ЕНЦИКЛОПЕДІЯ
Київського національного університету імені Тараса Шевченка

Фізичне матеріалознавство неоднорідних систем наукова школа

ФІЗИЧНЕ МАТЕРІАЛОЗНАВСТВО НЕОДНОРІДНИХ СИСТЕМ
Наукова школа «Фізичне матеріалознавство неоднорідних систем» була заснована професором Макарою В.А. в 80- х роках минулого століття. Історично наукова школа «Фізичне матеріалознавство неоднорідних систем» виросла із наукової школи «Фізичне матеріалознавство», яка сформувалась ще в 50-х роках минулого століття на базі кафедр фізики металів та загальної фізики (професор Герцрікен С.Д. та професор Жмудський О.З.).
Науковий керівник школи - МАКАРА Володимир Арсенійович, доктор  фізико-математичних наук, професор, член-кореспондент Національної академії наук України, академік Міжнародної академії наук вищої школи, заслужений діяч науки і техніки України, лауреат Державної премії України, завідувач кафедри фізики металів.
Школа фундаментально-наукового спрямування.
У діяльності школи беруть участь – 58 працівників, з них науковців - 37
Основні напрями наукових досліджень школи
•    розробка радіаційно-поглинаючих матеріалів нового покоління на основі боридів тугоплавких металів; дослідження їх поглинальних, механічних, корозійних і термостійких характеристик;
•    синтез та дослідження нових багатокомпонентних (зокрема, аморфних і квазікристалічних) сплавів на базі перехідних металів;
•    структура та фізичні властивості металевих систем з композиційною і топологічною неоднорідністю та захисних покриттів на їхній основі;
•    встановлення природи та характеру взаємодії атомів у твердих розчинах, їх вплив на структурно-фазові перетворення та фізичні властивості сплавів;
•    дослідження впливу процесів комплексоутворення на явища масопереносу у металевих системах;
•    комплексні дослідження фазових рівноваг потрійних систем;
•    розробка та дослідження шаруватих і волокнистих композиційних матеріалів;
•    матеріалознавчі проблеми неоднорідних напівпровідникових матеріалів різної структури та вимірності;
•    дефекти кристалічної ґратки, їх комплекси та супутні поля напружень; динаміка і кінетика дислокацій в кристалічних системах;

Найважливіші результати діяльності наукової школи
Серед широкого кола неоднорідних матеріалів особлива увага в діяльності наукової школи відводиться композиційним матеріалам на основі борвмісних сполук і вуглецю. Передбачається, що розвиток методів синтезу і консолідації нанорозмірних структурних елементів у поєднанні з ефективними методами керування їх складом та розмірами дозволять створити нові типи наноструктур з особливими характеристиками.
В рамках діяльності наукової школи розроблено новітню методику реакційного синтезу тугоплавких фаз в процесі виготовлення матеріалу, яка дала можливість суттєво знизити температуру та час гарячого пресування керамік і створити цілий ряд нових високоміцних тугоплавких композиційних матеріалів ТіС-ТіВ2-С, SіС-ТіВ2-С, SіС-HfВ2-С, Al2О3-ТіВ2. Використання цієї методики дозволяє в декілька разів знизити собівартість виробів та більш ніж на 50% підвищити механічні характеристики керамік.
В останні роки науковцями школи ведуться пошуки нових композиційних матеріалів, які можуть бути рекомендованими для використання в атомній енергетиці. Зокрема, шляхом термодинамічного аналізу реакцій та рентгеноструктурного аналізу встановлено оптимальні режими одержання нових керамічних композиційних матеріалів B4C – HfB2 з покращеними фізико-механічними характеристиками. Вказані композити є перспективними нейтронопоглинаючими матеріалами, використання яких у конструкціях регулювання ядерних реакторів дозволить підвищити термін їх неперервної роботи.
Значний інтерес науковців і технологів привертають металічні системи з композиційною та топологічною невпорядкованістю, серед яких аморфні сплави та композити з нанокристалічними компонентами. Зокрема, в результаті комплексних досліджень аморфних та нанокристалічних систем і композиційних матеріалів з 3d- елементами з’ясовано механізми впливу вмісту елементів металічної та металоїдної груп, режимів синтезу та структурного стану на магнітний стан атомів компонентів. Встановлено роль обмінних кореляцій та параметрів електронної структури у визначенні концентраційних і температурних інтервалів стабільності фаз для таких систем. Вперше показано, що магнітне упорядкування стабілізує аморфну структуру сплавів на основі Fe-В. Доведено існування в досліджених сплавах атомних кластерів двох типів: з паралельною та антипаралельною орієнтацією магнітних моментів і визначені їх основні характеристики. Вперше експериментально встановлено аномально високі значення коефіцієнту тензоопору в аморфних металевих сплавах на основі перехідних елементів, запропонована модель для їх пояснення.
Експериментально та теоретично досліджено процеси фазоутворення в аморфних сплавах. Отримано рівняння, що описують процес гомогенної нуклеації в бінарних і багатокомпонентних системах; запропоновано рівняння для опису процесів фазового розшарування в аморфних сплавах. Визначено вплив різних чинників на температурно-часову стабільність аморфних сплавів та запропоновано методи керованого наноструктурування з аморфного стану.
Рентгенівські дослідження сплавів YAl4 - YGa4, GdAl4 - GdGa4 дозволили вперше встановити існування серій YAlxGa4-x та GdAlxGa4-x квазінеперервних за складом потрійних сполук. Кристалічні структури усіх синтезованих сполук визначені, віднесені до нових структурних типів та заносяться до інформаційних баз «Pearson’s Handbook Crystallographic Data for Intermetallic Phases», «The Powder Diffraction File and Related Products», «ICSD-Inorganic Crystal Structure Database», «Landolt-Bornstein DataBase». Показано, що на основі зазначених потрійних сполук утворюються обмежені або неперервні тверді розчини  (Y,Gd)AlxGa4-x та (Gd,Y)AlxGa4-x, для яких встановлені області існування. Показано, що сплави розрізу YAl4 - YGa4  є температурно незалежними парамагнетиками Паулі, тоді як сплави розрізу GdAl4 - GdGa4  є парамагнетиками Кюрі-Вейсса. Встановлено, що вказані сплави корозійно стійкі на повітрі, а коефіцієнт окалиноутворення зі збільшенням в сплаві алюмінію суттєво зростає.
Методом радіоактивних ізотопів досліджено процеси дифузії в металевих сплавах різного складу та встановлено безактиваційний механізм дифузійних процесів в таких системах. Показано, що наявність домішок кисню та азоту сприяє утворенню кластерів (наноутворень) в розплавах та змінює характер дифузійних процесів. Зокрема, виявлено, що крім атомарної дифузії виникає також дифузія у вигляді комплексів. На основі проведених досліджень розроблено флуктуаційну модель дисоціації комплексів, яка дозволяє встановити розміри кластерів, температури та енергії їх дисоціації.
В сучасній фізиці значна увага приділяється дослідженню матеріалів, що містять в своєму складі компоненти нанометрового розміру і проявляють властивості, не характерні для об’ємних кристалів. Зокрема, нанопористий кремній, сформований під час електрохімічного травлення, можна використовувати як модельний об’єкт для дослідження широкого спектру властивостей наноструктурних матеріалів. Тому однією із задач науковців школи є дослідження структурно-хімічних перетворень в пористому кремнії та змін фізичних властивостей матеріалу під впливом різноманітних обробок. В рамках діяльності наукової школи одержано нанопористий кремній із зовнішнім квантовим виходом фотолюмінесценції близько 20%. Показано, що нанесення на поверхню нанопористого кремнію вуглецевих плівок, плівок карбіду кремнію і біомолекул ДНК поліпшує його фотолюмінесцентні властивості.
Співробітниками наукової школи виконано комплекс досліджень фізичних властивостей вуглецевих наноматеріалів та композитів на їх основі. З’ясовано електротранспортні властивості інтеркальованих сполук на основі графітових матеріалів різної структури з перехідними металами, встановлено ряд нових ефектів, зумовлених проявом електрон-електронної взаємодії і слабкої локалізації носіїв заряду. З’ясована природа неадитивності характеристик нанокомпозиційних матеріалів, що мають різний об’ємний вміст компонент, різну пластичність і взаємну розчинність, електропровідність, розміри та морфологію структурних елементів відносно характеристик їх компонент у вільному стані. Запропоновано методики створення вуглецевих композитних матеріалів на основі полімерних матриць з заданими електрофізичними характеристиками. Побудовано фізичні моделі електропереносу та магнітоопору в таких системах.
Для нанокомпозитів із вуглецем у вигляді термічно розширеного графіту та вуглецевих нанотрубок встановлено оптимальні умови змішування з полімерним компонентом та компактування, вивчено процеси перколяції та структурної релаксації після дії зовнішніх чинників і запропоновано їх використовувати для виготовлення електровимикачів і тензодатчиків, які здатні працювати в агресивних середовищах.
Експериментально та теоретично досліджено процеси кратної іонізації внутрішніх електронних оболонок атомів при фотопоглинанні та електронному ударі. Представлено теоретичні моделі біляпорогової кратної іонізації атомів фотонами та електронами. З’ясовано механізми фазових перетворень, що супроводжуються виникненням довгоперіодичних модульованих структур у шаруватих напівпровідниках.
Проведено комплексні дослідження процесів перенесення заряду в бар’єрних напівпровідникових структурах в умовах ультразвукового навантаження. З’ясовано поведінку енергетичних рівнів та точкових дефектів у кремнієвих структурах за цих умов. Виявлено ряд нових ефектів, індукованих ультразвуком, зокрема, виявлено, що при фотогенерації носіїв у глибині р-області сонячного елементу збільшення струму короткого замикання неопроміненого сонячного елементу може бути зумовлене акустостимульованим зростанням довжини дифузії неосновних носіїв заряду. Показано, що обробка ультразвуком здатна покращити люмінесцентні властивості поруватого кремнію завдяки генерації центрів люмінесценції в оточенні Si-наночастинок.
Виконано комплекс експериментальних та теоретичних досліджень процесів фотоакустичного та фототермічного енергоперетворення в неоднорідних напівпровідникових матеріалах з різною структурою та мірністю, а також в напівпровідникових структурах з модифікованими властивостями приповерхневого шару та поруватих напівпровідниках. З’ясовано особливості процесу фотоакустичного збудження пружних хвиль в низькорозмірних системах у випадку гармонічної модуляції електромагнітного випромінення та при імпульсному опроміненні.
Важливою ділянкою досліджень фахівців наукової школи стала модифікація дефектно-домішкової підсистеми в напівпровідникових матеріалах. Зокрема, досліджена зміна мікромеханічних властивостей поверхневих шарів монокристалічного кремнію під впливом електричного і магнітного полів, електричного струму, температури, механічних деформацій. Вперше встановлено зв‘язок між рухливістю дислокацій та мікротвердістю збуджених електричним струмом кристалів кремнію; вперше виявлено та досліджено магнітомеханічний ефект в кремнії.
Запропоновано метод діагностики домішково-структурних комплексів, який дає можливість обчислити концентрації та розміри розсіюючих центрів. Метод може бути використаний для обробки результатів дифрактометричних досліджень у наукових та заводських лабораторіях. Вперше співставлено отримані рентгенографічно параметри структурної досконалості кристалів кремнію з електронномікроскопічними даними та отримано задовільне узгодження результатів.
Розробки працівників наукової школи захищено більш ніж 60 патентами та винаходами.

Основні монографії, підручники, навчальні посібники наукової школи
1.    Жмудский А.З. Высокодисперсионное рентгенографирование большой светосилы и структурности спектральных линий. – Киев, 1958.
2.    Жмудский А.З. Природа рентгеновских сателлитов и структуры диаграмных линий. – Киев, 1958.
3.    Герцрикен С.Д., Дехтяр И.Я. Диффузия в металлах и сплавах в твердой фазе. – М., 1960.
4.    Кузьменко П.П. Электроперенос, термоперенос и диффузия в металлах. – Киев, 1983.
5.    Новиков Н.Н. Структура и структурочувствительные свойства реальных кристаллов. – Киев, 1983.
6.    Кузьменко П.П., Макара В.А. Зв’язок між електронною структурою атомів, кристалічною структурою і магнітними властивостями в металах. - Київ: Наукова думка, 1995. - 128 c.
7.    Макара В.А. Пористый кремний – новый функциональный нанокристаллический материал. В зб. ”Прогресивні матеріали і технології”. - Київ, Видавничий дім “Академперіодика”, 2003. - Т.2.– С.470-500.
8.    Шпак А., Куницький Ю., Захаренко М., Волощенко А.. Магнетизм аморфних та нанокристалiчних систем. К.: Академперiодика, 2003. – 232 с
9.    Шпак А.П., Куницький Ю.А., Коротченков О.О., Смик С.Ю. Квантові низькорозмірні системи. К.: Академперiодика, 2003.  – 360 с.
10.    O.A. Korotchenkov, A. Cantarero, H. G. Grimmeiss. Acoustically Engineered Luminescent Semiconductors, розділ колективної монографії: Recent Res. Devel. Sci. Techn. Semiconductors, “Transworld Research Network”, м. Kerala, India. − 2004, 2 друк. арк.
11.    Н.В.Новиков, С.Б.Полотняк, В.И.Левитас, В.С.Копань, С.Л.Рево и др.; Сверхтвердые материалы. Получение и применение: В 6 т, Под общей ред. H.В.Новикова /нженерно-производств.центр “АЛКОН” НАН Украины. – К, 2004. – Т.2: Структура и свойства СТМ, методы исследования. – 288 с.
12.    Копань В.С Композицiйнi матерiали. – К: Унiвep. вид. “Пульсари”, 2004. – 196 с
13.    Макара В.А., Судавцова В.С., Галинич В.І. Термодинаміка металургійних і зварювальних розплавів. - Київ, 2005.- 189 с.
14.    Новіков М.М., Погорілий А.М., Наконечна О.І., Плющай І.В. Основи загальної фізики. Ч.1. – К.: Логос, 2005. -176с.
15.    Новиков М.М., Погорілий А.М., Оглобля В.І., Наконечна О.І.. Основи загальної фізики. Частина II. Для студентів нефізичних спеціальностей ВНЗ.- К.: Вид-во „Логос”, 2006. – 145 с.
16.    А.П. Шпак, В.Ю Первак, Ю.А. Куницький , Ю.О. Первак. Фотонні кристали. Фізика та застосування. –  Наукове видання – Київ. Академперіодика, 2006, 120 с.
17.    Л.А. Булавін, В.І. Лисов, С.Л. Рево, В.І. Оглобля, Цареградська Т.Л. Фізика іонно-електронних рідин. Монографія. Київ, Видавничо-поліграфічний центр „Київський університет”,  2008, 384 с.
18.    Семенько М.П., Захаренко М.І., Куницький Ю.А., Шпак А.П. Тензорезистивні ефекти в аморфних металевих сплавах. – К.: ІМФ НАНУ, 2009 . – 96 с.
19.    І.В. Овсієнко,  Л.Л. Вовченко, Л.Ю. Мацуй. Вуглецеві матеріали та інтеркальовані сполуки на їх основі. – Наукове видання. НВП “Видавництво “Наукова думка” НАН України”, 2009. 129с.
20.    О.В. Соболь, Ю.А. Куницький, Л.Г. Хоменко. Процеси розпаду пересичених твердих розчинів. – Наукове видання. – Київ, ІМФ НАГУ, 2010. − 206с.
21.    Макара В.А., Судавцова В.С., Кудін В.Г. Фазові рівноваги в сплавах. Київ: Видавництво „Логос”. 2010. – 243 с.
22.    Коротченков О.О. Вступ до фізики низькорозмірних напівпровідникових систем. Властивості гетеропереходів. Київ, Бавок, 2011. – 20 с.
23.    О.В. Ляшенко,  О.І. Власенко, М.П. Киселюк, В.П. Велещук Акустико-емісійні методи дослідження у фізиці твердого тіла К.: Видавничо-поліграфічний центр «Київський університет», 2012. – 192 с.
24.    М.О.Боровий, Ю.А. Куницький, В.В.Курилюк. Вступ до наноелектроніки. Київ. "Кафедра", 2013 − 252 с.

Кількість захищених дисертацій: кандидатських - понад 60, докторських - 30.
Щорічно школа випускає: студентів – 20; 3-6 аспірантів та пошукачів.
Щороку виходять із друку 3-6 навчальних посібників, монографій.
Науковці школи щорічно публікують 35-40 наукових статей та 25-35 тез доповідей, відповідно беруть участь в роботі вказаної кількості міжнародних та республіканських конференцій. Наукові результати опубліковано у визнаних міжнародних журналах, зокрема, Physical Review B, Applіed Physics Letters, Journal of Applied Physics, Solar Energy Materials and Solar Cells, Reports on Progress in Physics, Physics Reports.
Вчені наукової школи активно співпрацюють з колегами університету Ціньхуа (м. Пекін, КНР); налагоджені зв‘язки із Політехнічним інститутом Лозанни (Швейцарія), Інститутом Макса-Планка (Німеччина). Науковці співпрацюють з вченими з Технологічного інституту (м. Ле-Крезо) Бургундського університету (Франція), політехнічним університетом м. Будапешта та інститутом фізики твердого тіла Угорської академії наук. На даний момент за цим напрямком ведеться активна співпраця з такими міжнародними навчальними та науковими закладами, як Ліонський інститут прикладних досліджень (м. Ліон, Франція), Коледж Вільяма і Марії (м. Вільянбург, США), Гомельський державний університет імені Франциска Скорини (м. Гомель, Білорусь)та ін.
Впродовж останніх кількох років відбувається плідне співробітництво з Алжирським університетом (University Mentouri-Constantine, Алжир) по вивченню властивостей неоднорідних систем.
Видатні вчені школи: професори Герцрікен С.Д.; Жмудський О.З.; Кузьменко П.П.; Макара В.А.; Копань В.С; Новиков М.М.; Рево С.Л.; Захаренко М.І; Єжов С.М.; Семенько М.П.; Коротченков О.О.; доктор фіз.-мат. наук, доцент Боровий М.О.; доктор фіз.-мат. наук, доцент Шірінян А. С.; доктор фіз.-мат. наук, ст. н. с. Мацуй Л. Ю.; доктор фіз.-мат. наук, ст. н. с. Бурбело Р. М.; доктор фіз.-мат. наук, ст. н. с. Стебленко Л.П.; доценти Оліх О. Я.; Попов О.Ю.; Цареградська Т.Л.; Плющай І.В.; Овсієнко І. В.; кандидати фіз.-мат. наук Курилюк В.В.; Білявина Н.М.; Кузьмич А.Г.; Вовченко Л.Л.; Чорнобук С.В.; Руденко О.В.
Впровадження наукових досягнень школи
За результатами діяльності наукової школи «Фізичне матеріалознавство неоднорідних систем» створено та впроваджено в навчальний процес спеціальні курси для студентів фізичного факультету, серед яких:
•    основи міцності та пластичності;
•    фізика структурних та фазових переходів;
•    фізика шаруватих систем;
•    композиційні матеріали;
•    фізичні основи створення нових функціональних матеріалів;
•    матеріалознавство консолідованих наноструктур;
•    магнетизм аморфних та нанокристалічних матеріалів;
•    керамічні наноматеріали та наносистеми;
•    метал-полімерні композити;
•    наноструктурні матеріали;
•    рентгенівська спектроскопія наноматеріалів та наносистем;
•    фізика вуглецевих наноструктур;
•    кластерні методи у фізиці твердого тіла;

Засновники:  Макара В.А.
Рік заснування:  1988

Повернення до списку

Інститути, факультети

Коледжі, ліцеї

Загальноуніверси- тетські інституції

Адміністративні та фінансові підрозділи

Громадські об’єднання

Тематичні розділи