Лаборатория физики нелинейных сред

Краткая историческая справка о подразделении

Лаборатория теории неравновесных состояний является одной из первых лабораторий, созданных в институте. Еще до официального открытия института в Институте оптики атмосферы СО РАН в 1981 г. был открыт отдел физики твердого тела. В этом отделе была открыта лаборатория теории твердого тела. На должность руководителя лаборатории был приглашен доцент кафедры экспериментальной физики Томского государственного университета к.ф.-м.н. Хон Ю.А. После открытия института в 1984 г. был создан отдел теории твердого тела, в состав которого входила лаборатория теории неравновесных состояний. Спустя некоторое время лаборатория стала самостоятельным структурным подразделением института. Свое нынешнее название лаборатория получила в августе 2008 года.

Области исследований, направления фундаментальных исследований

1. Роль электронной подсистемы в формировании свойств объемных и низкоразмерных материалов.

2. Механизмы необратимых структурных превращений и массопереноса в объемных и низкоразмерных материалах при механических нагрузках, воздействии физических полей. Разработка моделей, методов теоретического описания процессов в неравновесных нестационарных системах.

3. Разработка теоретических основ электронных транспортных и тепловых свойств низкоразмерных углеродных наноструктур (графен, фуллерены, углеродные нанотрубки) при различных концентрациях структурных дефектов, типов их конфигурации в слое и на поверхности с учетом электрон-фононного и фонон-фононного взаимодействия. Влияние температуры, концентрации, типа и местоположения примеси на электронные и тепловые свойства низкоразмерных углеродных материалов.

4. Создание математических моделей процессов деформирования анизотропных материалов с учетом различной симметрии свойств, ауксетичности, анизотропии объемной сжимаемости, анизотропии распространения продольных и объемных волн, различных механизмов разрушения. Исследование процессов деформирования в анизотропных материалах с помощью оригинальных программ, реализующих эти математические модели в трехмерной постановке для контактных задач.

Задачи, решаемые в рамках этих направлений

1. Первопринципные расчеты свойств объемных и низкоразмерных материалов различной природы при легировании и наличии дефектов разного типа.

2. Разработка методов теоретического описания процессов в неравновесных нестационарных системах, учитывающих возбуждение электронных степеней свободы в неравновесном состоянии материала. Построение теории неравновесных фазовых переходов плавления кристаллических тел, нанокристаллизации аморфных материалов, массопереноса при механических нагрузках, зарождения элементарных носителей пластической деформации и разрушения.

Состав подразделения Общая численность 10 человек, в том числе: - 5 докторов наук, - 3 кандидата наук, - 3 молодых научных сотрудников (до 33 лет)

Важнейшие научные результаты

1. Рассчитаны сорбционные свойства водорода на границе наклона Σ5(310) и соответствующей (310) поверхности в серии интерметаллических В2-TiMe сплавов и железе и установлены электронные факторы, способствующие водородному охрупчиванию.

2. Проведено систематическое изучение адгезионных свойств широкого круга металлокерамических интерфейсов (металл-оксид, металл-карбид, металл-нитрид) в том числе в зависимости от их ориентационных соотношений. Установлены общие тенденции в изменении энергии отрыва в зависимости от структуры и химического состава интерфейсных слоев, электронной структуры металла, магнетизма и деформации материалов на границах раздела.

3. Изучены атомные механизмы самодиффузии в металлах в ГПУ структурой и сплаве B2-TiNi и установлены оптимальные параметры моделирования из первых принципов.

4. Изучены сорбционные свойства кислорода в сплавах Ti-Al и выявлены факторы, ответственные за особенности диффузионных характеристик кислорода в этих сплавах.

5. Выяснена природа селективного взаимодействия адсорбатов (галогенов и щелочных металлов) на полярной поверхности (001) полупроводников АIIIBV, а также электронных факторов, способствующих адсорбат-индуцированному ослаблению связей в подложке.

6. Установлены механизмы устранения интерфейсных состояний на поверхности (111) полупроводников АIIIBV при образовании границы раздела с анодными фторсодержащими оксидами.

7. Построена теория низкотемпературных электронных транспортных свойств низкоразмерных углеродных материало (графен, фуллерен, углеродные нанотрубки).

8. Развиты модель и теория динамической неустойчивости плоской поверхности нагруженных твердых тел, определяемой возбуждением электронных степеней свободы.

9. Построена математическая модель упругопластического деформирования ауксетичных материалов с учетом анизотропии объемной сжимаемости в условиях динамического нагружения. На основе математической модели создана численная методика ударного нагружения элементов конструкций в трехмерной постановке.

Проекты, гранты, договора

1. Грант РФФИ 13-02-98017р_сибирь_а (2013-2015) "Изучение микроскопических механизмов модификации полярных поверхностей полупроводников А3В5 галогенами: первопринципный подход".

2. Российско-китайский грант РФФИ 14-02-91150-ГФЕН_а (2014-2015) " Первопринципное изучение формирования оксидных слоев на поверхностях сплавов на основе титана и их границ раздела с оксидами" совместно с группой проф. Ху (Институт исследования металлов КАН, Шэньян).

3. Гранты немецкого научного общества DFG Schm746/111-1 (2011), Schm746/87-1 (2009), Schm746/81-1 (2008) совместно с группой проф. Шмаудера (Институт физики прочности, материаловедения и тестирования материалов Университета Штутгарта).

4. Участие в мегагранте (постановление 220) под руководством иностранного ученого (Чулков Е.В.)

5. Грант РФФИ 09-03-00523а (2009-2011) "Первопринципное исследование влияния структурных дефектов на адгезию на границах раздела металл-керамика".

6. Грант РФФИ 09-02-01045а (2009-2011) "Адсорбат-индуцированное изменение стехиометрии и структуры поверхности полупроводников III-V" (совместно с ИФП СО РАН).

7. Междисциплинарный интеграционный проект СО РАН № 99 (2009-2011) "Физико-химические принципы формирования совершенных гетерограниц полупроводники А3В5-диэлектрик для создания оптоэлектронных приборов" (совместно с ИФП СО РАН и ИК СО РАН).

8. Российско-китайский грант РФФИ 08-02-92201-ГФЕН_а (2006-2008) "Изучение предмартенситных явлений в магнитных сплавах Гейслера с эффектом памяти формы: первопринципный подход" совместно с группой проф. Ху (Институт исследования металлов КАН, Шэньян).

9. Грант РФФИ 07-02-01452 (2007-2009) "Исследование влияния водорода на процесс образования дефектной структуры в палладии и сплавах титана" совместно с научной группой кафедры физики твердого тела ФФ МГУ.

10. Грант РФФИ 04-02-17221 (2004-2007) "Влияние водорода на атомную и электронную структуру поверхности и объёма переходных металлов и сплавов" совместно с МГУ.

11. Грант РФФИ N 05-02-16074 (2005-2007) "Исследование взаимосвязи структурных и магнитных превращений в сплавах Гейслера и их тонких пленках"

12. Государственный контракт № 02.434.11.2016 от 15 июля 2005 года между Федеральным агентством по науке и инновациям и Институтом физики полупроводников Сибирского отделения Российской академии наук, договор 524 (2005-2006) "Теоретическое исследование структуры и электронных свойств поверхностей соединений A3B5 с адсорбатами".

13. Российско-китайский грант РФФИ-ГФЕН 04-02-39009 (2005-2006) "Исследование влияния структурных дефектов и легирования на свойства соединений на основе палладия и титана и их гидридов" совместно с группой проф. Ху (Институт исследования металлов КАН, Шэньян).

14. Грант РФФИ N 02-02-16336 2002-2003 "Исследование влияния адсорбции водорода на свойства титановых сплавов"

15. Проект NATO PST.EV.979039 (2003) "First principles calculations of loss-energy spectrum of electrons in Ni-based intermetallics", RUCA, Antwerp, Belgium.

16. Гранты научного общества Кореи: KOSEF-2001, 2002 и инновационного фонда POSCO-2002 (South Korea) "The study of atomic and electronic structure of titanium -based alloys thin films".

17. Проект INTAS N 99-00125 (1999-2002) "Optimized structures for spin-polarized electron sources" (with St. Petersburg State Technical University, USA, France)

18. Проект CRDF N RP1-2345-ST-02 (2002-2004) "Study of spin-polarized electron transport and emission from new strained nanostructures with enlarged valence band splitting"(with St. Petersburg State Technical University and USA)

В 2018 году:

1. Проект Совета Европы: Marie Curie International Research Staff Exchange Scheme Fellowship within the 7th European Community Framework Programme (Grant Agreement Number 612552) (2014-2018 гг)

2. Грант РФФИ 18-03-00064а (2018-2020) " Структурные, физико-химические и механические свойства границ раздела Ti-Al сплав - оксид: фундаментальные аспекты".

3. Грант РФФИ 18-31-00278 мол_а

Важнейшие публикации

1. A.V. Bakulin, S.S. Kulkov, S.E. Kulkova, S. Hocker, S. Schmauder, Influence of substitutional impurities on hydrogen diffusion in B2-TiFe alloy // Int. J. Hydrogen Energy - 2014. - V. 39, N 23. - P. 12213-12220.

2. S. Hocker, S. Schmauder, A. Bakulin, S. Kulkova, Ab initio investigation of tensile strengths of metal(111)/α-Al2O3(0001) interfaces / Phil. Mag. - 2014. - V. 94, N3. - P. 265-284.

3. H. Shi, J. Frenzel, G.T Martinez, S. Van Rompaey, A. Bakulin, S. Kulkova, S. Van Aert, D. Schryvers, Site-occupation of Nb atoms in ternary Ni-Ti-Nb shape memory alloy // Acta Materialia - 2014. - V. 74. - P. 85-95.

4. Ponomarev A. N., Egorushkin V. E., Melnikova N. V., Bobenko N.G. On the low-temperature anomalies of specific heat in disordered carbon nanotubes // Physica E. 2015, V.66, Pp. 13-17.

5. Bobenko N.G., Egorushkin V. E., Melnikova N. V., Ponomarev A. N. Are carbon nanotubes with impurities and structure disorder metals or semiconductors? // Physica E. 2014, V.60, Pp. 11-16.

6. Ponomarev A. N., Egorushkin V. E., Melnikova N. V., Bobenko N.G. Reconstruction of the "phase separation - ordering" type and specific heat in carbon nanotubes // Applied Mechanics and Materials. 2014, V1623, Pp. 503-506.

7. A.V. Bakulin, S.E. Kulkova, Q.M. Hu and Rui Yang, Adsorption and diffusion of oxygen on (001) and (100) TiAl surface// Comp. Mat. Science. - 2015. - V. 97. -P. 55-63.

8. A Bakulin, A Shaposhnikov, I Smolin, O.E. Tereshchenko, S Kulkova. The Peculiarities of Halogens Adsorption on A3B5(001) Surface// IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering. - 2015. - V. 77- P. 012002

9. S.E. Kulkova, A.V. Bakulin, S.S. Kulkov, S. Hocker, S. Schmauder, Influence of Interstitial Impurities on the Griffith work in Ti-based Alloys// Physica Scripta - 2015. - V. 90 (9). - P. 094010

10. O.E. Tereshchenko, V.A. Golyashov, S.V. Eremeev, I. Maurin, A.V. Bakulin, S.E. Kulkova, M.S. Aksenov, V.V. Preobrazhensky, M.A. Putyato, B.R. Semyagin, D.V. Dmitriev, A.I. Toropov, A.K. Gutakovskii, S.E. Khandarkhaeva, I1.P. Prosvirin, A.V. Kalinkin, V.I. Bukhtiyarov, and A. V. Latyshev. Ferromagnetic HfO2/Si/GaAs interface for spin-polarimetry applications// Journal: Applied Physics Letters - 2015. - V.107. N 2. - P.123506.

11. Ponomarev A. N., Egorushkin V. E., Melnikova N. V., Bobenko N.G. On the low-temperature anomalies of specific heat in disordered carbon nanotubes // Physica E. 2015, V.66, Pp. 13-17.

12. Ponomarev A. N., Egorushkin V. E., Melnikova N. V., Bobenko N.G. On the low-temperature anomalies of specific heat in disordered carbon nanotubes // Physica E. 2015, V.66, Pp. 13-17

13. A.V. Bakulin, T.I. Spiridonova, S.E. Kulkova, S. Hocker, S. Schmauder. Hydrogen diffusion in doped and undoped α-Ti: An ab-initio investigation // Int. J. Hydrogen Energy. - 2016. - V. 41. - P. 9108-9116.

14. М.Н. Кривошеина, С.В. Кобенко, М.А. Козлова, Е.В. Туч Особенности разрушения металлов и сплавов, характеризующихся высокой степенью анизотропии предельных деформаций при разрушении // Физ. мезомех. - 2016. - Т. 19. - № 4. - С. 74-81

15. Fa-Ping Ping, Qing-Miao Hu, Alexander V. Bakulin, Svetlana E. Kulkova, R. Yang. Alloying effects on properties of Al2O3 and TiO2 in connection with oxidation resistance of TiAl// Intermetallics - 2016. - V. 68. - P. 57-62.

16. L.J. Zhang, T.I. Spiridonova, S.E. Kulkova, R. Yang, Q.M. Hu. Atomic self-diffusion anisotropy of HCP metals from first-principles calculations // Comp. Mater. Sci. - 2017. - V. 128. - P. 236-242

17. А.В. Бакулин, А.М. Латышев, С.Е. Кулькова. Абсорбция и диффузия кислорода в сплаве Ti3Al // ЖЭТФ - 2017. - Т. 152, вып. 1(7). - C. 164-176.

18. А.М. Латышев, А.В. Бакулин, С.Е. Кулькова. Адсорбция кислорода на низко-индексных поверхностях сплава Ti3Al // Физика твердого тела - 2017. - Т. 59, вып. 9. - С. 1828-1842.

19. N.A. Valisheva, A.V. Bakulin, M.S. Aksenov, S.E. Khandarkhaeva, S.E. Kulkova. Passivation mechanism of the native oxide/InAs interface by fluorine // J. Chem. Phys. C - 2017. - V. 121, N 38. - P. 20744-20750

20. N. Melnikova, A. Murzashev, T. Nazarova, E. Shadrin, A. Ponomarev. The "rule of multiplicity of three": Does it work in carbon nanotubes?// Fullerenes Nanotubes and Carbon Nanostructures - 2017. - V. 25, N. 6. - P. 379-385.

21. V. E. Panin, V. E.,Egorushkin, N. S. Surikova, Y. I. Pochivalov. Shear bands as translation-rotation modes of plastic deformation in solids under alternate bending// Materials Science and Engineering A - 2017. - 703. - P. 451-460.

22. V. E. Egorushkin, V. E. Panin. Scale invariance of plastic deformation of the planar and crystal subsystems of solids under superplastic conditions//Physical Mesomechanics - 2017. - 20, N.1 - P. 1-9. https://doi.org/10.1134/S1029959917010015.

23. M. N. Krivosheina, S. V. Kobenko, E. V. Tuch, O. A. Kashin, A. I. Lotkov & Yu. A Khon, Fracture features of anisotropic materials at different impact velocities, European Journal of Computational Mechanics, 2017, 26:5-6, 609-621

24. A.V. Bakulin, T.I. Spiridonova, S.E. Kulkova, Atomic self-diffusion in TiNi, Computational Materials Science 148 (2018) 1-9.

25. Ye.Ye. Slyadnikov, Yu.A. Khon, P.P. Kaminskii, I.Yu. Turchanovskii. Formation and propagation of the temperature front during crystallization of the amorfous alloy Ti50Cu50 initiated by a volume thermal source/ Technical Physics 3 (2018) 374-379.

26. Yu.A. Khon, H. Zapolsky, P.P. Kaminskii, A.N. Ponomarev, Dynamical instability of Surface of Stressed Solids, Physics of the solid state 37 (2018).

27. S.S. Kulkov, A.V. Bakulin, S.E. Kulkova. Effect of boron on the hydrogen-induced grain boundary embrittlement in α-Fe // Int. J. Hydrogen Energy - 2018. - V. 43. - P. 1909-1925.

Связь с вузами

3 сотрудника лаборатории (С.Е. Кулькова, А.В. Бакулин,  Н.Г. Бобенко) преподают в ВУЗах г. Томска

Общественное признание

Хон Ю.А. - заслуженный деятель науки РФ.

Кулькова С.Е. - Ветеран СО РАН,  почетная грамота Российской академии наук, почетные грамоты ИФПМ и СО РАН, лауреат премии СО РАН (1984)