Історія кафедри фізики металів

logo_kfm3

Кафедра фізики металів заснована у 1963 році з ініціативи Ярослава Йосиповича Дутчака. Кафедра була створена під назвою рентгеноструктурного аналізу і фізики металів. Змінюючи двічі свою назву, з врахуванням напрямків наукових досліджень і потребами у підготовці фахівців – перший раз у 1965 р. на кафедру рентгенометалофізики і у 1999 році на кафедру фізики металів функціонує безперервно до сьогоднішнього дня.

Відкриття кафедри рентгенометалофізики було зумовлене розвитком наукових досліджень у галузі структури і фізичних властивостей металів та необхідністю підготовки спеціалістів з фізики металів, потреба яких була пов’язана з розвитком енергетики і машинобудування в Західному регіоні України. Наукові дослідження з фізики металів спочатку велися на кафедрі експериментальної фізики, а з 1958 року – на кафедрі фізики твердого тіла, у лабораторіях (металографічна, рентгенографії рідких металів, рентгеноструктурного аналізу). Саме на базі цих лабораторій готували спеціалістів з спеціалізації “Фізика металів”. Організація напрямків наукових досліджень, створення навчальної та наукової матеріальної бази для підготовки спеціалістів тісно пов’язані з невтомною і цілеспрямованою роботою першого завідувача кафедри, професора, доктора фіз-мат. наук, лауреата Державної премії України в галузі науки і техніки Ярослава Дутчака, який очолював її протягом 25 років.

Кафедра готувала фахівців із спеціалізації “Фізика металів” у рамках спеціальності “Фізика” та фахівців із спеціалізації “Науково-технічна експертиза” у рамках спеціальності “Прикладна фізика”. Кількість студентів, що спеціалізувалася за цими спеціалізаціями у різні роки становила 20–25 осіб. Викладачі кафедри забезпечували вивчення таких дисциплін на фізичному факультеті: молекулярна фізика – для всіх спеціальностей; фізичне металознавство – для спеціальності “Фізика”; курс фізики – для студентів хімічного факультету.

Лабораторний практикум з курсу “Молекулярна фізика” був представлений на республіканську виставку народного господарства УРСР і був нагороджений золотою медаллю. Кафедра була ініціатором застосування ЕОМ у навчальному процесі та наукових дослідженнях і використовувала ЕОМ різних поколінь: “Промінь”, “Москва 2000”, “Електроніка 60 М”, “Електроніка Д3-28” і сучасні комп’ютери.

На кафедрі фізики металів постійно функціонувала потужна науково-дослідна група наукових працівників, які виконували держбюджетні, госпдоговірні теми. За час існування кафедри виконано понад 50 держбюджетних і госпдоговірних тем, зокрема, 10 з них – за Постановою Уряду. Госпдоговірні теми виконувалися на замовлення наукових установ та науково-виробничих об’єднань Києва, Москви, Санкт-Петербурга, Баку, Львова та інших. Щорічний обсяг госпдоговірної тематики складав понад 200 тис. крб.

В організації навчального процесу, в проведенні лабораторних робіт в спецлабораторіях та лабораторіях загального практикуму значну допомогу викладачам надавав допоміжний персонал.

Основні наукові напрямки та лабораторії

Структура та фізичні властивості металевих і напівпровідникових розплавів

Цю тематику започаткував на фізичному факультеті проф. А.Глауберман і доц. В.Цвєтков, її успішно розвинув проф. Ярослав Дутчак. Базуючись на кінетичній теорії рідин Я. Френкеля, А. Глауберман, який був його учнем, запропонував дифузійну модель розмиття кристалічної гратки при плавленні металів і підвищенні температури розплаву. Експериментально цю ідею перевірив В.Цвєтков, досліджуючи зміну координаційного числа у першій координаційній сфері у процесі плавлення і подальшого нагрівання. На основі дифракційних досліджень (Я.Дутчак, М.Клим, О.Миколайчук) показано, що елементи з рихлою упаковкою у деякому температурному інтервалі вище температури плавлення виявляють тенденцію до ущільнення атомів у ближній координаційній сфері, яке відбувається на базі структури ГЦК або щільної гексагональної гратки. Збільшення координаційного числа у першій координаційній сфері деяких елементів пов’язується з металізацією хімічних зв’язків у процесі плавлення. Елементи, які у твердому стані мають щільну упаковку, характеризуються металічним зв’язком у процесі плавлення і проявляють тенденцію до зменшення координаційного числа із підвищенням температури.

На основі гіпотетичних структур, які встановлено розмиттям вихідних кристалічних ґраток, згідно зі структурно-дифузійною моделлю для рідких Al, In, Pb, Sn, обчислена інтенсивність когерентного розсіювання за формулою Дебая. Зіставлення експериментальної і обчисленої інтенсивності когерентного розсіювання дало змогу оцінити розміри ділянок когерентного розсіювання, які мають лінійні розміри 20-25Å, а число розсіюючих атомів охоплює перші три координаційні сфери. Ці результати добре узгоджуються з величиною ділянок когерентного розсіювання, оціненого з півширини головного максимуму структурного фактора a(K) і є актуальними тепер для нанофізики.

Встановлено, що розплави подвійних систем на основі Al, Zn, Pb, Tl та ін. у розплавленому стані є складними за структурою, і мають мікронеоднорідний характер. Ступінь мікронеоднорідності залежить від геометричних розмірів атомів компонентів, особливостей хімічного зв’язку, інтегральної ентальпії змішування, електронегативності компонент.

Велика увага приділялась вивченню атомного розподілу евтектичних розплавів двокомпонентних і багатокомпонентних евтектичних систем. На підставі результатів рентгенівських досліджень атомного розподілу у розплавах вперше було показано, що складовими частинками евтектики у рідкому розплаві можуть виступати як окремі елементи так і структурні комплекси окремих сполук, які утворюються на основі елементів, які складають системи (Я.Дутчак, М.Клим, С.Мудрий, В.Френчко, В.Кланічка, О.Возняк).

Встановлено головні закономірності атомного розподілу у розплавах для систем, які у твердому стані не змішуються (Я.Дутчак, В.Гальчак, С.Вакарчук). У розплавленому стані в таких системах спостерігається широкий спектр структурних елементів від моноатомних угрупувань до короткоживучих флуктуацій та стійких угрупувань структурних комплексів.

Паралельно із структурними дослідженнями на кафедрі проводилися експериментальні вимірювання в’язкості, електропровідності, терморушійної сили рідких пар та теплопровідності рідких та твердих металів і сплавів (Я.Дутчак, В.Прохоренко, О.Стецьків, П.Панасюк, Б.Соколовський, Б.Гапчин, І.Клюс, В.Осипенко, О.Павлишенко, І.Паздрій, В.Склярчук), що дало змогу порівняти результати структурних досліджень із кінетичними властивостями, зробити висновки щодо атомної взаємодії та електронного спектра в розплавах, дати рекомендації відносно їх практичного використання.

Впродовж останніх років у лабораторії рентгенографії рідин проводились дослідження структури металічних розплавів. Зокрема, вивчено закономірності будови подвійних розплавів 3d-перехідних елементів з полівалентними металами. Встановлено характер атомного впорядкування у розплавах на основі літію, вивчено структурні зміни залежно від температури та концентрації в проміжних фазах з широкою областю гомогенності (С.Мудрий, М.Клим, М.Комарницький, А.Королишин, С.Прохоренко). У докторській дисертації Степана Мудрого “Ближній порядок та неідеальність металічних розплавів” узагальнено результати структурних досліджень металічних розплавів з різним ступенем відхилення від термодинамічної ідеальності. Встановлено закономірності зміни структурних параметрів при переході від середньостатистичного та самоасоційованих мікронеоднорідних розплавів. Запропоновано нові моделі структури двокомпонентних рідин і розроблені нові методи інтерпретації структурних даних.

У 80-х роках на кафедрі рентгенометалофізики розгортаються теоретичні дослідження із застосування методу модельних потенціалів для розрахунку фізичних властивостей металів (Я.Дутчак, П.Якібчук, М.Жовтанецький, С.Сиротюк). Автори запропонували новий нелокальний модельний потенціал для опису електрон-іонної взаємодії у неперехідних металах. За його допомогою проводився розрахунок атомних та електронних властивостей, досліджувалась природа міжатомної взаємодії та електронна структура металів. Зокрема, розраховано міжчастинкову взаємодію в розплавах на основі свинцю, парціальні структурні фактори і потенціали парної взаємодії в розплавах бінарних систем. Використовуючи нелокальний модельний потенціал, були розраховані атомні властивості, енергія зв’язку і рівноважні атомні радіуси неперехідних металів, їх електричні властивості в рідкому стані, вивчено вплив нелокальності псевдопотенціалу на результати розрахунку енергії зв’язку і рівноважного атомного радіусу (Я.Дутчак, П.Якібчук, М.Жовтанецький, Г.Бариляк).

Особливо слід відзначити низку робіт, присвячених вивченню електронної структури топологічно невпорядкованих металічних систем з використанням як варіаційного принципу так і підходу, що базується на формалізмі функцій Гріна та теорії збурень (П.Якібчук, С.Вакарчук). Підтверджено “псевдощільовий” характер густини станів невпорядкованих металів поблизу рівня Фермі, отримано низку чисельних результатів. Результати теоретичних робіт узгоджуються з експериментальними даними, які на той час отримали на кафедрі. У подальших роботах (П.Якібчук, В.Фурман) запропонований модельний потенціал був узагальнений для випадку перехідних та рідкісноземельних металів. Узагальнення цих досліджень зроблено в докторській дисертації Петра Якібчука “Метод модельних потенціалів в теорії простих, перехідних та рідкісноземельних металів”(1997 р.).

Дослідження динаміки теплових коливань кристалічної гратки

 Досліджено ангармонізм теплових коливань іонів кристалічних граток NaCl, KCl, KBr, системи Fe-Ni, ряду гексаборидів типу CaB6 та додекаборидів типу UB12 (Я.Федишин, Д.Ведець). Удосконалено методику визначення рентгенівської характеристичної температури Дебая, амплітуди теплових коливань атомів, запропоновано методику визначення динамічних і статичних зміщень атомів з положення рівноваги, яка використана при аналізі впливу домішок та обробки різних марок сталей (Д.Вадець, Я.Гіллер, О.Миколайчук). Сконструйовано високотемпературні рентгенівські камери оберненого знімання (Д.Вадець, Я.Дутчак, В.Чех). За методикою Банзігіра оцінені вперше постійні Грюнайзена гексаборидів і додекаборидів (Д.Вадець, О.Миколайчук, Я.Федишин).

За допомогою високотемпературної рентгенографії досліджено основні характеристики (статичні та динамічні зміщення, характеристична температура, теплове розширення) для сплавів Fe-Me (Me:Pt, Al, Y, Mn, Cr) та зроблено висновки про міжатомну взаємодію та ангармонізм коливань атомів у кристалічній гратці (Я.Дутчак, С.Мудрий, О.Миколайчук, Я.Федишин, Д.Вадець, В.Чех).

Структура, механізми росту, кінетика фазових переходів та фізичні властивості тонких плівок

Перші роботи були виконані на маловивченій на той час сполуці – сірчистій ртуті, яка у масивному стані відома у двох модифікаціях: кубічній гранецентрованій – метадинабарит і щільній гексагональній – цинабарит, відомої як кіновар. У тонкоплівковому стані показана можливість існування ще однієї гексагональної модифікації сірчистої ртуті, стабільність якої пов’язується з товщиною плівки і дефективністю в аніонній підгратці (О.Миколайчук). Подальші дослідження структури тетраедричних напівпровідникових сполук АІІВVI підтвердили цей висновок. Було встановлено, що механізм утворення гексагональної та кубічної модифікації у плівках халькогенідів ртуті, кадмію і цинку визначається умовами конденсації, стехіометрією та товщиною плівки. Зародження високотемпературних модифікацій на сколах лужногалоїдних кристалів при температурах підкладки значно нижчих від температури фазового переходу мали дефектний характер. Утворенню кубічної модифікації у плівках халькогенідів підгрупи цинку сприяє надлишок катіонів, а гексагональної – аніонів. Більшість сполук АІІВVI при Тп<300 конденсуються в аморфній фазі. Показано, що структура аморфних плівок сполук АІІВVI описується тетраедричним розміщенням атомів у першій координаційній сфері. Встановлені основні закономірності орієнтації конденсатів АІІВVI на сколах лужногалоїдних кристалів і слюди. Встановлено температуру епітаксіального росту плівок халькогенідів ртуті, цинку і кадмію на сколах лужних кристалів та слюди, визначені термодинамічні умови росту епітаксіальних плівок, досліджені їх електрофізичні і оптичні характеристики (Я.Дутчак, О.Миколайчук, Д.Фреїк, О.Когут). У подальшому, ці дослідження були виконані і на твердих розчинах цих сполук, зокрема, на CdSxSe1-x, CdSxTe1-x, CdTex(InSe), ZnSexS1-x, тощо. Показана переважаюча роль аніонної підгратки у формуванні тої чи іншої модифікації.

Дослідження електрофізичних властивостей дало змогу визначити основні параметри плівок і енергії термічної та оптичної активації, тип і концентрацію носіїв, їх залежність від хімічного складу й технології одержання, показана можливість їх використання як датчиків рентгенівського випромінювання, електролюмінесцентних комірок, фотоперетворювачів, датчиків і джерел інфрачервоного випромінювання (О.Миколайчук, Б.Циж, М.Бурак, Б.Югас). Відмітимо також роботи по технології одержання та дослідження електро- і катодолюмінесценції тонких плівок АІІВVI і плівок CdF2, CdI2, MgF2, активованих атомами Er, Dy, Mn, Tr (О.Миколайчук, Д.Беднарчук, В.Бернацький). На основі цих досліджень встановлені механізми збудження електролюмінесценції, показана роль електродів при інжекції електронів та запропоновані електролюмінесцентні комірки з низьким потенціалом збудження, показана можливість їх практичного використання.

У 1966 році в лабораторії фізики тонких плівок започатковані дослідження структури і фізичних властивостей конденсатів хімічних сполук сульфідів олова, а пізніше – на халькогенідів свинцю і германію. Була розроблена методика одержання плівок халькогенідів олова і свинцю в квазізамкненому об’ємі з конструкціями камер для випаровування – синтезу, зокрема, з додатковим джерелом халькогена, метод трьох температур. Досліджувалися структурні і фізичні характеристики цих плівок, що дало можливість визначити оптимальні параметри синтезу (О.Миколайчук, Д.Фреїк, В.Шперун “Фізико-технічні основи синтезу напівпровідникових плівок”, Вид-во “Вища школа”, 1978, 112 с.). Розроблена методика дала можливість отримати плівки n– і р-типу провідності з рухливістю носіїв, яку мають монокристали. Вивчені процеси старіння та окислення плівок вказаних матеріалів у природних і штучних умовах, які узагальнені у посібнику О.Миколайчук, Д.Фреїк, В.Шперун “Процеси старіння і окислення напівпровідникових плівок”, Вид-во “Вища школа”, 1979,104 с.

У 70-х роках розпочинаються дослідження аморфних тонких плівок напівпровідникових сполук АІІІВV, АІVВ, зокрема, вивчено умови виникнення аморфної фази, вплив хімічного складу, корпускулярного та електромагнітного опромінення на структуру і фізичні властивості аморфних плівок, показано можливість керування енергетичним розміщенням і густиною локалізованих станів у щілині рухливості (О.Миколайчук, І.Дуцяк, С.Макаренко, Н.Луцик).

Вивчена термічна стабільність, кінетика кристалізації та ближній порядок у сполуках АІІІВV. Показано, що добавка елементів IV періоду стабілізує аморфну структуру з тетраедричною координацією атомів, а V групи – до утворення аморфної фази з потрійною координацією у першій координаційній сфері.

Характерним для сполук носіїв AIVBVI є те, що в аморфному стані координація атомів є відмінною від ближнього порядку у кристалі. Її можна описати аморфною гофрованою сіткою, у якої кожен атом германію утворює найкоротші відстані з двома атомами германію і двома атомами халькогену, а атоми халькогену з двома атомами германію. Встановлена топологія ближнього порядку дала можливість запропонувати механізм утворення негативно і позитивно заряджених дефектів в аморфній матриці телуриду германію при введенні домішок і радіаційному опроміненні. Дослідження електропровідності, дрейфової рухливості носіїв, термоелектрорушійної сили, фотопровідності, фотолюмінесценції, оптичних спектрів ЕПР конденсатів телуриду германію дало можливість запропонувати модель структури енергетичної  щілини аморфного телуриду германію та її трансформацію при введенні домішок і радіаційному опроміненні. Результати цих досліджень узагальнені у монографії “Домішки та дефекти в аморфному телуриді германію” – І.Дуцяк, С.Макаренко, О.Миколайчук, та у праці цих авторів “Особливості структури енергетичної щілини аморфних плівок телуриду германію”.

Вивчення кінетики кристалізації аморфних плівок багатокомпонентних систем на основі цих сполук, зокрема, AIVBVI – Ме (Sb, Bi), AIIIBV – Sb, Bi, Gd і ін. дало можливість встановити, що вона є гетерогенною, тобто в аморфній фазі більш стійкої сполуки зароджуються зародки кристалічної фази певного складу, для якої температура кристалізації є нижчою.

Досліджена структура і електричні властивості аморфних і кристалічних і плівок Ni, Fe та конденсатів Me-Ge (Me: Ni, Fe, Co, Y) при конденсації молекулярних пучків в електричному і магнітному полях (О.Миколайчук, Г.Байцар, Ю.Кричивець). Ведуться дослідження тонкоплівокивх конденсатів багатокомпонентних сплавів з метою створення датчиків температури та резисторів (О.Миколайчук, Г.Байцар, Б.Яцишин, Ю.Третяков, І.Марголич).

Відмітимо роботи з дослідження рівноважних діаграм стану в системах Ag-Cu-Se (Te, S) та Ag-Cu-Ge-Se. Визначено області існування твердих розчинів заміщення на основі подвійних сполук, утворення хімічних сполук, досліджено структурні фазові переходи в цих сполуках, концентраційні і температурні області існування подвійних сполук та аморфної фази. Побудовані рівноважні фазові діаграми. Досліджено кристалічну структуру нових багатокомпонентних сполук, показано, що більшість сполук в цих системах володіють іонною провідністю, як в аморфному так і в кристалічному станах. Розроблена методика одержання тонких плівок халькогенідів срібла та міді вибуховим методом в квазізамкненому об’єкті. Досліджено їх структуру та фізичні властивості тонких плівок халькогенідів міді і срібла та твердих розчинів на їх основі. Встановлено закономірності фазоутворення кінетики фазових переходів, механізми розсіювання носіїв заряду, термо-ерс. Показана можливість використання цих матеріалів для створення термо- і фотоперетворювачів (О.Миколайчук, Б.Романишин, М.Тимчишин, О.Мельник В.Мороз). Розпочаті дослідження на кафедрі успішно розвиваються в інших вузах: Прикарпатському університеті ім. В. Стефаника (Д.Фреїк), Рівненському університеті (Д.Беднарчук), у Національному університеті “Львівська політехніка” (Б.Романишин, О.Когут, В.Френчко).

Ведуться дослідження аморфних металічних систем РЗМ-перехідний метал, зокрема це плівки сполук системи Gd-Fe (О.Миколайчук, І.Дуцяк, В.Присяжнюк).

Рентгенівська спектроскопія

У 60-х роках на кафедрі започатковано новий науковий напрям – дослідження міжатомної взаємодії і електронної будови за даними рентгенівської абсорбційної і емісійної спектроскопії в сполуці HgS (Й.Кавич). Велике значення мають рентгеноспектральні дослідження подвійних силіцидів та германідів перехідних металів, які є базою для створення матеріалів з наперед заданими властивостями (Й.Кавич, В.Синюшко, І.Стець, Б.Яцик, Г.Ільків).

На кафедрі проведені дослідження електронної будови широкого класу оксидних сполук рідкісноземельних елементів, зокрема гранатів, що дало змогу вперше встановити основні закономірності у формуванні електронно-енергетичного спектру цих кристалів, зокрема галідів та германідів перехідних металів, що значно прискорило проведення теоретичних розрахунків їхньої зонної структури, а також створення відповідних моделей на їх основі (І.Щерба).

Встановлено, що електронна будова елементів, що утворюють між собою евтектику є відмінною від розподілу електронів для цих елементів. Таку відміну можна пояснити тим, що у евтектичних сплавах є присутній хімічний зв’язок між компонентами евтектики (Я.Дутчак, В.Синюшко, П.Шевчук).

Пізніше ці дослідження проводяться на тернарних інтерметалічних сполуках на основі d– та f– металів, який успішно розвивається сьогодні. Встановлено ефект впливу ближнього оточення на тонку структуру рентгенівських емісійних та абсорбційних спектрів у сполуках з різним координаційним оточенням атомів найменшого радіусу у системах R-M-X та вивчено вплив заселеності d– та f-рівнів на валентний стан іонів рідкісноземельних елементів у сполуках з валентною нестабільністю (І.Щерба, В.Синюшко, І.Стець, Т.Жук, П.Шевчук).

Малокутове розсіювання

Використовуючи малокутове розсіяння рентгенівських променів досліджено деякі рідкі кристали нематичного N та смектичного S типів. У рамках двофазної моделі речовини за допомогою розробленої методики встановлено, що рідкокристалічна структура, яка впорядковується магнітним полем, досконаліша, ніж рідкокристалічна структура, що впорядковується електричним полем, а при одночасній дії постійного електричного та магнітного полів електричне поле діє як розорієнтуючий фактор. Встановлено, що кут нахилу нематичних псевдошарів до напрямку, перпендикулярного осі текстури, збільшується із зростанням напруженості магнітного поля (Я.Дутчак, М.Федишин, З.Микитюк, В.Бурима).

Метод малокутової дифракції використовується і тепер для дослідження нанокластерної структури нанокомпозитів аморфних металевих сплавів і для вивчення нанопоруватих матеріалів різного типу (С.Мудрий, Ю.Кулик).

Співробітники кафедри брали участь у роботі більш ніж 150 міжнародних і союзних симпозіумах та конференціях, ними виголошено понад 1500 доповідей. Кафедра була організатором союзних і міжнародних конференцій. “Структура і гальваномагнітні явища в тонких плівках” – Львів, 1973; “Фізика фазових переходів метал-діелектрик” – Львів, 1977; “Властивості малих частинок і острівкових плівок” – Львів, 1980; “Рентгенівська і електронна спектроскопія” – Львів, 1981; “Структура і властивості невпорядкованих систем” – Львів, 1993, ІІ Міжнародна конференція “Фізика невпорядкованих систем” – Львів, 2003, яка присвячена 70 річчю з дня народження відомого вченого, Лауреата державної премії України доктора фізико-математичних наук, проф. Я. Й. Дутчака. За ініціативи Ректора Львівського національного університету імені Івана Франка проф. І. О. Вакарчука під час роботи конференції на будинку фізичного факультету (вул. Кирила і Мефодія, 8) відкрита пам’ятна дошка проф. Я. Й. Дутчаку, виготовлену за кошти учнів, колег, співробітників фізичного факультету.

На основі наукових досліджень, які виконані на кафедрі опубліковано близько 2000 праць, з них 8 монографій, 32 підручники та навчальні посібники, 41 авторське свідоцтво та Патент.

За час існування кафедри працівниками, аспірантами та співшукачами захищено 6 докторських та 92 кандидатських дисертацій.