Зондовые нанотехнологии

 


Область деятельности
Наномеханика

Научные интересы
Быстропротекающие физические процессы в микро- и наноконтактах
Динамика наноструктур
Силовые и бесконтактные методы нанотестинга
Физическое материаловедение
Научный коллектив
Юрий Иванович Головин, руководитель группы , профессор, доктор наук

Описание группы

Нами предложены новые принципы исследования быстропротекающих процессов в микроконтактах, разработаны компьютеризированные динамические нанотестеры, сочетающие высокое пространственное разрешение (1-10 нм) с рекордно высоким временным разрешением (50 мкс). С помощью этих методов получены уникальные сведения об атомарных механизмах деформации в микроконтактах в различных кристаллических и аморфных материалах. Высокое разрешение во времени позволило впервые показать, что процесс динамического микроконтактного взаимодействия не автомоделен, а протекает в несколько существенно различающихся по динамике и механизмам, последовательно сменяющих друг друга стадий. После первой, чисто упругой стадии внедрения индентора во всех исследованных материалах происходило «забивание» атомов в междоузлия и деформация осуществлялась за счет движения сначала одиночных межузельных атомов, а затем их небольших групп – малоатомных кластеров. На этих стадиях, занимавших менее 10 мс, образовывается отпечаток с объемом от 30 до 100 % (в зависимости от природы материала) от окончательно устанавливающегося при длительном нагружении. И лишь при продолжительности контакта более 10 мс становилась заметной работа традиционных дислокационных механизмов пластической деформации (если они вообще могли иметь место в данном материале при температуре испытания).

Полученные данные позволили количественно определить долю деформации, реализующуюся по тому или иному механизму, их вклад в формирование свойства «твердость» при различных условиях микроконтактного взаимодействия. Эти результаты имеют принципиально важное значение для углубления понимания природы приповерхностной прочности, пластичности, стойкости к износу, механостимулированных твердофазных химических реакций и многого другого.

Не менее интересны и обнаруженные в лаборатории быстропротекающие электрофизические явления, обусловленные зарождением и движением структурных дефектов атомарного масштаба в зоне микроконтакта, несущие информацию о динамике и природе микроструктурных процессов и зачастую играющие если не решающую, то очень важную роль в поведении тонких приповерхностных слоев плохо проводящих материалов.

Получены уникальные данные о влиянии быстропротекающих спин-зависимых процессов между подвижными парамагнитными атомными дефектами на физические свойства «немагнитных» материалов различной природы.

Группой разработана линейка многофункциональных нанотестеров. На них получены принципиально важные результаты о механических свойствах различных материалов в нанообъемах, установлены причины их отличий от макроскопических, проанализированы атомные механизмы пластической деформации при наноконтактном взаимодействии.
Так, было обнаружено, что для многих материалов предел текучести в областях с размерами порядка 10 нм приближается к теоретическому пределу прочности ( ~ 0,1 от модуля сдвига). Это объясняется невозможностью образования и развития дислокационных петель в столь малых объемах. Вследствие этого несущая способность материала резко возрастает, наноконтактное взаимодействие становится чисто упругим до очень больших напряжений, а пластическая деформация начинается и развивается до определенного уровня за счет образования и перемещения неравновесных точечных дефектов.

Установлено, что на начальных стадиях внедрения индентора в отпечатке создается давление порядка 0,1 модуля Юнга, что может вызвать в некоторых материалах фазовые превращения. В отпечатке развиваются как высокие сжимающие, так и сдвиговые напряжения, причем относительная величина сдвиговых напряжений выше, чем при одноосном сжатии. Для большинства материалов давление фазового превращения намного выше напряжения начала пластической деформации, и поэтому фазовые переходы в отпечатке во время наноиндентирования не происходят. Однако, для некоторых твердых тел структурный коллапс может произойти и до начала пластического течения. С ростом скорости нагружения критическое давление перехода от упругого к упруго-пластическому деформированию может значительно увеличиться, что повышает вероятность образования новых фаз. Сейчас надежно установлен факт фазовых превращений при внедрении индентора в некоторые полупроводники и другие материалы с высоким пределом текучести (в частности, кремний). При этом конкуренция между развивающейся пластичностью и полиморфными превращениями, индуцируемым контактным давлением, может быть причиной нестабильной деформации в субмикрообъемах, что способно существенно повлиять на эксплуатационные характеристики материала. При этом многие параметры процесса (давление, скорость выхода новой фазы, последовательность смены фаз и т.д.) претерпевают радикальные изменения при уменьшении размеров зоны деформирования до наноуровня.

Уникальное оборудование
Динамический ультрамикротвердомер DUH-W201E фирмы Shimadzu
Нанотестер

Обычное оборудование
Металлографические микроскопы
Микроинтерферометр МИИ-4
микротвердомер ПМТ-3
Мультимодовый атомно-силовой микроскоп Solver LS фирмы NT-MDT
Печь до 1800К

Уникальные методики
Исследование электрических, оптических и магнитных свойств материалов

Научные связи
Zircoa Inc., Solon, USA
ВГТУ, г.Воронеж, Россия
ИК РАН, г. Москва, Россия
Институт Машиноведения РАН, г. Москва, Россия
Институт физики металлов ЦНИИЧЕРМЕТ, г. Москва, Россия
ИФТТ РАН, г. Черноголовка Московской области, Россия
МГУ, г. Москва, Россия
С-ПбГУ, г. Санкт-Петербург, Россия
ФизТех РАН, г. Москва, Россия

Наиболее значимые публикации
Название: Improvement in the Nanoindentation Technique for Investigation of the Time-Dependent Material Properties
Автор(ы): Golovin Yu.I., Ivolgin V.I., Korenkov V.V., Korenkova N.V., Farber B.Ya.
Название издания: Phil. Mag. A.
Том: 82
Номер: 10
Год выпуска: 2002
Страницы: 2173 - 2177

Название: Investigation of Time-Dependent Characteristics of Materials and Micromechanisms of Plastic Deformation on a Submicron Scale by a New Pulse Indentation Technique
Автор(ы): Golovin Yu.I., Tyurin A.I., Farber B.Y.
Название издания: J. Materials Science
Том: 37
Номер: 3
Год выпуска: 2002
Страницы: 895 - 904

Название: Анизотропное влияние слабого магнитного поля на фотопроводимость монокристаллов С60
Автор(ы): Головин Ю.И., Лопатин Д.В., Николаев Р.К., Умрихин А.В.
Название издания: Письма в ЖТФ
Том: 30
Номер: 10
Год выпуска: 2004
Страницы: 61 - 65

Название: Кинетические особенности деформации твердых тел в нано- и микрообъемах
Автор(ы): Головин Ю.И., Дуб С.Н., Иволгин В.И., Коренков В.В., Тюрин А.И.
Название издания: ФТТ
Том: 47
Номер: 6
Год выпуска: 2005
Страницы: 961 - 973

Название: Магнитопластичность твердых тел
Автор(ы): Головин Ю.И.
Название издания: Физика твердого тела
Том: 46
Номер: 5
Год выпуска: 2004
Страницы: 769 - 803
Контактная информация
Телефон 8 4752 532253

Индекс 392000
Адрес г. Тамбов, ул. Интернациональная, 33

Страница научной группы в интернете
http://tsu.tmb.ru/nu/nauka
Источник информации: Нанотехнологическое сообщество "Нанометр"