ДИСПЕРСИЯ ПРОДОЛЬНЫХ ВОЛН, РАСПРОСТРАНЯЮЩИХСЯ В МАТЕРИАЛАХ С ТОЧЕЧНЫМИ ДЕФЕКТАМИ

  • Авторы: Ерофеев В.И.1, Леонтьева А.В.1, Шекоян А.В.2
  • Учреждения:
    1. Институт проблем машиностроения Российской академии наук – филиал Федерального исследовательского центра Институт прикладной физики им. А.В. Гапонова – Грехова Российской академии наук, Нижний Новгород, Российская Федерация
    2. Институт механики Национальной академии наук Армении, Ереван, Армения
  • Выпуск: № 5 (2023)
  • Страницы: 26-35
  • Раздел: Статьи
  • URL: https://ered.pstu.ru/index.php/mechanics/article/view/3940
  • DOI: https://doi.org/10.15593/perm.mech/2023.5.03
  • Цитировать

Аннотация


Исследуется распространение гармонических волн в материалах с точечными дефектами. Задача описывается системой дифференциальных уравнений, включа-ющей в себя динамическое уравнение теории упругости и кинетические уравнения плотности дефектов, учитывающей взаимное влияние дефектов и распространяю-щейся волны, а также взаимную рекомбинацию дефектов. Рассматриваются как пре-дельные случаи – материалы с одним типом точечных дефектов (вакансии, межуз-лия), так и общий случай, если материал содержит оба типа точечных дефектов (вакансии и межузлия). Проанализировано влияние на амплитуду и скорость гар-монической волны параметров точечных дефектов, характеризующих диффузию дефектов, скорость их рекомбинации на стоках и изменение объема материала при образовании в нем одного точечного дефекта. Показано, что в средах с вакан-сиями продольные волны низкой частоты имеют большую амплитуду и скорость, чем в средах с межузлиями. При этом в средах с вакансиями скорости низкочастот-ных возмущений достигают больших значений, а в средах с межузлиями – меньших значений по сравнению с высокочастотными возмущениями. Выявлен частотный диапазон, в котором дисперсия продольных волн существенна, в средах с вакан-сиями она имеет нормальный, а в средах с межузлиями – аномальный характер. Увеличение коэффициента диффузии или уменьшение величины дилатационного параметра способствует более слабому проявлению дисперсии. Отмечено, что коэффициенты диффузии дефектов не влияют на существование дополнительной низкочастотной волны. Для волн высокой частоты среды с вакансиями и межузли-ями практически неразличимы, наличие любых точечных дефектов почти не влияет на скорость распространения высокочастотных возмущений и их амплитуду.

Полный текст

С 80-х гг. прошлого века интенсивно изучается вли-яние лазерного излучения на материалы. Теоретически и экспериментально было показано, что под воздей-ствием лазерного луча в материалах образуются мно-гочисленные точечные дефекты (вакансии, межузель-ные атомы), создающие в поверхностном слое напря-женно-деформированное состояние [1–9]. Генерация точечных дефектов в материалах наблюдается и при ионной имплантации [10–24]. Прохождение продольной акустической волны спо-собствует изменению в областях растяжения и сжатия энергии активации образования точечных дефектов, приводя к их пространственному перераспределению. Дефекты, мигрирующие по материалу, рекомбинируют на различного рода центрах. Роль таких центров могут играть дислокации, примеси внедрения и др. Волновые эффекты в ансамблях дислокаций изуча-лись в работах [25–29]. В [6] показано, что задачу о распространении аку-стической волны в материале с точечными дефектами следует рассматривать как самосогласованную, вклю-чающую в себя, наряду с динамическим уравнением теории упругости, кинетическое уравнение для плотно-сти дефектов. В [30] исследовано взаимодействие нелинейной волны деформации с полем концентрации точечных дефектов (вакансий, межузлий), приводящее как к рас-сеянию волны, так и к изменению энергии активации образования дефектов и их пространственному пере-распределению. При этом предполагалось, что основ-ными процессами, определяющими поведение дефектов, являются процессы генерации, рекомбинации и диффу-зии. Объемная взаимная рекомбинация разноименных дефектов не учитывалась. В [31; 32] совместно с полем концентрации одного типа точечных дефектов проанализировано влияние внешнего нестационарного неоднородного темпера-турного поля на нелинейные волны деформации. В настоящей работе в линейной постановке задачи изучается дисперсия продольных волн, распространя-ющихся в материалах с точечными дефектами при уче-те объемной взаимной рекомбинации разноименных дефектов.

Об авторах

В. И. Ерофеев

Институт проблем машиностроения Российской академии наук – филиал Федерального исследовательского центра Институт прикладной физики им. А.В. Гапонова – Грехова Российской академии наук, Нижний Новгород, Российская Федерация

А. В. Леонтьева

Институт проблем машиностроения Российской академии наук – филиал Федерального исследовательского центра Институт прикладной физики им. А.В. Гапонова – Грехова Российской академии наук, Нижний Новгород, Российская Федерация

А. В. Шекоян

Институт механики Национальной академии наук Армении, Ереван, Армения

Список литературы

  1. Мирзоев Ф.Х., Панченко В.Я., Шелепин Л.А. Лазерное управление процессами в твердом теле // Успехи физиче-ских наук. – 1996. – Т. 166, № 1. – С. 3–32.
  2. Емельянов В.И., Уварова И.Ф. Электронно-деформа-ционно-тепловая неустойчивость и фазовый переход полу-проводник-металл под действием лазерного излучения с образованием сверхструктур // Журнал экспериментальной и теоретической физики. – 1988. – Т. 94, № 8. – С. 255–269.
  3. Емельянов В.И., Сумбатов А.А. Кристаллизационно-де-фор¬мационно-тепловая неустойчивость и формирование упо¬ря¬доченных структур при лазерной кристаллизации // Поверхность: физика, химия, механика. – 1988. – № 7. – С. 122–127.
  4. Емельянов В.И., Уварова И.Ф. Вакансионно-дефор¬ма¬ци-онная неустойчивость в формировании упорядоченных структур при нагреве тонких металлических пленок // Ме-таллофизика. – 1989. – Т. 11, № 5. – С. 101–106.
  5. Емельянов В.И., Мирзоев Ф.Х., Шелепин Л.А. О меха-низмах образования упорядоченных структур дефектов при воздействии концентрированных потоков энергии // Квантовая электроника. – 1994. – Т. 21, № 8. – С. 769–772.
  6. Мирзоев Ф.Х., Шелепин Л.А. Нелинейные волны дефор-мации и плотности дефектов в металлических пластинах при воздействии внешних потоков энергии // Журнал тех-нической физики. – 2001. – Т. 71, № 8. – С. 23–26.
  7. Coupled heat transfer, fluid flow and solidification kinetics for laser additive manufacturing applications / M.D. Khomenko, F.K. Mirzade, N.W. Makoana, S. Pityana // Journal of Manu-facturing Processes. – 2021. – Vol. 67. – Р. 611–618.
  8. Сейдгазов Р.Д., Мирзаде Ф.Х. Пороговые условия термо-капиллярного формирования глубокой каверны в адди-тивном процессе селективного лазерного плавления метал-лического порошкового слоя // Сварочное производство. – 2021. – № 5. – С. 20–30.
  9. Сейдгазов Р.Д., Мирзаде Ф.Х. Возбуждение капиллярной волны как механизм образования пор в процессе глубоко-го проплавления лазерным излучением // Письма в Жур-нал технической физики. – 2023. – Т. 49, № 12. – С. 31–33. doi: 10.21883/PJTF.2023.12.55571.19553
  10. Риссел Х., Руге И. Ионная имплантация / пер. с нем. В.В. Климова, В.Н. Пальянова; под ред. М.И. Гусевой. – М.: Наука, 1983. – 360 с.
  11. Оцуки Ё.-Х. Взаимодействие заряженных частиц с твердыми телами / пер. с англ. В.В. Белошицкого, Л.И. Огнева, А.В. Тулупова; под ред. М.А. Кумахова. – М.: Мир, 1985. – 280 с.
  12. Анищик В.М., Углов В.В. Модификация инструменталь-ных материалов ионными и плазменными пучками. – Минск: Изд-во БГУ, 2003. – 190 с.
  13. Defect production during ion implantation of various AIIIBV semiconductors / W. Wesch, E. Wendler, G. Gotz, N.P. Kekelidse // Journal of Applied Physics. – 1989. – Vol. 65, no. 2. – P. 519–526.
  14. Native point defects in low-temperature-grown GaAs / X. Liu, A. Prasad, J. Nishio, E.R. Weber, Z. Liliental-Weber, W. Walukiewicz // Applied Physics Letters. – 1995. – Vol. 67, no. 2. – P. 279–281.
  15. Совместная имплантация кремния и фосфора в нелегиро-ванную и легированную индием подложки GaAs / Н.Н. Дымова, А.Е. Куницын, А.В. Марков, В.В. Чалды-шев // Физика и техника полупроводников. – 1997. – Т. 31, № 12. – С. 1409–1413.
  16. Formation of n+-layers in undoped and indium-doped GaAs wafers by Si and Si+P ion implantation / V.V. Chaldyshev, N.N. Dymova, A.E. Kunitsyn, A.V. Markov // Physica Status Solidi (a). – 1997. – Vol. 163, no. 1. – P. 81–86.
  17. Napolitani E., Impellizzeri G. Ion implantation defects and shal-low junctions in Si and Ge // Semiconductors and Semimetals. – 2015. – Vol. 91. – P. 93–122.
  18. Окулич Е.В., Окулич В.И., Тетельбаум Д.И. Расчет влия-ния плотности ионного тока и температуры на кинетику накопления точечных дефектов при облучении кремния легкими ионами // Физика и техника полупроводников. – 2018. – Т. 52, № 9. – С. 967–972. doi: 10.21883/FTP.2018.09.46228.8720
  19. Light-emitting 9R-Si phase formed by Kr+ ion implantation into SiO2/Si substrate / A.A. Nikolskaya, D.S. Koro¬lev, A.N. Mikhaylov, A.I. Belov, A.A. Sushkov, N.O. Krivulin, K.R. Muhamatchin, A.A. Elizarova, M.O. Marychev, A.A. Kona-kov, D.I. Tetelbaum, D.A. Pavlov // Applied Physics Letters. – 2018. – Vol. 113. – P. 182103.
  20. Окулич Е.В., Окулич В.И., Тетельбаум Д.И. Расчет доз аморфизации кремния при облучении легкими ионами средних энергий // Физика и техника полупроводников. – 2020. – Т. 54, № 8. – С. 771–777. doi: 10.21883/FTP.2020.08.49649.9338
  21. Photoluminescence of ion-synthesized 9R-Si inclusions in SiO2/Si structure: Effect of irradiation dose and oxide film thickness / A. Nikolskaya, A. Belov, A. Mikhaylov, A. Kona-kov, D. Tetelbaum, D. Korolev // Applied Physics Letters. – 2021. – Vol. 118, no. 21. – P. 212101.
  22. Influence of chemical nature of implanted atoms on photolumi-nescence of ion-synthesized 9R-Si hexagonal silicon / A. Ni-kolskaya, D. Korolev, A. Belov, A. Konakov, D. Pavlov, A. Mikhaylov, D. Tetelbaum // Materials Letters. – 2022. – Vol. 308, part A. – P. 131103.
  23. Luminescence of modified W-centers arising in silicon upon ir-radiation of the SiO2/Si system by Kr+ ions / A. Nikol¬skaya, D. Korolev, A. Mikhaylov, A. Konakov, A. Okhapkin, S. Kraev, A. Sushkov, D. Pavlov, D. Tetelbaum // Materials Letters. – 2023. – Vol. 342. – P. 134302.
  24. Образование гексагональной фазы кремния 9R-Si при им-плантации системы SiO2/Si ионами Kr+ / А.А. Никольская, Д.С. Королев, А.Н. Михайлов, А.А. Конаков, А.И. Охап-кин, С.А. Краев, А.И. Андрианов, А.Д. Моисеев, А.А. Сушков, Д.А. Павлов, Д.И. Тетельбаум // Вестник Мос-ковского Университета. Серия 3. Физика. Астрономия. – 2023. – Т. 78, № 3. – С. 2330501. doi: 10.55959/MSU0579-9392.78.2330501
  25. Бурлак Г.Н., Островский И.В. Гистерезисные акустические явления, связанные с дислокационной нелинейностью в кристаллах // Письма в Журнал технической физики. – 1997. – Т. 23, № 18. – С. 69–74.
  26. Ерофеев В.И., Ромашов В.П. Влияние дислокаций на дис-персию и затухание ультразвука в твердом теле // Письма в Журнал технической физики. – 2002. – Т. 28, № 6. – С. 6–11.
  27. Багдоев А.Г., Ерофеев В.И., Шекоян А.В. Линейные и не-линейные волны в диспергирующих сплошных средах. – М.: Физматлит, 2009. – 320 с.
  28. Сарафанов Г.Ф. Коллективные и волновые эффекты в ан-самбле дислокаций при пластической деформации метал-лов. – Нижний Новгород: Литера, 2010. – 359 с.
  29. Ерофеев В.И., Мальханов А.О. Дисперсия и самомодуля-ция волн, распространяющихся в твердом теле с дислока-циями // Физическая мезомеханика. – 2017. – Т. 20, № 4. – С. 69–76.
  30. Ерофеев В.И., Артамонова О.А. Влияние точечных дефек-тов в материале на распространение нелинейной акустиче-ской волны // Труды XXII Сессии Российского акустиче-ского общества и Научного совета по акустике РАН. – М.: ГЕОС, 2010. – Т. 1. – С. 158–159.
  31. Ерофеев В.И., Леонтьева А.В., Шекоян А.В. Ударные волны в термоупругой среде с точечными дефектами // Журнал технической физики. – 2020. – Т. 90, № 1. – С. 26–32.
  32. Erofeev V.I., Leonteva A.V., Shekoyan A.V. Dispersion, at-tenuation and spatial localization of thermoelastic waves in a medium with point defects // Multiscale Solid Mechanics. Ad-vanced Structured Materials. Altenbach H., Eremeyev V.A., Igumnov L.A. (eds). – Springer, Cham, 2021. – STRUCT-MAT, Vol. 141. – P. 123–144.
  33. Ерофеев В.И., Кажаев В.В., Семерикова Н.П. Волны в стержнях. Дисперсия Диссипация. Нелинейность. – М.: Физматлит, 2002. – 208 с.

Статистика

Просмотры

Аннотация - 48

PDF (Russian) - 41

Cited-By


PlumX


© Ерофеев В.И., Леонтьева А.В., Шекоян А.В., 2023

Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.

Данный сайт использует cookie-файлы

Продолжая использовать наш сайт, вы даете согласие на обработку файлов cookie, которые обеспечивают правильную работу сайта.

О куки-файлах