Мультимасштабне моделювання фазоутворення в бінарних наносистемах із ГЦК структурою

Abstract

Дисертаційна робота присвячена розробці комп’ютерних моделей нанесення, дифузійної взаємодії та впорядкування нанорозмірних плівок, та їх застосуванню на прикладі технологічно важливих систем Ni-Al і Fe-Pt. Застосовано метод молекулярної динаміки для моделювання процесу напилення наноплівок. Встановлено, що у тонкоплівковій системі Ni-Al порядок фазоутворення при відпалі напилених плівок визначається температурою підкладки в процесі напилення, послідовністю напилення та орієнтацією підкладки. З’ясовано можливість утворення метастабільної неупорядкованої фази на початковій стадії реакції дифузії між наноплівками Ni та Al. Розроблено стохастичний кінетичний середньопольовий метод моделювання дифузії та впорядкування в сплавах. Розроблений метод застосовано до нуклеації при розпаді пересиченого сплаву, моделювання спінодального розпаду в 1D, 2D та 3D системах, а також до процесу впорядкування в наночастинках. Виявлено залежність локального параметру порядку від розмірів та дифузійної асиметрії наночастинки. Зменшення розмірів наночастинки (або збільшення дифузійної асиметрії) суттєво зменшує величину параметру порядку. Показані ефективність і основні переваги даного методу при порівнянні з Кінетичним методом Монте-Карло. Модифіковано існуючі кінетичні середньопольові методи для обмінного механізму дифузії на вакансійний механізм дифузії з використанням квазістаціонарності вакансійної підсистеми. Додано модифікацію для застосування методу в наносистемах з відкритими граничними умовами. Застосовано модифіковані кінетичні середньопольові методи для опису дифузії та кінетики упорядкування в ГЦК структурах типу L10, L12 з урахуванням нанорозмірних та поверхневих ефектів. Знайдено енергію активації компонентів та енергії активації кінетики впорядкування в системі Ni3Al. Описано явище анізотропії дифузії мічених атомів в системі FePt. Передбачено явище розповсюдження фронту переорієнтації структури L10 із вільної поверхні в середину зразка. Встановлено кореляцію між характером часової залежності температури в СВС реакціях і морфологією реакційної зони та послідовністю фазоутворення. Створене програмне забезпечення, що може бути використано для дослідження процесів теплопередачі загалом, а також для пошуку оптимальних режимів паяння.

The thesis treats the development of computer models for deposition, diffusion interaction, ordering of nanofilms and their application to technologically important Ni-Al and Fe-Pt systems. The molecular dynamics method for simulation of the deposition of nanofilms is applied. It is established that in the thin-film Ni-Al system the sequence of phase formation during annealing of deposited films is determined by: 1) the temperature of the substrate during the deposition process, 2) the deposition sequence, 3) the orientation of the substrate. The possibility of forming a metastable disordered phase at the initial stage of the diffusion reaction between Ni and Al nanofilms has been clarified. A Stochastic Kinetic Mean Field method for modeling diffusion and ordering in alloys is developed. The developed method is applied to nucleation during decomposition of a supersaturated alloy, modeling of spinodal decomposition in 1D, 2D and 3D systems, and the process of ordering in nanoparticles. The dependence of the local order parameter on the sizes and diffusion asymmetry of the nanoparticle is revealed. Reducing the size of the nanoparticle (or increasing the diffusion asymmetry) significantly reduces the order parameter value. The efficiency and main advantages of this method are shown comparing with the Kinetic Monte Carlo method. The existing kinetic mean field methods for the diffusion exchange mechanism are modified for the vacancy diffusion mechanism using the steady-state approximations for the vacancy subsystem. A modification for the application of the method in nanosystems with open boundary conditions has been made.