РАЗДЕЛ 2
Размерные эффекты при смачивании
в островковых пленках
Начиная с 60-х годов прошлого века, наблюдается непрерывно возрастающий интерес
исследователей и технологов к свойствам высокодисперсных материалов:
нанокристаллов, малых частиц, тонких пленок, нитей и пористых сред. Это было
обусловлено тем, что их механические, структурные и физико-химические
характеристики по многим параметрам оказываются существенно отличными от
аналогичных свойств компактных материалов, а во многих случаях и уникальными.
Целенаправленное развитие исследований характеристик высокодисперсных
материалов привело в настоящее время к созданию нового самостоятельного
научного направления – нанофизики и практически новой отрасли материаловедения:
физико–химии высокодисперсных систем. Анализ результатов указанных исследований
по состоянию на начало 80-х годов показывал, что совершенно недостаточно
изучены в частности капиллярные свойства высокодисперсных материалов, в том
числе и процессы, связанные со смачиванием.
Важнейшим параметром, определяющим капиллярные характеристики (свойства и
процессы) дисперсных систем, является величина поверхностной энергии
(собственно поверхностная энергия объекта либо межфазная энергия контактирующих
фаз). Для высокодисперсных материалов существенным и определяющим оказывается
то обстоятельство, что величины поверхностных и соответствующих межфазных
энергий при определенной степени дисперсности становятся зависимыми от размера
фаз.
Кроме развития общих вопросов экспериментальных и теоретических исследований
поверхностных явлений в высокодисперсных системах вызывает интерес анализ их
влияния на реальные физико–химические процессы, например, при фазовых переходах
первого рода типа жидкость ««кристалл. Поверхностные явления играют
существенную роль при зарождении и росте кристаллов из расплава, при плавлении
кристаллов малого размера, а также связаны с образованием и ростом межфазных
границ в гетерофазных системах и поэтому часто могут быть определяющими.
Среди перечисленных типов высокодисперсных материалов несомненный интерес
представляют конденсированные в вакууме островковые и сплошные пленки чистых
материалов (в частности, металлов и сплавов на их основе), а также различных
соединений. Следует выделить несколько основных аспектов при постановке задачи
изучения различных проявлений поверхностных явлений, в частности, смачивания
для таких систем.
Такие исследования должны иметь несомненный самостоятельный интерес для
понимания собственно процессов смачивания и взаимодействия твердой и жидкой фаз
в микросистемах. Представляется, что исследования смачивания в высокодисперсных
системах позволят получить дополнительные сведения о поверхностной энергии
микрообъектов и ее зависимости от размера фаз. Необходимо также установить
взаимосвязь между характером смачивания и кинетикой кристаллизации
высокодисперсных расплавов на различных твердых поверхностях (катализ
кристаллизации переохлажденных расплавов и пр.). Степень смачивания существенно
влияет на процессы зарождения и роста тонких пленок на различных подложках.
Исследования взаимодействия твердой и жидкой фаз представляют также огромный
практический интерес, поскольку явления на границе их контакта являются
определяющими в технологических процессах, например, таких как металлургия,
соединение разнородных материалов, нанесение покрытий, пропитка, создание самых
разнообразных композиционных систем и новых материалов на их основе и т.д.
Для массивных объектов в этом направлении ведутся интенсивные исследования и на
основании накопленных знаний делаются обобщения, позволяющие априори
предсказать направленность капиллярных процессов для конкретных контактных пар
[98, 117–119]. Изучению смачивания в дисперсных средах и тонких пленках
посвящено весьма ограниченное количество работ, например, [120–123], а для
высокодисперсных материалов они практически отсутствуют. Но это направление
исследований представляется очень перспективным и важным, поскольку в случаях,
когда одна из фаз является дисперсной, характер контактного взаимодействия
может существенно изменяться и усложняться вследствие проявления размерных
факторов.
Сформулированным выше образом эта задача для островковых пленок впервые
поставлена в настоящей работе. Учитывая, что смачивание является сложным
физико–химическим процессом, необходимо было в процессе исследований установить
влияние различных факторов физического (например, температура, взаимодействие и
растворимость компонентов) и технологического (например, состав и давление
остаточной атмосферы) характера на процессы смачивания. В этом плане важной
является задача разделения указанных факторов от размерных. Для решения
поставленных задач необходимо было разработать новые методики определения
параметров смачивания для микрочастиц и создать соответствующие установки для
препарирования пленок.
Полученные в этих исследованиях и излагаемые ниже результаты опубликованы в
работах [96, 101, 140–151, 259].
2.1. Методики проведения исследований
Для выполнения сформулированных задач необходимо было получать островковые и
сплошные пленки чистых металлов и их сплавов, а также наносить в вакууме тонкие
слои – подложки из различных материалов, в том числе углерода и тугоплавких
окислов. Особое внимание было уделено вопросам чистоты исходных материалов для
конденсации пленок и возможностям контролируемого напуска различных газовых
примесей.
С учетом этого были сконструированы и изготовлены вакуумные установки с
безмасляной системой откачки, позволяющие получать разрежения в диапазоне
(10-6–10-8) Па.
- Київ+380960830922