Модели и структуры в электрофизике высокоэнтропийных сплавов с лазерно-индуцированными фрактальными поверхностными объектами

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Рассмотрена возможность управляемого синтеза нанодендритной структуры высокоэнтропийных сплавов (ВЭС). Обсуждаются фундаментальные результаты по электропроводимости в зависимости от топологической структуры для железосодержащих сплавов и соединений в дендритных ВЭС. Акцент сделан на теоретических и экспериментальных исследованиях структурных особенностей на поверхности ВЭС с объектами фрактальной размерности. Определено влияние локализованных кластерных неоднородностей на твердой поверхности на электрофизические параметры образцов с учетом энтропии смешения в поверхностных топологических структурах дендритного типа. Фрактальные структуры дендритов проанализированы как прототипы наноантенн. Показано, что главным принципом формирования функциональных характеристик подобных структур является концепция фазового перехода с параметрами возникающих топологических фрактальных структур (дендритов), которые могут выполнять роль стандартных термодинамических параметров, таких как температура и давление. Они и будут определять фазовые состояния среды, включая возможные тенденции и тренды к сверхпроводимости. При этом технология получения таких поверхностных наноразмерных топологических объектов, основанная на лазерной абляции, является достаточно простой и универсальной с управляемыми характеристиками параметров получаемых (возникающих) структур разной конфигурации.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

М. П. Алёшин

Владимирский государственный университет им. А.Г. и Н.Г. Столетовых

Автор, ответственный за переписку.
Email: arak@vlsu.ru
Россия, Владимир, 600026

Д. Д. Тумаркина

Владимирский государственный университет им. А.Г. и Н.Г. Столетовых

Email: arak@vlsu.ru
Россия, Владимир, 600026

Е. С. Опарин

Владимирский государственный университет им. А.Г. и Н.Г. Столетовых

Email: arak@vlsu.ru
Россия, Владимир, 600026

Д. Н. Бухаров

Владимирский государственный университет им. А.Г. и Н.Г. Столетовых

Email: arak@vlsu.ru
Россия, Владимир, 600026

О. Я. Бутковский

Владимирский государственный университет им. А.Г. и Н.Г. Столетовых

Email: arak@vlsu.ru
Россия, Владимир, 600026

С. М. Аракелян

Владимирский государственный университет им. А.Г. и Н.Г. Столетовых

Email: arak@vlsu.ru
Россия, Владимир, 600026

Список литературы

  1. Батаева З.Б., Руктуев А.А., Иванов И.В., Юргин А.Б., Батаев И.А. Обзор исследований сплавов, разработанных на основе энтропийного подхода // Обработка металлов: технология, оборудование, инструменты. 2021. Т. 23. № 2. С. 116–146.
  2. Slobodyan M., Pesterev E., Markov A. Recent advances and outstanding challenges for implementation of high entropy alloys as structural materials // Mater. Today Commun. 2023. V. 36. P. 106422.
  3. Громов В.Е., Шлярова Ю.А., Коновалов С.В., Воробьев С.В., Перегудов О.А. Применение высокоэнтропийных сплавов. Известия высших учебных заведений // Черная Металлургия. 2021. Т. 64(10). С. 747–754. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2021-10-747-754
  4. Коуров Н.И., Пушин В.Г., Королёв А.В., Князев Ю.В., Куранова Н.Н., Ивченко М.В., Устюгов Ю.М., Wanderka N. Структура и физические свойства быстрозакаленного из расплава высокоэнтропийного сплава AlCrFeCoNiCu // ФТТ. 2015. Т. 57. Вып. 8. С. 1579–1589.
  5. Mizuguchi Y., Kasem Md.R., Matsuda T.D. Superconductivity in CuAl2-type Co0.2Ni0.1Cu0.1Rh0.3Ir0.3Zr2 with a high-entropy-alloy transition metal site // Mater. Research Letters. 2021. V. 9(3). P. 141–147.
  6. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика. Статистическая физика. Часть I. М.: Физматлит, 2013. 620 с.
  7. Alexandrov D.V., Galenko P.K. Dendrite growth under forced convection: analysis methods and experimental tests // Phys. Usp. 2014. V. 57. P. 771–786. https://doi.org/10.3367/UFNe.0184.201408b.0833
  8. Камбаров Е.Е., Уазырханова Г.К., Рутковска-Горчица М., Кусайнов А.Е. Обзор концепции высокоэнтропийных сплавов // Вестник НЯЦ РК. 2023. № 1. С. 25–39.
  9. Аракелян С.М., Кучерик А.О., Прокошев В.Г., Рау В.Г., Сергеев А.Г. Введение в фемтонанофотонику, Фундаментальные основы и лазерные методы. Учебное пособие. М.: Логос, 2015. 744 с.
  10. Pilot R., Signorini R., Durante C., Orian L., Bhamidipati M. and Fabris L. A Review on Surface Enhanced Raman Scattering // Biosensors (Basel). 2019 Jun. V. 9. Number 2. P. 57.
  11. Julien-Rabant C., Débarre A., Métivier R. and Laurent G. Single particle SERS signal on gold nanorods: comparative study of diarylethene photochromic isomers // J. Optics. 2015. V. 17. N. 11. Р. 114018. https://doi.org/10.1088/2040-8978/17/11/114018
  12. Almehmadi L.M., Curley S.M., Tokranova N.A., Tenenbaum S.A. and Lednev I.K. Surface Enhanced Raman Spectroscopy for Single Molecule Protein Detection // Sci. Reports. 2019. V. 9. Article number: 12356.
  13. Tanujjal Bora. Recent Developments on Metal Nanoparticles for SERS Applications // Noble and Precious Metals: Properties, Nanoscale Effects and Applications. 2018. Chapter 6. P. 117–133. https://doi.org/10.5772/intechopen.71573
  14. Bich Ha Nguyen, Van Hieu Nguyen and Hong Nhung Tran Rich. Variety of substrates for surface enhanced Raman spectroscopy // Advances in Natural Sciences: Nanoscience and Nanotechnology. 2016. V. 7. N. 3. P. 033001.
  15. Магомедов М.Н. О барической фрагментации железа и природе геотермального тепла // Альтернативная энергетика и экология. 2010. No. 6. С. 82–87.
  16. Самсонов В.М., Хашин В.А., Дронников В.В. Молекулярно-динамическое исследование структурных и термодинамических характеристик нанокапель простого флюида // Коллоидный журнал. 2008. Т. 70. № 6. С. 816–823.
  17. Ивченко М.В., Пушин В.Г., Wanderka N. Высокоэнтропийные эквиатомные сплавы AlCrFeCoNiCu: гипотезы и экспериментальные факты // ЖТФ. 2014. № 2. C. 57.
  18. Иванов Ю.Ф., Громов В.Е., Коновалов С.В., Шлярова Ю.А. Эволюция структуры AlCoCrFeNi высокоэнтропийного сплава при облучении импульсным электронным пучком // ЖТФ. 2021. Т. 91. № 12. С. 1971–1974.
  19. Khorkov K., Kochuev D., Chkalov R., Prokoshev V., and Arakelian S. Nonlinear Dynamic Processes in Laser-Induced Transitions to Low-Dimensional Carbon Nanostructures in Bulk Graphite Unit // Proceedings of the First International Nonlinear Dynamics Conference (NODYCON2019), Springer Nature Switzerland. 2020. V. 3. P. 131–140.
  20. Багаев С.Н., Аракелян С.М., Кучерик А.О., Бухаров Д.Н., Бутковский О.Я. Нанооптика тонкопленочных лазерно-индуцированных топологических структур на поверхности твердого тела: фундаментальные явления и их приложения // Изв. РАН. Сер. физическая. 2020. T. 84. № 12. C. 1682–1695.
  21. Liu D., Zhou W., Song X., Qiu Z. Fractal Simulation of Flocculation Processes Using a Diffusion-Limited Aggregation Model // Fractal and Fractional. 2017. V. 1(1). P. 12.
  22. Shabashov V.A., Kozlov K.A., Sagaradze V.V., Nikolaev A.L., Semyonkin V.A., Voronin V.I. Short-range order clustering in BCC Fe–Mn alloys induced by severe plastic deformation // Philos. Mag. 2018. V. 98. P. 560–576.
  23. Shabashov V., Kozlov K., Ustyugov Y., Zamatovskii A., Tolmachev T., Novikov E. Mössbauer analysis of deformation–induced acceleration of short-range concentration separation in Fe-Cr alloys – effect of the substitution impurity: Sb and Au // Metals. 2020. V. 10. art. 725.
  24. Shabashov V., Sagaradze V., Kozlov K., Ustyugov Y. Atomic order and submicrostructure in iron alloys at megaplastic deformation // Metals. 2018. V. 8. art. 995.
  25. Шабашов В.А., Ляшков К.А., Катаева Н.В., Коршунов Л.Г., Сагарадзе В.В., Заматовский А.Е. Инверсия перераспределения азота в аустенитной стали при сверхвысокой пластической деформации // ФММ. 2021. Т. 122. С. 705–712.
  26. Lyashkov K., Shabashov V., Zamatovskii A., Kozlov K., Kataeva N., Novikov E., Ustyugov Y. Structure-phase transformations in the course of solid-state mechanical alloying of high-nitrogen chromium-manganese steels // Metals. 2021. V. 11. art. 301.
  27. Ed. by Guowei Yang. Laser ablation in liquids. New York: Pan Stanford Publ., 2012. 1192 p.
  28. Sukbae Lee, Ji-Hoon Kim, Young-Wan Kwon. The First Room-Temperature Ambient-Pressure Superconductor // arXiv:2307.12008, 2023.
  29. Садаков А.В., Соболевский О.А., Пудалов В.М. “Что привело к изъятию статьи о комнатно-температурной сверхпроводимости из журнала “Nature”: череда оплошностей или фальсификация?” // УФН. 2022. T. 192. N 12. C. 1409–1412.
  30. Абрикосов А.А. Основы теории металлов. М.: Наука, 1987. 520 с. (In Russ.)
  31. Батаева З.Б., Руктуев А.А., Иванов И.В., Юргин А.Б., Батаев И.А. Обзор исследований сплавов, разработанных на основе энтропийного подхода // Обр. металлов (технология, оборудование, инструменты). 2021. Т. 23. № 2. С. 116–146.
  32. Громов В.Е., Шлярова Ю.А., Коновалов С.В., Воробьев С.В., Перегудов О.А. Применение высокоэнтропийных сплавов // Изв. вузов. Черная Металлургия. 2021. V. 64(10). P. 747–754.
  33. Ивченко М.В., Пушин В.Г., Уксусников А.Н., Wanderka N., Коуров Н.И. Особенности микроструктуры литых высокоэнтропийных сплавов AlCrFeCoNiCu, полученных сверхбыстрой закалкой из расплава // ФММ. 2013. Т. 114. № 6. С. 549–560.
  34. Ампилова Н.Б. Алгоритмы фрактального анализа изображений / Компьютерные инструменты в образовании [Текст]/ Н. Б. Ампилова. 2012. № 2. С. 19–24.
  35. Kucherik A., Samyshkin V., Prusov E., Osipov A., Panfilov A., Buharov D., Arakelian S., Skrybin L., Kavokin A.V., Kutrovskaya S. Formation of Fractal Dendrites by Laser induced melting of Aluminum Alloys // Nanomaterials. 2021. 11. 1043.
  36. Mroczka J., Woźniak M., Onofri F.R.A. Algorithms and methods for analysis of the optical structure factor of fractal aggregates // Metrol. Meas. Syst. 2012. V. XIX. No 3. P. 459–470.
  37. Zaitsev D.A. A generalized neighborhood for cellular automata // Theoret. Comp. Sci. 2017. V. 666. P. 21–35.
  38. Гантмахер В.Ф. Электроны в неупорядоченных средах. 3-е изд. М.: Физматлит, 2013. 288 с. (In Russ.)
  39. Bel'skii M.D., Bocharov G.S., Eletskii A.V., Sommerer T.J. Electric field enhancement in field-emission cathodes based on carbon nanotubes // Technical Physics. 2010. 55(2). P. 289–295. https://doi.org/10.1134/S1063784210020210
  40. Arakelian S., Emel’yanov V., Kutrovskaya S., Kucherik A., Zimin S. Laser-induced semiconductor nanocluster structures on the solid surface: new physical principles to construct the hybrid elements for photonics // Optical and Quantum Electronics. 2016. 48(6). P. 342. https://doi.org/10.1007/s11082-016-0608-9
  41. Venermo J., Sihvola A. Dielectric polarizability of circular cylinder // J. Electrostatics. 2005. V. 63(2). P. 101–107. https://doi.org/10.1016/ j.elstat.2004.09.001
  42. Hartke T., Oreg B., Turnbaugh C., Jia N., Zwirlein M. Direct observation of nonlocal fermion pairing in an attractive Fermi-Hubbard gas // Science. 2023. V. 381. P. 82–86. https://doi.org/10.1126/ science.ade4245
  43. Босак Н.А., Чумаков А.Н., Шевченок А.А., Баран Л.В., Кароза А.Г., Малютина-Бронская В.В., Иванов А.А. Оптические и электрофизические свойства тонких пленок оксида цинка, легированных оксидом марганца и полученных методом лазерного осаждения // Журнал прикладной спектроскопии. 2021. T. 88(2). C. 221–226.
  44. Кожина Е.П., Андреев С.Н., Тараканов В.П., Бедин С.А., Долуденко И.М., Наумов А.В. Исследование локальных полей дендритных наноструктур в горячих точках на подложках для гигантского комбинационного рассеяния, изготовленных методом шаблонного синтеза // Изв. РАН. Сер. физическая. 2020. T. 84. № 12. C. 1725–1728.
  45. Almehmadi L.M., Curley S.M., Tokranova N.A., Tenenbaum S.A. and Lednev I.K. Surface Enhanced Raman Spectroscopy for Single Molecule Protein Detection // Sci. Reports. 2019. V. 9. Article number: 12356.
  46. Носков М.Д., Малиновский А.С., Закк М., Шваб А.Й. Моделирование роста дендритов и частичных разрядов в эпоксидной смоле // ЖТФ. 2002. Т. 72. N 2. С. 128.
  47. Kavokin A., Kutrovskaya S., Kucherik A., Osipov A., Vartanyan T., Arakelian S. The crossover between tunnel and hopping conductivity in granulated films of noble metals // Superlattices and Microstructures. 2017. V. 111. P. 335–339. https://doi.org/10.1016/j.spmi.2017.06.050
  48. Кутровская С.В., Антипов А.А., Аракелян С.М., Кучерик А.О., Осипов А.В. Измерение электрофизических свойств металлических микроконтактов с применением методов фрактальной геометрии для анализа данных атомно-силовой микроскопии // Poverkhnost′. Rentgenovskiye, sinkhrotronnyye i neytronnyye issledovaniya, Journal of Surface Investigation: X-Ray, Synchrotron and Neutron Techniques. 2017. V. 3(1). P. 59–65. (In Russ.)
  49. Antipov A.A., Arakelian S.M., Kutrovskaya S.V., Kucherik A.O., Nogtev D., Osipov A., Emelyanov V., Zimin S. Electrical conductivity of PbTe nanocluster structures with controlled topology: manifestation of macroscopic quantum effects // Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics. 2016. V. 80(7). P. 896–906. https://doi.org/10.3103/S1062873816070042
  50. Bukharov D.N., Kucherik A.O., Arakelian S.M. Modeling of electrical conductivity of labyrinth bimetallic nanofilms // J. Phys.: Conference Series. 2019. V. 1331(1). P. 012017(1–7). https://doi.org/10.1088/1742-6596/1331/1/012017
  51. Chen W., Roelli P., Ahmed A., Verlekar S., Hu H., Banjac K., Lingenfelder M., Kippenberg T.J., Tagliabue G., Galland C. Intrinsic luminescence blinking from plasmonic nanojunctions // Nature Commun. 2021. V. 12. P. 2731. https://doi.org/10.1038/s41467-021-22679-y
  52. Kobayashi R. Modeling and numerical simulations of dendritic crystal growth // Physica North-Holland. 1993. V. 63(3–4). P. 412.
  53. Keppens R., Toth G., Botchev M.A., Van der Ploeg A. Implicit and semi-implicit schemes: algorithms. International // J. Numerical Methods in Fluids. 1999. № 30 (3). P. 335–352
  54. Антонов Д.Н., Бурцев А.А., Бутковский О.Я. Распределение дендритов, получаемых на поверхности стали в результате воздействия лазерного излучения // ЖТФ. 2016. T. 86. Bып. 1. C. 110–115.
  55. Бурцев А.А., Притоцкий Е.М., Притоцкая А.П., Аганин Н.А., Шахов М.А., Бутковский О.Я. Экспериментальные исследования условий формирования дендритных кристаллов на поверхности металлов лазерным излучением // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2019. Т. 19. № 1. С. 33–38. https://doi.org/10.17586/2226-1494-2019-19-1-33-38
  56. Николис Г., Пригожин И. Познание сложного: Введение. Изд-во 4-е. М.: УРСС: ЛЕНАНД, 2014. 355 с.
  57. Мартюшев Л.М., Селезнёв В.Д. Принцип максимальности производства энтропии в физике и смежных областях. Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2006. 83 с.
  58. Verlinde E. On the Origin of Gravity and the Laws of Newton // Journal of High Energy Physics. 2011. V. 4. P. 29.
  59. Shaoqing Wang. Atomic Structure Modeling of Multi-Principal-Element Alloys by the Principle of Maximum Entropy // Entropy. 2013. V. 15. Р. 5536–5548. https://doi.org/10.3390/ e15125536
  60. Халенов О.С. Термодинамические аспекты электрической проводимости кристаллов и твёрдых растворов // Phys. Mathem. Sci. 2014. № 6. Р. 1384–1388.
  61. Мешков Е.А., Новосёлов И.И., Янилкин А.В., Рогожкин С.В., Никитин А.А., Хомич А.А., Шутов А.С., Тарасов Б.А., Данилов С.E., Арбузов В.Л. Экспериментально-теоретическое исследование эволюции атомной структуры высокоэнтропийных сплавов на основе Fe, Cr, Ni, Mn и Co при термическом и радиационном старении // ФТТ. 2020. Т. 62. Вып. 3. С. 339–350.
  62. Климов В.В. Наноплазмоника. М.: Физматлит, 2010. 480 с.
  63. Краснок А.Е., Максимов И.С. Оптические наноантенны // УФН. 2013. № 6. С. 561–589.
  64. Аль-Заби Ахмед Азиз Худхайр. Проектирование антенн на основе геометрии фракталов // International Journal of Computers&Technology. 2016. V. 15. № 13. Р. 33–39.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Изображение структуры высокоэнтропийного сплава AlCrFeCoNiCu: а – до обработки (светлые частицы – Al, темные – Cu); б – после отжига 200°С; в – после отжига 400°С. Структура, полученная методом спиннинга, показана на фрагменте (г).

Скачать (194KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Схема модели: а – формирование агрегата; б – окрестность Неймана; в – окрестность Мура.

Скачать (106KB)
Метаданные
4. Рис. 3. DLA-модель дендритных структур: начальное распределение из 17 затравочных частиц (а), островковая структура при s=0.9 (б); лабиринтная структура при s=0.5 (в).

Скачать (233KB)
Метаданные
5. Рис. 4. DLA-модель: цветом выделены разные частицы компонент сплава (цвет определяет состав – см. рис. 5).

Скачать (62KB)
Метаданные
6. Рис. 5. DLA-модель дендритных структур c учетом состава образующих их элементов (показаны справа столбиком).

Скачать (226KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Расчетное значение коэффициента усиления локальной напряженности поля по модели системы цилиндрических нановыступов для различных экспериментальных образцов (пронумерованы 2–5) с разной поверхностной топологией (показано справа): (а) продольное направление вдоль поверхности образца; (б) поперечное направление.

Скачать (143KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Дендритный профиль после 1000 (а) и 2000 (б) временных шагов.

Скачать (148KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Рост дендритного профиля при К = 0.9 (а) и К = 1.5 (б).

Скачать (95KB)
Метаданные
10. Рис. 9. Характерные результаты фазового анализа, полученные на основе данных, привлеченных с помощью растровой электронной микроскопии. Слева – рентгеновский снимок ансамбля дендритов, справа – характерные спектры: вверху – спектр области вне дендритов (похожий спектр и от необлученной поверхности) нержавеющей стали; внизу – спектр в области одиночных дендритов и их скоплений.

Скачать (252KB)
Метаданные
11. Рис. 10. Дендриты на поверхности образцов стали – показан один из снимков РЭМ: слева – одиночный дендрит, справа – ансамбль дендритов.

Скачать (95KB)
Метаданные
12. Рис. 11. Энтропия смешения Sсм в зависимости от координат точек на поверхности образца.

Скачать (217KB)
Метаданные
13. Рис. 12. Зависимость энтропии Sсм смешения от плотности лазерной энергии W, где круги обозначают отсутствие дендритов на поверхности образца, а звездочки – их наличие.

Скачать (68KB)
Метаданные
14. Рис. 13. Зависимость электропроводимости от концентрации носителей заряда.

Скачать (79KB)
Метаданные
15. Рис. 14. Зависимость поверхностной энтропии от температуры.

Скачать (63KB)
Метаданные
16. Рис. 15. Зависимость поверхностной электропроводимости от величины энтропии.

Скачать (75KB)
Метаданные
17. Рис. 16. Полученные диаграммы направленности дендритных кристаллов для различных частот: 100 Гц (а), 150 Гц (б), 200 Гц (в).

Скачать (139KB)
Метаданные