Разработка методов расчета поверхностных и адгезионных характеристик различных материалов

• Автор: Мамонова, Марина Владимировна
• Шифр специальности: 01.04.02
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 1998
• Место защиты: Омск
• Количество страниц: 136 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
Введение
ГЛАВА 1.
Поверхностные свойства твердых тел и способы их описания.
Введение
1.1. Основные этапы и направления развития теории металлической поверхности
1.2. Исходные уравнения метода функционала плотности при исследовании поверхности металла
1.3. Применение МФП к расчету работы выхода электрона с поверхности металла
1.4. Явление адгезии и способы его описания
1.5. Выводы и задачи исследования
ГЛАВА 2.
Расчет поверхностных характеристик металлов в рамках метода
функционала электронной плотности.
Введение
2.1. Основные уравнения. Методика расчета поверхностной энергии металлов
2.1.1. Применение МФП к расчету поверхностной энергии металлов. Модель ’’желе”
2.1.2. Учет влияния дискретности кристаллической решетки на величину поверхностной энергии
2.1.3. Учет эффектов решеточной релаксации металлических поверхностей
2.1.4. Учет влияния градиентных поправок 4-го порядка в расчетах поверхностной энергии металлов
2.2. Методика расчета работы выхода электрона с поверхности металлов
2.3. Расчет поверхностных характеристик в рамках обобщенного потенциала Хейне-Абаренкова
2.4. Выводы по главе

ГЛАВА 3.
Расчет адгезионных характеристик металлов и их расплавов в рамках метода функционала плотности.
Введение
3.1. Основные уравнения. Методика расчета
3.2. Результаты расчетов и их обсуждение
3.3. Учет влияния промежуточного диэлектрического слоя на адгезию металлов
3.4. Учет влияния эффектов решеточной релаксации поверхности на адгезию металлов
3.5. Выводы по главе
ГЛАВА 4.
Расчет адгезионных характеристик металлов, полупроводников и сложных соединений на основе диэлектрического формализма.
Введение
4.1. Теоретические принципы определения адгезионных характеристик контакта поверхностей
4.2. Адгезия металлов
4.2.1. Анализ результатов расчета
4.3. Адгезия полупроводников
4.4. Расчет адгезионных характеристик для контакта металлов и полупроводников с диэлектриком
4.5. Адгезия сложных соединений
4.6. Выводы по главе
Заключение
Литература.

Введение

Исследование физических свойств поверхности твердого тела является актуальным научным направлением. Потребности современного производства (создание тонкопленочных структур в микроэлектронике, совершенствование технологических методов управления свойствами поверхности деталей узлов трения с целью повышения их работоспособности, износостойкости и долговечности) требуют детального учета факторов, влияющих на величину взаимодействия разнородных материалов, соприкасающихся своими поверхностями.
Явление возникновения связи между поверхностными слоями разнородных конденсированных тел, приведенных в соприкосновение, получило название адгезии. Адгезия зависит от природы контактирующих тел, свойств их поверхностей и площади контакта. С физической точки зрения адгезия определяется силами межмолекулярного взаимодействия, наличием ионной, ковалентной, металлической и других типов связи. Возникает необходимость определения характеристик адгезионного взаимодействия различных материалов, как с точки зрения прикладной, так и фундаментальной науки о поверхностных явлениях [18, 19, 25].
Однако, значение адгезионной прочности зависит не только от вида связи между телами, вступившими в контакт, но и от метода ее измерения, а также от способа отрыва [2, 59]. Например, производя отрыв пленки от подложки с различной скоростью, можно получить разное значение адгезионной прочности. Методов неразрушающего контроля адгезионной прочности, дающих надежные результаты, к сожалению, к настоящему времени пока не существует. На результаты измерения адгезионной прочности может повлиять и напряженное состояние границы раздела между пленкой и подложкой вследствие термических или усадочных явлений в материалах. В процессе напыления на поверхности подложки может образоваться тончайший слой окисла, оказывающий заметное влияние на адгезию покрытия. Неизбежная шероховатость поверхностей сред, вступающих в контакт, определяет появление зазора между поверхностями. Все это указывает на сложность получения достоверных экспериментальных значений адгезионной прочности покрытий, непосредственного определения роли малых зазоров, а в
где rc - так называемый радиус обрезания. Как видно из (2.17), ион в модели Ашкрофта представляет собой пустой шар радиуса гс, притягивающий к себе электроны по закону обычного кулоновского взаимодействия.
Вопрос о значении параметра гс псевдопотенциала Ашкрофта для того или иного металла может быть решен следующим образом. Для этого рассмотрим сферу атомного радиуса Ram, внутри которой находится ион, создающий потенциал Ашкрофта. Запишем объемную энергию электронного газа, приходящуюся на один атом, в следующем виде . Еоб — Е*кул А Екин -f- Ео6м -I- Екоу где Екул, Екиw, Ео, Екоу соответственно ее кулоновская, кинетическая, обменная и корреляционная составляющие. Екин, E0gM: Екор легко получить если в формулах (2.3-2.5) перейти от плотности числа частиц п к параметру rs: п — 3/47Гг3 и домножить каждую составляющую на объем, занимаемый одним атомом Vam = 4Zwr3/3.
Величину же Екул можно записать в виде:
Яа Яа
Екул = 1/2 J nVei(r)dr + J nVion(r)dr, (2.18)

где первый интеграл суть энергия взамодействия электронного газа плотности п с потенциалом, создаваемым самим электронным газом, а второй интеграл отвечает непосредственно за электрон-ионное взаимодействие. Ra — Zl!3rs - радиус атома в объеме металла. Уе;(г) можно задать, как потенциал, создаваемый сферой радиуса Ra, заполненной свободными электронами:
г < R
Vei(r)= 2Ra[ 3Щ>' - (2.19)
[ Z/r, r > Ra,
Vion{r) зададим в виде псевдопотенциала Ашкрофта (2.17).
Таким образом, проводя элементарное интегрирование, для Екул получим :
9Z2 3Z2r2c
кул ~ 10Да + 2RI ' ( )
В итоге проводя суммирование всех составляющих приходим к следующему выражению для полной энергии электронного газа в расчете на один атом в зависимости от параметра плотности rs:
, 1.105 0.458 0.056 1.5г2 0.9Z2'3
Е„ = = Z(— - —- - —). (2.21)