CC BY
33
ГРНТИ 29.19.22
Юров Виктор Михайлович
к.ф.-м.н.. доцент. Физико-технический факультет. Карагандинский государственный университет имени Е. А. Букетов;!, г. Караганда. 100028. Республика Казахстан, e-mail: exciton@list.ru. Гученко Сергей Алексеевич магистр. Физико-технический факультет,
Карагандинский государственный университет имени Е. А. Букстова. г. Караганда. 100028. Республика Казахстан, e-mail: guchcn@mail.ru.
Лауринас Витаутас Чесловасович
к.ф.-м.н.. профессор. Физико-технический факу льтет. Карагандинский государственный университет имени Е.А. Букстова. г. Караганда. 100028. Республика Казахстан, e-mail: vitas-launnas@rainblcr.ru. Завацкая Ольга Николаевна
магистр, физико-технический факультет. Карагандинский государственный университет имени Е. А. Бу кстова. г. Караганда. 100028. Республика Казахстан, e-mail: olga_zavackayagladun@ mail. ru.
ТОЛЩИНА ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ И АТОМНЫЙ ОБЪЕМ МЕТАЛЛА
В настоящей /х/боте предложена новая модель поверхностного слоя атомарно-гладких металлов. Экспериментальное значение для атомарно гладких поверхностей кристаллов золота, полученное в геометрии скользящих рентгеновских лучей. /х/вно 2,4 нм. Это практически совпадает с полученным значением в нашей модели (2,3 им). В настоящей работе показано, что приповерхностный слой атомарно-гладкого металла состоит из dev.v областей - d(I) и d(U). В первой области происходит реконструкция или релаксация поверхности металла, она затрагивает несколько атомных слоев (3 атомных слоя для золота). Во второй области наблюдается размерная зависимость физических свойств металла (механические, электрические, магнитные и другие). При U d происходит структурный фазовый переход. Толщина поверхностного слоя определяется только одним параметром металла — его атомным объемом, который периодически изменяется в соответствии с периодическим законом Д. II. Менделеева.
Ключевые слова: поверхностный слой, атомный объем, атомарно-гладкий металл.
ВВЕДЕНИЕ
Согласно современным представлениям поверхностный слой представляет собой очень тонкую фазу, находящуюся в термодинамическом равновесии с объемом [ 1 ]. Относительно толщины поверхностного слоя существуют различные подходы. Так, в работе [2] вводится понятие естественного поверхностного слоя металла, который по механическим, физическим, а иногда и химическим свойствам, отличается от основного объема металла. В этом слое возникают большие напряжения за счет следующих технологических операций:
-термическая обработка (например, закалка, отпуск, отжиг);
- химическая обработка (например, карбонизация, азотирование);
- электрохимическая обработка (например, электролитическое покрытие);
- физическая обработка (например, имплантация ионов). Исследование таких поверхностных слоев, основной характеристикой которых является шероховатость поверхности, привело к созданию научного направления - инженерия поверхности [3-5]. Эта отрасль знаний уделяет повышенное внимание вопросам коррозии металла, трибологии, процессам износа материала и его разрушения. Назовем этот слой металла-технологическим слоем, толщина которого может иметь значения от долей до сотен микрона.
При раскалывании монокристаллов в вакууме по плоскости спайности могут образовываться три типа поверхностей: сингулярные (атомно-гладкие), вицинальные (ступенчатые), несингулярные (диффузные) поверхности (рисунок 1) [6-9]. Исследование таких поверхностей стало возможным после развития техники сверхвысокого вакуума, атомно-силовой и туннельной спектроскопии [10-13].
1 - сингулярные (атомно-гладкие), 2 - вицинальные (ступенчатые), 3 - несингулярные (диффузные) поверхности. Рисунок 1 - Три типа поверхностей
Мы будем рассматривать, в основном, атомно-гладкие поверхности, хотя и будем освещать некоторые моменты и других типов поверхностей [14-18]. В настоящей работе предложена новая модель поверхностного слоя металлов.
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ В работах [19, 20] нами получена формула, которая описывает зависимость физического свойства твердого тела от его размера:
AthJ-A
■И)
(1)
где А - физическое свойство массивного образца;
А(И) - физическое свойство малой частицы или тонкой пленки; с! - размерный параметр.
Для размерного параметра нами получена формула [19, 20]:
J-
2ov> ~RT
(2)
где а - поверхностное натяжение массивного образца; и - молярный объем;
Я - газовая постоянная; Т - температура.
При Ь< с! формула (5) теряет физический смысл (А(Ь)—>х)), поэтому доопределим функцию А(Ь) в этой области так, чтобы в точке И = 0 функция А(Ь) обращалась в ноль (см. рисунок 2). Это условие выполняется, когда функцию (1) перепишем в виде:
(3)
А(Ъ) = А, • 11
л + И
Значения параметра с! для некоторых металлов приведены в таблице 1. Экспериментальное значение для атомарно гладких поверхностей кристаллов золота, полученное в геометрии скользящих рентгеновских лучей [21], равно 2,4 нм. Это практически совпадает с таблицей 1. Однако, размерная зависимость физических свойств твердых тел начинается при И ~ 1 ОсЗ. Назовем её толщиной наноструктуры и обозначим (II).
вакуум
"и* ' ".Л."и*. V -„-.-.-, Л.Л«"|Л.*| _____
11<>К[>и|1ч:1Ны.11.М1
А(Ь) А„<1 ь)
/ ; !
//////
111 ибкмммфш
//////////////// '//////**-*•-"■"
штшш//!/://////
А<») »41 А<Ь)
Рисунок 2 - Схематическое изображение поверхностного слоя Таблица 1 - Толщина поверхностного слоя (I) некоторых металлов
Мс ¿, пт Ме ПП1 Ме сЬ пт Ме пт Ме пт Ме ппт
и 0,7 8г 5,8 Бп 1,4 СЧ1 1,3 Ре 2.2 С<3 5.3
N3 1,5 Па 6,2 РЬ 1,8 Щ 0,6 Со 2,0 ТЬ 5,3
К 2,6 А1 1,5 8е 1,3 Сг 2,7 N1 1,9 [)у 5,3
Ш> 2,9 Са 0,6 Те 2,5 Мо 4,6 Се 3,8 Но 5,5
Се 3,6 1п 1,1 Си 1,6 XV 5,8 Рг 4,2 Ег 5,5
Ве 1,3 Т1 1,9 А8 2,2 Мп 2,0 N1] 4,5 Тт 5,2
Мй 2,2 81 3,4 Аи 2,3 Тс 3,6 вт 4,4 УЬ 4,6
Са 4,9 Се 2,8 2п 1,1 Яе 4,6 Ей 5,8 Ей 5,7
В работах [19, 20, 22] нами показано, что поверхностное натяжение металла с большой точностью даётся выражением:
о = 0,7-10"?Тш. И)
где Тш - температура плавления (К) массивного образца: о [Дж/м2].
Если подставить (4) в (2) при Т=Т , то получим, что толщина поверхностного слоя (1) атомарно гладкого твёрдого тела равна:
¿ = 0,17 1(Г3 и. (5)
Для золота и = 10,21 (см'/моль) = 10,21 10"6 (м3/моль); с!(Аи) = 1,74 нм (при Т = 1337 К). Из зависимости с! .м() = Т /<1(Аи) Т (ш следует: (м0 = 2,23 нм. Это значение незначительно (3%) отличается от значения, приведенного в таблице 1. Уравнение (5) показывает, что толщина поверхностного слоя (I) атомарно гладкого твёрдого тела определяется одним параметром - атомным (молекулярным) объёмом элемента, который изменяется в соответствии с периодическим законом Менделеева Д. И. (рисунок 3).
Рисунок 3 - Периодическое изменение атомного объема элементов
В этом физическая сущность периодического закона Д. И. Менделеева: только свойства, связанные с периодической структурой электронной оболочки атома, обнаруживают периодичность. Поэтому естественно, что параллельно с периодическим изменением химических свойств элементов изменяются атомные объемы, потенциалы ионизации и другие энергетические характеристики, а также размеры ионов и атомов.
ВЫВОДЫ
В настоящей работе показано:
- приповерхностный слой атомарно-гладкого металла состоит из двух областей -d(l) и d(II);
- в первой области происходит реконструкция или релаксация поверхности металла, она затрагивает несколько атомных слоев (3 атомных слоя для золота);
- во второй области наблюдается размерная зависимость физических свойств металла (механические, электрические, магнитные и другие);
- при h = d происходит структурный фазовый переход;
- толщина поверхностного слоя определяется только одним параметром металла-его атомным объемом, который периодически изменяется в соответствии с периодическим законом Д. И. Менделеева.
Работа выполнена по программе министерства образования и науки Республики Казахстан. Гранты № 0118РК000063 и № Ф. 0780.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1 Prutton, M. Introduction to surface physics // Clarendon Press, 1994. - 196 p.
2 Starzynski, G., Gambin W. Natural surface layer of metals // Acta Physica Polonica, 1996.-Vol. 89. -No. 3.-P. 377-381.
3 Davis J. R. Surface Engineering for Corrosion and Wear Resistance // ASM International, 2001. - 279 p.
4 Da vim,.I. P. Materials and Surface Engineering//Woodhead Publishing, 2012.-308 p.
5 Dearnley, P. A. Introduction to Surface Engineering // Cambridge University Press, 2017. -314 p.
6 Venables, J. A. Introduction to Surface and Thin Film Processes // Cambridge University Press, 2003. - 293 p.
7 Койбагаров, С. X., Жайлаубаев, Д. Т. Тепломассообмен в неоднородном слое капиллярно-пористого материала // Наука и техника Казахстана. - 2010. - № 3. - С. 70-75
8 Desjonqueres, M. С., Spanjaard, D. Concepts in Surface Physics // Springer Science & Business Media, 2012. - 607 p.
9 Mamonova, M. V., Prudnikov, V. V., Prudnikova, I. A. Surface Physics: Theoretical Models and Experimenal Methods // CRC Press, 2016. - 384 p.
10 Hoffman, D. M., Singh, В., Thomas, J. H. Handbook of Vacuum Science and Technology // Academic Press, 1998. - 836 p.
11 Baird, D., Shew, A. Probing the History of Scanning Tunneling Microscopy // Amsterdam : IOS Press, 2004. - P. 145-156.
12 Paul, W. Atomically Defined Tips in Scanning Probe Microscopy // Montreal, Québec, Canada, 2013. - 284 p.
13 Chen, C. J. Introduction to Scanning Tunneling Microscopy // Oxford University Press, 2015.-488 p.
14 Logeeswaran, V. J., Chan, M. L., Bayam, Y. Ultra-smooth metal surfaces generated by pressure-induced surface deformation of thin metal films // Appl. Phys. A - Materials Science & Processing, 2007. - 6 p.
15 Barquist, C. S., Kwak, I. H., Bauer, J., Edmonds, T., Biswas, A., Lee, Y. Low temperature transport measurements on atomically smooth metallic and oxygen deficient strontium titanate // Journal of Physics : Conference Series. - 568 (2014) 052004.
16 Сулейменов, Т. Функционал Томаса-Ферми-Дирака для изолированных атомов // Наука и техника Казахстана. - 2002. - № 4. - С. 62-65.
17 Kho К. W., Shen Z. X., Olivo М. Sub-micron free-standing metal slabs with dielectric nano-voids of arbitrary shapes embedded beneath atomically-flat surface II Optical Society of America.-2011.-Vol. 19.-No. 11. - P. 10518-10534.
18 Khamitova, A. N., Kabdrashitova, R. M., Meyuramova, А. В., Bayutleuova, D. VI., Akhmedvanova, G. C., kolpek, A. C., Abdullina, G. G. The ability to protect inhibitors against corrosion and the influence of mechanical impurities // Наука и техника Казахстана. - 2015. - № 3-4. - С. 115-118
19 Юров В. М. Поверхностное натяжение твёрдых тел // Вестник КарГУ, сер. Физика. - 2007. - № 1 (45). - С. 23-29.
20 Yurov V. ¡И. Superfecial tension of pure metals // Eurasian Physical Technical journal, 2011.-Vol. 8.-№ 1 (15).-P. 10-14.
21 Guo J. X-Rays in Nanoscience : Spectroscopy, Spectromicroscopy, and Scattering Techniques // WILEY-VCH, Verlag. - 2010. - 263 p.
22 Юров В. М. Механическая прочность металлических наноструктур // Вестник КарГУ. Физика. - 2013. -№ 3 (71). - С. 56-61.
Материал поступил в редакцию 05.12.18.
Юров Виктор Михаилович
ф.-м.г.к., доцент, Физика-техникалык факультету
Е. А. Бекетов атындагы Караганды мемлекетпк университету
Караганды K-, 100028, Казакстан Республикасы,
e-mail: exciton@list.ru.
Г учен ко Сергеи Алексеевич
магистр, Е. А. Бекетов атындагы Караганды мемлекетпк университету Караганды к., 100028, Казакстан Республикасы, e-mail: guchen@mail.ru. Лаурннас Витаутас Чееловасовнч
ф.-м.г.к., профессор, Е. А. Бекетов атындагы Караганды мемлекетпк университету Караганды каласы, 100028, Казакстан Республикасы, e-mail: vitas-laurinas@rambler.ru. Завацкая Ольга Николаевна
магистр, Е. А. Бекетов атындагы Караганды мемлекетпк университету Караганды к., 100028, Казакстан Республикасы, e-mail: olga_zavackayagladun@mail.ru. Материал баспага 05.12.18 тусть
Бетк-i кабатыныц калыцдыгы жэне металдын атом колем1
Осы мсумыста атомды-тегк металдардыц бет к! цабатыныц жаца модел/ усынылган. Алтын кристалдардыц атомды-тегк• Gemmepi уин'н жылжымалы рентген сэулестщ геометриясында 2.4 нм тец сияцты шсперименттт Maui алынган. Бул Giidiif
моделшен (2,3 нм) алынган мэш'мен ic жузтде сэйкес Ke.iedi. Осы жумыста атомды-meaic металдыц бетк! цабаты d(I) жэне d(II) екi облыстац ту/х/ды деп корсетиген.
Bipimui области метал бетшщ реконструкциячау немесе релаксациялау жу/iedi. ол б/рнеше атом беттерт цамтиды (алтын ушш 3 атом крбаты). Екшип области металдыц физикачьщ к,асиеттершщ (механикалык;, электрл/к, магншттк жэне баск/а) влшемд/к тэуелдшгг байф/лады. h~d кез/нде щурылымдык, фазалык, ауысу жургЫлед1. бетю крбатын цалыцдыгы металдыц тек гана 6ip пара.четр/мен аныцталады - оныц атомдьщ колем/мен, ол Д. П. Менделеев кезецд1к зацына сэйкес мезги-мезги в зге pin от ырады.
Кит mi свздер: бетю Kjaoam. атомдьщ колем, атомды-тег/с металдардар Yurov Viktor Mikliailovicli
Candidate of Physical and Mathematical Sciences, associate professor, Physics and Technology Faculty, E. A. Buketov Karaganda State University, Karaganda, 100028, Republic of Kazakhstan, e-mail: exciton@list.ru. Guchenko Sergey Alekseevich
Master, Physics and Technology Faculty, E. A. Buketov Karaganda State University, Karaganda, 100028, Republic of Kazakhstan, e-mail: guchen@mail.ru. Laurinas Vitautas Cheslovasovich
Candidate of Physical and Mathematical Sciences, professor, Physics and Technology Faculty, E. A. Buketov Karaganda State University, Karaganda, 100028, Republic of Kazakhstan, e-mail: vitas-laurinas@rambler.ru. Zavatskaya Olga Nikolaevna
Master, Physics and Technology Faculty, E. A. Buketov Karaganda State University, Karaganda, 100028, Republic of Kazakhstan, e-mail: olga_zavackayagladun@mail.ru. Material received on 05.12.18.
Thickness of surface layer and atomic volume of metal
In this paper, a new model of the surface layer ofalomically smooth metals is profxtsed. The experimental value for atomically smooth surfaces ofgold crystals, obtained in the geometry of sliding X-rays, is 2.4 nm. This practically coincides with the value obtained in our model (2.3 nm). In the present work, it is shown that the near-surface layer of an atomically smooth metal consists of two regions, d (I) and d (II). In the first region, the metal surface is reconstructed or relaxed; it affects several atomic layers (3 atomic layers for gold). In the second region, the size dependence of the physical properties of the metal (mechanical, electrical, magnetic, and others) is observed. When li d, a structural phase transition occurs. The thickness of the surface layer is determined by only one parameter of the metal — its atomic volume, which periodically changes in accordance with the periodic law by D. I. Mendeleev.
Keywords: surface layer, atomic volume, atomically smooth metal.
