Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования

В работе представлены результаты исследований слияния капель нематического жидкого кристалла в окружении изотропной жидкости. С помощью оптической микроскопии высокого разрешения и высокоскоростной видеорегистрации изучено слияние капель в тонких оптических ячейках. Использованы ячейки с планарными и с гомеотропными граничными условиями для единичного вектора преимущественной ориентации (директора) жидкого кристалла. Показано, что в зависимости от граничных условий на поверхности ячейки процесс слияния на начальном этапе развивается по-разному. В ячейке с планарными граничными условиями на начальном этапе наблюдали линейную зависимость ширины перешейка между каплями от времени. На последующих этапах влияние поверхностей приводит к более медленной динамике. Заключительный этап слияния характеризуется экспоненциальной релаксацией капли к равновесной форме. При слиянии капель, диаметр которых превышает толщину ячейки, наблюдали промежуточный этап со степенной зависимостью ширины перешейка от времени. Длительность этого этапа увеличивается с увеличением размера капель. Определены капиллярная скорость и характерные времена на различных этапах слияния капель. Характерные времена для начального этапа увеличиваются линейно с увеличением размера капель. Для среднего этапа характерные времена увеличиваются пропорционально кубу радиуса капель.

Исследовано влияние концентрационного переохлаждения на строение гетероструктур GaInAsSbP/GaP, выращенных методом зонной перекристаллизации градиентом температуры. Выявлены основные технологические параметры процесса роста, определена величина начального концентрационного переохлаждения раствора–расплава, необходимого для установления режима кристаллизации, предотвращающего термическую деградацию подложки и исключающую вероятность захвата микровключений раствора–расплава. Обнаружена зависимость рассогласования параметров решеток подложки GaP и слоя GaInAsSbP от начального переохлаждения.

Приведены результаты работы по созданию экспериментального стенда для отладки методов работы с поляризованными нейтронами на реакторе ИР-8. Была разработана схема поляризации монохроматического пучка нейтронов и ее анализа с использованием спин-флиппера Мезея. На пучке поляризованных нейтронов реализована рефлектометрическая схема измерений тонкопленочных образцов и экспериментально измерены коэффициенты отражения от немагнитных слоев. Полученные на стенде результаты подтверждают возможность реализации в дальнейшем нескольких методик исследования конденсированных сред: методов рефлектометрии с поляризованными нейтронами, деполяризации и радиографии с поляризованными нейтронами. Эти методы исследований реализованы на реакторе ИР-8 впервые.

В работе было проведено исследование воздействия потоков ионов дейтерия высокой интенсивности (порядка 10²⁴ ион/м²⋅с) на поверхность анизотропных материалов на основе углерода — пиролитического графита и углеродного композита с нитями на основе полиакрилонитрилового волокна со структурой типа “onion-skin”. Показано, что фрагментация поверхностных графеновых слоев во время облучения интенсивными потоками ионов дейтерия и возникающие при этом сжимающие напряжения приводит к изгибу отовравшихся поверхностных графеновых слоев и формированию системы холмов. При дальнейшем облучении происходил обратный процесс образования на склонах холмов параллельных поверхности слоев графена, а на их вершинах — кристаллов со слоями, также параллельными поверхности. При облучении боковой поверхности углеродных волокон со структурой типа “onion-skin” на ней образовывались гофры, перпендикулярные оси волокна, если ионы, внедряющиеся в поверхность, провоцировали сжимающие напряжения, приводящие к фрагментации и изгибанию приповерхностных слоев, а степень разрушения структуры волокна оказывалась достаточной для повторной эмиссии ионов. Параллельные оси волокна складки получались в случае, если при большой длине пробега облучающих ионов максимум напряжений создавался на определенной глубине, а степень разрушения поверхностных слоев была недостаточной для выхода внедренных ионов. В данном случае механизм деформации поверхности волокна схож с механизмом образования блистеров. Ионное облучение торцов волокон приводило к их возвышению над поверхностью матрицы и рекристаллизации торчащих участков. Графеновые плоскости кристаллов имели ориентацию, перпендикулярную оси волокна. Результаты работы позволяют сделать заключение, что, независимо от оригинальной ориентации графеновых слоев образца и направления ионного потока, мишень при облучении претерпевает последовательное взаимно перпендикулярное превращение.

В рамках феноменологического подхода изучено возникновение неоднородного магнитного состояния и связанное с этим появление неоднородной электрической поляризации в объеме малых магнитных частиц. Микроскопический механизм такой связи намагниченности с поляризацией обусловлен спин-орбитальным взаимодействием. Конкретный вид намагниченности и поляризации определяется формой и размерами частиц цилиндрической формы. Используя выражение свободной энергии для намагниченности, мы получили выражение для неоднородного распределения намагниченности в виде трехмерных магнитных вихрей. Вихревое состояние возникает только для цилиндров с радиусом больше определенного критического значения, а для частиц с меньшим радиусом возникает однородное магнитное состояние. В вихревом состоянии появляется неоднородная электрическая поляризация. Векторы локальной поляризации имеют вид лучей, направленных к оси цилиндра. Определена область существования таких неоднородных состояний. Рассмотрено изменение локальной электрической поляризации малых магнитных частиц цилиндрической формы во внешнем магнитном поле. Получено выражение для магнитоэлектрической восприимчивости.

Работа направлена на решение задачи повышения контроля качества покрытий с пористой структурой. Эта проблема возникает вследствие отсутствия эффективного и неразрушающего метода оценки пористости микродуговых оксидных покрытий. Точный контроль пористости необходим для обеспечения надежности и долговечности покрытий, а также для предотвращения их дефектов. Использование методов распознавания оптических изображений позволяет улучшить процесс косвенного измерения пористости покрытий и повысить качество контроля без воздействия на объект. Систематизированы факторы, влияющие на пористость микродугового оксидного покрытия, а также методы ее определения. Предложен метод оценивания пористости оксидных покрытий образцов из алюминиевого сплава марки АД31 на основе распознающей программы, написанной в среде MATLAВ R2020a, изображений морфологии поверхностей при использовании современных методов микроскопии. Проведен статистический анализ морфологии поверхности, который подтвердил хорошее соответствие оценки пористости с данными, полученными в процессе обработки изображений с помощью программного обеспечения растрового электронного микроскопа. Относительная погрешность предложенного метода не превышает 10%. Научная новизна работы заключается в разработке алгоритмов уникального метода неразрушающего контроля — распознавания пористых структур на основе оптических данных, способствующих повышению эффективности оценки пористости и улучшению характеристик оксидных покрытий.

Экспериментально изучены два типа многоэлектронных эффектов рентгеновской фотоэмиссии в халькогенидных полупроводниках Cu₂SnS₃, Cu(In,Ga)Se₂, CuGaTe₂. Первый — это межатомные оже-переходы с выбросом электронов с внутренних уровней атомов, окружающих медь (Sn, In, Ga), которые возникают в результате процесса распада фотодырки, образующейся на атомах меди при поглощении синхротронного излучения. И второй — характерные потери кинетической энергии в процессе прямой фотоэмиссии с внутренних уровней атомов олова за счет динамического кулоновского поля фотодырки, включение которого приводит к встряхиванию Sn4d-электронов в незанятые состояния. Причиной обоих эффектов является крайне неравновесный характер процесса фотоионизации атома, порождающий практически мгновенное включение кулоновского поля фотодырки на одном из внутренних уровней атома. Окружающие электроны подвергаются своего рода ударному воздействию и могут увеличить свою энергию на десятки электрон-вольт. Эксперименты показывают, что наиболее эффективно “встряхиваются” электроны 4d-уровней. Во-первых, их много (десять штук на атом), и, во-вторых, за счет большого центробежного барьера эти электроны находятся на периферии атома, как и незанятые свободные состояния, в которые переходят при включении поля фотодырки.

Методами конечных элементов решена задача о влиянии морфологии поверхности раздела между покрытием из быстрорежущей стали Р2М9 и подложкой из конструкционной стали 30ХГСА на распределение термоупругих напряжений в покрытии. Решение проводили в два этапа. На первом этапе изучали поведение напряжений при охлаждении от температуры 1573 К до температуры 293 К. На втором этапе после охлаждения к поверхности покрытия прилагали статическую растягивающую нагрузку. Морфологию поверхности раздела определяли по данным растровой электронной микроскопии. Из них следует, что профиль границы раздела имеет криволинейный вид и в первом приближении может быть описан гармонической функцией. Показано, что на этапе охлаждения волнообразная граница раздела покрытия и подложки служит наиболее эффективным барьером для образования трещин, перераспределяя области опасных растягивающих в подложку. Приложение растягивающей статической нагрузки к покрытию после его охлаждения показало, что в случае плоской границы раздела (с прямолинейным профилем) при значении модуля упругости подложки E_c на порядок меньше модуля упругости покрытия E_s происходит отрыв покрытия от подложки. Пластическое течение протекает в основном в покрытии. Такую же ситуацию наблюдали и при криволинейном профиле границы с той лишь разницей, что она препятствует отрыву покрытия от подложки. Если E_s = 10E_c, то при прямолинейном профиле границы раздела пластическое течение происходит как в подложке, так и в покрытии, а при криволинейном профиле границы этот процесс протекает в основном в подложке.