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

Рубрика: Технические науки

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