Введение ..................................................................................................................................................5
1 Методы расчета атомной и электронной структуры твердых тел и их интерфейсов ......16
1.1 Метод псевдопотенциала ..........................................................................................................17
1.2 Метод проекционных присоединенных волн .........................................................................20
1.3 Дополнительные методы и подходы, используемые при изучении электронной подси-стемы кристалла и диффузии ...................................................................................................25
1.3.1 Теория переходного состояния .......................................................................................25
1.3.2 Метод подталкивающих упругих связей для нахождения седловой точки вдоль траектории миграции атома ............................................................................................28
1.3.3 Метод Бадера для оценки зарядового состояния атомов .............................................30
1.3.4 Электростатический и химический метод, основанный на электронной плотности, для оценки зарядового состояния атомов и заселенности перекрывания орбиталей ..30
1.3.5 Заселенность кристаллических орбиталей Гамильтона ...............................................32
1.3.6 Статистический подход для оценки коэффициента диффузии ...................................32
1.3.7 Метод Лэндмана для оценки коэффициента диффузии ...............................................34
1.4 Заключение к главе 1 ..................................................................................................................35
2 Адгезия на границах раздела металл–оксид .............................................................................37
2.1 Теоретическое изучение атомной и электронной структуры границ раздела Me(111)/Al2O3(0001) ..................................................................................................................38
2.2 Методика расчета ......................................................................................................................44
2.3 Работа отрыва на границах раздела Al2O3 с ОЦК и ГЦК металлами ...................................48
2.4 Моделирование хрупкого разрушения из первых принципов ..............................................50
2.5 Электронная структура границ раздела Me/Al2O3(0001) .......................................................53
2.6 Влияние ориентации оксидной подложки на адгезию на границе раздела Me/ZrO2 ............61
2.7 Влияние вакансий и примесей на адгезию на границах раздела Cu(001)/ZrO2(001) ..........67
2.8 Заключение к главе 2.................................................................................................................70
3 Сравнительное изучение адгезии на границах раздела металл–карбид (нитрид), ме-талл–сплав, сплав–полупроводник .............................................................................................73
3.1 Механизмы связи металлических атомов на поверхности карбида вольфрама .................74
3.1.1 Структурные и электронные свойства объемного карбида вольфрама ......................74
3.1.2 Энергетика связи d-металлов с поверхностью WC(0001) ............................................75
3.1.3 Структурные и электронные характеристики ...............................................................78
3.1.4 Корреляция электронных и структурных факторов с энергетикой связи металлов на поверхности карбида вольфрама ....................................................................................82
3
3.2 Сравнительное изучение адгезии на разно-ориентированных границах раздела Me/WC ...85
3.3 Энергетика связи d-металлов с поверхностью MeC (Me = Ti, V) ........................................92
3.4 Влияние дефектов на адгезию на интерфейсах Al/TiC(N) и Al/VC(N) ................................96
3.5 Химическая связь на границах раздела металл–сплав...........................................................99
3.5.1 Модель границы раздела Me/NiAl(001) и Me/NiAl(110), Me = Cr, Ni ........................99
3.5.2 Адгезия на границах раздела (001) и (110) ..................................................................100
3.5.3 Электронные характеристики границ раздела ............................................................102
3.6 Химическая связь на границе раздела сплав Гейслера – полупроводник .........................107
3.7 Заключение к главе 3...............................................................................................................110
4 Механизм окисления поверхности TiNi и сегрегации никеля в поверхностных слоях ....112
4.1 Вычислительные детали .........................................................................................................112
4.2 Адсорбция кислорода на поверхности TiNi(110) .................................................................114
4.2.1 Адсорбция атомарного кислорода на поверхности TiNi(110)-(1×1) и (2×2) ...........114
4.2.2 Адсорбция молекулярного кислорода на поверхности TiNi(110)-(2×2) ..................119
4.2.3 Влияние примесей на адсорбционные свойства кислорода на поверхности TiNi(110) .........................................................................................................................123
4.3 Границы раздела сплав–оксид и металл–сплав ....................................................................130
4.3.1 Атомная и электронная структура границ раздела TiNi(110)/TiO2(100) ..................130
4.3.2 Адгезия на границах раздела Me/TiNi .........................................................................133
4.4 Самодиффузия в сплаве TiNi .................................................................................................139
4.4.1 Экспериментальные и теоретические исследования самодиффузии в В2-сплавах ...139
4.4.2 Вычислительные детали ................................................................................................142
4.4.3 Энергии образования точечных дефектов ...................................................................143
4.4.4 Механизмы самодиффузии в В2-TiNi ..........................................................................147
4.5 Образование дефектов в объемных оксидах титана и интерфейсных слоях.....................151
4.6 Заключение к главе 4...............................................................................................................155
5 Влияние примесей на адсорбцию кислорода на поверхности сплавов Ti-Al ...................158
5.1 Структура и механические свойства интерметаллических сплавов Ti-Al.........................159
5.1.1 Экспериментальные и теоретические исследования физико-механических свойств сплавов Ti-Al ..................................................................................................................159
5.1.2 Влияние примесей на энергетику образования точечных дефектов.........................161
5.1.3 Влияние примесей на механические свойства сплава γ-TiAl ....................................169
5.1.4 Роль электронной структуры в изменении упругих свойств сплава γ-TiAl .............172
5.2 Адсорбция кислорода на низко-индексных поверхностях сплавов Ti-Al .........................176
5.2.1 Атомная структура и энергетическая стабильность низко-индексных поверхностей Ti-Al .................................................................................................................................176
4
5.2.2 Адсорбция кислорода при субмонослойных концентрациях ....................................180
5.2.3 Влияние концентрации кислорода на формирование поверхностных слоев ..........184
5.3 Влияние примесей на адсорбцию кислорода на стехиометрических поверхностях ........190
5.3.1 Поверхность TiAl(100) ..................................................................................................190
5.3.2 Поверхность Ti3Al(0001) ...............................................................................................203
5.4 Заключение к главе 5...............................................................................................................213
6 Влияние примесей на адгезионные свойства границ раздела сплав Ti-Al – оксид .........216
6.1 Адгезия на интерфейсах Ti-Al/Al2O3 .....................................................................................217
6.1.1 Идеальная граница раздела TiAl/Al2O3 ........................................................................218
6.1.2 Идеальная граница раздела Ti3Al/Al2O3 ......................................................................223
6.2 Адгезия на интерфейсе TiAl/TiO2 ..........................................................................................225
6.3 Влияние примесей на адгезию на интерфейсах Ti-Al/Al2O3 ...............................................237
6.4 Влияние промежуточных слоев на адгезию на границе раздела Ti-Al/Al2O3 ...................243
6.4.1 Граница раздела Ti3Al(0001)/Me/Al2O3(0001)О ...........................................................243
6.4.2 Граница раздела TiAl(111)/Me/Al2O3(0001)О ..............................................................246
6.4.3 Влияние оксидных слоев на адгезию на границе раздела Ti-Al/Al2O3 .....................250
6.4.4 Влияние нитридных слоев на адгезию на границе раздела Ti-Al/Al2O3...................254
6.5 Заключение к главе 6...............................................................................................................257
7 Диффузионные свойства кислорода в Ti-Al сплавах ............................................................260
7.1 Абсорбция и диффузия кислорода в сплавах Ti-Al: статистический подход ...................261
7.1.1 Вычислительные детали ................................................................................................261
7.1.2 Абсорбция кислорода в сплаве α2-Ti3Al ......................................................................261
7.1.3 Энергии активации и температурный коэффициент диффузии кислорода в сплавах Ti-Al ..................................................................................................................266
7.2 Диффузия кислорода в сплаве α2-Ti3Al: метод Лэндмана ...................................................273
7.3 Диффузия кислорода в сплаве γ-TiAl: метод Лэндмана ......................................................278
7.4 Влияние примесей на диффузию кислорода в сплаве α2-Ti3Al ...........................................290
7.5 Сравнительное изучение диффузии кислорода в разных средах .......................................296
7.6 Заключение к главе 7...............................................................................................................301
Заключение .........................................................................................................................................305
Список литературы ..........................................................................................................................310
