МОДЕЛЮВАННЯ УТВОРЕННЯ ПАТЕРНІВ ВПОРЯДКОВАНИХ ПРОМІЖНИХ ФАЗ ПРИ СПІВОСАДЖЕННІ БІНАРНИХ ТОНКИХ ПЛІВОК
##plugins.themes.bootstrap3.article.main##
Анотація
Мета роботи: Нещодавно було досягнуто прогресу в моделюванні та квантифікації морфології та ефектів пам’яті квазіперіодичних структур, які виникають у результаті співнапилення бінарних епітаксійних плівок систем із додатними енергіями змішування, що характеризуються існуванням куполів розпаду на діаграмі станів. Мета даної роботи – з’ясувати, як відрізнятимуться і в чому будуть аналогічними результати для сплавів, які мають тенденцію до впорядкування в околі певних стехіометричних композицій, а між ними – тенденцію до розпаду на дві впорядковані фази або на одну впорядковану фазу і невпорядкований твердий розчин.
Методика: Моделювання проводиться паралельно кінетичним середньопольовим методом (який спеціально модифіковано авторами порівняно з кінетичним методом SKMF) та методом Монте-Карло. При цьому вводиться спеціальний топологічний параметр P, який дозволяє досить чітко розрізняти три типи морфології при рості плівки.
Результати: При моделюванні слід виділити два можливих випадки при спільному осадженні бінарного сплаву з парової фази:
А. Бінарний сплав з позитивною енергією змішування, що демонструє спінодальний розпад при досить низьких температурах, з концентраціями в межах спінодальної області поверхневого шару.
B. Бінарний сплав з від’ємною енергією змішування в межах першої координаційної сфери і додатною енергією змішування в другій координаційній сфері, що демонструє впорядкування у вузьких інтервалах концентрацій CB біля стехіометричних значень 1/4 (A3B-структура L12), 1/2 (AB-структура L10) і 3/4 (AB3-структура L12), а розпад призводить до утворення принаймні одного впорядкованого з’єднання (залежно від складу потоку осадження): або (слабкий розчин В в А) + А3В, або (слабкий розчин A в B)+AB3, або дві впорядковані фази A3B + AB або AB + AB
Другий випадок містить два «підвипадки»:
B1. Розпад на слабкий розчин В в А і впорядковану фазу А3В типу L12 (A + A3B) або (AB3 + B) відповідно при концентраціях потоку напилення 0 < Cdep < 0.25 або 0.75 < Cdep < 1;
B2. Розпад на впорядковану фазу типу L12 і іншу впорядковану фазу типу L10 (A3B + AB) або (AB + AB3) – при концентраціях потоку напилення відповідно 0 < Cdep < 0.25 або 0.75 < Cdep < 1.
Патерни стаціонарної морфології в двовимірних перерізах можуть бути охарактеризовані спеціально введеним топологічним параметром Pminority (введеним нами нещодавно [17]) для фази меншості (або для випадку 50/50), який близький до 2 для стержнів (у двовимірних перерізах це ізольовані плями), близький до 1 для смугастих структур (ламелярних, зигзагоподібних, лабіринтоподібних), і близький до 0 для мережевих (павутиноподібних) структур меншості і водночас коміркових структур для фаз більшості.
Результати моделювання середньопольового методу і методу Монте-Карло якісно співпадають. Вперше отримані різні види патернів з участю впорядкованих фаз.
##plugins.themes.bootstrap3.article.details##
Посилання
D.A. Pawlak, K. Kolodziejak, S. Turczynski, J. Kisielewski, K. Rozniatowski, R. Diduszko, M. Kaczkan, M. Malinowski, Self-organized, rodlike, micrometerscale microstructure of Tb3Sc2Al3O12-TbScO3:Pr eutectic, Chem. Mater. 18 (2006) 2450–2457. – Режим доступу: https://doi.org/10.1021/cm060136h
K. Sadecka, M. Gajc, K. Orlinski, H.B. Surma, A. Klos, I. Jozwik-Biala, K. Sobczak, P. Dluzewski, J. Toudert, D.A. Pawlak, When eutectics meet plasmonics: nanoplasmonic, volumetric, self-organized, silver-based eutectic, Adv. Opt. Mater. 3 (2015) 381–389. – Режим доступу: https://doi.org/10.1002/adom.201400425
K. Wysmulek, J. Sar, P. Osewski, K. Orlinski, K. Kolodziejak, A. Trenczek-Zajac, M. Radecka, D.A. Pawlak, A SrTio3-TiO2 eutectic composite as a stable photoanode material for photoelectrochemical hydrogen production, Appl. Catal. B, Environ. 206 (2017) 538–546. – Режим доступу: https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2017.01.054
S. Akamatsu, M. Plapp, Eutectic and peritectic solidification patterns, current opinion in solid state. Mater. Sci. 20 (2016) 46–54. – Режим доступу: https://doi.org/10.1016/j.cossms.2015.10.002
K. A. Jackson and J. D. Hunt, “Lamellar and Rod Eutectic Growth,” Trans. Metall. Soc. AIME 236, 1129–1142 (1966). – Режим доступу: https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2021.08.026
Cahn, J.W. (1961). On spinodal decomposition. Acta Metallurgica, 9(9), pp. 795-801. – Режим доступу: https://doi.org/10.1016/0001-6160(61)90182-1
Rátkai, L., Tóth, G. I., Környei, L., Pusztai, T., & Gránásy, L. (2017). Phase-field modeling of eutectic structures on the nanoscale: the effect of anisotropy. Journal of Materials Science, 52, 5544-5558. – Режим доступу: https://doi.org/10.1007/s10853-017-0853-8
M. O. Ivanov and A. Yu. Naumuk, Analysis of Spatial Structures Arising During Eutectic Crystallization and Cellular Decomposition of Solid Solutions, Metallofiz. Noveishie Tekhnol., 36, No. 12: 1571—1596 (2014). – Режим доступу: https://doi.org/10.15407/mfint.36.12.1571
Y. Lu, B. Derby, H. Sriram, K. Kadirvel, C. Wang, X. Liu, A. Misra, Y. Wang, Microstructure development and morphological transition during deposition of immiscible alloy films, Acta Mater. 220 (2021) 117313. – Режим доступу: https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.117313
M. Powers, B. Derby, S.N. Manjunath, A. Misra, Hierarchical morphologies in co-sputter deposited thin films, Phys. Rev. Mater. 4 (2020) 123801. – Режим доступу: https://doi.org/10.1103/PhysRevMaterials.4.123801
T. Xie, L. Fu, X. Cao, J. Zhu, W. Yang, D. Li, L. Zhou, Self-assembled binary immiscible Cu-transition metal multilayers prepared by co-sputtering deposition, Thin Solid Films 705 (2020) 138037. – Режим доступу: https://doi.org/10.1016/j.tsf.2020.138037
M. Powers, J.A. Stewart, R. Dingreville, B.K. Derby, A. Misra, Compositionally driven formation mechanism of hierarchical morphologies in co-deposited immiscible alloy thin films, Nanomaterials 11 (2021) 2635. – Режим доступу: https://doi.org/10.3390/nano11102635
G. Karczewski, M. Szot, S. Kret, L. Kowalczyk, S. Chusnutdinow. T. Wojtowicz, S. Schreyeck, K. Bruner, C. Schumacher, L.W. Molenkamp, „Nanoscale morphology of multilayer PbTe/CdTe heterostructures and its effect on photoluminescence properties”, Nanotechnology 26, 135601 (2015). – Режим доступу: https://doi.org/10.1088/0957-4484/26/13/135601
M. Jamet, A. Barski, T. Devillers, V. Poydenot, R. Dujardin, P. Bayle-Guillemaud, J. Rothman, E. Bellet-Amalric, A. Marty, J. Cibert, R. Mattana, S. Tatarenko, High-Curie-temperature ferromagnetism in self- organized Ge1-xMnx nanocolumns, Nat. Mater. 2006, 5(8), 653-659. – Режим доступу: https://doi.org/10.1038/nmat1686
T Dietl, K Sato, T Fukushima, A Bonanni, Matthieu Jamet, André Barski, S Kuroda, M Tanaka, Pham Nam Hai, H Katayama-Yoshida (2015). Spinodal nanodecomposition in semiconductors doped with transition metals. Reviews of Modern Physics, 87(4), 1311. – Режим доступу: https://doi.org/10.1103/RevModPhys.87.1311
Xie, Z., Meng, G., Wen, L., Zhao, Z., Sun, H., Qin, H., ... & Zhao, J. (2024). Microstructure and magnetic properties of the ferromagnetic semiconductor Ge 1− x Mn x following rapid thermal annealing. Physical Review B, 109(2), 024407. – Режим доступу: https://doi.org/10.1103/PhysRevB.109.024407
Titova, A., Zapolsky, H., & Gusak, A. (2024). Memory effects during co-deposition of binary alloys. Scripta Materialia, 241, 115897. – Режим доступу: https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2023.115897
Z. Erdélyi, M. Pasichnyy, V. Bezpalchuk, J.J. Tomán, B. Gajdics, A.M. Gusak, Stochastic kinetic mean field model, Comput. Phys. Commun. 204 (2016) 31–37. – Режим доступу: https://doi.org/10.1016/j.cpc.2016.03.003
V.M. Bezpalchuk, R. Kozubski, A.M. Gusak, Simulation of the tracer diffusion, bulk ordering, and surface reordering in F.C.C. structures by kinetic mean-field method, Prog. Phys. Met. 18 (3) (2017) 205–233. – Режим доступу: https://doi.org/10.15407/ufm.18.03.205
A. Gusak, T. Zaporozhets, N. Storozhuk, Phase competition in solid-state reactive diffusion revisited—stochastic kinetic mean-field approach, J. Chem. Phys. 150 (2019). – Режим доступу: https://doi.org/10.1063/1.5086046
Andriy Gusak and Tetiana Zaporozhets, Martin’s Kinetic Mean-Field Model Revisited—Frequency Noise Approach versus Monte Carlo, Metallofiz. Noveishie Tekhnol., 40, No. 11: 1415–1435 (2018). – Режим доступу: https://doi.org/10.15407/mfint.40.11.1415
B. Gajdics, J.J. Tomán, H. Zapolsky, Z. Erdélyi, G. Demange, A multiscale procedure based on the stochastic kinetic mean field and the phase-field models for coarsening, J. Appl. Phys. 126 (2019). – Режим доступу: https://doi.org/10.1063/1.5099676
B. Gajdics, J.J. Tomán, Z. Erdélyi, An effective method to calculate atomic movements in 3D objects with tuneable stochasticity (3DO-SKMF), Comput. Phys. Commun. 258 (2021) 107609. – Режим доступу: https://doi.org/10.1016/j.cpc.2020.107609
G. Martin, Atomic mobility in Cahn’s diffusion model, Phys. Rev. B 41 (1990) 2279. – Режим доступу: https://doi.org/10.1103/PhysRevB.41.2279
Z. Erdélyi, M. Sladecek, L.-M. Stadler, I. Zizak, G.A. Langer, M. Kis-Varga, D.L. Beke, B. Sepiol, Transient interface sharpening in miscible alloys, Science 306 (2004) 1913–1915. – Режим доступу: https://doi.org/10.1126/science.1104400
Z. Erdélyi, D.L. Beke, A. Taranovskyy, Dissolution and off-stoichiometric formation of compound layers in solid state reactions, Appl. Phys. Lett. 92 (2008). – Режим доступу: https://doi.org/10.1063/1.2905334
Gusak, A. M., Zaporozhets, T. V., Lyashenko, Y. O., Kornienko, S. V., Pasichnyy, M. O., & Shirinyan, A. S. (2010). Diffusion-controlled solid state reactions: in alloys, thin films and nanosystems. John Wiley & Sons. – Режим доступу: https://doi.org/10.1002/9783527631025
Gusak, A., & Storozhuk, N. (2017). Diffusion-Controlled Phase Transformations in Open Systems. In Handbook of Solid State Diffusion, Volume 2 (pp. 37-100). Elsevier. – Режим доступу: https://doi.org/10.1016/B978-0-12-804548-0.00002-5
Gusak, A. M., Titova, A., & Chen, Z. (2023). Flux-driven transformations in open systems revisited-crystallization of amorphous Ni-P driven by reaction with Sn. Acta Materialia, 261, 119366. – Режим доступу: https://doi.org/10.1016/j.actamat.2023.119366