научный сотрудник лаборатории физики композитных материалов
researcher at the Laboratory of Physics of Composite Materials
д.ф.-м.н., профессор кафедры общей и теоретической физики; директор
Dr. Sc. (Phys.-Math.), Professor of the Department of General and Theoretical Physics; Director
к.т.н., заместитель начальника отдела разработки перспективных проектов Центра радиофотоники и СВЧ-технологий Института нанотехнологий в электронике, спинтронике и фотонике
Candidate of Sciences (PhD) in Technology, Deputy Head of the Advanced Projects Development Department, Center for Radiophotonics and Microwave Technologies, Institute of Nanotechnology in Electronics, Spintronics and Photonics
Проведены кинетические оценки преимущественного образования наночастиц γ-латуни Cu5Zn8 среди интерметаллидных фаз при испарении меди и цинка непрерывным пучком электронов высокой энергии с последующей быстрой конденсацией паров в потоке инертного газа аргона. Вычисленная зависимость изменения свободной энергии смешения компонентов цинка и меди в бинарной системе с учетом добавки на образование новой поверхности при дроблении на наночастицы от состава и размеров частиц имеет минимум, перекрывающий интервал концентраций на фазовой диаграмме Cu ‒ Zn, соответствующий γ- и β-латуни; наблюдается вертикальное смещение графика зависимости свободной энергии смешения в сторону меньших (по модулю) значений с уменьшением размеров наночастиц с 126 до 5 нм из-за роста поверхностного вклада. Показано, что зависимость изменения свободной энергии от состава смеси Cu ‒ Zn отражает термодинамику смешения и не определяет выбор кристаллической фазы. Для объяснения фазового состава использована классическая теория нуклеации с учетом межфазной поверхностной энергии на границе твердый зародыш ‒ переохлажденная жидко-кластерная среда. Расчеты изменения свободной энергии образования кристаллических зародышей проводили с введением эффективной межфазной энергии для β-латуни, дополнительно учитывающей энергетические затраты на установление дальнего подрешеточного порядка и вклад антифазных границ. Рассчитаны критические радиусы и энергетические барьеры нуклеации для наночастиц γ-и β-латуни и определено, что с увеличением переохлаждения кластера в момент кристаллизации критические радиусы и барьеры уменьшаются, а барьер нуклеации для γ-латуни существенно ниже, чем для β-латуни, вследствие меньших энергетических затрат на формирование структуры и отсутствия необходимости установления дальнего подрешеточного порядка. Полученные оценки качественно согласуются с экспериментальными данными и объясняют преимущественное формирование γ-фазы среди интерметаллидных фаз латуни в условиях быстрой конденсации.
Kinetic estimates of the predominant formation of Cu5Zn8 γ-brass nanoparticles among intermetallic phases during evaporation of copper and zinc by a continuous beam of high-energy electrons followed by rapid vapor condensation in a stream of inert argon gas have been carried out. The calculated dependence of the change in the free energy of the mixing of zinc and copper components in the binary system, taking into account the addition to the formation of a new surface during crushing into nanoparticles, on the composition and particle size has a minimum that overlaps the concentration range on the Cu ‒ Zn phase diagram corresponding to γ- and β-brass; There is a vertical shift in the graph of the dependence of the free energy of mixing towards smaller (modulo) values with a decrease in the size of nanoparticles from 126 to 5 nm due to an increase in the surface contribution. It is shown that the dependence of the change in free energy on the composition of the Cu ‒ Zn mixture reflects the thermodynamics of mixing and does not determine the choice of the crystalline phase. The classical theory of nucleation is used to explain the phase composition, taking into account the interphase surface energy at the solid-embryo‒supercooled liquid-cluster interface. Calculations of the change in the free energy of crystal nucleation were carried out with the introduction of effective interphase energy for β-brass, additionally taking into account the energy costs of establishing a long-range subcutaneous order and the contribution of antiphase boundaries. The critical radii and energy nucleation barriers for γ-and β-brass nanoparticles are calculated and it is determined that with increasing supercooling of the cluster at the moment of crystallization, the critical radii and barriers decrease, and the nucleation barrier for γ-brass is significantly lower than for β-brass, due to lower energy costs for formation structure and absence of the need to establish a long-range sublattice order. The estimates obtained are in qualitative agreement with experimental data and explain the predominant formation of the γ-phase among the intermetallic phases of brass under conditions of rapid condensation.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.