Аннотация результатов, полученных в 2014 году
В ходе выполнения работ по программе 1-го года проекта отрабатывались методики создания функциональных материалов: сплавов и композитов Ti2NiCu с эффектом памяти формы (ЭПФ) и квазиодномерных проводников с волной зарядовой плотности (КОП с ВЗП) субмикронных масштабов от 1000 до 50 нм. Отрабатывались подходы к изучению образцов этих материалов из мезаразмерной области – менее 50 нм. Проявления ЭПФ и мартенситного перехода до размеров 70 нм изучалось 2-мя методами: наблюдением в ПЭМ мартенситных двойников в зернах аморфно-кристаллического сплава Ti2NiCu и наблюдением в сканирующий ионный мекросоп активации функциональных композитных слоистых структур Ti2NiCa/Pt с ЭПФ. Измерены силовые параметры механической активации слоистых композитных структур Ti2NiCa/Pt с ЭПФ. Количественно диапазон развиваемых композитными микроактюаторами усилий оказался в диапазоне 30 – 1000 нН, что перспективно для применений в области манипулирования клетками и другими биобъектами. Теоретическое рассмотрение на основе простой феноменологической модели объясняет подавление мартенситного фазового переходах в зернах и структурах менее 100 нм. Однако модель, также указывает, что дальнейшее уменьшение размеров образца до единиц нанометров может раскрыть новые возможности для проявлений эффектов памяти, так как в малых образцах вклад поверхностных сил может стимулировать переход между фазами со значительно большей разностью объемных энергий, чем фаза мартенсита и аустенита в сплавах с ЭПФ. Еще одним перспективным классом функциональных материалов являются КОП с ВЗП. Наибольший интерес представляют уникальные электромеханические свойства этих монокристаллов, в частности, огромные деформации в электрическом поле, которые можно качественно описать на языке взаимодействия ВЗП с решеткой кристалла [16]. В области исследования электромеханических свойств нановискеров КОП с ВЗП, во-первых, созданы микроструктуры на основе подвешенных вискеров TaS3 (длиной 100-1500 мкм) с целью создания ВЧ самочувствительных крутильных резонаторов. Во-вторых, с целью выяснения механизмов взаимодействия ВЗП и решётки кристалла, которые лежат в основе уникальных электромеханических свойств квазиодномерных соединений, созданы микроструктуры для одноосного растяжения образцов. Методика основана на изгибе подложки, с её помощью можно достигать удлинения, более 1%, а также и одноосного сжатия вискеров на величину до ~0.1%. На подложках были зафиксированы образцы длиной от 1000 до 3 мкм с поперечными размерами от нескольких мкм до десятков нм. Таким образом, приготовлен набор образцов КОП с ВЗП TaS3 в широком диапазоне размеров для дальнейших измерений а) крутильных колебаний и б) влияния деформации на транспортные свойства, по которым можно судить о структурных изменениях, то есть, о взаимодействии ВЗП-решётка.

Аннотация результатов, полученных в 2015 году
В ходе выполнения работ по программе 2-го года проекта центральным моментом была отработка методик создания образцов и изучение проявлений фазовых переходов (ФП), физических и функциональных свойств материалов, которые обладают на сегодняшний день рекордными значениями чувствительности и миниатюрности: сплавов и композитов Ti2NiCu с эффектом памяти формы (ЭПФ) и вискеров квазиодномерных проводников с волной зарядовой плотности (КОП с ВЗП) TaS3, TiS3, NbS3. Решалась задача создания и исследования образцов этих материалов субмикронных, ноно- и мезамасштабов размеров. Применялись различные методы, причем совершенствовались методики, с использованием наноинструментов на основе новых композитных материалов с ЭПФ, разрабатываемых в ходе настоящего проекта. В частности, усовершенствована систему управления нанопинцетом с ЭПФ, которая позволяет применять его совместно с большинством наблюдательных приборов: ФИП, СЭМ, ПЭМ. Для изготовления нанокомпозитов с ЭПФ предложен оригинальный метод. Он включает изготовление наностержня материала с ЭПФ методом фокусированного ионного пучка (ФИП) и формирование этим же методом в образце слоистой аморфно-кристаллической композитной структуры. Этот метод основан на том, что в процессе ионного травления ионная бомбардировка поверхности вызывает формирование в материале приповерхностного аморфного слоя с четко выраженной границей. Подбором угла падения, тока и энергии пучка удаётся контролировать толщину аморфного слоя в интервале 5 – 60 нм. Полученные новым способом нанокомпозиты могут иметь толщину от 10 до 150 нм при примерно равной толщине аморфного и кристаллического слоев. Сделана экспериментальная оценка критической толщины проявления ЭПФ в композитах Ti2NiCu. Для вискеров КОП TaS3 и NbS3 были отработаны методики подготовки нано образцов путем расщепления и размещения их на диэлектрической подложке. Оптимальной оказалась методика расщепления с помощью специально заточенной иглы. При этом вискеры больших размеров (толщиной более 1 мкм) располагались на подложке, после чего размельчались с помощью иглы. В результате получались вискеры наноразмерного сечения. Поперечные размеры вискеров контролировались с помощью атомно-силового микроскопа (АСМ), а также косвенными методами. Результаты полученные с применением прямой и косвенной методик находятся в хорошем согласии. Создана также экспериментальная система исследования структуры и фазовых превращений образцов материалов с толщиной до 30 нм под действием механических напряжений на основе ПЭМ. Отработана методика приготовления высококачественных контактов к нановискерам с использованием ФИП. С применением новых методик созданы образцы колебательных систем на основе нановискеров. Продемонстрировано, что образцы квазиодномерного соединения c ВЗП TaS3, являясь уникальными актюаторами, могут быть и детекторами резонансных колебаний. Переменный ток, протекающий через образец, содержит в себе информацию об амплитуде этих колебаний. Эту информацию можно извлечь, используя технику гетеродинирования с частотной модуляцией. Предложенная методика представляется наиболее перспективной для исследования ВЧ колебаний, прежде всего, в образцах микронных и нанометровых размеров.

Аннотация результатов, полученных в 2016 году
Заключительный год проекта посвящен углубленному экспериментальному и теоретическому изучению проявлений ФП и функциональным свойствам материалов, которые отличаются рекордными деформациями при сравнительно небольших тепловых и электрических воздействиях – в слоистых композитах на основе сплавов с ЭПФ и вискеров (удлиненных монокристаллов) - квазиодномерных проводников с волной зарядовой плотности (КОП с ВЗП). В 2016 году достигнут ряд новых методических результатов, получены и исследованы рекордно тонкие КОП с ВЗП и нанокомпозиты с ЭПФ с толщиной слоя до 20 нм. В частности, впервые удалось исследовать наноразмерные вискеры TaS3 в подвешенном состоянии. При этом вискеры были растянуты на величину до 2%. Трудность заключалась в том, что практически невозможно растянуть образцы длиной менее ~0.3 мм. Технологическое решение состояло в том, что на подвешенный длинный образец через маску напылялась золотая плёнка, так что свободным от неё оказывался лишь короткий сегмент длиной 10-20 мкм. В результате проводились исследования транспортных свойств именно этого сегмента. In situ в ПЭМ изучено формирования фазового равновесия в клиновидных нанообразцах сплава Ti2NiCu. Показано, что в образцах с толщиной более 80-100 нм термоупругий мартенситный переход происходит примерно при тех же значениях температуры, что и в объемном материале (48-56 С). Определены зависимости положения границы аустенит-мартенсит от толщины и температуры в области толщин 20 – 100 нм при изменении температуры от +25 до – 66 С. Проверено предположение о том, что температура мартенситного перехода снижается при уменьшении толщины сплава, а при некоторой критической толщине переход блокируется. Созданы композитные наноактюаторы с ЭПФ с аморфным и кристаллическим слоями с толщиной в диапазоне 20-50 нм. Проверено в экспериментах в ПЭМ in situ предположение о том, что управляемые деформации композитов с ЭПФ возможны в аморфно-кристаллических композитах Ti2NiCu с толщиной активного слоя до 40 нм. Предложена теоретическая модель, которая предполагает существенное отличие свойств поверхностного слоя материала. На основе разложения свободной энергии мартенситной и аустенитной фаз до членов второго порядка по температуре и давлению получена формула, которая качественно объясняет экспериментально наблюдаемое поведение: снижение температуры мартенситного перехода при понижении толщины и блокировку мартенситного перехода (появление критической точки перехода) при некоторой тощине пластины. Экспериментальное исследование вискеров Q с ВЗП показало, что температура пайерлсовского перехода, TP, с ростом одноосного растяжения вначале падает, а затем начинает расти. При этом переход сужается. Такое поведение TP свидетельствует о возникновении особой, ультракогерентной (УК) ВЗП при достижении критического удлинения. Свойства УК ВЗП позволяют исследовать свойства общие для ВЗП вообще, которые, однако, на обычной ВЗП очень трудно исследовать. Так, исследована расходимость порогового поля Et(T) при T TP. Для обычной ВЗП порог вблизи TP размывается, и его почти невозможно исследовать. А вот для УК ВЗП удалось наблюдать рост Et при T TP. почти на порядок. Предложено описание зависимости Et(T) вблизи TP. При этом предполагается, что вблизи TP в объёме ВЗП возникают области локального подавления пайерлсовского состояния, причём их концентрация, согласно модели проскальзывания фазы, растёт как exp(-W/T), где W=(6–10)103 К. Предположив, что эти области действуют как центры пиннинга ВЗП, участники смогли получить зависимость Et(T) в рамках модели слабого пиннинга. Участники проекта решают задачу повышения частоты механических колебаний резонаторов на основе КОП с ВЗП. Для этого используется метод гетеродинирования, в котором для детектирования резонансов измеряется сигнал, генерируемый самим образцом. При этом зеркала, как это делалось ранее, на образец не наклеивались. Однако, при измерениях методом гетеродинирования, на сигнале обратной связи появлялся ряд пиков, некоторые из которых не имели механического происхождения, а связаны с резонансами в кабелях. Чтобы идентифицировать «механические» пики, предложено и реализовано два подхода. Один основан на механическом воздействии на образец. Изменение вида пика означало, что он связан с механическим резонансом. Другой подход основан на исследовании температурной зависимости частоты пика и сопоставлении её с известной зависимостью модуля сдвига (или модуля Юнга). На завершающем этапе проекта усовершенствованная в его рамках технология наноманипулирования на основе композитных нанопинцетов с ЭПФ применена для манипулирования нановискеров КОП с ВЗП. Отличительной особенностью проекта было то, что параллельно с выполнением его исследовательской части, направленной изучение фундаментальных свойств функциональных материалов при приближении к рекордно малым размерам проводился 1-й этап ОКР по изготовлению опытной партии нанопинцетов с ЭПФ и систем управления. ОКР осуществлялся инновационным предприятием ООО «Наноактюатор», г. Саранск при финансировании Центром наноматериалов и нанотехнологии Республики Мордовия. Изготовленные опытные образцы нанопинцетов были успешно испытаны в ходе настоящего проекта. По результатам проекта в 2016 году сделано 16 публикаций, включая 1 монографию, 9 печатных работ, прореферированных в международных базах данных WOS и Scopus, подана 1 заявка на патент РФ. Сделано 16 докладов на международных и Всероссийских конференциях и семинарах. Были прочитаны популярные лекции для широкого круга слушателей на тему проекта – «Новые твердотельные функциональные материалы». ( https://vk.com/album-121449537_238671227 ) Сделаны публикации в СМИ с изложением его результатов. (см. интернет-издание "Наука и технологии России - STRF.RU" http://www.strf.ru/material.aspx?CatalogId=222&d_no=125531#.WE_VkoD0Hbo ) Подготовлена страница в Интернет, посвященная проекту на сайте - www.nanophys.ru/.