1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Известия РАН. Механика твердого тела
  4. № 3, 2022

Известия РАН. Механика твердого тела, 2022, № 3, стр. 122-131

ВЛИЯНИЕ АДАТОМОВ НА ВАКАНСИОННЫЙ РОСТ ОГРАНЕННЫХ ПОР В КРИСТАЛЛЕ ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ МЕХАНИЧЕСКОЙ НАГРУЗКИ

А. В. Редьков a, *, С. А. Кукушкин a

a Институт проблем машиноведения РАН
Санкт-Петербург, Россия

* E-mail: avredkov@gmail.com

Поступила в редакцию 15.12.2021
После доработки 16.12.2021
Принята к публикации 17.12.2021

Аннотация

Рассмотрен процесс роста ограненных пор в кристалле под воздействием приложенной механической нагрузки в рамках классической модели Бартона–Кабреры–Франка с учетом наличия адатомов на поверхности граней поры. Рост вызван потоком избыточных вакансий из объема кристалла, возникающих вследствие растягивающих напряжений. Учтена рекомбинация адвакансий и адатомов на поверхности пор, и показано, в результате может возникнуть поток адатомов со ступеней и изломов на террасу. Этот дополнительный поток способствует росту пор под нагрузкой и, в определенных условиях, может быть преобладающим механизмом массопереноса, учет которого необходим для корректной оценки скорости роста и времени жизни кристалла под нагрузкой до разрушения. Получены выражения для зависимости скорости роста пор от приложенной механической нагрузки, коэффициентов диффузии вакансий и адатомов, а также скорости их рекомбинации.

Ключевые слова: поры, рост, кристалл, механическая нагрузка, разрушение, адатомы

Список литературы

  1. Chae H.K., Siberio-Perez D.Y., Kim J. et al. A route to high surface area, porosity and inclusion of large molecules in crystals // Nature. 2004. V. 427. P. 523–527. https://doi.org/10.1038/nature02311

  2. Landers J., Gor G.Y., Neimark A.V. Density functional theory methods for characterization of porous materials // Colloids Surf., A. 2019. V. 437. P. 3–32. https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2013.01.007

  3. Masoomi M.Y., Stylianou K.C., Morsali A. et al. Selective CO2 capture in metal–organic frameworks with azine-functionalized pores generated by mechanosynthesis // Cryst. Growth Des. 2014. V. 14. P. 2092–2096. https://doi.org/10.1021/cg500033b

  4. Xia C., Guo J., Lei Y. et al. Rechargeable aqueous zinc-ion battery based on porous framework zinc pyrovanadate intercalation cathode // Adv. Mater. 2018. V. 30. P. 1705580. https://doi.org/10.1002/adma.201705580

  5. Qian M., Bao X.Q., Wang L.W. et al. Structural tailoring of multilayer porous silicon for photonic crystal application // J. Cryst. Growth. 2006. V. 292. P. 347–350. https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2006.04.033

  6. Ahmed A.M., Mehaney A. Ultra-high sensitive 1D porous silicon photonic crystal sensor based on the coupling of Tamm/Fano resonances in the mid-infrared region // Sci. Rep. 2019. V. 9. P. 1–9. https://doi.org/10.1038/s41598-019-43440-y

  7. Kukushkin S.A., Sharofidinov S.S., Osipov A.V. et al. The mechanism of growth of GaN films by the HVPE method on SiC synthesized by the substitution of atoms on porous Si substrates // ECS J. Solid State Sci. Technol. 2018. V. 7. P. 480. https://doi.org/10.1149/2.0191809jss

  8. Bessolov V.N., Karpov D.V., Konenkova E.V. et al. Pendeo-epitaxy of stress-free AlN layer on a profiled SiC/Si substrate // Thin Solid Films. 2016. V. 606. P. 74–79. https://doi.org/10.1016/j.tsf.2016.03.034

  9. Sozzani P., Bracco S., Comotti A. et al. Methane and carbon dioxide storage in a porous van der Waals crystal // Angew. Chem. 2005. V. 117. P. 1850–1854. https://doi.org/10.1002/ange.200461704

  10. Heidari M., Khanlari G.R., Torabi-Kaveh M. et al. Effect of porosity on rock brittleness // Rock Mech. 2014. V. 47. P. 785–790. https://doi.org/10.1007/s00603-013-0400-0

  11. Redkov A.V., Kukushkin S.A., Osipov A.V. Growth of faceted pores in a multi-component crystal by applying mechanical stress // Cryst. Eng. Comm. 2020. V. 22. P. 5280–5288. https://doi.org/10.1039/D0CE00888E

  12. Redkov A.V., Kukushkin S.A., Osipov A.V. Vacancy growth of faceted pores in a crystal by Chernov mechanism // Mech. Solids. 2020. V. 55. № 1. P. 77–83. https://doi.org/10.3103/S0025654420010136

  13. Redkov A.V. Growth of a faceted pore in crystal via Burton–Cabrera–Frank mechanism // Phys. Solid State. 2019. V. 61. P. 2385–2389. https://doi.org/10.1134/S1063783419120448

  14. Kukushkin S.A. Nucleation of pores in brittle solids under load // J. Appl. Phys. 2005. V. 98. P. 033503. https://doi.org/10.1063/1.1957131

  15. Abyzov A.S., Schmelzer J.W., Fokin V.M. Theory of pore formation in glass under tensile stress: generalized Gibbs approach // J. Non-Cryst. Solids. 2011. V. 357. № 19–20. P. 3474–3479. https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2011.06.021

  16. Kukushkin S.A., Kuz’michev S.V. Evolution of the morphology of a micropore in a brittle solid under external stress // Phys. Solid State. 2008. V. 50. P. 1445–1449. https://doi.org/10.1134/S1063783408080106

  17. Gutkin M.Y., Sheinerman A.G., Smirnov M.A. et al. Micropipe absorption mechanism of pore growth at foreign polytype boundaries in SiC crystals // J. Appl. Phys. 2009. V. 106. P. 123515. https://doi.org/10.1063/1.3266677

  18. Burton W.K., Cabrera N., Frank F.C. The growth of crystals and the equilibrium structure of their surfaces // Philos. Trans. R. Soc. A. 1951. V. 243. P. 299–358. https://doi.org/10.1098/rsta.1951.0006

  19. Chernov A.A. The spiral growth of crystals // Soviet Physics Uspekhi. 1961. V. 4. № 1. P. 116. https://doi.org/10.1070/PU1961v004n01ABEH003328

  20. Pimpinelli A., Villain J. What does an evaporating surface look like? // Phys. A. 1994. V. 204. № 1–4. P. 521–542. https://doi.org/10.1016/0378-4371(94)90446-4

  21. Sitnikov S.V., Latyshev A.V., Kosolobov S.S. Advacancy-mediated atomic steps kinetics and two-dimensional negative island nucleation on ultra-flat Si (111) surface. // J. Cryst. Growth. 2017. V. 457. P. 196–201. https://doi.org/10.1134/S1063782619040237

  22. Petrov A.S., Sitnikov S.V., Kosolobov S.S., Latyshev A.V. Evolution of micropits on large terraces of the si (111) surface during high-temperature annealing // Semicond. 2019. V. 53. № 4. P. 456–461. https://doi.org/10.1134/S1063782619040237

  23. Misbah C., Pierre-Louis O., Pimpinelli A. Advacancy-induced step bunching on vicinal surfaces. Phys. Rev. B. 1995. V. 51. P. 17283. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.51.17283

  24. Kosolobov S. Subsurface diffusion in crystals and effect of surface permeability on the atomic step motion // Sci. Rep. 2019. V. 9. P. 1–6. https://doi.org/10.1038/s41598-019-49681-1

  25. Redkov A.V., Kukushkin S.A. Development of burton–cabrera–frank theory for the growth of a non-kossel crystal via chemical reaction // Cryst. Growth Des. 2020. V. 20. P. 2590–2601. https://doi.org/10.1021/acs.cgd.9b01721

  26. Redkov A.V., Kukushkin S.A. Dynamic interaction of steps and nanoislands during growth of a multicomponent crystal // Cryst. Growth Des. 2021. V. 21. P. 4914–4926. https://doi.org/10.1021/acs.cgd.1c00349

  27. Redkov A.V., Kukushkin S.A., Osipov A.V. Spiral growth of a multicomponent crystal from vapor of its components // J. Cryst. Growth. 2020. V. 548. P. 125845. https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2020.125845

  28. Redkov A.V., Kukushkin S.A. Theoretical aspects of the growth of a non-Kossel crystal from vapours: role of advacancies // Faraday Discuss. 2022. In Press. https://doi.org/10.1039/D1FD00083G

  29. Гегузин Я.Е. Диффузионная зона. М.: Наука, 1979. 342 с.

  30. Cabrera N., Levine M.M. XLV. On the dislocation theory of evaporation of crystals // Philos. Mag. Ser. 8. 1956. V. 1. № 5. P. 450–458. https://doi.org/10.1080/14786435608238124

  31. Kukushkin S.A., Sakalo T.V. Diffusional coalescence of island films on the real crystal surface in the case of layer-by-layer growth of islands-I. An isolated system // Acta Metall. Mater. 1993. V. 41. P. 1237–1241. https://doi.org/10.1016/0956-7151(93)90173-P

  32. Kukushkin S.A., Sakalo T.V. Diffusional coalescence of island films on the real crystal surface in the case of layer-by-layer growth of islands-II. An open system. Undamped sources of deposited atoms // Acta Metall. Mater. 1993. V. 41. P. 1243–1244. https://doi.org/10.1016/0956-7151(93)90174-Q

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Известия РАН. Механика твердого тела

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал