Diffúzió és szilárdtest-reakciók nanoskálán való vizsgálatára alkalmas szimulációs módszerek fejlesztése és alkalmazása

Dátum
Folyóirat címe
Folyóirat ISSN
Kötet címe (évfolyam száma)
Kiadó
Absztrakt

A Debreceni Egyetem Szilárdtest Fizikai Tanszékének munkatársai számos különböző kísérleti módszerrel vizsgálták a Si/Co/Si és Si/Ni/Si háromrétegű rendszerekben a szilicidképződés és -növekedés folyamatának korai szakaszát. A kísérleti eredmények azt mutatták, hogy a magnetronos porlasztásos mintakészítés során az a-Si/Ni/a-Si trirétegben a határfelületeken egy Ni2Si kémiai összetételű, rendezetlen vagy amorf keverék keletkezik. Ez a fázis azonban vastagabb abban az esetben, amikor a mintakészítés során Ni-t porlasztanak a Si-ra, mint fordított esetben. Ez magyarázható a dinamikus szegregáció jelenségével. Azonban meglepő módon a hőkezelés során a kezdetben vastagabb vegyületfázis réteg gyorsabban növekedett, mint vékonyabb párja. Hasonló eredmények születtek korábban a Co-Si rendszer esetében is. Munkám célja az volt, hogy saját fejlesztésű, kontinuum modellt használó számítógépes szimulációkkal vizsgáljam, hogy a fázisnövekedés ezen korai szakaszában hogyan alakulhat ki ilyen, a stacionárius növekedéstől merőben eltérő viselkedés. Eredményeimet az 1. tézispontban foglaltam össze.

Szilárdtest-reakcióknál ismert jelenség, hogy bizonyos esetekben kezdetben a termékfázis a hőkezelési idővel arányosan vastagodik, és a fázisnövekedés csak később vált át a stacionárius növekedésre jellemző, az idő négyzetgyökével arányos, parabolikus növekedésre. Munkám célja az volt, hogy ezt a lineáris-parabolikus fázisnövekedési átmenetet modellezni képes számítógépes módszert fejlesszek. Korábban publikálásra került egy új, könnyen átlátható, kinetikus számolási elv szilárdtest-reakciók szimulálására, ami nem igényel előre definiált határfelületeket a többfázisú mikrostruktúra leírásához. Az egyensúlyi fázisok az összetételfüggő kémiai potenciáltól vagy a megfelelő termodinamikai faktortól vezérelve automatikusan keletkeznek benne. Ezt az eljárást fejlesztettem tovább a jelenség modellezéséhez. A szabadenergia-függyvények közös érintőinek megkeresését és a kémiai potenciál kitáblázását, a kinetikai szimulációkat végző programokat és az eredményeket feldolgozó algoritmusokat is saját magam fejlesztettem. Elért eredményeimet a 2. tézispontban foglaltam össze.

A Kirkendall-jelenség vizsgálatára alkalmazott módszer a multifóliás eljárás, amellyel a diffúziós együttható a teljes koncentrációtartományban meghatározható a mintában elhelyezett markerek pozícióváltozásának vizsgálatával. Munkám során célom volt a módszer nanoskálára való kiterjeszthetőségét vizsgálni, különös tekintettel arra az esetre, ha a vakanciaforrások és -nyelők nem elég aktívak ahhoz, hogy fenntartsák az egyensúlyi vakanciakoncentrációt a folyamat során. A saját fejlesztésű programkódokkal elvégzett számítógépes kontinuummodell-számolásokkal elért eredményeimet a 3. tézispontban foglaltam össze.

A korábban publikált, háromdimenziós kinetikus átlagtér (KMF) modell nem volt alkalmas olyan folyamatok vizsgálatára, ami a rendszer valamilyen potenciálgáton való átjutását igényli (pl. fázisszeparáció nukleáció és növekedés útján). Ahhoz, hogy erre képessé váljon a módszer, célunk volt, hogy valamilyen módon sztochasztikussá tegyük a modellt. Az eljárás validálásához egy másik sztochasztikus módszerrel, kinetikus Monte Carlo szimulációval kapott eredményekkel vetettük össze az új eljárás által kapott adatokat. A modell fejlesztése nemzetközi kollaborációban, heteken keresztül, rendkívül intenzív, hatfős, személyes konzultációk során történt, úgyhogy a végeredményben nehezen elkülöníthető az egyes személyek hozzájárulása, de meghatározó módon részt vettem a modell kifejlesztésében, tökéletesítésében, tesztelésében és publikálásában. A munkatársakkal közösen elért eredményeimet a 4. tézispontban foglaltam össze.


My colleagues at the Department of Solid State Physics of University of Debrecen investigated the early stages of formation and growth of silicide layers in trilayered Si/Co/Si and Si/Ni/Si systems using various experimental techniques. The experiments showed that during sample preparation by magnetron sputtering in case of the a-Si/Ni/a-Si system an amorphous or disordered mixture forms at the interfaces with Ni2Si composition. This mixture phase is thicker when Ni is sputtered onto Si than vice versa. This can be explained by the phenomenon of dynamic segregation. Surprisingly, though, the phase being thicker at the beginning grew with a higher rate than its thinner pair. The earlier results on Co-Si system showed similar tendency. The goal of my work was to develop a continuum model and a computer software to investigate why during this very early stage of phase growth the experienced phenomena differ so much from the steady-state growth. My results are summarised in the 1st group of thesis statements.

It is a well-known phenomenon that during the early stages of some solid-state reactions the product phases grow linearly with the duration of heat-treatment and only later change to the typical steady-state growth that is proportional to the square-root of time (often called as parabolic regime). The goal of my work was to develop a model and a computer software to simulate the linear-parabolic transition of phase-growth. A new, transparent, kinetic theory to model solid-state reactions was published earlier. This new model did not require pre-defined interfaces to describe multi-phase structures. The formation of equilibrium phases is governed by the composition-dependent thermodynamic factor. I developed this method further to model the linear-parabolic growth transition. I developed software codes to find the common-tangents of the free-energy curves and to list the chemical potentials as well as the codes for running the kinetic simulations and processing the results. My results are summarised in the 2nd group of thesis statements.

One can investigate the Kirkendall phenomenon using the multi-foil method that gives information about the diffusion coefficient throughout the whole composition region via tracking the positions of inert markers in the sample. The goal of my work was to investigate the applicability of this technique on the nanoscale with special attention to the case when the vacancy sinks and sources are not active enough in the sample to maintain the equilibrium vacancy concentration. The results listed in the 3rd group of thesis statements are achieved by computer simulations using the model and computer code I developed.

The 3D kinetic mean-field (KMF) model published earlier was not capable of simulating processes that require the system to pass through a potential barrier (e.g. phase-separation via nucleation and growth). To make the method capable of simulating such processes we planned to introduce stochasticity in the model. To validate the developed method we compared its results to data from another stochastic technique, kinetic Monte Carlo. The model was developed in an international collaboration. The work was done through several weeks, during personal meeting with six participants. In the end result it is practically impossible to separate the individual contributions, but I was a core member of the team and participated in the development, testing and publishing of the model. The results achieved with the colleagues are described the 4th group of thesis statements.

Leírás
Kulcsszavak
diffúzió, szimuláció, szilicid, szilárdtest-reakció, nanoskála, Kirkendall-effektus, diffusion, simulation, silicide, solid-state reaction, nanoscale, Kirkendall effect
Forrás