Известия высших учебных заведений. Электроника home

Моделирование напряженного состояния структур por-Si – H2O в окрестности точки фазового перехода воды

Раздел находится в стадии актуализации

Влагонасыщенные мезопористые материалы характеризуются значительным понижением температуры плавления/замерзания адсорбированных в наноразмерных порах жидкостей, что обусловлено эффектом пространственного ограничения. Данный эффект при низких температурах существенно влияет на работоспособность разрабатываемых на их основе электрохимических устройств. В работе рассмотрена задача прогнозирования напряженного состояния водонасыщенных мезопористых материалов на основе кремния в окрестности точки кристаллизации воды. Построена теоретическая модель, учитывающая структуру исследуемого композита, в частности ориентацию пор в пространстве материала и наличие естественного оксидного слоя на поверхностях пор в кремниевой матрице, а также физико-механические характеристики и объемные доли его компонентов. Показано, что разработанная модель позволяет оценить стойкость к механическому разрушению водонасыщенных мезопористых структур por-Si – H2O при термоциклировании в окрестности точки фазового перехода лед – вода. Проведены численные модельные расчеты напряжений, возникающих в матрице кремния при кристаллизации воды. Исследованы зависимости указанных напряжений от изменений объемной доли воды, адсорбированной в пористых кремниевых мембранах, и значений безразмерного структурного параметра – отношения толщины слоя диоксида кремния к радиусу поры. Моделирование показало, что увеличение как объемной доли воды, так и безразмерного структурного параметра приводит к росту значений напряжений в кремниевой матрице. С помощьючисленных расчетовустановлено, что замерзание воды в порах при последовательных циклах охлаждение – нагрев не должно оказывать разрушающего воздействия на рассматриваемые водонасыщенные мезопористые структуры. Полученный вывод не противоречит имеющимся экспериментальным данным.

Ключевые слова: мезопористые материалы, пористый кремний, обобщенное сингулярное приближение, операторы концентрации напряжений и деформаций, механическая прочность
Опубликовано в разделе: Mатериалы электроники
Библиографическая ссылка: Бардушкин А. В., Яковлев В. Б. Моделирование напряженного состояния структур por-Si – H2O в окрестности точки фазового перехода воды. Изв. вузов. Электроника. 2025;30(2):127–139. https://doi.org/10.24151/1561-5405-2025-30-2-127-139. EDN: DAGDCC.

Бардушкин Андрей Владимирович
Национальный исследовательский университет «МИЭТ» (Россия, 124498, г. Москва, г. Зеленоград, пл. Шокина, 1); Институт нанотехнологий микроэлектроники Российской академии наук (Россия, 119334, г. Москва, Ленинский пр-т, 32А)

Яковлев Виктор Борисович
Институт нанотехнологий микроэлектроники Российской академии наук (Россия, 119334, г. Москва, Ленинский пр-т, 32А)

1. Park C.-M., Kim J.-H., Kim H., Sohn H.-J. Li-alloy based anode materials for Li secondary batteries. Chem. Soc. Rev. 2010;39:3115–3141. https://doi.org/10.1039/b919877f
2. Zhu G., Luo W., Wang L., Jiang W., Yang J. Silicon: Toward eco-friendly reduction techniques for lithium-ion battery applications. J. Mater. Chem. A. 2019;7:24715–24737. https://doi.org/10.1039/C9TA08554H
3. Liu S., Hu J. J., Yan N. F., Pan G. L., Li G. R., Gao X. P. Aluminum storage behavior of anatase TiO2 nanotube arrays in aqueous solution for aluminum ion batteries. Energy Environ. Sci. 2012;5(12):9743–9746. https://doi.org/10.1039/C2EE22987K
4. Jia H., Li X., Song J., Zhang X.,Luo L., He Y. et al. Hierarchical porous silicon structures with extraordinary mechanical strength as high-performance lithium-ion battery anodes. Nat. Commun. 2020;11(1):1474. https://doi.org/10.1038/s41467-020-15217-9
5. Li X., Gu M., Hu S., Kennard R., Yan P., Chen X. et al. Mesoporous silicon sponge as an anti-pulverization structure for high-performance lithium-ion battery anodes. Nat. Commun. 2014;5(1):4105. https://doi.org/10.1038/ncomms5105
6. Liu F., Chung H.-J., Elliott J. A. W. Freezing of aqueous electrolytes in zinc–air batteries: Effect of composition and nanoscale confinement. ACS Appl. Energy Mater. 2018;1(4):1489–1495. https://doi.org/10.1021/acsaem.7b00307
7. Bardushkin V., Kochetygov A., Shilyaeva Y., Volovlikova O., Dronov A., Gavrilov S. Peculiarities of low-temperature behavior of liquids confined in nanostructured silicon-based material. Nanomaterials. 2020;10(11):2151. https://doi.org/10.3390/nano10112151
8. Сычев А. П., Лавров И. В., Бардушкин В. В. Физические и механические свойства неоднородных сред с вложенной микроструктурой (теория и моделирование). Ростов н/Д: Изд-во ЮНЦ РАН; 2022. 320 с. EDN: UEVQJA.
Sychev A. P., Lavrov I. V., Bardushkin V. V. Physical and mechanical properties of inhomogeneous media with embedded microstructure (theory and modeling). Rostov-on-Don: SSCRASPubl.; 2022. 320 p. (InRuss.).
9. Бардушкин В. В., Шиляева Ю. И., Кочетыгов А. А., Воловликова О. В., Дронов А. А., Яковлев В. Б. Моделирование низкотемпературного механического поведения водосодержащего пористого кремния. Тепловые процессы в технике. 2021;13(4):171–179. https://doi.org/10.34759/tpt-2021-13-4-171-179. EDN: PWTSSD.
Bardushkin V. V., Shilyaeva Yu. I., Kochetygov A. A., Volovlikova O. V., Dronov A. A., Yakovlev V. B. Modeling low-temperature mechanical behavior of water-containing porous silicon. Teplovyye protsessy v tekhnike = Thermal Processes in Engineering. 2021;13(4):171–179. (In Russ.). https://doi.org/10.34759/tpt-2021-13-4-171-179
10. Леньшин А. С., Кашкаров В. М., Спивак Ю. М., Мошников В. А. Исследование электронного строения и фазового состава пористого кремния. Физикаихимиястекла. 2012;38(3):383–392. EDN: OYXTIB.
Len’shin A. S., Kashkarov V. M., Spivak Yu. M., Moshnikov V. A. Study of electronic structure and phase composition of porous silicon. Glass Phys. Chem. 2012;38(3):315–321. https://doi.org/10.1134/S1087659612030091
11. Shilyaeva Yu., Volovlikova O., Smirnov D., Volkova A., Sysa A., Mikhailova M., Gavrilov S. Thermal and kinetic analyses of silicide formation at nanostructured Si/Ni interface. J. ThermalAnal. Calorim. 2019;138(3):2339–2345. https://doi.org/10.1007/s10973-019-08460-w
12. Беляков Л. В., Макарова Т. Л., Сахаров В. И., Серенков И. Т., Сресели О. М. Состав и пористость многокомпонентных структур: пористый кремний как трехкомпонентная система. ФТП. 1998;32(9):1122–1124. EDN: RYNMAN.
Belyakov L. V., Makarova T. L., Sakharov V. I., Serenkov I. T., Sreseli O. M. Composition and porosity of multicomponent structures: Porous silicon as a three-component system. Semiconductors. 1998;32(9):1003–1005. https://doi.org/10.1134/1.1187534
13. Бардушкин В. В., Горнев Е. С., Лавров И. В., Шиляева Ю. И., Яковлев В. Б. Эффективные упругие характеристики кремниевых влагонасыщенных мезопористых структур вблизи точки фазового перехода при наличии пространственного ограничения. Электронная техника. Сер. 3. Микроэлектроника. 2021;2(182):62–67. https://doi.org/10.7868/S241099322102007X. EDN: ZEUWNU.
Bardushkin V. V., Gornev E. S., Lavrov I. V., Shilyaeva Yu. I., Yakovlev V. B. Effective elastic characteristics of moisture-saturated mesoporous silicon near the confinement phase transition. Elektronnaya tekhnika.Ser. 3. Mikroelektronika = Electronic Engineering. Series 3.Microelectronics. 2021;2(182):62–67. (In Russ.).https://doi.org/10.7868/S241099322102007X
14. Бардушкин В. В., Лавров И. В., Яковлев В. Б., Кочетыгов А. А., Бардушкин А. В. Напряженно-деформированное состояние в структурах por-Si – H2O в окрестности точки фазового перехода воды. Электронная техника. Сер. 3. Микроэлектроника. 2023;2(190):5–12. https://doi.org/10.7868/S2410993223010013. EDN: DOEDQF.
Bardushkin V. V., Lavrov I. V., Yakovlev V. B., Kochetygov A. A., Bardushkin A. V. Stress-strain condition in por-Si – H2O structures near the phase transition point of water. Elektronnaya tekhnika.Ser. 3. Mikroelektronika = Electronic Engineering. Series 3.Microelectronics. 2023;2(190):5–12. (In Russ.). https://doi.org/10.7868/S2410993223010013
15. Бардушкин В. В., Кочетыгов А. А., Лавров И. В., Сычев А. П., Яковлев В. Б., Бардушкин А. В. Моделирование значений средних напряжений в структурах por-Si – H2O в окрестности точки фазового перехода воды. Экологический вестник научных центров Черноморского экономического сотрудничества. 2024;21(1):47–56.https://doi.org/10.31429/vestnik-21-1-47-56. EDN: DOPMBT.
Bardushkin V. V., Kochetygov A. A., Lavrov I. V., Sychev A. P., Yakovlev V. B., Bardushkin A. V. Simulation of average stress values in por-Si – H2O structures near the phase transition point of water. Ekologicheskiy vestnik nauchnykh tsentrov Chernomorskogo ekonomicheskogo sotrudnichestva = Ecological Bulletin of Research Centers of the Black Sea Economic Cooperation. 2024;21(1):47–56.(InRuss.). https://doi.org/10.31429/vestnik-21-1-47-56
16. Бардушкин В. В., Кочетыгов А. А., Яковлев В. Б. Моделирование предельного напряженного состояния матричного композита с ориентированными волокнами при термодинамических воздействиях. Тепловые процессы в технике. 2020;12(3):118–124. https://doi.org/10.34759/tpt-2020-12-3-118-124. EDN: OVYRRE.
Bardushkin V., Kochetygov A., Yakovlev V. Modeling of the limit stress state of a matrix composite with oriented fibers under thermodynamic influences. Teplovyye protsessy v tekhnike = Thermal Processes in Engineering.2020;12(3):118–124. (In Russ.). https://doi.org/10.34759/tpt-2020-12-3-118-124
17. Шермергор Т. Д. Теория упругости микронеоднородных сред. М.: Наука; 1977. 399 с.
Shermergor T. D. Micromechanics of inhomogeneous medium. Moscow: Nauka Publ.; 1977. 399 p. (In Russ.).
18. Белослудов В. Р., Инербаев Т. М., Шпаков В. П., Це Дж. С., Белослудов Р. В., Кавазое Е. Модули упругости и границы стабильности льдов и клатратных гидратов кубической структуры I. Рос.хим. журн. (Ж. Рос. хим. об-ва им. Д. И. Менделеева). 2001;XLV(3):45–50.
Belosludov V. R., Inerbaev T. M., Shpakov V. P., Tse J. S., Belosludov R. V., Kawazoe Y. Moduli of elasticity and stability boundaries of ice and clathrate hydrates of cubic structure I. Ros. khim. zhurn. (Zh. Ros. khim. ob-va im. D. I. Mendeleyeva) = Russian Journal of General Chemistry.2001;XLV(3):45–50. (InRuss.).
19. Паньков А. А.Методы самосогласования механики композитов. Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та; 2008. 251 с.
Pan’kov A. A. Methods of self-consistency mechanics of composites. Perm: Perm State Technical Univ. Publ.; 2008. 251 p. (In Russ.).
20. Schulson E. M. The structure and mechanical behavior of ice.JOM. 1999;51:21–27. https://doi.org/10.1007/s11837-999-0206-4
21. Деменко В. Ф. Таблицы механических свойств конструкционных материалов. Харьков: Изд-воХАИ; 2014. 7 с.
Demenko V. F. Tables of mechanical properties of structural materials. Kharkiv: Kharkiv Aviation Institute Publ.; 2014. 7 p. (In Russ.).
22. Shilyaeva Yu., Volovlikova O., Poyarkov K., Yuditskaya S., Gavrilov S.Characterization of mesoporous silicon using DSC thermoporometry. Int. J. Nanosci. 2019;18(03-04):1940073. https://doi.org/10.1142/S0219581X19400738
23. Григорьев И. С., Мейлихов Е. З. (ред.). Физические величины: справочник. М.: Энергоатомиздат; 1991. 1232 с.
Grigor’ev I. S., Meilikhov E. Z. (eds). Physical Quantities: handbook. Moscow: Energoatomizdat Publ.; 1991. 1232 p. (In Russ.).
24. Чукин В. В. Физическиесвойстваатмосферы:б-кафункций meteo 19.09.2005. СПб.: СИСТЕМА; 2005. 112 с.
Chukin V. V. Physical properties of the atmosphere:function library meteo 19.09.2005. St. Petersburg: SISTEMAPubl.; 2005. 112 p. (InRuss.).
25. Бекряев В. И. Практикум по физическим основам воздействия на атмосферные процессы. Л.: Гидрометеоиздат; 1991. 144 с.
Bekryaev V. I. Tutorial on the physical foundations of the impact on atmospheric processes. Leningrad: GidrometeoizdatPubl.; 1991. 144 p. (InRuss.).

Сведения о публикации

УДК: 536.4:539.3
Тип публикации: Научная статья
Язык оригинала: Русский
DOI: 10.24151/1561-5405-2025-30-2-127-139
Идентификатор статьи в РИНЦ: DAGDCC
Полнотекстовая версия: Перейти

JATS XML