Разработка физико-химических основ твердофазных реакций для соединения нанообъектов различной природы

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 18-13-00080

НазваниеРазработка физико-химических основ твердофазных реакций для соединения нанообъектов различной природы

Руководитель Жарков Сергей Михайлович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский федеральный университет" , Красноярский край

Конкурс №28 - Конкурс 2018 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах; 03-202 - Химия твердого тела, механохимия

Ключевые слова наноматериал, нанослой, нанообъект, нанообъекты различной природы, соединение нанообъектов (nanojoining), твердофазная реакция, интерметаллическое соединение (интерметаллид), структурные фазовые превращения, in situ исследования, просвечивающая электронная микроскопия, дифракция электронов

Код ГРНТИ31.15.19

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Огромный интерес исследователей во всем мире к твердофазным реакциям в нанослоях связан с возможностью их использования при создании новой элементной базы микро- и наноэлектроники. Одним из перспективных направлений является применение твердофазных реакций для создания надежных соединений разнородных нанообъектов ("nanojoining"). Твердофазные реакции могут быть использованы в изделиях микро- и наноэлектроники для соединения элементов в тех случаях, когда невозможно использовать стандартные методы: сварку или пайку припоем, т.к. нагрев до высоких температур может привести к выходу из строя элементов микро- и наноэлектроники, а также, когда необходимо сочетание объектов различной природы, обладающих кардинально отличающимися физическими свойствами (разнородные металлы, металл с неметаллом, и т.д.). Однако практической реализации применения твердофазных реакций для соединения нанообъектов различной природы препятствует отсутствие достаточной информации о протекании твердофазных реакций в наноматериалах, а именно, о механизмах массопереноса через слой продуктов реакции и механизмах фазообразования при твердофазных реакциях в многокомпонентных наносистемах. Для понимания этих механизмов необходимо проведение экспериментальных комплексных исследований, включающих в себя методы in situ просвечивающей электронной микроскопии и дифракции электронов. Решение научной проблемы, связанной с изучением механизмов твердофазных реакций в наноматериалах, предназначенных для соединения между собой нанообъектов различной природы (различных металлов, неметаллов) является одной из важных и актуальных задач современной химии твердого тела. Научная значимость решения данной проблемы обусловлена как необходимостью развития и уточнения фундаментальных представлений о влиянии структурных, размерных и интерфейсных эффектов на условия протекания твердофазных реакций в наноматериалах, так и важностью таких материалов для микро- и наноэлектроники. Задачей настоящего проекта является исследование механизмов массопереноса через слой продуктов реакции и механизмов фазообразования при твердофазных реакциях в многослойных тонкопленочных наносистемах, содержащих от 2 до 10 и более слоев с толщиной индивидуального слоя от 10 до 100 нм. Научная значимость решения данной проблемы обусловлена как необходимостью развития и уточнения фундаментальных представлений о влиянии структурных, размерных и интерфейсных эффектов на условия протекания твердофазных реакций в наноматериалах, так и важностью таких материалов для устройств микро- и наноэлектроники, где подобные материалы могут быть использованы для соединения нанообъектов различной природы. Многослойные тонкопленочные наносистемы, состоящие из нескольких элементов (до 3 элементов), будут получены на основе: Au, Ag, Cu, Al, Si и др. методами высоковакуумного напыления. Научная новизна решаемой в проекте задачи заключается в получении новых данных о механизмах фазообразования и массопереноса при твердофазных реакциях в многослойных тонкопленочных наносистемах, полученных на основе: Au, Ag, Cu, Al, Si и др. и состоящих из нескольких элементов (до 3 элементов). Будут проведены электронно-микроскопические и электронографические in situ исследования твердофазных реакций, инициированных термическим нагревом, как в простых системах, таких как Cu/Au, Al/Au, Al/Ag, так и в системах типа: Cu(x)Al(1-x)/Au, Au(x)Al(1-x)/Cu, Ag(x)Al(1-x)/Cu и др. Варьирование элементного состава отдельного нанослоя позволит изменять в достаточно широких пределах температуру инициирования твердофазной реакции между нанослоями и получать в результате твердофазной реакции заранее заданное интерметаллическое соединение. Будут исследованы процессы образования твердых растворов и интерметаллидов, динамика твердофазных реакций, а также фазообразование в многослойных наносистемах непосредственно в процессе твердофазной реакции. Электронно-микроскопические и электронографические in situ исследования процессов твердофазных реакций в многослойных тонкопленочных наносистемах позволят получить уникальную информацию о температуре инициирования и динамике протекания твердофазных реакций, процессе образования твердых растворов и интерметаллидов, а также фазообразовании непосредственно в процессе твердофазной реакции. Эта информация необходима для разработки модели твердофазных реакций в нанослоях и понимания механизмов фазообразования и массопереноса через продукты реакции в процессе твердофазной реакции.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Жарков С.М., Моисеенко Е.Т., Алтунин Р.Р. L1_0 ordered phase formation at solid state reactions in Cu/Au and Fe/Pd thin films Journal of Solid State Chemistry, Vol. 269, Pp.36-42 (год публикации - 2019)
10.1016/j.jssc.2018.09.009

2. Моисеенко Е.Т., Алтунин Р.Р., Жарков С.М. In situ electron diffraction and resistivity characterization of solid state reaction process in Cu/Al bilayer thin films Metallurgical and Materials Transactions A: Physical Metallurgy and Materials Science (год публикации - 2020)

3. Алтунин Р.Р. , Моисеенко Е.Т., Жарков С.М. Влияние структурных свойств на электросопротивление тонких пленок Al/Ag в процессе твердофазной реакции Физика твердого тела (год публикации - 2020)

4. Жарков С.М., Алтунин Р.Р., Моисеенко Е.Т. Solid-state reactions in Al based multilayer nanosystems The Proceedings of the XV International Symposium on Self-Propagating High Temperature Synthesis (SHS 2019), September 16-20, 2019, Moscow, Russia, Pp. 561-562 (год публикации - 2019)
10.24411/9999-0014A-2019-10204

5. Жарков С.М., Алтунин Р.Р., Моисеенко Е.Т. Твердофазная реакция в тонкопленочной системе Al/Ag Тезисы докладов XXVIII Российской конференции по электронной микроскопии (РКЭМ 2020), г. Черноголовка., Тезисы докладов XXVIII Российской конференции по электронной микроскопии (РКЭМ 2020), г. Черноголовка, 5-10 сентября 2020 г., Т. 2, С. 228-229. (год публикации - 2020)
10.37795/RCEM.2020.82.12.017

6. Моисеенко Е.Т., Жарков С.М., Алтунин Р.Р., Белоусов О.В., Юмашев В.В., Волочаев М.Н., Зеер Г.М. Peculiarities of intermetallic phase formation in the process of a solid state reaction in (Al/Cu)n multilayer thin films JOM, Vol. 73, Iss. 2, (год публикации - 2021)
10.1007/s11837-020-04522-9

7. Жарков С.М., Алтунин Р.Р., Юмашев В.В., Моисеенко Е.Т., Белоусов О.В., Волочаев М.Н., Зеер Г.М. Kinetic study of solid state reaction in Ag/Al multilayer thin films by in situ electron diffraction and simultaneous thermal analysis Journal of Alloys and Compounds (год публикации - 2021)

8. Жарков С.М., Алтунин Р.Р., Юмашев В.В., Моисеенко Е.Т., Белоусов О.В., Соловьев Л.А., Волочаев М.Н., Зеер Г.М. Kinetic study of solid state reaction in Ag/Al multilayer thin films by in situ electron diffraction and simultaneous thermal analysis Journal of Alloys and Compounds, Vol. 871, Pp. 159474-9 (год публикации - 2021)
10.1016/j.jallcom.2021.159474

Публикации