Краткий отчёт по Проекту РНФ № 14-19-01644 за 2016 г

"Фундаментальные свойства новых функциональных материалов на микро- и наномасштабе размеров"

Заключительный год проекта посвящен углубленному экспериментальному и теоретическому изучению проявлений ФП и функциональным свойствам материалов, которые отличаются рекордными деформациями при сравнительно небольших тепловых и электрических воздействиях – в слоистых композитах на основе сплавов с ЭПФ и вискеров (удлиненных монокристаллов)  - квазиодномерных проводников с волной зарядовой плотности (КОП с ВЗП).

В 2016 году достигнут ряд новых  методических результатов, получены и исследованы рекордно тонкие КОП с ВЗП и нанокомпозиты с ЭПФ с толщиной слоя до 20 нм. В частности, впервые удалось исследовать наноразмерные вискеры TaS3 в подвешенном состоянии. При этом вискеры были растянуты на величину до 2%. Трудность заключалась в том, что практически невозможно растянуть образцы длиной менее ~0.3 мм. Технологическое решение состояло в том, что на подвешенный длинный образец через маску напылялась золотая плёнка, так что свободным от неё оказывался лишь короткий сегмент длиной 10-20 мкм. В результате проводились исследования транспортных свойств именно этого сегмента.

In situ в ПЭМ изучено формирования фазового равновесия в клиновидных нанообразцах сплава Ti2NiCu. Показано, что в образцах с толщиной более 80-100 нм  термоупругий мартенситный переход происходит примерно при тех же значениях температуры, что и в объемном материале (48-56 С). Определены зависимости положения границы аустенит-мартенсит от толщины и температуры в области толщин 20 – 100 нм при изменении температуры от +25 до – 66 С. Проверено предположение о том, что температура мартенситного перехода снижается при уменьшении толщины сплава, а при некоторой критической толщине переход блокируется.

Созданы композитные наноактюаторы с ЭПФ с аморфным и кристаллическим слоями с толщиной в диапазоне 20-50 нм. Проверено в экспериментах в ПЭМ in situ предположение о том, что управляемые деформации композитов с ЭПФ возможны в аморфно-кристаллических композитах Ti2NiCu с толщиной активного слоя до 40 нм.

Предложена теоретическая модель, которая предполагает существенное отличие свойств поверхностного слоя материала. На основе разложения свободной энергии мартенситной и аустенитной фаз до членов второго порядка по температуре и давлению получена формула, которая качественно объясняет экспериментально наблюдаемое поведение: снижение температуры мартенситного перехода при понижении толщины и блокировку мартенситного перехода (появление критической точки перехода) при некоторой тощине пластины.

Экспериментальное исследование вискеров Q с ВЗП показало, что температура пайерлсовского перехода, TP, с ростом одноосного растяжения вначале падает, а затем начинает расти. При этом переход сужается. Такое поведение TP свидетельствует о возникновении особой, ультракогерентной (УК) ВЗП при достижении критического удлинения. Свойства УК ВЗП позволяют исследовать свойства общие для ВЗП вообще, которые, однако, на обычной ВЗП очень трудно исследовать. Так, исследована расходимость порогового поля Et(T) при  T TP. Для обычной ВЗП порог вблизи TP размывается, и его почти невозможно исследовать. А вот для УК ВЗП удалось наблюдать рост Et при  T TP. почти на порядок.

Предложено описание зависимости Et(T) вблизи TP. При этом предполагается, что вблизи TP в объёме ВЗП возникают области локального подавления пайерлсовского состояния, причём их концентрация, согласно модели проскальзывания фазы, растёт как exp(-W/T), где W=(6–10)103 К. Предположив, что эти области действуют как центры пиннинга ВЗП, участники смогли получить зависимость Et(T) в рамках модели слабого пиннинга.

Участники проекта решают задачу повышения частоты механических колебаний резонаторов на основе КОП с ВЗП. Для этого используется метод гетеродинирования, в котором для детектирования резонансов измеряется сигнал, генерируемый самим образцом. При этом зеркала, как это делалось ранее, на образец не наклеивались. Однако, при измерениях методом гетеродинирования, на сигнале обратной связи появлялся ряд пиков, некоторые из которых не имели механического происхождения, а связаны с резонансами в кабелях. Чтобы идентифицировать «механические» пики, предложено и реализовано два подхода. Один основан на механическом воздействии на образец. Изменение вида пика означало, что он связан с механическим резонансом. Другой подход основан на исследовании температурной зависимости частоты пика и сопоставлении её с известной зависимостью модуля сдвига (или модуля Юнга).

На завершающем этапе проекта усовершенствованная в его рамках технология наноманипулирования на основе композитных нанопинцетов с ЭПФ применена для манипулирования нановискеров КОП с ВЗП. Отличительной особенностью проекта было то, что параллельно с выполнением его исследовательской части, направленной изучение фундаментальных свойств функциональных материалов при приближении к рекордно малым размерам проводился 1-й этап ОКР по изготовлению опытной партии нанопинцетов с ЭПФ и систем управления. ОКР осуществлялся инновационным предприятием ООО «Наноактюатор», г. Саранск при финансировании Центром наноматериалов и нанотехнологии Республики Мордовия. Изготовленные  опытные образцы нанопинцетов  были успешно испытаны в ходе настоящего проекта.

По результатам проекта в 2016 году сделано 16 публикаций, включая 1 монографию, 9  печатных работ, прореферированных в международных базах данных WOS и Scopus, подана 1 заявка на патент РФ. Сделано 16 докладов на международных и Всероссийских конференциях и семинарах. Были прочитаны популярные лекции для широкого круга слушателей на тему проекта – «Новые твердотельные функциональные материалы». ( https://vk.com/album-121449537_238671227 )

Сделаны публикации в СМИ с изложением его результатов.

(см. интернет-издание "Наука и технологии России - STRF.RU"  http://www.strf.ru/material.aspx?CatalogId=222&d_no=125531#.WE_VkoD0Hbo )