Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования

Метод на основе теории возмущений для описания ионизационных ионно-атомных столкновений и алгоритма статистического моделирования траекторий вторичных электронов предложен для расчета коэффициента электронной эмиссии из бесструктурной твердой мишени. Основной вклад в количество испускаемых поверхностью электронов вносят электроны с энергией E_e < 50 эВ. Только небольшой слой мишени толщиной 20–40 Å определяет количество электронов, испускаемых поверхностью. Если толщина мишени превышает эту величину, коэффициент электронной эмиссии от толщины мишени не зависит. Изменение энергии и заряда быстрого иона в таком тонком слое можно не учитывать, а для оценок количества вторичных электронов использовать энергию и заряд иона, вылетевшего из мишени.

Показана возможность комбинирования плазменно-электролитных методов цементации, полировки и микродугового оксидирования технически чистого титана для повышения микротвердости, износостойкости и улучшение внешнего вида модифицированной поверхности за счет устранения дефектов покрытия. Методами рентгенофазового анализа изучены структурно-фазовые изменения на поверхности образцов после обработки, что позволило обнаружить в диффузионном слое, являющемся результатом цементации, твердые карбиды титана TiC и Ti₈C₅ и определить глубину диффузии углерода и кислорода. Изучено влияние каждого из способов плазменно-электролитной обработки на трибологическое поведение в паре трения с закаленной сталью марки ШХ15. Наименьший коэффициент трения поверхности наблюдали в образцах после цементации при 900°С, полировки при напряжении 250 В и микродугового оксидирования при плотности тока 12 А/дм². Определено, что увеличение массовых потерь при трении и рост объема удаленного материала образцов после комбинированной обработки связано с увеличением площади контакта в трибосопряжении, что подтверждено увеличением износа контртела. Проведена оценка качества модифицированной поверхности по данным геометрии следов износа, рассчитан комплексный критерий Крагельского–Комбалова и определен вид изнашивания. Критерий Крагельского–Комбалова у образцов (или на поверхности образцов) после плазменно-электролитной обработки уменьшается в 1.2–1.4 раза, что указывает на повышение несущей способности шероховатого профиля модифицированных образцов. Механизм изнашивания — это усталостный износ при пластическом деформировании трибологического сопряжения.

С применением сочетания методов анализа поверхности и теоретических расчетов методом функционала плотности показано, что электронные и адсорбционные свойства нанокластеров никеля на поверхности пленки оксида алюминия α-Al₂O₃(0001) по отношению к молекуле оксида азота (NO) существенно зависят от размера кластера. Свойства кластеров Ni эффективным размером, не превышающим 2 нм, преимущественно определяются формированием поляризованной в сторону оксидной подложки хемосорбционной связи Ni–Al₂O₃. В результате этого наночастицы Ni приобретают положительный заряд, следствием чего является усиление внутримолекулярной связи адсорбированных на их поверхности молекул NO по сравнению со случаем адсорбции на поверхности массивного кристалла Ni. С увеличением размера кластера хемосорбционная связь деполяризуется за счет усиления латерального взаимодействия Ni–Ni, и при толщине покрытия, превышающей 0.25 эквивалентных моноатомных слоев, адсорбционные свойства близки к таковым, характерным для массивного образца Ni. Такая зависимость свойств от размера кластера открывает возможность контроля электронных и адсорбционных свойств металлического кластера и металлооксидной системы в целом.

Методами рентгеноструктурного анализа, оптической, растровой и просвечивающей электронной микроскопии исследованы микроструктура и фазовый состав образцов металломатричного композита Ti–6Al–4V/TiC, полученных с использованием проволочной электронно-лучевой аддитивной технологии. Показано, что микроструктура композита Ti-6Al–4V/TiC состоит из первичных β-зерен, содержащих пластины α/α′, разделенные прослойками остаточных β- и α′′-фаз. По границам первичных β-зерен выделяются частицы карбида TiC неравноосной формы с размерами 1–2 мкм. Методом рентгеновской дифракции с использованием синхротронного излучения исследованы закономерности изменения фазового состава 3D-напечатанных образцов Ti–6Al–4V/TiC в процессе нагрева от комнатной температуры до 1100°С. Проанализирован характер изменения формы и положения рентгеновских пиков α/α′- и β-фаз в процессе нагрева композита. Показано, что в диапазоне температур 700–800°С имеют место сдвиг рентгеновского пика 110 β-фазы в область больших углов дифракции, а также изменение его полуширины, связанное с образованием и последующим распадом орторомбической α′′-фазы.

Методом электроспиннинга получены нанонити, состоящие из смеси фаз оксидов ванадия. Определены их фазовый и количественный составы методами рентгенофазового и полнопрофильного анализа. Показано, что расчет условных концентраций при анализе фазового состава с помощью программы “Качественный анализ” дает результаты с высокой погрешностью, и для точного определения концентрации фаз в многофазных образцах оксидов ванадия необходимо использовать полнопрофильный анализ или метод количественного анализа (при возможности проведения).

В работе изучена специфика локального атомного окружения, физико-химического состояния и электронного строения пяти монослоев олова на тонком буферном слое кремния, сформированных методом молекулярно-лучевой эпитаксии, их трансформация in situ в результате термического отжига. С использованием излучения трех синхротронных источников применялись экспериментальные методы высокого разрешения, чувствительные к поверхности: спектроскопия ближней тонкой структуры краев рентгеновского поглощения и рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия, а также компьютерное моделирование. Показана возможность диффузии атомов кислорода от олова к буферному слою кремния при хранении образцов в лабораторных условиях. Показано, что при формировании нанослоев Sn/Si методом молекулярно-лучевой эпитаксии не происходит межатомного взаимодействия на гетерофазных границах структуры образца, вплоть до возможного формирования твердого раствора олово–кремний, и, как следствие, заметных искажений электронного спектра. Однако высокотемпературный сверхвысоковакуумный отжиг вызывает фазовую перестройку поверхностных слоев, что сопровождается перераспределением атомов кислорода от атомов олова к атомам кремния эпитаксиального буфера с формированием тонкого слоя SiO₂. В пределах тонкого переходного слоя олово–кремний в изученных образцах могут образовываться сложные связи между атомами олова, кислорода и углерода вдоль его границ.