AB INITIO MODELING AND NANOSTRUCTURING OF TIC SURFACE BY LASER RADIATION
Abstract
The processes of surface nanostructuring of titanium carbide by Nd radiation: YAG-laser with the wavelength of 1.06 microns is investigated. The laser pulse length is 40 ns, the travel rate is 10 mm / s. The radiation energy density on the surface of titanium carbide at the oscillation frequency of 2000 Hz is 2.06 ÷ 6.36 J / cm2. The results of ab initio study of the atomic, electronic structure, and the elastic characteristics of TiC and TiC1-хOх (x = 0,25; 0,5; 0,75) are presented. The band structure of TiC calculated with the use of the density functional theory corresponds to a metal type. It is shown that the calculated elastic properties of titanium carbide are in good agreement with the known theoretical and experimental estimates. The study of the microstructures topography on the of titanium carbide surface using the atomic force microscopy (AFM) shows that in the area of the direct laser action, the roughness is 0.254 µm. Mechanical properties in the direct laser impingement spots, and in the temperature exposure regions are investigated by the nanoindentation. The effect of nanostructuring is determined: the titanium carbide surface hardness goes up to 47.2 hPa after the laser action.
Keywords
About the Authors
V. V. IlyasovRussian Federation
D. K. Pham
Russian Federation
References
1. Afanas’ev, Yu. V. Vaporization of Matter Exposed to Laser Emission / Yu. V. Afanas’ev, О. N. Krokchin // Journal of Experimental and Theoretical Physics. — 1967. — Vol. 25, № 4. — P. 639–645.
2. Афанасьев, Ю. В. Газодинамическая теория воздействия лазера на конденсированные ве-щества / Ю. В. Афанасьев, О. Н. Крохин // Труды ФИАН. — 1970. — T. 53. — С. 118.
3. Завестовская, И. Н. Лазерное наноструктурирование поверхности материалов / И. Н. Завестовская // Квантовая электроника. — 2010. — Т. 40, № 11. — С. 942–954.
4. Токарев, В. Н. Формирование наноструктур при лазерном плавлении поверхности твердых тел / В. Н. Токарев, В. Ю. Хомич, В. А. Шмаков // Доклады Академии наук. — 2008. — Т. 419, № 6. — С. 754–758.
5. Зарождение и рост наноструктур на поверхности твердого тела, оплавленного лазерным импульсом / С. И. Миколуцкий [и др.] // Российские нанотехнологии. — 2011. — Т. 6, № 11–12. — С. 65–69.
6. Формирование наноструктур на поверхности нитрида кремния под воздействием излучения F2-лазера / К. Э. Лапшин [и др.] // Физика и химия обработки материалов. — 2008, № 1. — С. 43–49.
7. Agya, A. Structure, bonding, and adhesion at the TiC(100)/Fe(110) interface from first principles / A. Agya, E.-A. Carter // Journal of Chemical Physics. — Vol. 118, № 19. — P. 8982–8996.
8. Ультратонкие углеродные пленки на сапфире, выращенные методом лазерной абляции: синтез и АСМ-исследование / В. В. Илясов [и др.] // Вестник Дон. гос. техн. ун-та. — 2012. — T. 12, №1 (62) вып. 1. — С. 31–35.
9. Беликов, А. В. Графитовые наноструктуры, формируемые в поле излучения glass: Yb-, Er-лазера на поверхности разных подложек / А. В. Беликов, А. В. Скрипник, Н. А. Зулина // Известия вузов. Физика. — 2012. — № 1. — С. 1–2.
10. Surface reconstruction of TiC (001) and its chemical activity for oxygen / H. Kuramochi [et al.] // Applied Physics Letters. — 1999. — Vol. 75, № 24. — P. 3784–3786.
11. Quantum espresso: a modular and open-source software project for quantum simulations of ma-terials / P. Giannozzi [et al.] // Journal of Physics : Condensed Matter. —2009. — Vol. 21, № 39. — P. 395502.
12. ElaStic: A tool for calculating second-order elastic constants from first principles / R. Golesorkhtabar [et al.] // Computer Physics Communications. — 2013. — Vol. 184, № 8. — P. 1861–1873.
13. Hill, R. The Elastic Behavior of a Crystalline Aggregate / R. Hill // Proceedings of the Physical So-ciety. Section A. — 1952. — Vol. 65. — P. 349.
14. Hill, R. Elastic properties of reinforced solids: Some theoretical principles / R. Hill // Journal of the Mechanics and Physics of Solids. — 1963. — Vol. 11, № 5. — P. 357–372.
15. Influence of oxygen addition on the structural and elastic properties of TiC thin films / L.-S. Marques [et al.] // Plasma Processes and Polymers. — 2007. — Vol. 4. — P. 195–199.
16. First-principles calculations of vacancy effects on structural and electronic properties of TiCx and TiNx / Z. Dridi [et al.] // Journal of Physics: Condensed Matter. — 2002. — Vol. 14, № 43. — P. 10237.
17. Holliday, J. E. Soft-X-ray valance state effects in conductors / J.-E. Holliday // Advance in X-ray Analysis. — 1970. — Vol. 13. — P. 136.
18. Structural studies of TiC1−xOx solid solution by Rietveld refinement and first-principles calcula-tions / B. Jiang [et al.] // Journal of Solid State Chemistry. — 2013. — Vol. 204. — P. 1–8.
19. Илясов В. В. Изучение атомной, электронной структуры и упругих характеристик карбида титана из первых принципов / В. В. Илясов, Д. К. Фам, О. М. Холодова // Упорядочение в минералах и сплавах (OMA-17) : сб. трудов 17-го междунар. симп. — Ростов-на-Дону ; пос. Южный, 2014. – Вып. 17, т. 1. — С. 131–134.
20. Elastic and thermodynamic properties of TiC from first-principles calculations / Y. Li [et al.] // Science China Physics, Mechanics and Astronomy. — 2011. — Vol. 54, № 12. — P. 2196–2201.
21. First-principles calculations of mechanical properties of TiC and TiN / Y. Yang [et al.] // Journal of Alloys and Compounds. — 2009. — Vol. 485, № 1. — P. 542–547.
22. Francisco, E. Atomistic simulation of Sr F 2 polymorphs / E. Francisco, M. Blanco, G. Sanjurjo // Physical Review B. — 2001. — Vol. 63, № 9. — P. 094107.
23. Gilman, J. Elastic constants of TiC and TiB2 / J. Gilman, B. Roberts // Journal of Applied Physics. — 1961. — Vol. 32, № 7. — P. 1405–1405.
24. Pugh, S.-F. XCII. Relations between the elastic moduli and the plastic properties of polycrystalline pure metals / S.-F. Pugh // Philosophical Magazine. Series 7. — 1954. — Vol. 45. — P. 823–843.
Review
For citations:
Ilyasov V.V., Pham D.K. AB INITIO MODELING AND NANOSTRUCTURING OF TIC SURFACE BY LASER RADIATION. Vestnik of Don State Technical University. 2014;14(4):72-85. (In Russ.) https://doi.org/10.12737/6900