Физические основы разработки наноструктурных

покрытий для режущего инструмента.

Ю.Г. Кабалдин, С.В. Серый, А.А. Уткин

(Комсомольский-на Амуре государственный технический университет)

Более сорока лет назад Р. Фейнманом была сформулирована новая парадигма получения материалов, основанная на “атомной сборке”. Создание совершенно нового класса рабочей и измерительной аппаратуры (атомный силовой и туннельный электронные микроскопы и т.д.), резко стимулировали разработку таких материалов и технологий их получения.

Понятие “нанотехнология” пока не имеет исчерпывающего определения, но по аналогии с существующими ныне определениями следует, что нанотехнологии – это технологии, оперирующие величинами порядка нескольких нанометров. Это ничтожно малая величина, в сотни раз меньшая длины волны видимого света и сопоставимая с размерами атомов. Поэтому переход “макро” к “нано” это уже не количественный, а качественный переход – от варьирования процентного содержания химических элементов в материале к манипуляции отдельными атомами.

По оценкам различных специалистов, использование возможностей нанотехнологий может уже в недалекой перспективе принести резкое увеличение валового внутреннего продукта и значительный экономический эффект в базовых отраслях экономики. Предполагается, что в области материаловедения будут разработаны квазикристаллические наноматериалы, обладающие уникальным сочетанием повышенной прочности, низкого коэффициента трения и термостабильностью, что делает их перспективными для использования в машиностроении, а также наноструктурированные твердые сплавы для режущих инструментов с повышенной прочностью и наноструктурированные износостойкие покрытия.

В связи с изложенным, особый интерес представляют исследования наноматериалов, обладающих рядом специфических и функциональных свойств. В частности, особое значение приобретает получение устойчивых металлических наноструктур при атомой сборке. В литературе этому вопросу посвящено ряд работ, где приводятся сложные квантово-механические расчеты, в частности методом функционала электронной плотности, разработанного П. Хоэнбергом, В. Коном, и Л.Д. Шемом.

Сборка наноструктур – это технология, где осуществляется манипулирование атомами. При разработке наноструктур (наносистем) с заданными функциональными свойствами необходимо использовать подходы квантовой механики и ее основные принципы. При этом важно учитывать положение (координаты) каждого атома. Эта задача успешно решается пока только путем математического моделирования.

Существует ряд методов расчета энергии межатомных связей в структуре, самый достоверный из которых abinitio-метод функционала электронной плотности, который, как указывалось выше, разработали В. Кон и др. Однако в силу указанных требований, т.е. необходимость точного определения координат каждого атома, существуют программные продукты (GAMESS, Abinit, FHI и др.), оказываются достаточно эффективными при математическом моделировании сборки наноструктур небольшого порядка (N=10² - 10³ атомов). Кроме того, не ясно, можно ли на основе расчета полной энергии или энергии связи атомов прогнозировать функциональные свойства наноструктур, т.к. они, как отмечалось выше, зачастую определяются ее формой. В этой связи необходимы новые подходы к прогнозированию функциональных свойств наноструктур.

В работе использован метод моделирования атомных взаимодействий на основе теорий функционала плотности (ТФП, англ. - DTF). Согласно ТФП, все электронные свойства системы, включая энергию, могут быть получены из электронной плотности (без знания волновых функций). Применяют два типа ТФП: приближение локальной плотности, где предполагается, что локально электронная плотность систем может быть описана как электронная плотность одного электронного газа, и приближение локальной спиновой плотности, где электронная плотность разделяется на плотность электронов со спинами α и β. Электронная плотность – мера “плотности” электронного облака в данном месте, плотность вероятности присутствия электронов.

В программном коде известного программного комплекса Abinitio расчетов FHI реализован выбор базиса в виде присоединенных плоских волн. Каждый атом при этом окружается некоторой сферой (атомной сферой), внутри которой волновая функция ищется в виде разложения по базису плоских волн так, чтобы вне сферы возможно было “сшить” эту функцию с функцией свободного электрона. В программе FHI кроме того, используется метод псевдопотенциала, позволяющего заменить часть базисных функций на некоторый эффективный потенциал. Такая замена производится автоматически при расчете. От пользователя требуется лишь выбрать псевдопотенциал требуемого типа. Далее мы будем пользоваться псевдопотенциалами предлагаемыми по умолчанию в пакете FHI98pseudo.

Полная энергия, электронная структура и механические свойства наночастиц были рассчитаны с помощью программного пакета FHI96spin, который является модификацией пакета FHI96md, ранее использованного для многих систем, включая наночастицы тугоплавких металлов и их соединений.

Данная работа посвящена квантово-механическому (из первых принципов) моделированию наночастиц нитрида титана и изучению их электронной структуры и механических свойств. К сожалению, моделирование из первых принципов наночастиц с размерами, которые представляют прямой интерес для технологии (50-100 нм), на сегодняшний день невозможно технически, поэтому мы вынуждены ограничиться изучением частиц TiN размером 3 до 10 нанометров. Однако из общих физических соображений можно надеяться, что полученные в данной работе результаты будут полезны для понимания и предсказания свойств более крупных наночастиц TiN.

Поскольку пакет FHI96spin работает с периодическими волновыми функциями, для исследования наночастиц использовалась сферическая ячейка достаточно большая для изучения наночастиц с числом пар Ti и N от 30 до 150, что позволяло получить надёжные результаты расчёта.