25.01.2021 №4

image

Работа ученых ИТМО вошла в топ-10 достижений НАН Беларуси за 2020 год.

Ученые Института тепло- и массообмена имени А.В. Лыкова НАН Беларуси (ИТМО) разработали и применили на практике методы локальной механической наномодификации в инженерии поверхностей. Они будут востребованы для диагностики многофункциональных композиционных покрытий компонентов микротехники. Результат исследований первого заместителя Председателя Президиума НАН Беларуси академика Сергея Чижика и авторов данного материала вошел в топ-10 достижений НАН Беларуси за 2020 год.

Современная микротехника требует создания миниатюрных пространственных структур, где соединяются различные по свойствам материалы, а также покрытия с высокими эксплуатационными свойствами и регламентируется шероховатость поверхностей в наномасштабе. Определение работоспособности и физико-механических свойств таких материалов является тонкой и сложной в экспериментальной реализации задачей.

Атомно-силовая микроскопия позволяет осуществить современные технологии острийной микрообработки, предварительно протестировав поверхность, подобрав эффективное усилие воздействия на поверхности в зависимости от типов материалов – от мягких высокоэластических полимеров и даже биологических тканей до износостойких покрытий. Малый размер контакта при микроизносе алмазным зондом позволяет создать повышенный уровень механических напряжений и малую глубину их распространения – от единиц до десятков нанометров. Такая особенность позволяет реализовать особый режим износа – снятие материала с поверхности атомарными слоями.

В сочетании с методиками локальной силовой спектроскопии, процедурой наносверления и осциллирующей трибометрии рассматриваемый подход позволяет определить модуль упругости, микротвердость, поверхностную энергию и износостойкость материала по глубине покрытия или поверхностного слоя. Чтобы обеспечить нанометровую точность локального механического воздействия, предварительно необходимо протестировать объект, выявить разные по свойствам зоны и на каждую оказывать свое силовое воздействие. Уровень механических напряжений в зоне контакта острия микрозонда возрастает до десятков ГПа при исследовании твердых и сверхтвердых керамических покрытий.

В лаборатории нанопроцессов и технологий ИТМО проведены масштабные экспериментальные исследования наиболее перспективных в микротехнике материалов и покрытий Si, Cu, SiO2, ZrN по их микроизносу и получены зависимости глубины и удельного износа от режимов эксперимента – нагрузки, скорости, радиуса острия – и размера зерна материала (от 80 до 175 нм). Установлено влияние текстуры кубической фазы ZrN на размер зерна покрытия, механические свойства и микроизнос.

Полученные результаты использованы при создании экспериментальных образцов сложных микроструктур датчиков МЭМС, микроканалов и новых оптических материалов с нанометровой точностью 3D-контроля геометрии и локальных физико-механических свойств, недостижимой классическими технологиями. Обеспечивается создание базовых элементов сложных топологических структур с размерами порядка десятков нанометров в плоскости и долей нанометров по высоте. Возможность непосредственного воздействия на поверхность без использования масок и химических составов обеспечивает нанометровую точность контуров, исключая посторонние загрязнения поверхности за счёт остатков реагентов и продуктов их реакций.

Результаты исследований опубликованы в международных журналах с высоким импакт-фактором: Applied Surface Science, Inorganic Chemistry, Materials, Nanomaterials, Engineering Letters, докладывались на научных конференциях.

Татьяна Кузнецова,

заместитель заведующего лаборатории нанопроцессов и технологий

Василина Лапицкая,

научный сотрудник лаборатории Институт тепло- и массообмена имени А.В. Лыкова НАН Беларуси

Фото Е. Пашкевич, «Навука»

На фото: авторы материала