Научные группы: Зондовые нанотехнологии

Тамбовский государственный университет им. Г.Р.Державина

наноструктура

Наномеханика

• Быстропротекающие физические процессы в микро- и наноконтактах
• Динамика наноструктур
• Силовые и бесконтактные методы нанотестинга
• Физическое материаловедение

Телефон	8 4752 532253
Электронная почта	golovin@tsu.tmb.ru
Индекс	392000
Адрес	г. Тамбов, ул. Интернациональная, 33
Страница научной группы в интернете

Юрий Иванович Головин, руководитель группы, профессор, доктор наук

Нами предложены новые принципы исследования быстропротекающих процессов в микроконтактах, разработаны компьютеризированные динамические нанотестеры, сочетающие высокое пространственное разрешение (1-10 нм) с рекордно высоким временным разрешением (50 мкс). С помощью этих методов получены уникальные сведения об атомарных механизмах деформации в микроконтактах в различных кристаллических и аморфных материалах. Высокое разрешение во времени позволило впервые показать, что процесс динамического микроконтактного взаимодействия не автомоделен, а протекает в несколько существенно различающихся по динамике и механизмам, последовательно сменяющих друг друга стадий. После первой, чисто упругой стадии внедрения индентора во всех исследованных материалах происходило «забивание» атомов в междоузлия и деформация осуществлялась за счет движения сначала одиночных межузельных атомов, а затем их небольших групп – малоатомных кластеров. На этих стадиях, занимавших менее 10 мс, образовывается отпечаток с объемом от 30 до 100 % (в зависимости от природы материала) от окончательно устанавливающегося при длительном нагружении. И лишь при продолжительности контакта более 10 мс становилась заметной работа традиционных дислокационных механизмов пластической деформации (если они вообще могли иметь место в данном материале при температуре испытания).

Полученные данные позволили количественно определить долю деформации, реализующуюся по тому или иному механизму, их вклад в формирование свойства «твердость» при различных условиях микроконтактного взаимодействия. Эти результаты имеют принципиально важное значение для углубления понимания природы приповерхностной прочности, пластичности, стойкости к износу, механостимулированных твердофазных химических реакций и многого другого.

Не менее интересны и обнаруженные в лаборатории быстропротекающие электрофизические явления, обусловленные зарождением и движением структурных дефектов атомарного масштаба в зоне микроконтакта, несущие информацию о динамике и природе микроструктурных процессов и зачастую играющие если не решающую, то очень важную роль в поведении тонких приповерхностных слоев плохо проводящих материалов.

Получены уникальные данные о влиянии быстропротекающих спин-зависимых процессов между подвижными парамагнитными атомными дефектами на физические свойства «немагнитных» материалов различной природы.

Группой разработана линейка многофункциональных нанотестеров. На них получены принципиально важные результаты о механических свойствах различных материалов в нанообъемах, установлены причины их отличий от макроскопических, проанализированы атомные механизмы пластической деформации при наноконтактном взаимодействии.
Так, было обнаружено, что для многих материалов предел текучести в областях с размерами порядка 10 нм приближается к теоретическому пределу прочности ( ~ 0,1 от модуля сдвига). Это объясняется невозможностью образования и развития дислокационных петель в столь малых объемах. Вследствие этого несущая способность материала резко возрастает, наноконтактное взаимодействие становится чисто упругим до очень больших напряжений, а пластическая деформация начинается и развивается до определенного уровня за счет образования и перемещения неравновесных точечных дефектов.

Установлено, что на начальных стадиях внедрения индентора в отпечатке создается давление порядка 0,1 модуля Юнга, что может вызвать в некоторых материалах фазовые превращения. В отпечатке развиваются как высокие сжимающие, так и сдвиговые напряжения, причем относительная величина сдвиговых напряжений выше, чем при одноосном сжатии. Для большинства материалов давление фазового превращения намного выше напряжения начала пластической деформации, и поэтому фазовые переходы в отпечатке во время наноиндентирования не происходят. Однако, для некоторых твердых тел структурный коллапс может произойти и до начала пластического течения. С ростом скорости нагружения критическое давление перехода от упругого к упруго-пластическому деформированию может значительно увеличиться, что повышает вероятность образования новых фаз. Сейчас надежно установлен факт фазовых превращений при внедрении индентора в некоторые полупроводники и другие материалы с высоким пределом текучести (в частности, кремний). При этом конкуренция между развивающейся пластичностью и полиморфными превращениями, индуцируемым контактным давлением, может быть причиной нестабильной деформации в субмикрообъемах, что способно существенно повлиять на эксплуатационные характеристики материала. При этом многие параметры процесса (давление, скорость выхода новой фазы, последовательность смены фаз и т.д.) претерпевают радикальные изменения при уменьшении размеров зоны деформирования до наноуровня.

• Динамический ультрамикротвердомер DUH-W201E фирмы Shimadzu
• Нанотестер

• Металлографические микроскопы
• Микроинтерферометр МИИ-4
• микротвердомер ПМТ-3
• Мультимодовый атомно-силовой микроскоп Solver LS фирмы NT-MDT
• Печь до 1800К

Исследование электрических, оптических и магнитных свойств материалов

• Zircoa Inc., Solon, USA
• ВГТУ, г.Воронеж, Россия
• ИК РАН, г. Москва, Россия
• Институт Машиноведения РАН, г. Москва, Россия
• Институт физики металлов ЦНИИЧЕРМЕТ, г. Москва, Россия
• ИФТТ РАН, г. Черноголовка Московской области, Россия
• МГУ, г. Москва, Россия
• С-ПбГУ, г. Санкт-Петербург, Россия
• ФизТех РАН, г. Москва, Россия

Головин Ю.И., Дуб С.Н., Иволгин В.И., Коренков В.В., Тюрин А.И., "Кинетические особенности деформации твердых тел в нано- и микрообъемах " // ФТТ, 2005, 47 (6), 961 - 973 Головин Ю.И., "Магнитопластичность твердых тел " // Физика твердого тела, 2004, 46 (5), 769 - 803 Головин Ю.И., Лопатин Д.В., Николаев Р.К., Умрихин А.В., "Анизотропное влияние слабого магнитного поля на фотопроводимость монокристаллов С60 " // Письма в ЖТФ, 2004, 30 (10), 61 - 65 Golovin Yu.I., Tyurin A.I., Farber B.Y., "Investigation of Time-Dependent Characteristics of Materials and Micromechanisms of Plastic Deformation on a Submicron Scale by a New Pulse Indentation Technique" // J. Materials Science, 2002, 37 (3), 895 - 904 Golovin Yu.I., Ivolgin V.I., Korenkov V.V., Korenkova N.V., Farber B.Ya., "Improvement in the Nanoindentation Technique for Investigation of the Time-Dependent Material Properties" // Phil. Mag. A., 2002, 82 (10), 2173 - 2177