Структуроутворення і фізичні властивості близько-рівноважних металевих, оксидних та багатокомпонентних конденсатів з нанорозмірними елементами

Abstract

Дисертаційна робота присвячена дослідженню процессів фазо- та структуроутворення близько-рівноважних конденсатів окремих металів (Zn, Cu, Ni, Cr і Al), їх оксидів (ZnO, NiO і CuO), фрактально-перколяційних наносистем (ZnO, ZnO/NiO та ZnO/CuO), а також багатоелементних систем за наявності різних металів (W, Ta, Нf, Ti, Mo, Сr, Zr, Al, Со і Ni) і вуглецю. Основним результатом роботи є вивчення трансформації селективних процесів фазоутворення й просторово розподіленого росту конденсатів за умов осадження пари під час наближення системи плазма–конденсат або хімічно активне середовище–конденсат до термодинамічної рівноваги та за переходу від однокомпонентних до багатокомпонентних систем. Встановлено, що домінуючий вплив на процес структуроутворення наносистем мають наднизькі відносні пересичення осаджуваної пари, а не тип активного середовища над ростовою поверхнею. Водночас значна частина роботи присвячена вивченню процесів зарядоперенесення в сенсорах фрактально-перколяційного типу на основі ZnO, ZnO/NiO і ZnO/CuO в разі дії на останні газовими реагентами й оптичним опроміненням, а також фізичним властивостям багатокомпонентних систем.

Диссертационная работа посвящена исследованию процессов фазо- и структурообразования близко-равновесных конденсатов отдельных металлов (Zn, Cu, Ni, Cr и Al), их оксидов (ZnO, NiO и CuO), фрактально-перколяционных наносистем (ZnO, ZnO/NiO и ZnO/ CuO), а также многоэлементных систем при наличии различных металлов (W, Ta, Нf, Ti, Mo, Сr, Zr, Al, Со и Ni) и углерода. Основным результатом работы является изучение трансформации селективных процессов фазообразования и пространственно распределенного роста конденсатов при осаждении пара в условиях приближения системы плазма–конденсат или химически активная среда–конденсат к термодинамическому равновесию и переходе от однокомпонентных систем к многокомпонентным. Установлено, что доминирующее влияние на процесс структурообразования наносистем оказывают сверхнизкие относительные пересыщения осаждаемого пара, а не тип активной среды над ростовой поверхностью. При этом значительная часть работы посвящена изучению процессов зарядопереноса в сенсорах фрактально-перколяционного типа на основе ZnO, ZnO/NiO и ZnO/CuO при воздействии на наносистемы газовыми реагентами и оптическим облучением, а также физическим свойствам многокомпонентных систем.

The dissertation is devoted to the investigation of the processes of phase and structure formation of near-equilibrium condensates of individual metals (Zn, Ni, Cu, Cr and Al), oxides (ZnO, NiO and CuO), fractal-percolation nanosystems (ZnO, ZnO/NiO and ZnO/CuO), as well as a multi-element systems composed of various metals (W, Ta, Hf, Ti, Mo, Cr, Zr, Al, Co and Ni) and carbon. The main result of the work is investigation of selective processes transformation at the phase formation and the condensates spatially distributed growth under vapor deposition conditions close to thermodynamic equilibrium in plasma-condensate and chemically active medium-condensate system in one component systems and during the transition from one-component to multicomponent systems. Mathematical model has been developed, that allows to estimate changes in the relative supersaturation of the depositing vapours in the range from 0.06 to 0.1 depending on the size of the zones of adatoms diffusion capture around Cu nanocrystals. With aim to compare the possibilities of the structure formation of near- equilibrium nanosystems using PVD and CVD technology, the technology of obtaining copper nanosystems based on the decomposition of CuCl2 in the presence of hydrogen and nitrogen have been proposed. It has been proved experimentally, that the dominant influence onto the nanosystems structure formation process plays ultralow relative saturation of the deposited vapour rather than the type of active medium above the growth surface. Based on fractal-percolation nanosystems ZnO, ZnO/CuO and ZnO/NiO selective gas sensors have been developed, that based on current-voltage characteristics shape allow to distinguish between different gaseous reagents. The analysis of changes in the shape of the I–V characteristics of fractal-percolation nanosystems ZnO, ZnO/CuO and ZnO/NiO have shown the fundamental possibility of recognizing such reagents in the air as CO2, C3H8 + C4H10 (LPG), CH3-C(O)-CH3, CH4 or C2H5OH. It has been shown, that during the transition to near-equilibrium condensation of a multicomponent layers, a growth surface with an increased density of active centres is formed. Therefore, adatoms attachment to the multicomponent growth surface occurs only provided the strongest chemical bonds are realized. This fact cause the high configurational entropy of mixing components, which in the presence of a carbon component is a prerequisite for the coatings formation with high micro-hardness characteristics.