста на границе раздела металл — оксид, а по всей толщине пленки ТЮ2. Полученные данные анализа межфазного взаимодействия в слоистых системах, сопровождающегося реакционной взаимной диффузией, могут использоваться для прогнозирования эволюции фазового состава и управления технологическими процессами получения материалов с заданными свойствами.

Об авторах

Н. Н. Афонин
Воронежский государственный педагогический университет
Россия

Афонин Николай Николаевич

394043, г. Воронеж, ул. Ленина 86



В. А. Логачева
Воронежский государственный университет
Россия

Логачева Вера Алексеевна 

394018, г. Воронеж, Университетская ил. 1



Список литературы

1. Smigelskas A. D., Kirkendall Е. О. Zinc Diffusion in alpha brass / Trans. AIME. 1947. Vol. 171. E 130 - 142.

2. Darken L. S. Diffusion, mobility and their interrelation through free energy in binary Metallic Systems / Trans. AMIE. 1948. Vol. 175. E 184-190.

3. Sauer E, Freise V Diffusion in binaren Gemischen mit Volumenanderung / Berichte der Bunsengesellschaft fur physikalische Chemie. 1962. Vol. 66. N 4. E 353 - 362. https://doi.org/ 10.1002/bbpc. 19620660412

4. Guy A. G. Reference planes for binary diffusion with variable molar volume / Journal of Materials Science. 1985. Vol. 20. E 4317 - 4328. https://doi.org/10.1007/bf00559320.

5. Boettinger W. J., Guyer J. E., Campbell С. E., et al. Computation of the Kirkendall velocity and displacement fields in a one-dimensional binary diffusion couple with a moving interface / Froceedings of the Royal Society A: Mathematical, Fhysical and Engineering Sciences. 2007. Vol. 463. N 2088. E 3347 3373. https://doi.org/10.1098/rspa.2007.1904.

6. Гуров К. П., Карташкин Б. А., Угасте Ю. Э. Взаимная диффузия в многофазных металлических системах. — М.: Наука, 1981. — 350 с.

7. Kulkarni N., Warmack R. J. Bruce, Radhakrishnan В., et al. Overview of SIMS-Based Experimental Studies of Tracer Diffusion in Solids and Application to Mg Self-Diffusion / J. Fhase Equilib. Diffusion. 2014. Vol. 35. N 6. E 762 - 778. https://doi.org/10.1007/sll669-014-0344-4.

8. Tsuji S. Multiphase binary diffusion in infinite and semi-infinite media: Fart I. On the determination of interdiffusion coefficients / Metallurgical and Materials Transactions A. 1994. Vol. 25. N 4. E 741 - 751. https://doi.org/10.1007/bf02665451.

9. Paul A., Kodentsov A., van Loo F. J. J. Intermetallic growth and Kirkendall effect manifestations in Cu/Sn and Au/Sn diffusion couples / Zeitschrift fur Metallkunde. 2004. Vol. 95. N 10. E 913-920.

10. Александров О. В., Козловский В. В. Моделирование взаимодействия никеля с карбидом кремния при формировании омических контактов / ФТП. 2009. Т. 43. № 7. С. 917 923.

11. Молохина Л. А., Рогалин В. Е., Филин С. А. и др. Математическая модель роста фаз в двухкомпонентных многофазных системах при изотермическом отжиге / Журнал физической химии. 2017. Т. 91. № 9. С. 1468 - 1475.

12. Zheng J., Ни X., Ren Z., et al. Solid-state reaction studies in A1203 - Ti02 system by diffusion couple method / ISIJ International. 2017. Vol. 57. N 10. E 1762 - 1766. https://doi.org/ 10.2355/isijinternational.isijint-2017-042.

13. Ren Z. S., Ни X. J., Li S. Y., et al. Interdiffusion in the Fe203 - Ti02 system / Int. J. Miner. Metall. Mater. 2013. Vol. 20. N 3. E 273. https://doi.org/10.1007/sl2613-013-0723-6.

14. Mangum J., Podowitz-Thomas S., Nikkei J., et al. Investigating Pb diffusion across buried interfaces in Pb(Zr0.2Ti0.8)O3 thin films via time-of-flight secondary ion mass spectrometry depth profiling / Surf. Interface Anal. 2017. Vol. 49. N 116. E 973 - 977. https://doi.org/10.1002/sia.6255.

15. Silva C., Costa A. R. G., da Silvac R., et al. Magnetic and electrical characterization of Ti02 single crystals co-implanted with iron and cobalt / Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2014. Vol.364. E 106-116 https://doi.org/10.1016/ j.jmmm.2014.04.022.

16. Dholam R., Patel N., Ad ami M., et al. Hydrogen production by photocatalytic water-splitting using Cr- or Fe-doped Ti02 composite thin films photocatalyst / International Journal of Hydrogen Energy. 2009. Vol. 34. N 13. E 5337 - 5346. https:// doi.org/10.1016/j.ijhydene.2009.05.011.

17. Sobczyk-Guzendaa A., Owczareka S., Szymanowskia H., et al. Iron doped thin Ti02 films synthesized with the RF PECVD method / Ceramics International. 2015. Vol. 41. N 6. E 7496 - 7500. https://doi.Org/10.1016/j.ceramint.2015.02.071.

18. Самарский А. А. Теория разностных схем. — M.: Наука, 1977. — 656 с.

19. Ни W., Hayashi К., Fukumura Т., et al. Spontaneous formation of suboxidic coordination around Co in ferromagnetic rutile Ti095Co005O2 film /Applied Physics Letters. 2015. Vol. 106. N 22.' E 222403-1 - 222403-5. https://doi.org/10.1063/ 1.4921847.

20. Dai G., Liu S., Liang Y., et al. Synthesis and enhanced photoelectrocatalytic activity of p-n junction Co304/Ti02 nanotube arrays / Applied Surface Science. 2013. Vol. 264. E 157 - 161. https://doi.Org/10.1016/j.apsusc. 2012. 09. 160.

21. Matsumoto Y., Murakam M., Shono Т., et al. Room-temperature ferromagnetism in transparent transition metal-doped titanium dioxide / Science. 2001. Vol. 291. E 854 - 856. https:// doi.org/10.1126/science.1056186.

22. Sooda S., Umar A., Mehta S., et al. Highly effective Fedoped Ti02 nanoparticles photocatalysts for visible-light driven photocatalytic degradation of toxic organic compounds / J. of Colloid and Interface Science. 2015. Vol. 450. E 213 - 223. https://doi.org/10.1016/jjcis.2015.03.018.

23. Афонин H. H., Логачева В. А., Герасименко Ю. В. и др. Взаимодействие кобальта и титана с тонкими пленками их оксидов в процессе вакуумного отжига / Конденсированные среды и межфазные границы. 2013. Т. 15. № 3. С. 232 - 237.

24. Логачева В. А., Афонин Н. Н., Вахтель В. М. и др. Взаимодействие компонентов в двухслойной пленочной системе Fe - Ti02, полученной методом магнетронного распыления / Конденсированные среды и межфазные границы. 2016. Т. 18. № 3. С. 345 - 355.

25. Chambers S., Thevuthasan S., Farrow R. F. C, et al. Epitaxial growth and properties of ferromagnetic co-doped Ti02 anatase / Appl. Fhys. Lett. 2001. Vol. 79. E 3467 - 3469. https://doi.Org/10.1063/l.1420434.

26. Cordishi D., Burriesci N., D'Alba E, et al. Structural characterization of Fe/Ti oxide photocatalysts by X-ray, ESR, and Mossbauer methods / J. Solid State Chem. 1985. Vol. 56. E 182 190. https://doi.org/10.1016/0022-4596(85)90055-6.

27. Sasaki J., Peterson N., Hoshino K. Tracer impurity diffusion in single-crystal rutile (Ti02_I) / J. Fhys. Chem. Solids. 1985. Vol.46. N11. E 1267-1283. https://doi.org/10.1016/ 0022-3697(85)90129-5.

28. Cyuan-You S., Hwan-Wen L., Hong-Yang L. Kirkendall porosity in barium titanate-strontium titanate diffusion couple / Ceramics International. 2009. Vol. 35. N 7. E 2951 - 2958. https://doi.Org/10.1016/j.ceramint.2009.04.009.

29. Wang X., Feng J., Bai Y., et al. Synthesis, properties, and applications of hollow micro-/nanostructures / Chem. Rev. 2016. Vol. 116. E 10983-11060. https://doi.org/10.1021/acs.chemrev 5b00731.

30. Klingera L., Rabkinab E. On the nucleation of pores during the nanoscale Kirkendall effect / Materials Letters. 2015. Vol. 161. E 508 - 510. https://doi.Org/10.1016/j.matlet.2015. 09.004.

31. Zhang D., Jin C, Li Z., et al. Oxidation behavior of cobalt nanoparticles studied by in situ environmental transmission electron microscopy / Science Bulletin. 2017. Vol. 62. N 11. E 775 778. https://doi.Org/10.1016/j.scib.2017.05.003.


Для цитирования:


Афонин Н.Н., Логачева В.А. Моделирование реакционной взаимодиффузии в поликристаллических системах с ограниченной растворимостью компонентов. Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2019;85(9):35-41. https://doi.org/10.26896/1028-6861-2019-85-9-35-41

For citation:


Afonin N.N., Logacheva V.A. Modeling of the reaction interdiffusion in the polycrystalline systems with limited component solubility. Industrial laboratory. Diagnostics of materials. 2019;85(9):35-41. (In Russ.) https://doi.org/10.26896/1028-6861-2019-85-9-35-41

Просмотров: 21


ISSN 1028-6861 (Print)
ISSN 2588-0187 (Online)