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
- EDN: MLSTBK
- DOI: 10.31857/S0572329922030114
Полные тексты статей выпуска доступны только авторизованным пользователям.
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.
Полные тексты статей выпуска доступны только авторизованным пользователям.
Список литературы
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
Chernov A.A. The spiral growth of crystals // Soviet Physics Uspekhi. 1961. V. 4. № 1. P. 116. https://doi.org/10.1070/PU1961v004n01ABEH003328
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
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
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
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
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
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
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
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
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
Гегузин Я.Е. Диффузионная зона. М.: Наука, 1979. 342 с.
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
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
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
Известия РАН. Механика твердого тела