SIMULATION OF DEFORMATION BEHAVIOR OF NIOBIUM AND ITS NANOFILMS: STRUCTURAL CHANGES AND RESIDUAL STRESSES

Abstract


Работая посвящена исследованию механических свойств наноматериалов из ниобия. Исследования проводились при помощи атомистического математического моделирования с помощью метода молекулярной динамики. В качестве силового потенциала был использован модифицированный метод погруженного атома. В исследовании проведен комплексный анализ механических свойств кристаллического ниобия и его нанопленок с использованием математического моделирования, а также изучены остаточные напряжения при осаждении нанопленки кобальта. Для кристаллического ниобия установлено, что скорость деформации существенно влияет на неупругое поведение материала, в то время как упругий отклик (модуль Юнга ≈ 120 ГПа) демонстрирует высокую согласованность с литературными данными (погрешность 3,2%), подтверждая адекватность модели. Разрушение образца происходит ближе к центру, сопровождаясь образованием зон разрыва при критической деформации, что указывает на послойную перестройку структуры. Исследование нанопленок ниобия выявило снижение модуля Юнга до 30 ГПа при толщине 3,3 нм, что объясняется эффектами микроразмеров, дефектами и границами зерен. Наблюдаемое перед разрушением чередование упорядоченных и неупорядоченных атомных зон подчеркивает роль структурной неоднородности. При осаждении 1,5 нм пленки кобальта на ниобиевую подложку выявлены колебательные изменения компонент тензора напряжений, связанные с тепловыми флуктуациями и локальным взаимодействием. Гидростатическое напряжение близко к нулю, что свидетельствует об отсутствии объемных деформаций. Ключевым выводом является доминирование упругих деформаций в подложке, несмотря на воздействие осаждаемых атомов. Работа демонстрирует высокую чувствительность механических свойств ниобия к структурным особенностям и внешним условиям. Полученные результаты имеют значение для проектирования наноустройств и покрытий, где критичны контроль остаточных напряжений и учет размерных эффектов.

Full Text

Исследования, посвященные изучению технологий нанесения тонких пленок, остаются актуальными, так как позволяют установить базовые механизмы формирования новых материалов, проанализировать и оптимизировать процессы их нанесения и выявить новые перспективные свойства образцов. Например, метод атомно-слоевого осаждения [1-3] за счет течения последовательных химических реакций позволяет обеспечить равномерный управляемый рост нанопленок, в результате чего становится возможен более точный контроль толщины и структуры пленок, что, в свою очередь, приводит к совокупному улучшению свойств финального материала. Исследования, связанные с комбинацией атомно-слоевого осаждения и других методов, таких как магнетронное распыление [4, 5] или химическое осаждение из паровой фазы [6, 7], могут привести к созданию пленок с заданными параметрами, которые будут более устойчивыми к коррозии и другим внешним негативным воздействиям. Одним из перспективных и многообещающих элементов для использования в области наноиндустрии является ниобий. Актуальность использования нанопленок и наноструктур ниобия связана с уникальными физико-химическими свойствами этого элемента, которые делают его востребованным в современных технологиях. Ниобий обладает относительно высокой температурой перехода в сверхпроводящее состояние, по сравнению с другими сверхпроводящими элементами, что делает его незаменимым при создании нанопленок для квантовых компьютеров [8, 9], МРТ-аппаратов [10] и ускорителей частиц [11, 12]. За счет снижения энергопотерь наноструктурированные пленки ниобия [13, 14] могут улучшить эффективность работы электронных компонентов и устройств. Нанопокрытия из ниобия применяются в литий-ионных батареях [15-17] для увеличения срока эксплуатации и емкости устройств. Пленки ниобия предотвращают деградацию электродов [18, 19], что особенно важно для развития возобновляемой энергетики и электромобилей. Ниобий биосовместим и устойчив к коррозии, что позволяет использовать его нанопленки в имплантатах и хирургических инструментах [20, 21]. Также наноструктурированный ниобий служит эффективным катализатором в химических реакциях, включая очистку воды от токсинов [22] и преобразование углекислого газа [23], что эффективно может быть использовано в экологической сфере человеческой деятельности. Важным вопросом при исследовании наноматериалов, в составе которых встречается ниобий, является анализ их механических свойств. Во-первых, механические свойства нанопленок ниобия напрямую влияют на эксплуатационные свойства, если данные материалы используются для защиты от коррозии [20, 21]. Во-вторых, остаточные напряжения, возникающие в процессе роста наноструктур и последующей их обработки, могут влиять на другие физические и функциональные характеристики, например магнитные или каталитические. Остаточные напряжения могут возникать из-за различных факторов, включая температурные изменения, несовершенства кристаллической решётки, условия обработки, используемые во время осаждения, а также различия в коэффициентах теплового расширения между подложкой и нанопленкой. Исследования показывают, что в результате осаждения нанопленок с использованием таких методов, как лазерная абляция, молекулярно-лучевая эпитаксия, магнетронное распыление и другие, остаточные напряжения в нанесенных тонкопленочных слоях изменяются в достаточно широком диапазоне значений [24]. Также известно, что увеличение толщины нанопленок приводит к изменению их механических характеристик [25], включая накопление остаточных напряжений, которые могут достигать значительных значений и приводить к растрескиванию или деформации материалов. Изучение динамики и вариативности остаточных напряжений в нанопленках ниобия имеет критическое значение для оптимизации свойств наноматериалов и расширения их области применения. Проведение исследований в этой области может привести к созданию более устойчивых и эффективных материалов для использования в различных современных технологиях, включая электронику, спинтронику, сверхпроводимость и теорию магнитных полей. Целью работы являлись апробация на конкретных материалах (ниобий) и применение методики атомистического моделирования для вычисления механических характеристик наноматериалов.

About the authors

A. Yu Fedotov

Udmurt Federal Research Center of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, Izhevsk, Russian Federation

F. A Vinogradov

Udmurt Federal Research Center of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, Izhevsk, Russian Federation

References

  1. Абдулагатов А.И., Максумова А.М., Палчаев Д.К., Рабаданов М.Х., Абдулагатов И.М. Атомно-слоевое осаждение и термические превращения титан-ванадиевых оксидных тонких пленок // Журнал прикладной химии. – 2021. – Т. 94, № 7. – С. 835-848.
  2. George S.M. Atomic layer deposition: an overview // Chemical reviews. – 2010. – Vol. 110, No. 1. – pp. 111-131. doi: 10.1021/cr900056
  3. Морозова А.А. Атомно слоевое осаждение сверхтонких пленок для наноэлектроники // Наноинженерия. – 2012. – № 11. – С. 3-6
  4. Кашин А.С., Анаников В.П. Формирования наноразмерных покрытий и наночастиц металлов путем магнетронного распыления и их исследование методом сканирующей электронной микроскопии // Известия Академии наук. Серия химическая. – 2011. – № 12. – С. 2551-2551.
  5. Gudmundsson J.T., Lundin D. Introduction to magnetron sputtering // High power impulse magnetron sputtering: chapter in book. – Elsevier, 2020. – pp. 1-48. doi: 10.1016/B978-0-12-812454-3.00006-
  6. Гельфонд Н.В., Морозова Н.Б., Игуменов И.К., Филатов Е.С., Громилов С.А., Квон Р.И. Структура покрытий Ir-Al2O3, полученных методом химического осаждения из паровой фазы в атмосфере водорода // Журнал структурной химии. – 2009. – Т. 50, № 5. – С. 955-959.
  7. Zhang Y.I., Zhang L., Zhou C. Review of chemical vapor deposition of graphene and related applications // Accounts of chemical research. – 2013. – Vol. 46, No. 10. – pp. 2329-2339. doi: 10.1021/ar300203
  8. Wenskat M., Čižek J., Liedke M.O., Butterling M., Stiehl M., Semione G.D. L. et al. Vacancy dynamics in niobium and its native oxides and their potential implications for quantum computing and superconducting accelerators // Physical Review B. – 2022. – Vol. 106, No. 9. – pp. 094516. doi: 10.1103/PhysRevB.106.09451
  9. Kutsaev S.V. Taletski K., Agustsson R., Carriere P., Cleland A.N., Conway Z.A., Dumur É., Moro A., Smirnov A.Y. Niobium quarter-wave resonator with the optimized shape for quantum information systems // EPJ quantum technology. – 2020. – Vol. 7, No. 1. – pp. 1-17. doi: 10.1140/epjqt/s40507-020-00082-
  10. Moser E. Laistler E., Schmitt F., Kontaxis G. Ultra-high field NMR and MRI–the role of magnet technology to increase sensitivity and specificity // Frontiers in Physics. – 2017. – Vol. 5. – pp. 33.1-15. doi: 10.3389/fphy.2017.0003
  11. Ciovati G. Effect of low-temperature baking on the radio-frequency properties of niobium superconducting cavities for particle accelerators // Journal of applied physics. – 2004. – Vol. 96, No. 3. – pp. 1591-1600. doi: 10.1063/1.176729
  12. Ricker R.E., Myneni G.R. Evaluation of the propensity of niobium to absorb hydrogen during fabrication of superconducting radio frequency cavities for particle accelerators // Journal of research of the National Institute of Standards and Technology. – 2010. – Vol. 115, No. 5. – pp. 353-371. doi: 10.6028/jres.115.02
  13. Schubert W.K., Wolf E.L. Electron-energy-loss spectra of vanadium, niobium, molybdenum, and tantalum // Physical Review B. – 1979. – Vol. 20, No. 5. – pp. 1855. doi: 10.1103/PhysRevB.20.185
  14. Beall Jr W.T., Meyerhoff R.W. AC Energy Losses Above and Below Hc1 in Niobium and Niobium-25 At.% Zirconium // Journal of Applied Physics. – 1969. – Vol. 40, No. 5. – pp. 2052-2059. doi: 10.1063/1.165791
  15. Sheng Y. Wang Y., Yin S., Zhao L., Zhang X., Liu D., Wen G. Niobium-Based Oxide for Anode Materials for Lithium-Ion Batteries // Chemistry–A European Journal. – 2024. – Vol. 30, No. 19. – pp. e202302865. doi: 10.1002/chem.20230286
  16. Nunes B.N. van den Bergh W., Strauss F., Kondrakov A., Janek J., Brezesinski T. The role of niobium in layered oxide cathodes for conventional lithium-ion and solid-state batteries // Inorganic Chemistry Frontiers. – 2023. – Vol. 10, No. 24. – pp. 7126-7145. doi: 10.1039/D3QI01857
  17. Tian B. Xiang H., Zhang L., Li Z., Wang H. Niobium doped lithium titanate as a high rate anode material for Li-ion batteries // Electrochimica Acta. – 2010. – Vol. 55, No. 19. – pp. 5453-5458. doi: 10.1016/j.electacta.2010.04.06
  18. Xu L., Liang G., Yin M. A promising electrode material modified by Nb-doped TiO2 nanotubes for electrochemical degradation of AR 73 // Chemosphere. – 2017. – Vol. 173. – pp. 425-434. doi: 10.1016/j.chemosphere.2017.01.07
  19. Lee G.R., Crayston J.A. Studies on the electrochemical deposition of niobium oxide // Journal of Materials Chemistry. – 1996. – Vol. 6, No. 2. – pp. 187-192. doi: 10.1039/JM996060018
  20. Pradhan D. Wren A.W., Misture S.T., Mellott N.P. Investigating the structure and biocompatibility of niobium and titanium oxides as coatings for orthopedic metallic implants // Materials Science and Engineering: C. – 2016. – Vol. 58. – pp. 918-926. doi: 10.1016/j.msec.2015.09.05
  21. Ramírez G. Rodil S.E., Arzate H., Muhl S., Olaya J.J.. Niobium based coatings for dental implants // Applied Surface Science. – 2011. – Vol. 257, No. 7. – pp. 2555-2559. doi: 10.1016/j.apsusc.2010.10.02
  22. Milanović M. Nikolić L.M., Stijepović I., Kontos A.G., Giannakopoulos K.P. Steps in growth of Nb-doped layered titanates with very high surface area suitable for water purification // Materials Chemistry and Physics. – 2014. – Vol. 148, No. 3. – pp. 874-881. doi: 10.1016/j.matchemphys.2014.08.06
  23. Sievers M.R., Armentrout P.B. Gas phase activation of carbon dioxide by niobium and niobium monoxide cations // International journal of mass spectrometry. – 1998. – Vol. 179. – pp. 103-115. doi: 10.1016/S1387-3806(98)14064-
  24. Huff M. Residual stresses in deposited thin-film material layers for micro-and nano-systems manufacturing // Micromachines. – 2022. – Vol. 13, No. 12. – pp. 2084.1-56. doi: 10.3390/mi1312208
  25. Li X., Mu Z., Song X. Microstructure and stress evolution of W nanofilms prepared by arc ion plating under different deposition time and substrate bias // Journal of Materials Science. – 2024. – Vol. 59, No. 40. – pp. 19254-19272. doi: 10.1007/s10853-024-10329-
  26. Швейкин А.И., Вшивкова А.А., Трусов П.В. Двухуровневая конститутивная модель металла с комплексным учетом изменяющихся температурно-скоростных условий // Физическая мезомеханика. – 2024. – Т. 27. – №. 2. – С. 50-68. doi: 10.55652/1683-805X_2024_27_2_50-6
  27. Подседерцев А.Н. Кондратьев Н.С., Трусов П.В., Макаревич Е.С. Многоуровневая модель описания мартенситного превращения: формирование полиэдрической структуры мартенсита // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. – 2024. – №. 2. – С. 79-96. doi: 10.15593/perm.mech/2024.2.0
  28. Трусов П.В., Гладких П.А. О двухуровневых моделях типа Тейлора – Бишопа – Хилла для описания упругопластического деформирования поликристаллических тел: один вариант решения проблемы неопределенности выбора активных систем скольжения // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. – 2024. – № 4. – С. 56–69. doi: 10.15593/perm.mech/2024.4.0
  29. Pourfath M., Sverdlov V., Selberherr S. Modeling demands for nanoscale devices // 68th Device Research Conference. – 2010. – pp. 211-214. doi: 10.1109/DRC.2010.555191
  30. Mao Q., Feng M., Jiang X.Z., Ren Y., Luo K.H., van Duin A.C. Classical and reactive molecular dynamics: Principles and applications in combustion and energy systems // Progress in Energy and Combustion Science. – 2023. – Vol. 97. – pp. 101084. doi: 10.1016/j.pecs.2023.10108
  31. Yang W., Gao Z., Li S., Deng L., Liang B., Kong X., Chen X., Liu D., Yang B. Review of molecular dynamics simulation in extraction metallurgy // Computational Materials Science. – 2025. – Vol. 258. – pp. 114111. doi: 10.1016/j.commatsci.2025.11411
  32. Zhang L.N., Wu L.Q., Molecular Dynamics Simulation of Diffusive Process of Chemotherapeutic Drug // Journal of Computational and Theoretical Nanoscience. – 2015. – Vol. 12, No. 12. – pp. 5711-5715. doi: 10.1166/jctn.2015.470
  33. Xiong D.X., Xu Y.S., Guo Z.Y. Molecular dynamics simulation on thermodynamic properties and transport coefficients // Journal of Thermal Science. – 1996. – Vol. 5, No. 3. – pp. 196-200. doi: 10.1007/BF0265318
  34. Subedi S., Handrigan S.M., Morrissey L.S., Nakhla S. Mechanical properties of nanocrystalline aluminium: A molecular dynamics investigation // Molecular Simulation. – 2020. – Vol. 46, No. 12. – pp. 898-904. doi: 10.1080/08927022.2020.178821
  35. Vakhrushev A.V., Fedotov A.Yu., Severyukhina O.Yu., Sidorenko A.S. The influence of structure and local structural defects on the magnetic properties of cobalt nanofilms // Beilstein Journal of Nanotechnology. – 2023. – Vol. 14, No. 1. – pp. 23-33. doi: 10.3762/bxiv.2022.64.v1
  36. Саломатина А.Ю., Федотов А.Ю., Северюхина О.Ю., Виноградов Ф.А. Исследование магнитных свойств нанокомпозита Co-Fe // Физико-химические аспекты изучения кластеров. – 2024. – Вып. 16. – C. 267-276. doi: 10.26456/pcascnn/2024.16.26
  37. Vakhrushev A.V., Fedotov A.Yu., Sidorenko A.S. Simulation of Multilayer Nanosystems Interface Formation Process for Spintronics // Key Engineering Materials. – 2021. – Vol. 888. – pp. 57-65. doi: 10.4028/www.scientific.net/kem.888.5
  38. Baskes M.I. Modified embedded-atom potentials for cubic materials and impurities // Physical Review B. – 1992. – Vol. 46, No. 5. – pp. 2727-2742. doi: 10.1103/PhysRevB.46.272
  39. Thompson A.P., Plimpton S.J., Mattson W. General formulation of pressure and stress tensor for arbitrary many-body interaction potentials under periodic boundary conditions // The Journal of chemical physics. – 2009. – Vol. 131, No. 15. – pp. 154107.1-6. doi: 10.1063/1.324530
  40. Plimpton S. Fast Parallel Algorithms for Short-Range Molecular Dynamics // Journal of Computational Physics. – 1995. – Vol. 117, No. 1. – pp. 1-19. doi: 10.1006/jcph.1995.103
  41. Subedi S., Handrigan S.M., Morrissey L.S., Nakhla S. Mechanical properties of nanocrystalline aluminium: a molecular dynamics investigation // Molecular Simulation. – 2020. – Vol. 46, No.12. – pp. 898-904. doi: 10.1080/08927022.2020.178821
  42. Yamakov V., Wolf D., Phillpot S.R., Mukherjee A.K., Gleiter H. Deformation-mechanism map for nanocrystalline metals by molecular-dynamics simulation // Nature materials. – 2004. – Vol. 3, No. 1. – pp. 43-47. doi: 10.1038/nmat103
  43. Alam M.F., Shahadat M.R.B. Temperature and strain rate dependent mechanical properties of ultrathin metallic nanowires: a molecular dynamics study // AIP Conference Proceedings. – AIP Publishing LLC. – 2018. – Vol. 1980, No. 1. – pp. 030015. doi: 10.1063/1.504429
  44. Wolf D., Yamakov V., Phillpot S.R., Mukherjee A., Gleiter H. Deformation of nanocrystalline materials by molecular-dynamics simulation: relationship to experiments? // Acta Materialia. – 2005. – Vol. 53, No. 1. – pp. 1-40. doi: 10.1016/j.actamat.2004.08.04
  45. Илларионов А.Г. Гриб С.В., Илларионова С.М., Попов А.А. Связь структуры, фазового состава, физико-механических свойств в закаленных сплавах системы Ti–Nb // Физика металлов и металловедение. – 2019. – Т. 120. – №. 2. – С. 161-168. doi: 10.1134/S001532301902005
  46. Бадамшин И.Х. От четырех к одному. Силы внутриатомного взаимодействия и прочность материалов. – М.: Издательский дом Академии Естествознания, 2016. – 134 c
  47. Паль-Валь П.П., Нацик В.Д., Паль-Валь Л.Н., Семеренко Ю.А.. Нелинейные акустические эффекты в монокристаллах ниобия, обусловленные дислокациями // Физика низких темпеpатуp. – 2004. – Т. 30, вып. 1. – С. 115-125.
  48. Ломыгин А.Д., Павельева А.А., Саквин И.С. Свойства ниобия и пентаоксида ниобия в микро-и наноструктурах // Международный студенческий научный вестник. – 2018. – №. 6. – С. 176-176.
  49. Лй Х.Ю., Тянь Ш., Чжан М. Сравнительные характеристики элемента ниобия в микро и наноструктурах // Международный студенческий научный вестник. – 2018. – №. 6. – С. 179-179

Statistics

Views

Abstract - 41

PDF (Russian) - 16

Cited-By


PlumX


Copyright (c) 2025 Fedotov A.Y., Vinogradov F.A.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies