Способ исследования физических свойств и физических процессов в нанотонких пространственных диссипативных структурах
Владельцы патента RU 2737861:
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина" (RU)
Использование: для исследования нанотонких пространственных диссипативных структур. Сущность изобретения заключается в том, что способ включает формирование нанотонких ПДС в нанотонких аморфных пленках при их одностороннем нагреве, исследование нанотонких ПДС электронно-микроскопическим и микродифракционным методами с получением их электронно-микроскопических изображений и микроэлектронограмм, определение с помощью метода светлого и темного поля индексов плоскостей, обуславливающих появление соответствующих изгибных контуров на электронно-микроскопических изображениях нанотонких ПДС, и определение с помощью метода изгибных контуров параметров изгиба и ориентировки нанотонких ПДС, а также углов поворота решетки нанотонких ПДС и направлений ротационного искривления решетки, построение двумерного геометрического объекта - поверхности искривления решетки нанотонких ПДС для выбранного кристаллографического направления, отличается тем, что построенную поверхность искривления решетки нанотонкой ПДС принимают за нейтральную поверхность нанотонкой ПДС путем сравнительного анализа нейтральной поверхности нанотонкой ПДС и нейтральных поверхностей тонких пластинок, соответствующей геометрической формы, служащих в качестве эталонов, выявляют области максимального напряжения, возникающие в нанотонкой ПДС, и используют эту информацию об особенностях изгиба нейтральной поверхности нанотонкой ПДС для исследования и предсказания физических свойств и физических процессов в нанотонких пространственных диссипативных структурах, в том числе о формировании и развитии межблочных границ в нанотонких ПДС. Технический результат: обеспечение возможности исследования зарождения и развития межблочных границ кручения в нанотонких пространственных диссипативных структурах с упругим ротационным искривлением решетки. 3 ил.
Изобретение относится к области исследования и диагностики нанотонких пространственных диссипативных структур (ПДС) − нанотонких кристаллов с упругим ротационным искривлением решетки, после стадии закалки нанотонких ПДС (патент RU 2637396), когда сами нанотонкие ПДС, как целое, остаются плоскими; изобретение может быть использовано для исследования зарождения и развития межблочных границ кручения в нанотонких пространственных диссипативных структурах с упругим ротационным искривлением решетки.
Для нанотонких ПДС с упругим ротационным искривлением решетки, которые как целое остаются плоскими, необходим способ исследования зарождения и развития межблочных границ кручения в нанотонких пространственных диссипативных структурах.
Известен способ исследования оптических свойств кристаллов с помощью геометрического объекта - волновой поверхности кристаллов, которую можно наглядно представить как фронт волны, испущенной из точечного источника света, расположенного в центре данной поверхности. С помощью анализа формы волновой поверхности кристаллов В. Гамильтон предсказал открытие явления конической рефракции. (Сиротин С. Ю., Шаскольская М. П. Основы кристаллофизики. М.: Наука, 1979, 640 с.).
Недостатком данного способа является возможность исследования данным способом только оптических свойств кристаллов.
Известен способ исследования тонких пластин с помощью двумерного геометрического объекта − “нейтральной поверхности”. Нейтральная поверхность − геометрическое место точек, равноудаленных от верхней и нижней поверхностей тонкой пластины (Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Теоретическая физика. Т. 7. Теория упругости. Наука. Главная редакция физико-математической литературы. 1987. С. 60. 246 С.).
Однако, использование нейтральной поверхности для исследования зарождения и развития межблочных границ кручения в нанотонких пространственных диссипативных структурах не представляется возможным, так как решетка нанотонких ПДС, в отличие от тонких пластин, испытывает внутренний изгиб, а как целое решетка нанотонких ПДС остается плоской.
Так, например, в результате построения нейтральной поверхности нанотонкой ПДС гексагонального селена, решетка которой испытывает упругое ротационное искривление вокруг [001], мы получим плоский ромб. Таким образом, построение нейтральной поверхности для нанотонкой ПДС с внутренним изгибом решетки не позволяет визуализировать ротационное искривление решетки нанотонкой ПДС и, соответственно, не позволяет исследовать зарождение и развитие межблочных границ кручения в нанотонких пространственных диссипативных структурах.
Наиболее близким к предлагаемому способу является способ визуализации ротационного искривления решетки нанотонких кристаллов (патент RU 2570106). Данный способ позволяет визуализировать ротационное искривление решетки нанотонких ПДС − нанотонких кристаллов гексагонального селена с упругим ротационным искривлением решетки вокруг [001], после стадии закалки нанотонких ПДС (патент RU 2637396), путем построения двумерного геометрического объекта – поверхности искривления решетки нанотонкой ПДС для выбранного кристаллографического направления. Вместе с тем, указанный способ позволяет только визуализировать упругое ротационное искривление решетки нанотонкой ПДС, но не позволяет исследовать зарождение и развитие межблочных границ кручения в нанотонких пространственных диссипативных структурах.
Задачей предлагаемого технического решения является разработка способа включающего построение двумерного геометрического объекта, являющегося визуальным образом ротационного искривления решетки нанотонкой ПДС, обеспечивающего возможность исследования зарождения и развития межблочных границ кручения в нанотонких пространственных диссипативных структурах с упругим ротационным искривлением решетки.
Поставленная задача решена в предлагаемом способе исследования зарождения и развития межблочных границ кручения в нанотонких пространственных диссипативных структурах.
Предлагаемый способ исследования зарождения и развития межблочных границ кручения в нанотонких пространственных диссипативных структурах, включаюет формирование нанотонких ПДС в нанотонких аморфных пленках при их одностороннем нагреве, исследование нанотонких ПДС электронно-микроскопическим и микродифракционным методами с получением их электронно-микроскопических изображений и микроэлектронограмм, определение с помощью метода светлого и темного поля индексов плоскостей, обусловливающих появление соответствующих изгибных контуров на электронно-микроскопических изображениях нанотонких ПДС и определение с помощью метода изгибных контуров параметров изгиба и ориентировки нанотонких ПДС, а также углов поворота решетки нанотонких ПДС и направлений ротационного искривления решетки, построение двумерного геометрического объекта − поверхности искривления решетки нанотонких ПДС для выбранного кристаллографического направления, отличающийся тем, что построенную поверхность искривления решетки нанотонкой ПДС принимают за нейтральную поверхность нанотонкой ПДС, путем сравнительного анализа нейтральной поверхности нанотонкой ПДС и нейтральных поверхностей тонких пластинок, соответствующей геометрической формы, служащих в качестве эталонов, выявляют области максимального напряжения, возникающие в нанотонкой ПДС и используют эту информацию об особенностях изгиба нейтральной поверхности нанотонкой ПДС для исследования зарождения и развития межблочных границ кручения в нанотонких пространственных диссипативных структурах.
Сущность заявленного способа исследования зарождения и развития межблочных границ кручения в нанотонких пространственных диссипативных структурах заключается в том, что:
1. проводят построение двумерного геометрического объекта – поверхности искривления решетки нанотонкой ПДС, для выбранного кристаллографического направления (патент RU 2570106);
2. применяют поверхность искривления решетки нанотонкой ПДС для выбранного кристаллографического направления, в качестве нейтральной поверхности и устанавливают особенности ее изгиба;
3. путем сравнительного анализа нейтральных поверхностей нанотонкой ПДС и эталонных тонких пластинок соответствующей геометрической формы - выявляют области максимального напряжения, возникающие в нанотонкой ПДС;
4. используют выявленную новую информацию для исследования зарождения и развития межблочных границ кручения в нанотонких пространственных диссипативных структурах.
Поверхность искривления решетки нанотонкой ПДС, применяемая в качестве нейтральной поверхности нанотонкой ПДС, позволяет перейти от решения трехмерных задач к двумерным задачам. В работе (Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Теоретическая физика. Т. 7. Теория упругости. Наука. Главная редакция физико-математической литературы. 1987. С. 62. 246 С.) указывается, “…можно рассматривать тонкую пластинку как не обладающую толщиной, т. е. как геометрическую поверхность…”.
Новым техническим результатом, достигаемым предлагаемым способом исследования зарождения и развития межблочных границ кручения в нанотонких пространственных диссипативных структурах, является: применение поверхности искривления решетки нанотонкой ПДС для выбранного кристаллографического направления, в качестве нейтральной поверхности нанотонкой ПДС и выявление, путем сравнительного анализа нейтральных поверхностей нанотонкой ПДС и эталонных тонких пластинок, соответствующей геометрической формы, новой информации об особенностях изгиба нейтральной поверхности нанотонкой ПДС, а именно областей максимального напряжения, возникающих в нанотонких ПДС и использование новой информацию для исследования зарождения и развития межблочных границ кручения в нанотонких пространственных диссипативных структурах.
При исследовании вышеуказанным способом ряда нанотонких ПДС полученных при аналогичных технологических параметрах одностороннего нагрева, при последовательном изменении одного из факторов процесса получения нанотонких ПДС (например времени и (или) температуры одностороннего нагрева аморфной пленки) исследуют процессы формирования межблочных границ в нанотонких ПДС.
Эти положения распространяются на все типы нанотонких ПДС, которые характеризуются ротационным искривлением решетки.
Предлагаемый способ иллюстрируется следующими примерами.
Пример 1.
Исследуем с помощью предлагаемого способа исследования зарождения и развития межблочных границ кручения в нанотонких пространственных диссипативных структурах − зарождение межблочной границы кручения в центре ромбовидной нанотонкой ПДС. Для этого построим поверхность искривления решетки ромбовидной нанотонкой ПДС для [100], решетка которой испытывает неоднородное упругое ротационное искривление вокруг [001] (патент RU 2570106) (фиг. 1).
Применим поверхность искривления решетки нанотонкой ПДС для [100] (фиг. 1 б), в качестве нейтральной поверхности нанотонкой ПДС и установим особенности ее изгиба. При неоднородном упругом ротационном искривлении решетки нанотонкой ромбовидной ПДС вокруг [001] (фиг. 1 а), значение максимальной кривизны поверхности искривления решетки нанотонкой ПДС для [100] совпадает с короткой диагональю нанотонкой ромбовидной ПДС (фиг. 1 а). (Малков В. Б., Малков А. В., Малков О. В., Пушин В. Г., Шульгин Б. В., Агалаков С. П. Явление упругого ротационного искривления решетки нанотонких кристаллов гексагонального селена вокруг [001] в рамках несимметричной теории упругости // Сб. докл. Харьковской нанотехнол. ассамблеи-2008, Харьков, Украина, 26 - 30 мая 2008. Т.2: Наночастицы и наноструктурные функциональные покрытия / Под общ. ред. И.М.Неклюдова, В. М. Шулаева. - Харьков: ННЦ ХФТИ, 2008. - 231 С.; C. 18 – 23.). Соответственно, особенностью изгиба нейтральной поверхности нанотонкой ПДС (фиг. 1 б) будет максимальная кривизна нейтральной поверхности нанотонкой ПДС в направлении ее короткой диагонали.
Выполняя сравнительный анализ нейтральных поверхностей у нанотонкой ромбовидной ПДС для [100] (фиг. 1 б), а также у эталонных тонких клиновидной пластинки и округлого диска. (Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Теоретическая физика. Т. 7. Теория упругости. Наука. Главная редакция физико-математической литературы. 1987. С. 60, С. 73; С. 73-74. 246 С.), выявляем новую информацию об особенностях изгиба нейтральной поверхности нанотонкой ПДС − напряжения, возникающие при действии сил на нанотонкую ПДС, имеют максимальное значение вдоль длинной диагонали нейтральной поверхности ромбовидной нанотонкой ПДС.
Действительно, формула распределения напряжений в ромбовидной нанотонкой ПДС может быть записана в следующем виде:
где 
Принимая во внимание тот факт, что значение максимальной кривизны поверхности искривления решетки нанотонкой ПДС для [100] совпадает с короткой диагональю нанотонкой ромбовидной ПДС, а максимальное значение 
Новая информация о максимальном значении напряжений в точке пересечения диагоналей нейтральной поверхности ромбовидной нанотонкой ПДС позволяет объяснить и предсказать зарождение межблочных границ в центре ромбовидной нанотонкой ПДС, решетка которой испытывает неоднородное упругое ротационное искривление вокруг [001] (фиг 1 а), (фиг. 2 а).
Пример. 2.
С учетом примера 1, рассмотрим с помощью предлагаемого способа исследования зарождения и развития межблочных границ кручения в нанотонких пространственных диссипативных структурах − развитие межблочной границы кручения, зародившейся в точке пересечения диагоналей ромбовидной нанотонкой ПДС, вдоль длинной диагонали нанотонкой ромбовидной ПДС (фиг. 2 а, б, в.). Для этого построим поверхность искривления решетки ромбовидной нанотонкой ПДС для [100], решетка которой испытывает неоднородное упругое ротационное искривление вокруг [001] (патент RU 2570106) (фиг. 1).
Применим поверхность искривления решетки нанотонкой ПДС для [100] (фиг. 1 б), в качестве нейтральной поверхности нанотонкой ПДС и установим особенности ее изгиба. Особенностью изгиба нейтральной поверхности нанотонкой ПДС (фиг. 1 б) будет максимальная кривизна нейтральной поверхности нанотонкой ПДС в направлении ее короткой диагонали (пример 1).
Выполняя сравнительный анализ нейтральных поверхностей нанотонкой ромбовидной ПДС для [100] (фиг. 1 б), а также тонких клиновидной пластинки и округлого диска (Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Теоретическая физика. Т. 7. Теория упругости. Наука. Главная редакция физико-математической литературы. 1987. С. 60, С. 73; С. 73-74. 246 С.), выявляем новую информацию об особенностях изгиба нейтральной поверхности нанотонкой ПДС − напряжения, возникающие при действии сил на нанотонкую ПДС, имеют максимальные значения вдоль длинной диагонали нейтральной поверхности ромбовидной нанотонкой ПДС.
Новая информация о максимальных значениях напряжений вдоль длинной диагонали нейтральной поверхности ромбовидной нанотонкой ПДС позволяет объяснить физический процесс в ромбовидной нанотонкой ПДС − развитие межблочной границы кручения, зародившейся в центре ромбовидной нанотонкой ПДС. Действительно, развитие межблочной границы кручения, зародившейся в центре ромбовидной нанотонкой ПДС (фиг 1 а, 2 а), реализуется вдоль длинной диагонали нанотонкой ромбовидной ПДС, т. е. вдоль направления, где напряжения, возникающие при действии сил на нанотонкую ПДС, имеют максимальные значения.
Пример 3.
С учетом примера 1, рассмотрим с помощью предлагаемого способа исследования зарождения и развития межблочных границ кручения в нанотонких пространственных диссипативных структурах − зарождение и развитие парных межблочных границ кручения в ромбовидных нанотонких ПДС (фиг. 3). Для этого построим поверхность искривления решетки ромбовидной нанотонкой ПДС для [100] (патент RU 2570106) (фиг. 1).
Применим поверхность искривления решетки нанотонкой ПДС для [100] (фиг. 1 б), в качестве нейтральной поверхности нанотонкой ПДС и установим особенности ее изгиба. Особенностью изгиба нейтральной поверхности нанотонкой ПДС (фиг. 1 б) будет максимальная кривизна нейтральной поверхности нанотонкой ПДС (фиг. 1 б) в направлении ее короткой диагонали (пример 1).
Выполняя сравнительный анализ нейтральных поверхностей у нанотонкой ромбовидной ПДС для [100] (фиг. 1 б), а также у эталонных тонких клиновидной пластинки и округлого диска. (Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Теоретическая физика. Т. 7. Теория упругости. Наука. Главная редакция физико-математической литературы. 1987. С. 60, С. 73; С. 73-74. 246 С.), выявляем новую информацию об особенностях изгиба нейтральной поверхности нанотонкой ПДС − напряжения, возникающие при действии сил на нанотонкую ПДС, имеют максимальные значения вдоль длинной диагонали нейтральной поверхности ромбовидной нанотонкой ПДС; вместе с тем, вдоль направлений параллельных длинной диагонали ромбовидной нанотонкой ПДС, действуют напряжения меньшие, чем напряжения, действующие вдоль длинной диагонали ромбовидной нанотонкой ПДС; однако, величина данных напряжений может быть достаточной для зарождения и развития межблочной границы кручения вдоль направления параллельного длинной диагонали нанотонкой ромбовидной ПДС (фиг. 3).
Новая информация о напряжениях, действующих вдоль направлений параллельных длинной диагонали нейтральной поверхности ромбовидной нанотонкой ПДС; с учетом максимальной кривизны нейтральной поверхности вдоль короткой диагонали нанотонкой ромбовидной ПДС; позволяет объяснить зарождение вблизи центра и развитие межблочной границы кручения вдоль направления параллельного длинной диагонали нанотонкой ромбовидной ПДС.
Ранее (пример 1 и пример 2), нами исследованы и получили свое объяснение зарождение в центре ромбовидной нанотонкой ПДС (фиг 1 а), (фиг. 2 а) и развитие межблочной границы кручения, вдоль длинной диагонали нанотонкой ромбовидной ПДС. Выводы, сделанные по результатам исследования в примере 1 и примере 2, и новая информация о зарождении и развитии межблочной границы кручения вдоль направления параллельного длинной диагонали нанотонкой ромбовидной ПДС, позволяют объяснить зарождение и развитие парных межблочных границ кручения в ромбовидных нанотонких ПДС гексагонального селена (фиг. 3).
Таким образом, применение двумерного геометрического объекта − поверхности искривления решетки нанотонкой ромбовидной ПДС для выбранного кристаллографического направления [100], в качестве нейтральной поверхности нанотонкой ромбовидной ПДС, позволяет объяснить и предсказать зарождение в центре, на линии короткой диагонали ромбовидной нанотонкой ПДС межблочных границ кручения и развитие парных границ в нанотонких ромбовидных ПДС, ранее не имевшие своего объяснения (фиг. 3).
Следовательно, применение поверхности искривления решетки нанотонкой ПДС для выбранного кристаллографического направления, в качестве нейтральной поверхности нанотонкой ПДС; установление особенностей ее изгиба; сравнительный анализ нейтральных поверхностей нанотонкой ПДС и эталонных тонких пластинок соответствующей формы позволяют выявить новую информацию об особенностях изгиба нейтральной поверхности нанотонкой ПДС. Использование выявленной новой информации позволяет исследовать зарождение и развитие межблочных границ кручения в нанотонких пространственных диссипативных структурах.
Способ исследования зарождения и развития межблочных границ кручения в нанотонких пространственных диссипативных структурах, включающий формирование нанотонких ПДС в нанотонких аморфных пленках при их одностороннем нагреве, исследование нанотонких ПДС электронно-микроскопическим и микродифракционным методами с получением их электронно-микроскопических изображений и микроэлектронограмм, определение с помощью метода светлого и темного поля индексов плоскостей, обуславливающих появление соответствующих изгибных контуров на электронно-микроскопических изображениях нанотонких ПДС, определение с помощью метода изгибных контуров параметров изгиба и ориентировки нанотонких ПДС, а также углов поворота решетки нанотонких ПДС и направления ротационного искривления решетки, построение двумерного геометрического объекта - поверхности искривления решетки нанотонких ПДС для выбранного кристаллографического направления, отличающийся тем, что построенную поверхность искривления решетки нанотонкой ПДС принимают за нейтральную поверхность нанотонкой ПДС путем сравнительного анализа нейтральной поверхности нанотонкой ПДС и нейтральных поверхностей тонких пластинок, соответствующей геометрической формы, служащих в качестве эталонов, выявляют области максимального напряжения, возникающие в нанотонкой ПДС, и используют эту информацию об особенностях изгиба нейтральной поверхности нанотонкой ПДС для исследования зарождения и развития межблочных границ кручения в нанотонких пространственных диссипативных структурах.
