Ab initio моделирование и наноструктурирование поверхности карбида титана лазерным излучением

Автор: Илясов Виктор Васильевич, Фам Динь Кханг

Журнал: Вестник Донского государственного технического университета @vestnik-donstu

Статья в выпуске: 4 (79) т.14, 2014 года.

Бесплатный доступ

Изучены процессы наноструктурирования поверхности карбида титана под воздействием излучения Nd:YAG-лазера с длиной волны 1,06 мкм. Длительность лазерных импульсов - 40 нс, скорость перемещения луча - 10 мм/с. Плотность энергии излучения на поверхности карбида титана при частоте генерации 2000 Гц - 2,06÷6,36 Дж/см 2. Представлены результаты ab initio изучения атомной, электронной структуры и упругих характеристик карбида титана TiC и TiC 1-хO х (x = 0,25; 0,5; 0,75). Зонная структура TiC, рассчитанная с использованием теории функционала плотности, соответствует металлическому типу. Показано, что рассчитанные упругие характеристики карбида титана хорошо согласуются с известными теоретическими и экспериментальными оценками. Изучение топографии микроструктур на поверхности карбида титана с использованием метода атомной силовой микроскопии показало, что в зоне прямого лазерного воздействия шероховатость составила 0,254 мкм. Механические характеристики в зонах прямого воздействия лазерного луча и областей температурного влияния исследовались методом наноиндентирования. Установлен эффект наноструктурирования: после лазерного воздействия твердость поверхности карбида титана возрастает до 47,2 ГПа.

Еще

Карбид титана, моделирование структуры, атомная структура, электронная структура, лазерное воздействие, эффект наноструктурирования, твердость, упругие характеристики

Короткий адрес: https://sciup.org/14250117

IDR: 14250117 | DOI: 10.12737/6900

Список литературы Ab initio моделирование и наноструктурирование поверхности карбида титана лазерным излучением

Afanas’ev, Yu. V. Vaporization of Matter Exposed to Laser Emission/Yu. V. Afanas’ev, О. N. Krokchin//Journal of Experimental and Theoretical Physics. -1967. -Vol. 25, № 4. -P. 639-645.
Афанасьев, Ю. В. Газодинамическая теория воздействия лазера на конденсированные вещества/Ю. В. Афанасьев, О. Н. Крохин//Труды ФИАН. -1970. -T. 53. -С. 118.
Завестовская, И. Н. Лазерное наноструктурирование поверхности материалов/И. Н. Завестовская//Квантовая электроника. -2010. -Т. 40, № 11. -С. 942-954.
Токарев, В. Н. Формирование наноструктур при лазерном плавлении поверхности твердых тел/В. Н. Токарев, В. Ю. Хомич, В. А. Шмаков//Доклады Академии наук. -2008. -Т. 419, № 6. -С. 754-758.
Зарождение и рост наноструктур на поверхности твердого тела, оплавленного лазерным импульсом/С. И. Миколуцкий //Российские нанотехнологии. -2011. -Т. 6, № 11-12. -С. 65-69.
Формирование наноструктур на поверхности нитрида кремния под воздействием излучения F2-лазера/К. Э. Лапшин //Физика и химия обработки материалов. -2008, № 1. -С. 43-49.
Agya, A. Structure, bonding, and adhesion at the TiC(100)/Fe(110) interface from first principles/A. Agya, E.-A. Carter//Journal of Chemical Physics. -Vol. 118, № 19. -P. 8982-8996.
Ультратонкие углеродные пленки на сапфире, выращенные методом лазерной абляции: синтез и АСМ-исследование/В. В. Илясов //Вестник Дон. гос. техн. ун-та. -2012. -T. 12, №1 (62) вып. 1. -С. 31-35.
Беликов, А. В. Графитовые наноструктуры, формируемые в поле излучения glass: Yb-, Er-лазера на поверхности разных подложек/А. В. Беликов, А. В. Скрипник, Н. А. Зулина//Известия вузов. Физика. -2012. -№ 1. -С. 1-2.
Surface reconstruction of TiC (001) and its chemical activity for oxygen/H. Kuramochi //Applied Physics Letters. -1999. -Vol. 75, № 24. -P. 3784-3786.
Quantum espresso: a modular and open-source software project for quantum simulations of materials/P. Giannozzi //Journal of Physics: Condensed Matter. -2009. -Vol. 21, № 39. -P. 395502.
ElaStic: A tool for calculating second-order elastic constants from first principles/R. Golesorkhtabar //Computer Physics Communications. -2013. -Vol. 184, № 8. -P. 1861-1873.
Hill, R. The Elastic Behavior of a Crystalline Aggregate/R. Hill//Proceedings of the Physical Society. Section A. -1952. -Vol. 65. -P. 349.
Hill, R. Elastic properties of reinforced solids: Some theoretical principles/R. Hill//Journal of the Mechanics and Physics of Solids. -1963. -Vol. 11, № 5. -P. 357-372.
Influence of oxygen addition on the structural and elastic properties of TiC thin films/L.-S. Marques //Plasma Processes and Polymers. -2007. -Vol. 4. -P. 195-199.
First-principles calculations of vacancy effects on structural and electronic properties of TiCx and TiNx/Z. Dridi //Journal of Physics: Condensed Matter. -2002. -Vol. 14, № 43. -P. 10237.
Holliday, J. E. Soft-X-ray valance state effects in conductors/J.-E. Holliday//Advance in X-ray Analysis. -1970. -Vol. 13. -P. 136.
Structural studies of TiC1-xOx solid solution by Rietveld refinement and first-principles calculations/B. Jiang //Journal of Solid State Chemistry. -2013. -Vol. 204. -P. 1-8.
Илясов В. В. Изучение атомной, электронной структуры и упругих характеристик карбида титана из первых принципов/В. В. Илясов, Д. К. Фам, О. М. Холодова//Упорядочение в минералах и сплавах (OMA-17): сб. трудов 17-го междунар. симп. -Ростов-на-Дону; пос. Южный, 2014. -Вып. 17, т. 1. -С. 131-134.
Elastic and thermodynamic properties of TiC from first-principles calculations/Y. Li //Science China Physics, Mechanics and Astronomy. -2011. -Vol. 54, № 12. -P. 2196-2201.
First-principles calculations of mechanical properties of TiC and TiN/Y. Yang //Journal of Alloys and Compounds. -2009. -Vol. 485, № 1. -P. 542-547.
Francisco, E. Atomistic simulation of Sr F 2 polymorphs/E. Francisco, M. Blanco, G. Sanjurjo//Physical Review B. -2001. -Vol. 63, № 9. -P. 094107.
Gilman, J. Elastic constants of TiC and TiB2/J. Gilman, B. Roberts//Journal of Applied Physics. -1961. -Vol. 32, № 7. -P. 1405-1405.
Pugh, S.-F. XCII. Relations between the elastic moduli and the plastic properties of polycrystalline pure metals/S.-F. Pugh//Philosophical Magazine. Series 7. -1954. -Vol. 45. -P. 823-843.
Afanas’ev, Y. V., Krokchin, О. N. Vaporization of Matter Exposed to Laser Emission. Journal of Experimental and Theoretical Physics, 1967, vol. 25, no. 4, pp. 639-645.
Afanasyev, Y. V., Krokhin, O. N. Gazodinamicheskaya teoriya vozdeystviya lazera na kondensirovannye veshchestva. Trudy FIAN, 1970, vol. 53, 118 p. (in Russian).
Zavestovskaya, I. N. Lazernoe nanostrukturirovanie poverkhnosti materialov. Quantum Electronics, 2010, vol. 40, no. 11, pp. 942-954 (in Russian).
Tokarev, V. N., Khomich, V. Y., Shmakov, V. A. Formirovanie nanostruktur pri lazernom plavlenii poverkhnosti tverdykh tel. Doklady Akademii Nauk, 2008, vol. 419, no. 6, pp. 754-758 (in Russian).
Mikolutskiy, S. I., et al. Zarozhdenie i rost nanostruktur na poverkhnosti tverdogo tela, oplavlennogo lazernym impul'som. Nanotechnologies in Russia, 2011, vol. 6, no. 11-12, pp. 65-69 (in Russian).
Lapshin, K. E., et al. Formirovanie nanostruktur na poverkhnosti nitrida kremniya pod vozdeystviem izlucheniya F2-lazera. Fizika i khimiya obrabotki materialov, 2008, no. 1, pp. 43-49 (in Russian).
Agya, A., Carter, E.-A. Structure, bonding, and adhesion at the TiC (100)/Fe (110) interface from first principles. Journal of Chemical Physics, vol. 118, no. 19, pp. 8982-8996.
Ilyasov, V. V., et al. Ul'tratonkie uglerodnye plenki na sapfire, vyrashchennye metodom lazernoy ablyatsii: sintez i ASM-issledovanie. Vestnik of DSTU, 2012, vol. 62, iss. 1, pp. 31-35 (in Russian).
Belikov, А. V., Skripnik, A. V., Zulina, N. A. Grafitovye nanostruktury, formiruemye v pole izlucheniya glass: Yb-, Er-lazera na poverkhnosti raznykh podlozhek. Izvestiya vuzov. Fizika, 2012, no. 1, pp. 1-2 (in Russian).
Kuramochi, H., et al. Surface reconstruction of TiC (001) and its chemical activity for oxygen. Applied Physics Letters, 1999, vol. 75, no. 24, pp. 3784-3786.
Giannozzi, P., et al. Quantum espresso: a modular and open-source software project for quantum simulations of materials. Journal of Physics: Condensed Matter, 2009, vol. 21, no. 39, p. 395502.
Golesorkhtabar, R., et al. ElaStic: A tool for calculating second-order elastic constants from first principles. Computer Physics Communications, 2013, vol. 184, no. 8, pp. 1861-1873.
Hill, R. The Elastic Behavior of a Crystalline Aggregate. Proceedings of the Physical Society. Section A. 1952, vol. 65, p. 349.
Hill, R. Elastic properties of reinforced solids: Some theoretical principles. Journal of the Mechanics and Physics of Solids, 1963, vol. 11, no. 5, pp. 357-372.
Marques, L.-S., et al. Influence of oxygen addition on the structural and elastic properties of TiC thin films. Plasma Processes and Polymers, 2007, vol. 4, pp. 195-199.
Dridi, Z., et al. First-principles calculations of vacancy effects on structural and electronic properties of TiCx and TiNx. Journal of Physics: Condensed Matter, 2002, vol. 14, no. 43, p. 10237.
Holliday, J. E. Soft-X-ray valance state effects in conductors. Advance in X-ray Analysis,1970, vol. 13, p. 136.
Jiang, B., et al. Structural studies of TiC1-xOx solid solution by Rietveld refinement and first-principles calculations. Journal of Solid State Chemistry, 2013, vol. 204, pp. 1-8.
Ilyasov, V. V., Pham, D. K., Kholodova, O. M. Izuchenie atomnoy, elektronnoy struktury i uprugikh kharakteristik karbida titana iz pervykh printsipov. Uporyadochenie v mineralakh i splavakh (OMA-17): sb. trudov 17-go mezhdunar. simp. Rostov-on-Don; t. Yuzhny, 2014, iss. 17, vol. 1, pp. 131-134 (in Russian).
Li, Y., et al. Elastic and thermodynamic properties of TiC from first-principles calculations. Science China Physics, Mechanics and Astronomy, 2011, vol. 54, no. 12, pp. 2196-2201.
Yang, Y., et al. First-principles calculations of mechanical properties of TiC and TiN. Journal of Alloys and Compounds, 2009, vol. 485, no. 1, pp. 542-547.
Francisco, E., Blanco, M., Sanjurjo, G. Atomistic simulation of Sr F 2 polymorphs. Physical Review B., 2001, vol. 63, no. 9, p. 094107.
Gilman, J., Roberts, B. Elastic constants of TiC and TiB2. Journal of Applied Physics, 1961, vol. 32, no. 7, pp. 1405-1405.
Pugh, S.-F. XCII. Relations between the elastic moduli and the plastic properties of polycrystalline pure metals. Philosophical Magazine. Series 7, 1954, vol. 45, pp. 823-843.

Еще

Статья научная