Моделирование реакционной взаимодиффузии в поликристаллических системах с ограниченной растворимостью компонентов

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.

моделирование, реакционная взаимодиффузия, эффект Киркендалла, межфазные границы, тонкие поликристаллические пленки, слоистая бинарная система металл — поликристаллический оксид, вакуумный отжиг

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.