Методом проекционных присоединенных волн (PAW) в рамках теории функционала электронной плотности (DFT) изучена энергетика связи водорода с металлами IVB группы, а также взаимодействие водорода с примесями Зd-переходных и простых металлов (Al, Ga, Si, Ge). Установлено, что растворимость водорода в Ti, Zr и Hf увеличивается при их легировании металлами середины Зd-периода. Анализируется взаимосвязь между энергией взаимодействия водорода с примесью, искажениями решетки и электронной структурой исследуемых систем. Показано, что примеси не влияют на предпочтительность позиций сорбции водорода в титане, но могут изменять ее в цирконии и гафнии. Анализируется влияние примеси и водорода на электронную структуру металлов. Полученные результаты показали, что в изученных металлах взаимодействие водорода с примесями переходных и простых металлов определяются разными механизмами: притяжение водорода примесями переходных металлов обусловлено размерным эффектом, тогда как отталкивание водорода простыми металлами может быть связано с электронными факторами.

Исследованы особенности электронной и спиновой структуры тройного топологического изолятора Bi2Te2.4Se0.6, характеризующегося высокоэффективными термоэлектрическими свойствами, с использованием фотоэлектронной спектроскопии с угловым и спиновым разрешением, в сравнении с теоретическими расчетами, проведенными в рамках теории функционала плотности. Показано, что уровень Ферми для Bi2Te2.4Se0.6 располагается в энергетической запрещенной зоне и пересекает топологическое поверхностное состояние (конус Дирака). Теоретические расчеты электронной структуры поверхности демонстрируют, что характер распределения атомов Se на подрешетке Те—Se фактически не влияет на вид дисперсии поверхностного топологического электронного состояния. Спиновая структура этого состояния характеризуется геликоидальной спиновой поляризацией. Исследования поверхности Bi2Te2.4Se0.6 методом сканирующей туннельной микроскопии выявили атомарную гладкость поверхности образца, сколотого в условиях сверхвысокого вакуума, с величиной постоянной решетки ~4.23А. Показана стабильность дираковского конуса соединения Bi2Te2.4Se0.6 к напылению монослоя Pt на поверхность.

С использованием формализма теории функционала плотности проведены расчеты равновесных длин и энергии связи, частот колебаний, ширины HOMO-LUMO-щели, энергии магнитной анизотропии для однокомпонентных и двухкомпонентных димеров тяжелых p-элементов с выраженным релятивистским эффектом IV (Sn, Pb), V (Sb, Bi) и VI (Se, Те) групп. Показана необходимость учета спин-орбитального взаимодействия, которое оказывает существенное влияние на энергетические параметры кластеров. На основе анализа полученных данных установлено, что димеры Pb-Te, Pb-Se, Sn-Te, Sn-Se имеют наибольшую щель на уровне Ферми и обладают наименьшей реактивностью. Для всех однокомпонентных и двухкомпонентных димеров рассчитана энергия магнитной анизотропии и определено направление оси легкой магнетизации.

В рамках метода модельного функционала электронной плотности в предложенной схеме расчета многочастичных потенциалов межатомного взаимодействия рассчитаны термодинамические характеристики основного состояния упорядоченных и разупорядоченных фаз системы Ni-Al, в том числе сложных структур некубической симметрии. Проведенные расчеты хорошо согласуются с экспериментальными данными и позволяют объяснить закономерности образования сплавов в этой системе.

В рамках метода модельного функционала электронной плотности предложена методика расчета многочастичных потенциалов ммежатомного взаимодействия для бинарных сплавов. Получены выражения для полной энергии основного состояния металлов и сплавов. Показано, что по простоте расчетной схемы и быстроте вычислений данный подход не уступает методу погруженного атома, но в отличие от последнего имеет более строгое физическое обоснование.

В рамках метода, основанного на теории функционала электронной плотности, рассчитаны ударные адиабаты и изоэнтропы разгрузки Ni, Al и их упорядоченных сплавов NiA и Ni3A. Определены остаточные температура и объем полностью разгруженного материала при различных начальных состояниях на адиабате Гюгонио. Результаты расчетов адиабат для чистых металлов расходятся с известными экспериментальными данными не более чем на 15 %. Показано, что термодинамические параметры, характеризующие рассмотренные сплавы в условиях ударно-волнового эксперимента, близки к соответствующим значениям для чистого Ni и не являются концентрационными средними соответствующих характеристик чистых металлов.

В книге рассмотрены современные методы расчета межчастичного взаимодействия, электронной структуры и моделирования неупорядоченных структур. Особое внимание уделено методикам моделирования, основанным на методе сильной связи. Обсуждаются методы молекулярной динамики, обратного Монте-Карло, многогранников Вороного, а также Шоммерса и Реатто. Методом многогранников Вороного подробно исследуется структура ближнего порядка построенных моделей. Подробно рассмотрен развиваемый авторами метод моделирования неупорядоченных систем. Он применен для расчета электронной структуры и свойств некристаллических систем различных типов. Объяснено поведение электропроводности и магнитной восприимчивости металлического расплава при переходе металл-неметалл, а также температурная зависимость скорости звука. Рассмотрены развитые авторами аналитические методы расчета электронной структуры и магнитных свойств, основанные на использовании функций Грина в приближении сильной связи.

В рамках псевдопотенциального подхода изучена атомная и электронная структура четырех структурных реконструкций поверхности GaAs(001) - (4x2), оканчивающейся галлием. Рассчитаны полные, поверхностные и локальные плотности электронных состояний, зонные спектры, относительные поверхностные энергии рассматриваемых структур.

Атомная и электронная структура (001) и (110) границ раздела Cr(Ni)/NiAl исследована первопринципным методом псевдопотенциала в рамках теории функционала электронной плотности. Анализируются структурные и электронные факторы, определяющие адгезию на границах "металл-сплав". Расчеты электронных характеристик указывают на преимущественно металлически и ковалентный тип связи на границах раздела.

В рамках теории функционала электронной плотности на основе первых принципов проведен расчет электронной структуры и магнитных свойств границы раздела (110) между сплавом NiMnSb и GaAs в зависимости от конфигурации контактных атомов. Обнаружено, что две их шести возможных атомных конфигураций границы раздела обладает высокой степенью спиновой поляризации, которая достигает 100% для одной из изученных интерфейсных структур.

Полнопотенциальным методом присоединенных плоских волн была рассчитана электронная структура серии полупроводниковых соединений III-IV групп со структурой цинковой обманки. Используется несколько приближений для обменно-корреляционного потенциала. Показано, что равновесные параметры решетки и объемные модули упругости находятся в хорошем согласии с экспериментом, а ширина запрещенной щели очень чувствительна к выбору приближений для обменно-корреляционного потенциала.

Полнопотенциальным методом присоединенных плоских волн рассчитана электронная структура AL2O3 в структуре корунда в объеме и на поверхности (0001). используется также псевдопотенциальный подход и несколько приближений для обменно-корреляционного потенциала. Показано, что расчет воспроизводят структурные свойства в согласи с экспериментом. Обсуждается влияние релаксации поверхности на структуру поверхностных состояний.

Полно-потенциальным линейным методом присоединенных плоских волн исследована электронная структура сплавов Гейслера состава XYZ. Анализируются изменения в магнитных свойствах при возрастании концентрации Ni или Co в сплавах Ni(2–x)MnGa и Co(2–x)ZrSn. Показано, что полученные значения равновесных параметров решетки и магнитных моментов удовлетворительно согласуются с экспериментальными данными.

В рамках теории функционала электронной плотности рассчитаны электронная структура и магнитные свойства границы раздела (110) полуметаллического сплава Гейслера NiMnSb с полупроводниками в зависимости от конфигурации контактных атомов. Показано, что спиновая поляризация существенным образом зависит от атомной конфигурации атомов на контактах. Анализируется природа интерфейсных состояний на рассмотренных контактах. Получена практически 100%-ная спиновая поляризация для конфигурации с никелем и сурьмой, которые в сплаве занимают соответствующие позиции аниона и катиона в полупроводнике. Оценка энергии адгезии на границах раздела показала, что контакты с максимальной спиновой поляризацией имеют также наибольшую энергию адгезии и являются энергетически выгодными и стабильными. работа выполнена при частичной финансовой поддержке РФФИ (грант № 08-02-92201 ГФЕН_а) и проекта ИФПМ СО РАН 5.2.1.19. Расчеты в проводились на вычислительном кластере СКИФ Cyberia в Томском гос. университете.

Полнопотенциальным методом присоединенных плоских волн мы изучили электронную структуру объемного и дефектного никеля, содержащего границу наклона Sigma5(210) TiNi с границей Sigma5(310). Анализируются рассчитанные спектры характеристических потерь энергии электронами, рентгеновские спектры абсорбции и эмиссии в никеле и никелевых сплавах в зависимости от состава, структуры и дефектности. Полученные электронные спектры эмиссии и абсорбции находятся в хорошем согласии с известными экспериментальными данными.??.

Методами растровой и просвечивающей электронной микроскопии проведены исследования эволюции структуры ультрамелкозернистого молибдена в условиях одновременного воздействия внешнего приложенного напряжения и зернограничных диффузионных потоков атомов никеля с поверхности. Изучена кинетика и определены значения энергии активации инициированной диффузией никеля рекристаллизации ультрамелкозернистого молибдена.

Представлены результаты систематического анализа атомной и электронной структуры границ раздела для двух серий изоэлектронных металлов в зависимости от окончания оксидной подложки и конфигурации металлических пленок. Расчеты выполнены методом псевдопотенциала в плосковолновом базисе. Рассчитана энергия адгезии металлических пленок в зависимости от плоскости разрыва. Показано, что энергия адгезии максимальная на кислородном интерфейсе, что обусловлено ионной составляющей в химической связи на данной границе раздела. Для алюминиевого и обогащенного алюминием интерфейса характерен металлический тип связи. Проведен анализ локальных плотностей электронных состояний и зарядового распределения вблизи границ раздела. Показано, что появление кислородных вакансий на границах раздела существенно ослабляет адгезию за счет частичного разрыва Me-O-связей.

Анализ особенностей электронной структуры, необходимых для формирования спектра структурных состояний в сплавах, указал на ряд закономерностей, присущих таким системам. Теоретически и экспериментально рассмотрены типы структурных состояний, которые могут реализоваться в условиях неустойчивости всей системы в целом или отдельной фазовой структурной составляющей.

В рамках линейного метода МТ-орбиталей в приближении атомной сферы с коррекцией на их перекрывание проведен самосогласованный расчет электронной структуры кубической фазы дигидрида циркония. Рассчитана электронная структура нестехиометрического ZrH1.75. Исследовано влияние вакансии по водороду на электронные характеристики. В приближении малой позитронной плотности рассчитаны спектр позитронов, время жизни позитрона и клады в процесс электронно-позитронной аннигиляции различных электронных состояний. Получено удовлетворительное согласие с имеющимися теоретическими и экспериментальными данными.

Представлены результаты теоретического исследования электронной структуры четырехкомпонентных природных минералов PbBi2Te2S2 (алексит), Pb2Bi2Te2S3 (саддлебакит) и PbBi4Te4S3 (фаза С). Эти соединения имеют слоистую структуру: алексит и саддлебакит формируются семислойными и девятислойными блоками соответственно, а фаза С - чередующимися пяти- и семислойными блоками, разделенными ван-дер-ваальсовыми промежутками. Показано, что рассматриваемые материалы являются трехмерными топологическими изоляторами с широкой запрещенной щелью в электронном спектре и обладают большой спиновой поляризацией. Это делает их привлекательными с точки зрения практических приложений.

Рассмотрены алгоритмы автоматической идентификации вихревых структур, возникающих в деформируемом твердом теле. Исходные векторные поля смешений, характеризующие формоизменение твердого тела, регистрируются методом корреляции цифровых изображений. В качестве критериев идентификации вихрей предложено использовать циркуляцию и функционал, связанный с ортогональностью вектора и его радиус-вектора. Рассмотрено их применение на примере модельных векторных полей с вихрями ротационного и безротационного типов. Работа алгоритмов показана на примере поля смещений, характеризующего течение материала сварного соединения стали 10Г2С. Продемонстрирована роль конечных размеров скользящего окна. Предложены дополнительные критерии, помогающие выделить вихревые структуры.

Методами просвечивающей дифракционной электронной и растровой микроскопии и методом рентгеноструктурного анализа проведено исследование структуры деформированного при различных температурах (Т) сплава Ni3Al, легированного B и Hf. Сплав был приготовлен методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС). Исследования выполнены для степени деформации, соответствующей пределу текучести сплава (s0.2). Выбор температуры деформации определялся видом аномальной зависимости s0,2 = f (Т) исследуемого сплава, а именно: 20 и 5900С (до пика предела текучести), 7600С (вблизи пика предела текучести) и 1000°C (за пиком предела текучести). Изучена зеренная структура. Измерены параметр кристаллической решетки и степень дальнего атомного порядка. Определен фазовый состав сплава. Выявлено влияние легирования бором и гафнием на морфологию структуры сплава. Изучена дефектная структура, измерены плотность дислокаций и внутренние напряжения.

Изложены физические основы теории металлического состояния, освещаются вопросы структуры чистых металлов, твердых растворов и интерметаллических соединений, электронная и кристаллическая структура металлов и сплавов. Рассматриваются основы термодинамики, принципы построения диаграмм состояния и теория диффузии, основные вопросы теории затвердевания: гомогенное и гетерогенное зарождение, рост дендритных и ячеистых кристаллов и т. д. Для научных работников, занятых в области физики металлов, металловедов, работников заводских лабораторий, а также преподавателей, аспирантов и студентов старших курсов металлургических и машиностроительных институтов.

В книге дается изложение теории фазовых превращений в твердых растворах и ее приложений к проблеме формирования кристаллической структуры упорядоченных фаз замещения и внедрения и субструктуры гетерофазных сплавов. Важное место в книге занимает сопоставление результатов теоретического анализа и данных рентгеноструктурного, нейтронноструктурного и элетронномикроскопического экспериментов. В частности, рассматривается проблема расшифровки картин электронной микродифракции с помощью метода статических концентрационных волн, проблема габитуса и формы выделений новой фазы, их ориентационные соотношения и пространственное расположение. Подробно разбирается доменный механизм и морфология модулированных структур в распадающихся твердых растворах.

Рассмотрены экспериментальные данные о структуре и некоторых свойствах жидких и аморфных металлов и сплавов: модели, позволяющие описывать структуру и свойства этих объектов; статистическая теория структуры жидкостей (одно- и многокомпонентных), в частности жидких металлов. Значительное место уделено расчетам структуры и свойств (термодинамических свойств и подвижности атомов) с помощью ЭВМ при использовании методов интегральных уравнений статистической теории жидкостей, вариационных методов и прямого моделирования на ЭВМ. Обсуждаются вопросы более полного описания ближнего порядка в неупорядоченных системах, в частности с помощью учета угловых корреляций в расположении атомов. Для научных работников научно-исследовательских и учебных институтов, заводских лабораторий металлургической промышленности и специалистов металлургических предприятий.

Книга представляет собой учебник физики повышенного типа для вузов. Главной особенностью изложения является подчеркивание тесной связи микроскопической структуры вещества с его макроскопическими характеристиками. Эту тесную связь авторы считают главной отличительной чертой современной физики. Книга состоит из пяти частей. В первой части излагаются дополнительные сведения из механики, в том числе вопрос о рассеянии частиц. Во второй части изложены вопросы кинетической теории материи, не требующие привлечения квантовой механики, такие как уравнение состояния газа, явления переноса свойства плазмы, дефекты в кристаллах и др. В третьей части кратко изложены основы квантовой механики. В четвертой части трактуются вопросы атомной физики и физики твердого тела, теория которых существенно базируется на квантовой механике. Это - структура атомов и молекул, вырожденный электронный газ и зонная теория . В пятой части кратко изложены основы физики ядра и элементарных частиц. Книга является оригинальной как по отбору материала, так и по методике его изложения. В конце каждого раздела имеется несколько хорошо подобранных задач. Для понимания книги достаточно уметь дифференцировать, интегрировать и иметь элементарные понятия о теории вероятностей, о векторной алгебре и о математическом анализе для функций нескольких переменных.

Методом просвечивающей электронной микроскопии проведено исследование особенностей структурных состояний, формирующихся в сплаве V-4%Ti-4%Cr, в зависимости от режимов его термомеханической обработки с применением метода многократного всестороннего прессования. Показано, что использование этого метода позволяет модифицировать гетерофазную и зеренную (субзеренную) структуру сплава и существенно повысить характеристики его прочности и пластичности.

Проведено сравнительное исследование структурных состояний, формирующихся в ОЦК сплавах на основе V и Mo-Re после больших пластических деформаций кручением на наковальнях Бриджмена и прокатной при комнатной температуре. Методами просвечивающие электронной микроскопии определены количественных параметры зеренной и дефектной структуры. Показано, что характерной особенностью исследованных материалов является формирование после больших степеней деформации двухуровневых структурных состояний - субмикрозерен размерами не более 200 нм с высокоугловыми границами, фрагментированных на нанокристаллы размерами от 5 до 20 нм с малоугловыми разориентировками.

Методом просвечивающей электронной микроскопии проведено исследование особенностей структурных состояний, формирующихся в сплава V-4%Ti-4%Cr в зависимости от режимов его термомеханической обработки с применением метода многократного всестороннего прессования. Показано, что использование этого метода позволяет модифицировать гетерофазную и зеренную (субзеренную) структуру сплава и существенно повысить характеристики его прочности и пластичности.

Представлены результаты первопринципных расчетов методами теории функционала электронной плотности атомной и электронной структуры Pd с симметричными границами наклона. Обсуждается сорбция водорода на границах зерен и соответствующих свободных поверхностях. Анализируется влияние примесей d-металлов на сорбцию водорода на границах зерен. Установлено, что на поверхности (210) предпочтительной является сегрегация примесей d-металлов на террасах, тогда как на поверхности (310) более энергетически выгодной является сегрегация металлов на ступенях поверхности. Сравнительное исследование влияния водорода на подвижность дефектов к границам наклона и соответствующим им свободным поверхностям показало существенное увеличение сегрегации примесей. В присутствии водорода становится возможной сегрегация примесей как на узлы ступени, так и на террасные узлы поверхностей.

Количественный анализ параметров зернограничных ансамблей твердых растворов Cu—Al и Cu—Mn проведен методами оптической металлографии и растровой электронной микроскопии с применением дифракции обратно рассеянных электронов. Обоими методами установлено, что с уменьшением энергии дефекта упаковки в твердых растворах замещения увеличиваются как доля всех специальных границ в зернограничном ансамбле так и доля двойниковых границ сигма3 в спектре специальных границ.