Ab initio моделирование и наноструктурирование поверхности карбида титана лазерным излучением

Изучены процессы наноструктурирования поверхности карбида титана под воздействием излучения Nd:YAG-лазера с длиной волны 1,06 мкм. Длительность лазерных импульсов — 40 нс, скорость перемещения луча — 10 мм/с. Плотность энергии излучения на поверхности карбида титана при частоте генерации 2000 Гц — 2,06÷6,36 Дж/см². Представлены результаты ab initio изучения атомной, электронной структуры и упругих характеристик карбида титана TiC и TiC_1-хO_х (x = 0,25; 0,5; 0,75). Зонная структура TiC, рассчитанная с использованием теории функционала плотности, соответствует металлическому типу. Показано, что рассчитанные упругие характеристики карбида титана хорошо согласуются с известными теоретическими и экспериментальными оценками. Изучение топографии микроструктур на поверхности карбида титана с использованием метода атомной силовой микроскопии показало, что в зоне прямого лазерного воздействия шероховатость составила 0,254 мкм. Механические характеристики в зонах прямого воздействия лазерного луча и областей температурного влияния исследовались методом наноиндентирования. Установлен эффект наноструктурирования: после лазерного воздействия твердость поверхности карбида титана возрастает до 47,2 ГПа.

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.