XIV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2022

Введение

Характеристики поликристаллических материалов тесно связаны с размером их зерен. С уменьшением размера зерна прочность или твердость материала увеличивается, а его пластичность снижается, аналогично коэрцитивная сила магнитного материаласила обратного поля, необходимая для уменьшения его намагниченности до нуля  увеличивается с уменьшением размера зерна. Традиционно размеры зерна материала меняются композиционным дизайном. Однако измельчение зерна, вызванное дизайном композиции, обычно однородно. В таких однородных структурах повышение прочности всегда происходит за счет пластичности. Компромисс между прочностью и пластичностью становится фундаментальной проблемой при создании конструкционных материалов с высокими эксплуатационными характеристиками.
Для решения этой проблемы в конструкционные материалы были введены гетероструктуры с большими микроструктурными неоднородностями, такими как бимодальные зерна, градиентные зерна, градиентные нанодвойники, наноламины и неоднородные пластинки (Рис. 1).

Такие гетероструктуры были созданы путем разработки передовых технологий обработки без изменения состава, включая сильную пластическую деформацию, шлифование или прокатку поверхности, а также электроосаждение[1]. Полученные гетероструктурированные материалы демонстрируют отличные механические свойства, например синергия прочности и пластичности, а также повышение усталостных свойств и износостойкости. Естественно, возникает интригующий вопрос: можно ли использовать такие гетероструктуры для создания современных функциональных материалов? На сегодняшний день он остается малоизученным.

Рис. 1. «Гетероструктуры с большими микроструктурными неоднородностями»

Примеры гетероструктурных материалов

Хотя гетероструктуры первоначально изучались в конструкционных материалах, недавние достижения показывают, что такие структуры имеют большие перспективы для реализации беспрецедентных функциональных свойств за счет отказа от компромиссов между конкурирующими свойствами, которые неразрешимы для гомогенных структур.

Гетероструктурированные материалы с постоянными магнитами

Постоянные магниты, которые могут взаимно преобразовывать механическую энергию и электричество, являются критически важными материалами для преобразования энергии. Они находят ключевое применение в электромобилях, ветряных генераторах и жестких дисках компьютеров.

Рабочие характеристики постоянных магнитов оцениваются по добротности - энергетическому продукту [2]. Энергетический продукт магнита зависит от площади его петли гистерезиса, где получение большого энергетического продукта требует как высокой намагниченности, так и большой коэрцитивной силы. К сожалению, как и в случае прочности и пластичности конструкционных материалов, существует компромисс между намагниченностью и коэрцитивностью, который является результатом изначально инвертированной зависимости между намагниченностью и анизотропией, определяющей физический предел коэрцитивной силы. В результате, как одновременно получить высокую намагниченность и большую коэрцитивную силу, становится ключевой научной проблемой и фундаментальной проблемой на пути увеличения энергетических продуктов материалов с постоянными магнитами.

Недавно была предложена концептуальная стратегия, позволяющая отказаться от компромисса между намагниченностью и коэрцитивностью. Основная идея состоит в том, чтобы ввести гетероструктуру в постоянные магнитные материалы, в которых один тип структур способствует высокой намагниченности за счет как обменной связи между мягкими и магнитотвердыми нанозернами и выравнивания магнитотвердой фазы, так и других типов структур [3]. Большая коэрцитивная сила возникает за счет препятствования перемагничиванию. Благодаря этой стратегии были достигнуты большие успехи в создании высокоэнергетических продуктов в наноструктурированных магнитах.

Гетероструктурированные термоэлектрические материалы

Термоэлектрические материалы - это новые материалы для преобразования энергии, которые позволяют преобразовывать тепловую энергию в электрическую, обеспечивая потенциальные решения экологических и энергетических проблем, с которыми в настоящее время сталкивается мир.

Тем не менее, большое значение добротности термоэлектрического материала может быть достигнуто за счет рационального проектирования микроструктуры и ленточной структуры. В этом отношении гетероструктуры показывают перспективный подход к снижению теплопроводности. Основная идея заключается в следующем: тепловые колебания атомов в твердом теле создают смещения из их положений равновесия, в результате чего возникает набор колебательных волн с разными длинами волн – фононов [4].Эти фононы являются теплоносителями, которые распространяются через решетку, внося вклад в ее теплопроводность. Они могут эффективно рассеиваться на крупномасштабных дефектах кристалла, точечных дефектах атомного масштаба для коротковолновых фононов, на границах раздела наноразмерных преципитатов для средневолновых фононов и на границах мезомасштабных зерен для длинноволновых фононов. Таким образом, крупномасштабная гетероструктура позволяет значительно снизить теплопроводность.

Новаторской работой по гетероструктурированным термоэлектрикам является создание микро- и наноструктур, где фаза выделений наноразмеров имеет когерентную границу раздела с матрицей. Полученная гетероструктура демонстрирует максимальное снижение теплопроводности решетки и, таким образом, обеспечивает высокие термоэлектрические характеристики: большое значение добротности термоэлектрического материала за пределами досягаемости существующих наноструктурированных термоэлектриков.

Гетероструктурированные каталитические материалы

Пористые материалы в качестве каталитических материалов открывают большие перспективы для преобразования и хранения энергии и, таким образом, могут служить решением нынешнего энергетического кризиса, с которым мы сталкиваемся. Для достижения превосходных каталитических характеристик в этих материалах требуется как высокая подвижность реагентов (т.е. усиленная диффузия массы), так и наличие множества активных каталитических центров. Однако такие требования часто противоречат обычным пористым катализаторам. Например, катализаторы с макропорами или мезопорами способствуют подвижности реагентов, но не имеют достаточного количества активных центров из-за их низкой удельной поверхности, в то время как катализаторы с нанопорами (Рис. 2) могут обеспечивать множество активных центров из-за высокой удельной поверхности, но имеют плохую подвижность реагентов [5]. Этот компромисс является проблемой для повышения каталитической активности пористых материалов.

Для решения этой проблемы была разработана стратегия гетероструктуры путем создания материала, содержащего как мезо так и нанопоры. Такие структуры обладают синергией между подвижностью и активными центрами. Полученные в результате упорядоченные монокристаллы мезо-нанопористого металлоорганического каркаса со средним диаметром демонстрируют более высокие каталитические характеристики и улучшенную способность к переработке, чем их аналоги с гомогенными порами.

Рис. 2. «Катализаторы под микроскопом»

Отношения между структурой и свойством

Количественное понимание взаимосвязей структура-свойство жизненно важно для рационального проектирования гетероструктурированных функциональных материалов с желаемыми характеристиками, а также имеет решающее значение для оптимизации их общих свойств. Для решения этой задачи особенно требуется создание упорядоченных или периодических гетероструктур, таких как градиентные и слоистые структуры(Рис. 3). С помощью этих структур можно легко изучить влияние гетероструктур на свойства. Такие гетероструктуры также позволяют теоретически моделировать взаимосвязь между структурой и свойством [6]. Новые результаты этих исследований обновят традиционные отношения обработка - структура - свойства в материаловедении, в которых отсутствует вариант гетероструктуры.

Рис. 3. «Слоистая гетероструктура»

Технология работы с гетероструктурами

Несмотря на впечатляющие характеристики и исключительный потенциал гетероструктурированных функциональных материалов, остаются серьезные проблемы с их изготовлением и микроструктурным контролем. Более того, понимание влияния гетероструктурирования на функциональные свойства и установление взаимосвязей структура-свойство также ставит новые задачи для экспериментальных и теоретических исследований.

На сегодняшний день разработано множество деформационных подходов для создания гетероструктур в конструкционных материалах. Однако эти методы обычно не подходят для функциональных материалов, которые обычно состоят из интерметаллических или неорганических соединений и, следовательно, не могут выдержать сильную пластическую деформацию.

Для решения этой проблемы требуются новые инновации в технологиях обработки. Например, деформация с сильным ограничением, которая делает возможной пластическую деформацию хрупких материалов, может быть многообещающей для получения гетероструктурированных функциональных материалов [7]. Более того, недеформационные стратегии, такие как электроосаждение и структурный фазовый переход в температурном градиенте, могут иметь большие перспективы для создания градиентных структур в функциональных материалах. Сложные гетероструктуры также могут быть реализованы в трехмерных функциональных материалах посредством точного управления процессами зарождения и роста кристаллов при фазовых переходах.

В отличие от существующих однофазных гетерогенных конструкционных материалов, производство гибридного и гетероструктурированного функционального материала может потребовать сложной технологии обработки, такой как гибридный метод, сочетающий в себе преимущества различных подходов. Более того, для практического применения этого нового класса материалов требуется подход с возможностью масштабирования.

Заключение

Великолепные характеристики материала и новые функциональные возможности обычно являются результатом тонкого согласования компромиссов между конфликтующими свойствами, такими как прочность и пластичность, намагниченность и коэрцитивность, подвижность реагентов и активный каталитический центр, ферромагнетизм и сегнетоэлектричество, прозрачность и проводимость. Как преодолеть эти компромиссы - это ключевые научные проблемы и пограничные области в материаловедении и физике конденсированного состояния. Любой успех в этом отношении был бы прорывом, который обычно зависит от композиционного дизайна. Но теперь гетероструктура выступает как новый подход к преодолению компромиссов, предоставляя новое измерение для настройки характеристик материала. Конечно, комбинация гетероструктур и гибридных материалов предоставит нам еще большее пространство для достижения конкурирующих свойств с беспрецедентной свободой, которая не могла быть реализована ранее [8]. Следовательно, инженерные гибридные и гетероструктурные функциональные материалы откроют новые возможности для получения беспрецедентно высоких характеристик или совершенно новых функциональных возможностей, недоступных для существующих материалов.

Литература

Алферов Ж. И., Халфин В. Б., Казаринов Р. Ф., “Об одной особенности инжекции в гетеропереходах”, ФТТ, 8 (1966), 3102;

Алферов Ж. И., Андреев В. М., Корольков В. И., Портной Е. Л., Третьяков Д. Н., “Инжекционные свойства гетеропереходов”, ФТП, 2 (1968), 1016;

Алферов Ж. И., Андреев В. М., Гарбузов Д. З., Жиляев Ю. В., Морозов Е. П., Портной Е. Л., Трофим В. Г., “Исследование влияния параметров гетероструктуры в системе на пороговый ток лазеров и получение непрерывного режима генерации при комнатной температуре”, ФТП, 4 (1970), 1826;

Алферов Ж. И., Андреев В. М., Воднев А. А., Конников С. Г., Ларионов В. Р., Погребицкий К. Ю., Румянцев В. Д., Хвостиков В. П., “Гетероструктуры с квантово-размерными слоями, полученные низкотемпературной жидкофазной эпитаксией”, Письма в ЖТФ, 12 (1986), 1089;

Наногетероструктуры с упорядоченными квантовыми точками для применения в оптоэлектронике / Пчеляков О.П., Двуреченский А.В., Никифоров А.И., Войце-ховский А.В., Григорьев Д.В., Коханенко А.П. // Известия высших учебных заведений. Физика. С 59-64;

Свойства гетероструктур с квантовыми точками Ge/Si для нанофотоники; Войцеховский А. В., Коханенко А. П., Никифоров А. И., Лозовой К. А. C 96-100;

Гетероструктура Si/ Si1-xGex как приемник ИК излучения; Серебренников П.С. C 134;

Кинетические особенности формирования гетероструктур в-siс / Si методом эндотаксии; Чепурнов В. И. C 28;

Код для цитирования: Скопировать