Изучены процессы наноструктурирования поверхности карбида титана под воздействием излучения Nd:YAG-лазера с длиной волны 1,06 мкм. Длительность лазерных импульсов — 40 нс, скорость перемещения луча — 10 мм/с. Плотность энергии излучения на поверхности карбида титана при частоте генерации 2000 Гц — 2,06÷6,36 Дж/см2. Представлены результаты ab initio изучения атомной, электронной структуры и упругих характеристик карбида титана TiC и TiC1-хOх (x = 0,25; 0,5; 0,75). Зонная структура TiC, рассчитанная с ис-пользованием теории функционала плотности, соответствует металлическому типу. Показано, что рассчи-танные упругие характеристики карбида титана хорошо согласуются с известными теоретическими и экспе-риментальными оценками. Изучение топографии микроструктур на поверхности карбида титана с использо-ванием метода атомной силовой микроскопии показало, что в зоне прямого лазерного воздействия шерохо-ватость составила 0,254 мкм. Механические характеристики в зонах прямого воздействия лазерного луча и областей температурного влияния исследовались методом наноиндентирования. Установлен эффект нано-структурирования: после лазерного воздействия твердость поверхности карбида титана возрастает до 47,2 ГПа.
карбид титана, моделирование структуры, атомная структура, электронная структура, лазерное воздействие, эффект наноструктурирования, твердость, упругие характеристики.
Введение. Улучшение свойств материалов — одна из важнейших научных задач. Новый эффективный метод, позволяющий добиться этой цели, — наноструктурирование поверхности материалов лазерным излучением. В работах О. Н. Крохина и Ю. В. Афанасьева [1, 2] заложены основы наноструктурирования поверхности твердых тел наносекундными лазерными импульсами. Технологии лазерного нано/микроструктурирования поверхности материалов базируются на физических процессах образования структурных объектов микро- и нанометровых размеров при воздействии лазерных импульсов различной интенсивности и длительности [3]. Нано/микроструктуры на поверхности материалов образуются в процессе прямого поверхностного наноструктурирования на основе наносекундных лазеров [4–6]. Другой способ — осаждение продуктов абляции на поверхности подложки, удаленной от мишени [3, 5].
1. Afanas’ev, Yu. V. Vaporization of Matter Exposed to Laser Emission / Yu. V. Afanas’ev, О. N. Krokchin // Journal of Experimental and Theoretical Physics. - 1967. - Vol. 25, № 4. - P. 639-645.
2. Афанасьев, Ю. В. Газодинамическая теория воздействия лазера на конденсированные веще-ства / Ю. В. Афанасьев, О. Н. Крохин // Труды ФИАН. - 1970. - T. 53. - С. 118.
3. Завестовская, И. Н. Лазерное наноструктурирование поверхности материалов / И. Н. Завестовская // Квантовая электроника. - 2010. - Т. 40, № 11. - С. 942-954.
4. Токарев, В. Н. Формирование наноструктур при лазерном плавлении поверхности твердых тел / В. Н. Токарев, В. Ю. Хомич, В. А. Шмаков // Доклады Академии наук. - 2008. - Т. 419, № 6. - С. 754-758.
5. Зарождение и рост наноструктур на поверхности твердого тела, оплавленного лазерным им-пульсом / С. И. Миколуцкий [и др.] // Российские нанотехнологии. - 2011. - Т. 6, № 11-12. - С. 65-69.
6. Формирование наноструктур на поверхности нитрида кремния под воздействием излучения F2-лазера / К. Э. Лапшин [и др.] // Физика и химия обработки материалов. - 2008, № 1. - С. 43-49.
7. Agya, A. Structure, bonding, and adhesion at the TiC(100)/Fe(110) interface from first principles / A. Agya, E.-A. Carter // Journal of Chemical Physics. - Vol. 118, № 19. - P. 8982-8996.
8. Ультратонкие углеродные пленки на сапфире, выращенные методом лазерной абляции: синтез и АСМ-исследование / В. В. Илясов [и др.] // Вестник Дон. гос. техн. ун-та. - 2012. - T. 12, №1 (62) вып. 1. - С. 31-35.
9. Беликов, А. В. Графитовые наноструктуры, формируемые в поле излучения glass: Yb-, Er-лазера на поверхности разных подложек / А. В. Беликов, А. В. Скрипник, Н. А. Зулина // Известия вузов. Физика. - 2012. - № 1. - С. 1-2.
10. Surface reconstruction of TiC (001) and its chemical activity for oxygen / H. Kuramochi [et al.] // Applied Physics Letters. - 1999. - Vol. 75, № 24. - P. 3784-3786.
11. Quantum espresso: a modular and open-source software project for quantum simulations of mate-rials / P. Giannozzi [et al.] // Journal of Physics : Condensed Matter. -2009. - Vol. 21, № 39. - P. 395502.
12. ElaStic: A tool for calculating second-order elastic constants from first principles / R. Golesorkhtabar [et al.] // Computer Physics Communications. - 2013. - Vol. 184, № 8. - P. 1861-1873.
13. Hill, R. The Elastic Behavior of a Crystalline Aggregate / R. Hill // Proceedings of the Physical Socie-ty. Section A. - 1952. - Vol. 65. - P. 349.
14. Hill, R. Elastic properties of reinforced solids: Some theoretical principles / R. Hill // Journal of the Mechanics and Physics of Solids. - 1963. - Vol. 11, № 5. - P. 357-372.
15. Influence of oxygen addition on the structural and elastic properties of TiC thin films / L.-S. Marques [et al.] // Plasma Processes and Polymers. - 2007. - Vol. 4. - P. 195-199.
16. First-principles calculations of vacancy effects on structural and electronic properties of TiCx and TiNx / Z. Dridi [et al.] // Journal of Physics: Condensed Matter. - 2002. - Vol. 14, № 43. - P. 10237.
17. Holliday, J. E. Soft-X-ray valance state effects in conductors / J.-E. Holliday // Advance in X-ray Analysis. - 1970. - Vol. 13. - P. 136.
18. Structural studies of TiC1−xOx solid solution by Rietveld refinement and first-principles calcula-tions / B. Jiang [et al.] // Journal of Solid State Chemistry. - 2013. - Vol. 204. - P. 1-8.
19. Илясов В. В. Изучение атомной, электронной структуры и упругих характеристик карбида ти-тана из первых принципов / В. В. Илясов, Д. К. Фам, О. М. Холодова // Упорядочение в минералах и спла-вах (OMA-17) : сб. трудов 17-го междунар. симп. - Ростов-на-Дону ; пос. Южный, 2014. - Вып. 17, т. 1. - С. 131-134.
20. Elastic and thermodynamic properties of TiC from first-principles calculations / Y. Li [et al.] // Sci-ence China Physics, Mechanics and Astronomy. - 2011. - Vol. 54, № 12. - P. 2196-2201.
21. First-principles calculations of mechanical properties of TiC and TiN / Y. Yang [et al.] // Journal of Alloys and Compounds. - 2009. - Vol. 485, № 1. - P. 542-547.
22. Francisco, E. Atomistic simulation of Sr F 2 polymorphs / E. Francisco, M. Blanco, G. Sanjurjo // Physical Review B. - 2001. - Vol. 63, № 9. - P. 094107.
23. Gilman, J. Elastic constants of TiC and TiB2 / J. Gilman, B. Roberts // Journal of Applied Physics. - 1961. - Vol. 32, № 7. - P. 1405-1405.
24. Pugh, S.-F. XCII. Relations between the elastic moduli and the plastic properties of polycrystalline pure metals / S.-F. Pugh // Philosophical Magazine. Series 7. - 1954. - Vol. 45. - P. 823-843.
