Лаборатория физики поверхностных явлений

Краткая историческая справка о подразделении

Лаборатория физики поверхностных явлений создана 18 апреля 1990 г. Первым руководителем лаборатории являлся д.ф.-м.н. Чулков Е.В. (с 1997 г. Чулков Е.В. работает в Институте "The Donostia International Physics Center", г. Сан-Себастиан, Испания). С 1997 по 2001 гг. лабораторию возглавлял д.ф.-м.н. Наумов И.И. (с 2001 г. Наумов И.И. работает в США в Геофизической лаборатории Вашингтонского института Карнеги (Geophysical Laboratory, Carnegie Institution of Washington, Washington DC). Начиная с 2005 г. заведующим лабораторией является д.ф.-м.н. Панин А.В.

Области исследований, направления фундаментальных исследований

• Компьютерное моделирование атомных, электронных, магнитных и динамических свойств упорядоченных поверхностных наноструктур и нанокластеров
• Разработка многоуровневой модели деформации и разрушения поверхностно-упрочненных материалов.
• Исследование многоуровневого характера деградации тонких пленок и наноструктурных покрытий при различных внешних воздействиях
• Разработка физических принципов конструирования износостойких многослойных покрытий на основе нитридов переходных металлов с использованием многоуровневых компьютерных моделей и их экспериментальной валидации
• Разработка аддитивных технологий получения металлических изделий, а также их термической и механической постобработок.

Задачи, решаемые в рамках этих направлений

Теоретическое исследование атомных и электронных свойств внутренних и внешних границ раздела (кристаллическая структура, характер химической связи, колебательные и электронные спектры, поля упругих напряжений, энергия образования и миграции точечных дефектов). Исследование структурных и динамических характеристик поверхностей металлов при нанесении субмонослойных покрытий. Изучение влияния состояния поверхности и внешних воздействий на свойства низкотемпературных структур.

Теоретическое и экспериментальное исследование закономерностей локализации пластической деформации и механизмов разрушения на разных масштабных уровнях конструкционных материалов (титан и его сплавы, цирконий и его сплавы, малоактивируемая сталь ЭК-181 и др.) с модифицированными поверхностными слоями.

Исследование механизмов деформации и разрушения тонких пленок и многослойных многокомпонентных покрытий при пропускании электрического тока, термическом и механическом нагружении. Разработка критериев диагностики предразрушения наноструктурных покрытий и рекомендации по увеличению их надежности.

Разработка научных основ конструирования многослойных многокомпонентных покрытий по схеме «снизу-вверх», заключающихся во взаимосвязанном и согласованном использовании трех разномасштабных методик научных исследований, а, именно, проведение первопринципных расчетов электронной структуры многокомпонентных систем; построение на их основе компьютерной модели механического поведения материала с многослойным многокомпонентным покрытием и экспериментальную валидацию результатов теоретических исследований. Применение данного подхода позволяет обосновать оптимальные элементный и фазовый составы, толщину и количество отдельных слоев, обеспечивающие повышенные физико-механические и триботехнические характеристики многокомпонентных покрытий.

Разработка технологий 3D-печати металлических изделий методом электронно-лучевого сплавления, и обоснование возможности повышения механических и трибологических характеристик изделий, сформированных аддитивными технологиями, за счет наноструктурирования их поверхностных слоев.

Состав подразделения Общая численность 12 человек, в том числе: - 6 доктор наук, - 4 кандидатов наук, - 1 молодой научный сотрудник (до 33 лет)

Важнейшие научные результаты

Проведено систематическое изучение материалов с сильным спин-орбитальным взаимодействием, предсказано нескольких новых классов трехмерных топологических изоляторов, предложены принципы конструирования двумерных топологических изоляторов на основе материалов с большим рашбовским расщеплением и гетероструктур на основе топологических изоляторов в сочетании с нормальными и магнитными изоляторами.

С использованием теоретических методов (модельных и ab initio) и компьютерного моделирования проведено исследование электронных, структурных и колебательных свойств низкоразмерных твердотельных систем: поверхностей, адсорбатов и их кластеров, тонких плёнок, многослойных гетероструктур. Подробно изучены спин-расщеплённые электронные состояния, позволяющих манипулировать спином носителей тока посредством приложенного электрического поля. Полученные результаты успешно применяются в ведущих зарубежных научных центрах при конструирования новых перспективных материалов для наноэлектроники и спинтроники.

Разработаны физические принципы конструирования износостойких многослойных покрытий на основе нитридов переходных металлов по схеме «снизу-вверх». Данный подход включает в себя теоретический расчет фундаментальных параметров микроструктуры многокомпонентных покрытий в зависимости от их химического и фазового составов на основе первых принципов, многоуровневое моделирование их механического отклика в условиях контактного взаимодействия, в явном виде учитывающее характеристики, полученные из первопринципных расчетов, и экспериментальную валидацию результатов теоретических исследований. Разработаны компьютерные модели, позволяющие обосновать оптимальные элементный и фазовый составы многокомпонентных покрытий, а также толщину, состав и количество отдельных слоев в их многослойных композициях, которые обеспечат повышение термической стабильности, физико-механических и триботехнических характеристик многослойных многокомпонентных покрытий.

Проведено теоретическое и экспериментальное обоснование концепции многоуровневого описания деформируемого твёрдого тела как нелинейной иерархически организованной системы. Выявлен многоуровневый характер пластической деформации модифицированных поверхностных слоев конструкционных материалов, подвергнутых обработке непрерывными или импульсными электронными пучками и последующему одноосному растяжению. Показано, что основным механизмом пластической деформации модифицированных поверхностных слоев является сдвиг под действием максимальных касательных напряжений. Дислокационные механизмы деформации являются эффективным способом аккомодации материального поворота, вызванного смещением одной части кристалла относительно другой. Распространение некристаллографических сдвигов в модифицированных поверхностных слоях, имеющих неравновесную мартенситную структуру, связано с пластической дисторсией кристаллической решетки и развитием обратимых структурно-фазовых превращений. Разрушение материала необходимо квалифицировать как структурно-фазовый распад кристаллической решетки, связанный с развитием механизмов пластической дисторсии в зонах высокой локальной кривизны кристаллической решетки.

Разработана многоуровневая модель деформации и разрушения поверхностно-упрочненных материалов. Экспериментально и теоретически обоснована определяющая роль локальной кривизны поверхности и границы раздела «упрочненный поверхностный слой - объем материала» в зарождении кристаллических сдвигов в нагруженных поликристаллических конструкционных материалах. Сделано заключение, что локализованное пластическое течение всех видов может зарождаться и распространяться только в зонах растягивающих нормальных напряжений, где возникают сильно неравновесные состояния. Показано, что движение неравновесных точечных дефектов в зонах высокой локальной кривизны кристаллической решетки обусловливает вязкое некристаллографическое пластическое течение, растворение (или диспергирование) исходных фаз и возникновение неравновесных фаз в деформируемом материале. Возможность обратимых структурно-фазовых трансформаций в условиях сильной кривизны кристаллической решетки позволяет получить эффект значительного возрастания усталостной долговечности поликристаллических материалов при наноструктурировании их поверхностных слоев.

Разработаны технологические приемы получения изделий из титана и его сплавов методом электронно-лучевого плавления проволоки и/или порошка соответствующего состава. На основе расчетов нестационарных температурных полей, формирующихся в процессе аддитивного наращивания изделий, разработаны физические принципы 3D-печати изделий из титанового сплава Ti-6Al-4V, а также их постобработки путем их облучения импульсными/непрерывными электронными пучками. Продемонстрирована определяющая роль структурно-фазового состояния поверхности нагруженных твердых тел, в частности, изделий, полученных методами аддитивных технологий, в процессах их пластической деформации и, соответственно, в формировании их механических свойств при динамическом, циклическом и статическом нагружениях, а также изнашивании в парах трения.

Проекты, гранты, договора

Программа фундаментальных исследований СО РАН на 2017-2020 гг. проект № 23.1.1 «Мезомеханика самоорганизации процессов в мультискейлинге нелинейных иерархических структур и научные основы аддитивных технологий создания многослойных материалов» (руководитель - академик РАН Панин В.Е.).

Программа фундаментальных исследований СО РАН на 2017-2020 гг. проект № 23.1.3 «Научные основы многоуровневого подхода к мониторингу, оценке механического состояния и диагностике предразрушения конденсированных сред и мягкой материи (soft matter)» (руководитель - д.т.н. Панин С.В.)

Комплексная программа фундаментальных исследований СО РАН «Междисциплинарные интеграционные исследования» на 2018-2020 гг. «Разработка принципиально новых аддитивных технологий обработки конструкционных материалов и их сварных соединений для экстремальных условий нагружения» (руководитель - академик РАН. Панин В.Е.).

Проект совместных исследований Сибирского отделения РАН и Министерства науки и техники (MOST) Тайваня «Разработка научных основ создания перспективных теплозащитных и износостойких многокомпонентных покрытий» (2017-2019 гг., руководитель - д.ф.-м.н. Панин А.В.)

Проект ФЦП «Разработка научных основ нового метода постобработки изделий, сформированных аддитивными технологиями, основанного на комбинированном импульсном высокочастотном многоуровневом механо-электрофизическом воздействии» (2018-2020 гг., руководитель д.т.н. Панин С.В.)

Грант Российского научного фонда № 17-79-10362 «Исследование механизмов деформации и разрушения титанового сплава Ti-6Al-4V с наноструктурным поверхностным слоем» (2017-2019 гг., руководитель - к.т.н. Синякова Е.А.)

Грант Российского научного фонда № 18-19-00559 «Разработка научных основ постобработки 3D-напечатанных изделий из титанового сплава ВТ6, обеспечивающей их высокие механические и трибологические свойства» (2018-2020 гг., руководитель - д.ф.-м.н. Панин А.В.)

Грант Российского научного фонда № 18-19-00589 «Разработка физических принципов конструирования износостойких многослойных покрытий на основе нитридов переходных металлов с использованием многоуровневых компьютерных моделей и их экспериментальной валидации» (2018-2020 гг., руководитель - д.ф.-м.н. Дмитриев А.И.)

Грант Российского научного фонда № 18-12-00169 «Управление электронными свойствами топологически нетривиальных фаз» (2018-2020 гг., руководитель - д.ф.-м.н. Еремеев С.В.)

Проект РФФИ 18-38-00569-мол_а «Влияние кривизны поверхности образцов титанового сплава Ti-6Al-4V, полученных методом 3D-печати, на характер разрушения керамических покрытий» (2018-2019 гг. руководитель - к.ф.-м.н. Мартынов С.А.)

Проект РФФИ 18-48-700009 р_а «Исследование влияния микроструктуры, формирующейся в титановых сплавах ВТ1-0 и Ti-6Al-4V в процессе 3D печати, на закономерности локального массопереноса при скретч-тестировании» (2018-2020 гг., руководитель - д.ф.-м.н. Шугуров А.Р.)

Важнейшие публикации

Монографии

1. Перевалова О.Б., Коновалова Е.В., Конева Н.А., Козлов Э.В. Влияние атомного упорядочения на зернограничные ансамбли ГЦК-твердых растворов. - Томск: Изд-во НТЛ, 2014. - 248 с.

2. Ультразвуковая обработка конструкционных материалов / под ред. А.В. Панина. - Томск: Издательский Дом Томского государственного университета, 2016. - 170 с.

Статьи в журналах

1. Papagno M., Eremeev S.V, Fujii J., Aliev Z.S., Babanly M.B., Mahatha S. Kr., Vobornik I., Mamedov N.T, Pacilé D., and Chulkov E.V. Multiple Coexisting Dirac Surface States in Three-Dimensional Topological Insulator PbBi6Te10 // ACS Nano. - 2016. - 10. - P. 3518-3524.

2. Maass H., Bentmann H., Seibel C., Tusche C., Eremeev S.V., Peixoto Thiago R.F., Tereshchenko O.E., Kokh K.A., Chulkov E.V., Kirschner J., and Reinert F. Spin-texture inversion in the giant-Rashba semiconductor BiTeI // Nature Communications. - 2016. - 7. - 11621.

3. Eremeev S.V., Rusinov I.P., Echenique P.M., and Chulkov E.V. Temperature-driven topological quantum phase transitions in a phase-change material Ge2Sb2Te5 // Scientific Reports. - 2016. - 6. - 38799.

4. Gruznev D.V., Bondarenko L.V., Matetskiy A.V., Mihalyuk A.N., Tupchaya A.Y., Utas O.A., Eremeev S.V., Hsing Ch.-R., Chou J.-P., Wei Ch.-M., Zotov A.V., Saranin A.A. Synthesis of two-dimensional Tl_xBi_1-x compounds and Archimedean encoding of their atomic structure // Scientific Reports. - 2016. - 6. - 19446.

5. Rusinov I.P., Menshchikova T.V., Isaeva A., Eremeev S.V., Koroteev Yu.M., Vergniory M.G., Echenique P.M., Chulkov E.V. Mirror-symmetry protected non-TRIM surface state in the weak topological insulator Bi2TeI // Scientific Reports. - 2016. - 6. - 20734.

6. Kozelskaya A.I., Panin A.V., Khlusov I.A., Mokrushnikov P.V., Zaitsev B.N., Kuzmenko D.I., Vasyukov G.Yu. Atomic force microscopy and fluorescence analysis of red blood cells treated by metal oxide nanoparticles // Toxicology in Vitro - 2016. - 37. - 34-40.

7. Hirahara T., Eremeev S.V., Shirasawa T., Okuyama Yu., Kubo T., Nakanishi R., Akiyama R., Takayama A., Hajiri T., Ideta Sh., Matsunami M., Sumida K., Miyamoto K., Takagi Ya., Tanaka K., Okuda T., Yokoyama T., Kimura Sh., Hasegawa Sh., Chulkov E.V. Large-Gap Magnetic Topological Heterostructure Formed by Subsurface Incorporation of a Ferromagnetic Layer // Nano Lett. - 2017. - 17. - P. 3493-3500.

8. Eremeev S.V., Nechaev I.A., Chulkov E.V. Two- and three-dimensional topological phases in BiTeX compounds. // Phys.Rev. - 2017. - B. 96. - 155309.

9. Panin A.V., Kazachenok M.S., Kozelskaya A.I., Balokhonov R.R., Romanova V.A., Perevalova O.B., Pochivalov Yu.I. The effect of ultrasonic impact treatment on the deformation behavior of commercially pure titanium under uniaxial tension // Materials and Design. - 2017. - V. 117. - P. 371-381.

10. Romanova V., Balokhonov R., Panin A., Kazachenok M., Kozelskaya A. Micro- and mesomechanical aspects of deformation-induced surface roughening in polycrystalline titanium // Materials Science and Engineering: A. - 2017. - V. 697. - P. 248-258.

11. Panin V.E., Egorushkin V.E., Elsukova T.F., Surikova N.S., Pochivalov Y.I., Panin A.V. (2018) Multiscale Translation-Rotation Plastic Flow in Polycrystals. In: Schmauder S., Chen CS., Chawla K., Chawla N., Chen W., Kagawa Y. (eds) Handbook of Mechanics of Materials. Springer, Singapore (https://doi.org/10.1007/978-981-10-6855-3_77-1).

12. Pushilina N., Panin A., Syrtanov M., Kashkarov E., Kudiiarov V., Perevalova O., Laptev R., Lider A. and Koptyug A. Hydrogen-Induced Phase Transformation and Microstructure Evolution for Ti-6Al-4V Parts Produced by Electron Beam Melting // Metals. - 2018. - 8. - P. 301.

13. Shugurov A.R, Panin A.V, Dmitriev A.I., Nikonov A.Yu. The effect of crystallographic grain orientation of polycrystalline Ti on ploughing under scratch testing // Wear. - 2018. - V. 408-409. - P. 214-221.

14. Annese E., Okuda T., Schwier E.F., Iwasawa H., Shimada K., Natamane M., Taniguchi M., Rusinov I.P., Eremeev S.V., Kokh K.A., Tereschchenko O.E., Chulkov E.V., and Kimura A. Electronic and spin structure of wide bandgap topological insulator: Nearly stoichiometric Bi₂Te₂S // Phys.Rev. - 2018. - B. 97. - 205113.

15. Eremeev S.V., Otrokov M.M., and Chulkov E.V. New Universal Type of Interface in the Magnetic Insulator/Topological Insulator Heterostructures // Nano Lett. - 2018. - 18. - P. 6521-6529.

16. Potekaev A.I., Naumov I.I. Kulagina V.V., Udodov V.N., Velikokhatnyii O.I., Eremeev S.V., and Popov A.A. Low-stability metallic-based nanostructures / executive editor A.I. Potekaev. - Tomsk: Scientific Technology Publishing House, 2018. - 236 p.

17. Otrokov M.M., Klimovskikh I.I., Bentmann H., Estyunin D., Zeugner A., Aliev Z.S., Gaß S., Wolter A.U.B., Koroleva A.V., Shikin A.M., Blanco-Rey M., Hoffmann M., Rusinov I.P., Vyazovskaya A.Yu., Eremeev S.V., Koroteev Yu.M., Kuznetsov V.M., Freyse F., Sánchez-Barriga J., Amiraslanov I.R., Babanly M.B., Mamedov N.T., Abdullayev N.A., Zverev V.N., Alfonsov A., Kataev V., Büchner B., Schwier E.F., Kumar S., Kimura A., Petaccia L., Di Santo G., Vidal R.C., Schatz S., Kißner K., Ünzelmann M., Min C.H., Moser S., Peixoto T.R.F., Reinert F., Ernst A., Echenique P.M., Isaeva A., Chulkov E.V. Prediction and observation of an antiferromagnetic topological insulator // Nature. - 2019. - 576. - 416.

18. Borisova S.D., Rusina G.G., Eremeev S.V. and Chulkov E.V. Phonons on Cu(001) surface covered by submonolayer alkali metals // J. Phys.: Condens. Matter. - 2019. - 31. - 125001.

19. Otrokov M.M., Rusinov I.P., Blanco-Rey M., Hoffmann M., Vyazovskaya A.Yu., Eremeev S.V., Ernst A., Echenique P.M., Arnau A., Chulkov E.V. Unique Thickness-Dependent Properties of the van der Waals Interlayer Antiferromagnet MnBi2Te4 Films // Phys. Rev. Lett. - 2019. - 122. - 107202.

20. Dmitriev A.I., Nikonov A.Yu., Shugurov A.R., Panin A.V. Numerical study of atomic scale deformation mechanisms of polycrystalline titanium subjected to scratch testing // Applied Surface Science. - 2019. - V. 471. - P. 318-327.

21. Sinyakova E.A., Panin A.V., Perevalova O.B., Shugurov A.R., Kalashnikov M.P., Teresov А.D. The effect of phase transformations on the elastic recovery of pulsed electron beam irradiated Ti-6Al-4V titanium alloy during scratching // Journal of Alloys and Compounds. - 2019. - V. 795. - P. 275-283.

22. Panin A.V., Kazachenok M.S., Perevalova O.B., Martynov S.A., Panina A.A., Sklyarova E.A. Continuous electron beam post-treatment of EBF³-fabricated Ti-6Al-4V pats // Metals. - 2019. - 9(6). - 699.

23. Panin A.V., Shugurov A.R., Kazachenok M.S., Sergeev V.P. Improvement of Thermal Cycling Resistance of Al_xSi_1-xN Coatings on Cu Substrates by Optimizing Al/Si Ratio // Materials. - 2019. - 12(14). - 2249.

24. Shugurov A., Kuzminov E., Kasterov A., Panin A., Dmitriev A. Tuning of mechanical properties of Ti_1-xAl_xN coatings through Ta alloying // Surface & Coatings Technology. - 2020. - V.382. - 125219.

25. Eremeev S.V., Shugurov A.R. Chemical bonding analysis in Ti_1-x-yAl_xTa_yN solid solutions // Surf. Coat. Technol. - 2020. - V. 395. - 125803.

26. Шугуров А.Р., Панин А.В. Механические напряжения в тонких пленках и покрытиях // ЖТФ. - 2020. - Т. 90. - 12. - С. 1971-1994.

27. Panin A.V., Kazachenok M.S., Sinyakova E.A., Builuk A.O., Martynov S.A., Panin S.V., Berto F. Improving mechanical properties of wire-based EBAM Ti-6Al-4V parts by adding TiC powders // Mat.Design Process Comm. - 2020. - 1-6.

28. Korchagin M.A., Dudina D.N., GavrilovA.I., Bokhonov B.B., Bulina N.V., Panin A.V., Lyakhov N.Z. Сombustion of titanium-carbon black high-energy ball-milled mixtures in nitrogen: formation of titanium carbonitrides at atmospheric pressure // Materials 2020, 13, 1810;

29. Klimovskikh I.I., Otrokov M.M., Estyunin D., Eremeev S.V., Filnov S.O., Koroleva A., Shevchenko E., Voroshnin V., Rybkin A.G., Rusinov I.P., Blanco-Rey M., Hoffmann M., Aliev Z.S., Babanly M.B., Amiraslanov I.R., Abdullayev N.A., Zverev V.N., Kimura A., Tereshchenko O.E., Kokh K.A., Petaccia L., Santo G.Di, Ernst A., Echenique P.M., Mamedov N.T., Shikin A.M., Chulkov E.V. Tunable 3D/2D magnetism in the (MnBi2Te4)(Bi2Te3)m topological insulators family // npj Quantum Materials. - 2020. - 5. - 54.

Ресурсы

- атомно-силовой микроскоп СММ 2000, Россия

- вибромагнитометр ВМ-23К, Россия

 - измеритель напряжений в тонких пленках FLX-2320-S Film Stress Measurement System, Япония

 - установка для нанесения покрытий и тонких пленок методом магнетронного распыления, Россия

- оборудование для аддитивного производства металлических изделий из проволоки и порошка на базе модернизированной установки для электронно-лучевой сварки 6Е400, Россия 

- оборудование для аддитивного производства металлических изделий из проволоки на базе модернизированной установки для электронно-лучевой сварки ЭЛУ-5, Россия

- установка для импульсной высокочастотной механо-электрофизической постобработки металлических изделий, Россия

Связь с вузами

Д.ф.-м.н. Панин А.В. и д.ф.-м.н. Коротеев Ю.В. читают лекции и ведут практические занятия у студентов Отделения экспериментальной физики Инженерной школы ядерных технологий ФГАОУ ВО «Национальный исследовательский томский политехнический университет».

Под руководством сотрудников лаборатории студенты, магистранты и аспиранты ТГУ и ТПУ выполняют научно-исследовательские работы.

Общественное признание

Панин А.В. награжден почетными грамотами Российской академии наук, Президиума СО РАН, Администрации Томской области, мэра г. Томска и др. Он является лауреатом премии имени акад. В.Д. Кузнецова Президиума СО РАН, Благотворительного фонда содействия отечественной науке, Государственной думы Томской области, Администрации Томской области и др.

Коллектив белорусских и сибирских ученых, в состав которого входит Панин А.В., стал лауреатом премии имени академика Валентина Коптюга 2020 года за цикл работ «Управление в ресурсосберегающих технологиях наследованием свойств и обеспечением качества материалов и поверхностей изделий».

Еремеев С.В. награжден благодарностью ФАНО России, почетными грамотами Президиума СО РАН и Администрации Томской области, премией Томской области в сфере образования, науки, здравоохранения и культуры

Еремеев С.В., Коротеев Ю.М. являются лауреатами премия Международной академической издательской компании "Наука/Интерпериодика" за 2011 год в разделе «физика и математика» за цикл статей по физике топологических изоляторов.

Список патентов

Патент на изобретение № 2716926 «Способ комплексной упрочняющей обработки изделия из титанового сплава Ti-6Al-4V, полученного методом аддитивного производства» (авторы: Панин А.В., Панин С.В., Мартынов С.А., Буслович Д.Г., Казаченок М.С., Синякова Е.А.), Патент РФ, Заявка № 2019134357/02(067758), Дата подачи заявки 28.10.2019. Дата регистрации:17.03.2020.