Simulation of average stress values in por-Si-H2O structures near the phase transition point of water

Authors

  • Bardushkin V.V. Institute of Nanotechnology Microelectronics of the Russian Academy of Sciences, Moscow, Russian Federation ORCID 0000-0002-8805-5764
  • Kochetygov A.A. Institute of Nanotechnology Microelectronics of the Russian Academy of Sciences, Moscow, Russian Federation ORCID 0009-0008-3028-2148
  • Lavrov I.V. Institute of Nanotechnology Microelectronics of the Russian Academy of Sciences, Moscow, Russian Federation ORCID 0000-0002-1467-5100
  • Sychev A.P. Federal State Budgetary Institution of Science "Federal Research Centre the Southern Scientific Centre of the Russian Academy of Sciences", Rostov-on-Don; Rostov State Transport University, Rostov-on-Don, Russian Federation ORCID 0000-0001-6344-108X
  • Yakovlev V.B. Institute of Nanotechnology Microelectronics of the Russian Academy of Sciences, Moscow, Russian Federation ORCID 0000-0001-8515-3951
  • Bardushkin A.V. Institute of Nanotechnology Microelectronics of the Russian Academy of Sciences, Moscow, Russian Federation ORCID 0000-0003-1314-6079

UDC

536.4 : 539.3

DOI:

https://doi.org/10.31429/vestnik-21-1-47-56

Abstract

A theoretical model to predict the values of average stresses in silicon-based mesoporous structures with adsorbed water frozen under conditions of spatial limitation (confinement) has been developed. These stresses arise near the phase transition point of water due to differences in the thermal coefficients of linear expansion of the inhomogeneity elements of the materials under study. Knowledge of the average stress values makes it possible to predict changes in the melting/freezing temperature of water and the resistance to mechanical destruction (stability) of the water-saturated structures under consideration during thermal cycling near the ice-water phase transition point (in the temperature range 233–273 K). The model is based on the generalized singular approximation of the random fields theory in a version of the self-consistency method and makes it possible to consider the influence on the values of the average stress tensor components of a water-saturated mesoporous material of the presence of a layer of silicon dioxide on the pore surfaces, the structure of the inhomogeneous medium and the volume fraction of the components. Numerical model calculations were carried out and the dependences of the values of the average stress tensor components on the volumetric content of water frozen in the porous silicon matrix were studied. Numerical simulation showed that an increase in both the characteristic size (the ratio of the thickness of the silicon dioxide layer to the radius of the pore) and the volume fraction of frozen water leads to an increase in the values of the average stress tensor components.

Keywords:

simulation, porous silicon, water, ice, matrix composite, thermoelastic properties, stress concentration tensor, average stresses

Acknowledgement

The work was carried out ithin the framework of the state assignment on topic No. 122040800154-7.

Author Infos

Vladimir V. Bardushkin

д-р физ.-мат. наук, доцент, главный научный сотрудник Института нанотехнологий микроэлектроники РАН

e-mail: bardushkin@mail.ru

Andrey A. Kochetygov

младший научный сотрудник Института нанотехнологий микроэлектроники РАН

e-mail: aakcht@gmail.com

Igor V. Lavrov

канд. физ.-мат. наук, старший научный сотрудник Института нанотехнологий микроэлектроники РАН

e-mail: iglavr@mail.ru

Aleksandr P. Sychev

канд. физ.-мат. наук, ведущий научный сотрудник Южного научного центра РАН, доцент кафедры теоретической механики Ростовского государственного университета путей сообщения

e-mail: alekc_sap@mail.ru

Viktor B. Yakovlev

д-р физ.-мат. наук, профессор РАН, главный научный сотрудник Института нанотехнологий микроэлектроники РАН

e-mail: yakvb@mail.ru

Andrey V. Bardushkin

младший научный сотрудник Института нанотехнологий микроэлектроники РАН

e-mail: i170k@yandex.ru

References

  1. Bellissent-Funel, M.-C., Structure of confined water. Journal of Physics: Condensed Matter, 2001, vol. 13, no. 41 (9165). DOI: 10.1088/0953-8984/13/41/308
  2. Nwaka, D., Tahmasebi, A., Tian, L., Yu, J., The effects of pore structure on the behavior of water in lignite coal and activated carbon. Journal of Colloid Interface Science, 2016, vol. 477, pp. 138–147. DOI: 10.1016/j.jcis.2016.05.048
  3. Domin, K., Chan, K.Y., Yung, H., Gubbins, K.E., Jarek, M., Sterczynska, A., Sliwinska-Bartkowiak, M., Structure of ice in confinement: water in mesoporous carbons. Journal of Chemical & Engineering Data, 2016, vol. 61, iss. 12, pp. 4252–4260. DOI: 10.1021/acs.jced.6b00607
  4. Maniwa, Y., Kataura, H., Abe, M., Suzuki, S., Achiba, Y., Kira, H., Matsuda, K., Phase transition in confined water inside carbon nanotubes. Journal of the Physical Society of Japan, 2002, vol. 71, no. 12, pp. 2863–2866. DOI: 10.1143/jpsj.71.2863
  5. Cuadrado-Collados, C., Majid, A.A., Martínez-Escandell, M., Daemen, L.L., Missyul, A., Koh, C., Silvestre-Albero, J., Freezing/melting of water in the confined nanospace of carbon materials: Effect of an external stimulus. Carbon, 2020, vol. 158, pp. 346–355. DOI: 10.1016/j.carbon.2019.10.081
  6. Jähnert, S., Chávez, F.V., Schaumann, G.E., Schreiber, A., Schönhoff, M., Findenegg, G.H., Melting and freezing of water in cylindrical silica nanopores. Physical Chemistry Chemical Physics, 2008, vol. 10, iss. 39, pp. 6039–6051. DOI: 10.1039/b809438c
  7. Shimizu, S., Agrawal, K.V., O'Mahony, M., Drahushuk, L.W., Manohar, N., Myerson, A.S., Strano, M.S., Understanding and analyzing freezing-point transitions of confined fluids within nanopores. Langmuir, 2015, vol. 31, no. 37, pp. 10113–10118. DOI: 10.1021/acs.langmuir.5b02149
  8. 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, vol. 10, iss. 11 (2151). DOI: 10.3390/nano10112151
  9. Сычев, А.П., Лавров, И.В., Бардушкин, В.В., Физические и механические свойства неоднородных сред с вложенной микроструктурой (теория и моделирование). Изд-во ЮНЦ РАН, Ростов-на-Дону, 2022. [Sychev, A.P., Lavrov, I.V., Bardushkin, V.V., Fizicheskie i mekhanicheskie svoystva neodnorodnykh sred s vlozhennoy mikrostrukturoy (teoriya i modelirovanie) = Physical and mechanical properties of inhomogeneous media with embedded microstructure (theory and modeling). SSC RAS Publ., Rostov-on-Don, 2022. (in Russian)]
  10. Fang, G., Zhou, J., Pan, A., Liang, S., Recent advances in aqueous zinc-ion batteries. ACS Energy Letters, 2018, vol. 3, no. 10, pp. 2480–2501. DOI: 10.1021/acsenergylett.8b01426
  11. Ashuri, M., He, Q., Shaw, L.L., Silicon as a potential anode material for Li-ion batteries: where size, geometry and structure matter. Nanoscale, 2016, vol. 8, iss. 1, pp. 74–103. DOI: 10.1039/C5NR05116A
  12. Цивадзе, А.Ю., Кулова, Т.Л., Скундин, А.М., Фундаментальные проблемы литий-ионных аккумуляторов. Физикохимия поверхности и защита материалов, 2013, т. 49, № 2, с. 149–154. [Tsivadze, A.Yu., Kulova, T.L., Skundin, A.M., Fundamental problems of lithium-ion batteries. Fizikokhimiya poverkhnosti i zashchita materialov = Surface physical chemistry and material protection, 2013, vol. 49, no. 2, pp. 149–154. (in Russian)] DOI: 10.7868/S0044185613020083
  13. Кулова, Т.Л., Скундин, А.М., Проблемы низкотемпературных литий-ионных аккумуляторов. Электрохимическая энергетика, 2017, т. 17, № 2, с. 61–88. [Kulova, T.L., Skundin, A.M., Problems of low-temperature lithium-ion batteries. Elektrokhimicheskaya energetika = Electrochemical energy, 2017, vol. 17, no. 2, pp. 61–88. (in Russian)] DOI: 10.18500/1608-4039-2017-17-2-61-88
  14. Леньшин, А.С., Кашкаров, В.М., Спивак, Ю.М., Мошников, В.А., Исследование электронного строения и фазового состава пористого кремния. Физика и химия стекла, 2012, т. 38, № 3, с. 383–392. [Lenshin, A.S., Kashkarov, V.M., Spivak, Yu.M., Moshnikov, V.A., Study of the electronic structure and phase composition of porous silicon. Fizika i khimiya stekla = Physics and chemistry of glass, 2012, vol. 38, no. 3, pp. 383–392. (in Russian)]
  15. Shilyaeva, Y., Volovlikova, O., Smirnov, D., Volkova, A., Sysa, A., Mikhailova, M., Gavrilov, S., Thermal and kinetic analyses of silicide formation at nanostructured Si/Ni interface. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, 2019, vol. 138, no. 3, pp. 2339–2345. DOI: 10.1007/s10973-019-08460-w
  16. 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. Физика и техника полупроводников, 1998, т. 32, № 9, с. 1122–1124. [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. Fizika i tekhnika poluprovodnikov = Physics and technology of semiconductors, 1998, vol. 32, no. 9, pp. 1122–1124. (in Russian)]
  17. Бардушкин, В.В., Кочетыгов, А.А., Шиляева, Ю.И., Воловликова, О.В., Прогнозирование значений средних напряжений при фазовом переходе лед – вода в мезопористых структурах на основе кремния в интервале температур 233–273 К. Сборка в машиностроении, приборостроении, 2020, т. 21, № 8, с. 362–366. [Bardushkin, V.V., Kochetygov, A.A., Shilyaeva, Yu.I., Volovlikova, O.V., Predicting the values of average stresses during the ice – water phase transition in mesoporous silicon-based structures in the temperature range 233–273 K. Sborka v mashinostroyenii, priborostroyenii = Assembling in mechanical engineering and instrument-making, 2020, vol. 21, no. 8, pp. 362–366. (in Russian)] DOI: 10.36652/0202-3350-2020-21-8-362-366
  18. 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. Серия 3. Микроэлектроника, 2021, № 2 (182), с. 62–67. [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. Seriya 3. Mikroelektronika = Electronic equipment. Series 3. Microelectronics, 2021, № 2 (182), pp. 62–67. (in Russian)] DOI: 10.7868/S241099322102007X
  19. 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. Серия 3. Микроэлектроника, 2023, № 2 (190), с. 5–12. [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. Seriya 3. Mikroelektronika = Electronic equipment. Series 3. Microelectronics, 2023, № 2 (190), pp. 5–12. (in Russian)] DOI: 10.7868/S2410993223010013
  20. Шермергор, Т.Д., Теория упругости микронеоднородных сред. Наука, Москва, 1977. [Shermergor, T.D., Teoriya uprugosti mikroneodnorodnykh sred = Micromechanics of inhomogeneous medium. Nauka, Moscow, 1977. (in Russian)]
  21. Паньков, А.А., Методы самосогласования механики композитов. Изд-во ПГТУ, Пермь, 2008. [Pan'kov, A.A., Metody samosoglasovaniya mekhaniki kompozitov = Methods of self-consistency mechanics of composites. Perm State Technical University Publ., Perm, 2008. (in Russian)]
  22. Белослудов, В.Р., Инербаев, Т.М., Шпаков, В.П., Це, Д.С., Белослудов, Р.В., Кавазое, Е., Модули упругости и границы стабильности льдов и клатратных гидратов кубической структуры I. Рос. хим. журнал (Ж. Рос. хим. об-ва им. Д.И. Менделеева), 2001, т. XLV, № 3, с. 45–50. [Belosludov, V.R., Inerbaev, T.M., Shpakov, V.P., Tse, D.S., Belosludov, R.V., Kavazoe, E., Elastic moduli and stability limits of ices and clathrate hydrates of cubic structure I. Rossiyskiy khimicheskiy zhurnal (Zhurnal Rossiyskogo khimicheskogo obshchestva im. D.I. Mendeleeva) = Russian Chemical Journal (Journal of the Russian Chemical Society named after D.I. Mendeleev), 2001, vol. XLV, no. 3, pp. 45–50. (in Russian)]
  23. Schulson, E.M., The structure and mechanical behavior of ice. JOM, 1999, vol. 51, pp. 21–27. DOI: 10.1007/s11837-999-0206-4
  24. Деменко, В.Ф., Таблицы механических свойств конструкционных материалов. Изд-во ХАИ, Харьков, 2014. [Demenko, V.F., Tablitsy mekhanicheskikh svoystv konstruktsionnykh materialov = Tables of mechanical properties of structural materials. Kharkov Aviation Institute Publ., Kharkov, 2014. (in Russian)]
  25. Григорьева, И.С., Мейлихова, Е.З. (под ред.), Физические величины: Справочник. Энергоатомиздат, Москва, 1991. [Grigor'ev, I.S., Meilikhov, E.Z. (eds.), Fizicheskie velichiny: Spravochnik = Physical Quantities: Handbook. Energoatomizdat, Moscow, 1991. (in Russian)]

Downloads

Issue

2024. Vol. 21. No. 1

Section

Physics

Pages

47-56

Submitted

2024-03-04

Published

2024-03-27

How to Cite

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. Ecological Bulletin of Research Centers of the Black Sea Economic Cooperation, 2024, vol. 21, no. 1, pp. 47-56. DOI: https://doi.org/10.31429/vestnik-21-1-47-56 (In Russian)

Copyright (c) 2024 Bardushkin V.V., Kochetygov A.A., Lavrov I.V., Sychev A.P., Yakovlev V.B., Bardushkin A.V.

Creative Commons License

This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.