Единое окно доступа к образовательным ресурсам

Дефекты структуры и физические свойства кристаллов: Учебно-методическое пособие

Голосов: 1

Учебно-методическое пособие подготовлено на кафедре общей химии химического факультета Воронежского государственного университета. Рекомендовано для студентов 4 и 5 курсов химического факультета ВГУ специальности/направления 020101 (специалисты), 020100 (бакалавры) - "Химия".

Приведенный ниже текст получен путем автоматического извлечения из оригинального PDF-документа и предназначен для предварительного просмотра.
Изображения (картинки, формулы, графики) отсутствуют.
    ния своих связей электрон из валентной зоны матрицы GaAs, поставляя,
таким образом, в матрицу делокализованную дырку.
     Следует отметить, что образцы (In,Mn)As, (Ga,Mn)As и (Ga,Mn)P с
наивысшими Тс имеют высокие плотности дырочных носителей ~1020 см –3
и проявляют характеристики, свойственные ферромагнитным материалам.
Так, при 5 К наблюдали доменную структуру в виде полос шириной
1,5 мкм в ферромагнитной плёнке Ga0,957Mn0,043As на подложке из
Ga0,84In0,16As. В пользу нормального ферромагнетизма свидетельствуют
также прямоугольные петли гистерезиса намагниченности. С увеличением
температуры намагниченность и коэрцитивная сила материалов уменьша-
ются. При этом намагниченность РМП не пропорциональна концентрации
легирующих магнитных ионов.
     Среди матриц типа АIIIВV у полупроводника InSb наименьшая шири-
на запрещенной зоны (0,17 эВ) и самая высокая подвижность электронов.
На его основе конструируют чувствительные холловские датчики, поэтому
понятен интерес к получению РМП на основе InSb. Методом молекулярно-
лучевой эпитаксии получены плёнки (In, Mn)Sb, среди которых ферромаг-
нетизм с Тс = 20 К проявляли образцы с проводимостью p-типа и плотно-
стью дырок 1,1 ⋅ 1020 см–3, тогда как образцы с проводимостью n-типа и
плотностью электронов 8,6 ⋅ 1018 см–3 оказались парамагнетиками.


                § 6. Влияние магнитного поля на свойства
                        твердофазных материалов
     Магнитная обработка материала – это воздействие в течение некото-
рого времени на материал или готовое изделие постоянного, переменного
или импульсного магнитного поля без каких-либо иных внешних воздей-
ствий с целью управляемого изменения структуры и свойств обрабатывае-
мого объекта.



                                   41


     При анализе современной литературы, посвященной исследованию
воздействия магнитного поля на твердое вещество, выделяются две основ-
ные группы явлений. Речь идет об эффектах, проявляющихся непосредст-
венно в процессе воздействия поля, и эффектах, которые имеют место
спустя некоторое время после магнитной обработки – так называемые эф-
фекты «магнитной памяти».

     Эффекты, проявляющиеся в процессе действия магнитного поля.
В ряде работ детально исследовано явление магнитопластического эффек-
та, впервые обнаруженное на образцах хлорида натрия, помещенных в по-
стоянное магнитное поле. Обнаруженный эффект представляет собой от-
крепление дислокаций от стопоров, а в качестве экспериментально наблю-
даемых физических явлений рассматриваются изменение кривых дефор-
мации и пределов текучести кристаллов в магнитном поле. Дальнейшие
исследования, проводимые на галогенидах щелочных металлов и других
ионных немагнитных материалах, убедительно доказывают, что параметры
пластического течения могут служить индикатором влияния магнитного
поля. Было обнаружено, что средний статистический пробег дислокаций во
всех исследованных кристаллах линейно нарастает с ростом квадрата маг-
нитной индукции и времени магнитной обработки образцов: l = l0 + βB2t,
где l0 – фоновое значение пробега, существующее и при B = 0, связанное с
выталкиванием приповерхностных стопоров.

     Практически вся совокупность наблюдаемых закономерностей нахо-
дит свое объяснение в рамках концепции спин-зависимых электронных
переходов во внешнем магнитном поле. Считается, что магнитное поле
порождает изменение спинового состояния в системе «дислокация – пара-
магнитный центр». Последний в ионных кристаллах ассоциируется с ка-
ким-либо примесным дефектом или с электроном, локализованном на дис-
локации. Подобная эволюция завершается снятием спинового запрета на

                                   42


определенный электронный переход, который меняет конфигурацию сис-
темы, приводя к откреплению дислокаций от точечного дефекта.

     Это проявляется в отрицательном магнитопластическом эффекте,
т. е. ведет к разупрочнению. Причем, в рамках высказанной модели проис-
ходит не преодоление локальных барьеров, а их разрушение за некоторое
время. Другими авторами для объяснения этого эффекта было высказано
предположение о возможной связи эффекта с интеркомбинационными пе-
реходами (ИКП) между состояниями различной мультиплетности в ради-
кальных парах, возникающих при взаимодействии ненасыщенных связей
ядра дислокации с парамагнитными примесями.

     Положительный магнитопластический эффект в металлах объясняют
ростом электронной компоненты вязкого торможения дислокаций в маг-
нитном поле. Было обнаружено влияние магнитного поля с индук-
цией ~1 Тл на пластические свойства ионно-ковалентных полупроводни-
ковых диамагнитных кристаллов ZnS, а также на их фото- и электролюми-
несценцию. Высказано предположение о том, что открепление дислокаций
от стопоров может приводить к релаксации метастабильной фазы и влиять
на состояние точечных дефектов, находящихся в области фазовых перехо-
дов и ответственных за фото- и электролюминесценцию.

     Наряду с магнитопластическим эффектом было показано влияние
постоянного магнитного поля на скорость зародышеобразования и роста
кристаллов, на величину зерна и т.д. при кристаллизации диа- и парамаг-
нитных металлов и сплавов. При кристаллизации чистых металлов в маг-
нитном поле критический радиус зародыша и работа его образования
уменьшается, а фазовая кривая равновесия сдвигается в сторону более вы-
соких давлений и низких температур. Расчеты проведены для парамагнит-
ных материалов, хотя допускается предположение о справедливости пред-
ложенной модели и для диамагнитных веществ.

                                  43


     Эффект «магнитной памяти». Еще в 30-х годах ХХ в. были прове-
дены исследования, в ходе которых сделан вывод о том, что воздействие
относительно слабых магнитных полей приводит к необратимому измене-
нию свойств материала. Причем, признаком необратимости считались те
изменения, которые оставались в твердом теле после снятия полевого воз-
действия. Наблюдались периодические, постепенно ослабевающие во вре-
мени, изменения твердости сталей и некоторых цветных металлов после
воздействия на эти материалы магнитных полей при повышенных темпе-
ратурах.
     Была проведена серия экспериментов, в результате которых обнару-
жено явление «запоминания» кристаллами факта пребывания в постоян-
ном магнитном поле, что устанавливалось по изменению микротвердости.
Микротвердость закаленных кристаллов уменьшалась после их обработки
в магнитном поле примерно на 6 %. Интересен тот факт, что в одной из се-
рий экспериментов кристаллы были подвержены воздействию кратковре-
менного импульса поля (В = 7 Тл, длительность 10–2 с), в результате уста-
новлено, что одного импульса достаточно, чтобы последующее воздейст-
вие не оказывало влияния на состояние кристалла. Однако авторы утвер-
ждают, что необходимым условием влияния поля на структурные дефекты
является пребывание их в метастабильном состоянии, а также наличие па-
рамагнитных центров.
     Был детально исследован эффект «магнитной памяти» под воздейст-
вием постоянного магнитного поля. Объектами исследования были кри-
сталлы NaCl, содержащие парамагнитную примесь никеля. В результате
исследования скорости перемещения дислокаций в поле импульса механи-
ческих напряжений сжатия, прикладывающегося к образцу после выдерж-
ки его в магнитном поле в течение некоторого времени, авторы говорят
о том, что дислокации «запоминают» воздействие магнитного поля, по-
скольку повторная магнитная обработка не меняет характера движения
                                   44


дислокаций, индуцированного первичным действием поля. Также был сде-
лан вывод о магнитном преобразовании примесной подсистемы во време-
ни. Однако механизмы «магнитной памяти» дислокаций в работе не объ-
ясняются.
     Было обнаружено смещение краевых дислокаций в ионных кристал-
лах, стимулированное включением импульса магнитного поля с индукцией
15 Тл в отсутствии внешних механических напряжений. Авторами предпо-
лагалось, что движение дислокаций обусловлено силовым действием вих-
ревого электрического поля на заряженные дислокационные системы. Од-
нако энергия воздействия возникающего электрического поля не достаточ-
на для протекания наблюдающихся процессов. Были исследованы законо-
мерности перемещения краевых дислокаций в импульсном магнитном по-
ле (ИМП) и изучено влияние поля на состояние дефектов решетки. В ре-
зультате проведенных исследований было установлено, что многократное
включение одинаковых ИМП не приводило к заметному изменению сред-
них пробегов дислокаций. На основании полученных экспериментальных
данных авторы предположили, что под действием импульсного магнитно-
го поля в кристалле протекают процессы, результатом которых является
переход дефектов структуры в метастабильное состояние, отличающееся
пониженной чувствительностью дислокаций к последующему действию
импульсного магнитного поля. Таким образом, наблюдается эффект «за-
поминания» кристаллом факта воздействия ИМП, на что указывает потеря
чувствительности дислокаций к повторным импульсам.
     Установлено, что кратковременные воздействия импульсных магнит-
ных полей инициируют долговременный низкотемпературный распад твер-
дого раствора кислорода в кристаллах кремния, выращенных по методу Чох-
ральского (Cz-Si), приводящий к радикальному изменению всей микрострук-
туры кристаллов, что завершается образованием пространственно упорядо-


                                  45


ченных кислородно-вакансионных кластеров и/или преципитацией оксидных
фаз в зависимости от исходной дефектности кристалла.
     Возможные механизмы воздействия поля. При объяснении механиз-
мов воздействия магнитного поля наибольший интерес представляют про-
цессы, инициированные относительно слабыми полями (напряженностью
до 106 А/м), энергия которых не превышает энергии тепловых движений.
Было предложено два возможных варианта трактовки механизмов процес-
сов, протекающих в твердых телах под влиянием относительно слабых
магнитных полей: на основе участия дислокаций и на основе представле-
ний об электронном энергетическом спектре.
     В первом случае акцент делается на неупругую релаксацию напря-
жений, связанную с дислокационными реакциями и перераспределением
точечных дефектов под действием магнитного поля. Одни авторы на осно-
вании экспериментальных данных говорят о возможности изменять плот-
ность и характер распределения структурных дефектов в стали путем воз-
действия магнитных полей. При этом энергетическим источником проте-
кающих процессов является внутренняя энергия искаженной кристалличе-
ской решетки. «Задача» магнитных полей, которые авторы называют по-
лями допороговых энергий, состоит в том, чтобы «сорвать» материал с
границ стабильности его свойств и обеспечить тем самым возможность
самопроизвольной перестройки субструктуры в результате релаксации
внутренних напряжений. Причем релаксация связана с явлением распада и
новообразования дефектных комплексов. Авторами впервые ставится во-
прос о распаде дефектных комплексов под воздействием магнитных полей
допороговых энергий, т.е. полей, энергетически не способных обеспечить
протекающие процессы. По их мнению, суть эффекта магнитной обработ-
ки состоит в каталитическом действии магнитного поля, которое проявля-
ется, с одной стороны, в одновременном распаде относительно большого
количества метастабильных дефектных комплексов. С другой стороны, по-
                                   46


сле освобождения дефектов появляется возможность образования большо-
го числа устойчивых дефектных ассоциаций. Однако, несмотря на то, что в
своих рассуждениях авторы употребляют понятие «твердое тело» для оп-
ределения объекта магнитной обработки, нетрудно заметить, что рассмат-
риваемые объекты обладают металлическими свойствами. Но вместе с тем
в качестве обобщения ими высказывается предположение, что влияние
магнитных полей на физико-механические свойства реальных твердых тел
связано с релаксационной перегруппировкой дефектов, находящихся в ме-
тастабильном состоянии, и не зависит от природы материала.

     Другие авторы рассматривают магнитную активацию процессов пе-
рестройки дефектной структуры с точки зрения специфики рассеяния
электронов в магнитном поле. Так, на примере простой однозонной модели
электронов предполагается, что магнитное поле индуцирует электронные
вихри, а дефекты структуры, не захваченные этими вихрями, за счет энер-
гии деформации решетки выталкиваются на поверхность кристалла. Эф-
фект магнитной обработки связан с активацией дефектов в твердых телах.
В результате магнитной обработки в реальном твердом теле происходит
диссипация энергии электронами проводимости, и ее интенсивность зави-
сит от направления приложения поля. Однако, как и в серии предыдущих
работ, не дается четкого указания на природу рассматриваемого материа-
ла, а в качестве объекта рассматривается обобщенное понятие «твердое те-
ло». Но можно однозначно сказать, что предложенная модель применима
только для металлических материалов, поскольку для описания объекта
употребляются понятия электронного газа, электронов проводимости и т. д.

     В качестве развития вопроса о природе воздействия слабых магнит-
ных полей на структуру и свойства металлов был использован термодина-
мический подход, в котором образование дислокаций в твердом теле рас-
сматривается как зарождение новой фазы в матрице, а в качестве внешнего

                                   47


фактора воздействия рассматривается постоянное магнитное поле. В рабо-
те делается вывод о том, что образование новых дефектов структуры про-
исходит за счет энергии магнитных диполей вещества при ориентирующем
действии внешнего магнитного поля. Диполи представляют собой области
решетки, образующиеся за счет искажения электронного энергетического
спектра, вследствие наложения магнитного поля, и искажения деформаци-
онного потенциала в местах локализации дефектных комплексов. Основы-
ваясь на вышесказанном, авторы утверждают, что полученные результаты
могут быть справедливы для всех твердых тел.

     Существует несколько иная точка зрения, основанная на факте вол-
нообразного характера, с постепенно затухающей интенсивностью, изме-
нения твердости режущей стали. Авторы утверждают, что колебания твер-
дости материала, подвергнутого воздействию относительно слабого маг-
нитного поля, могут рассматриваться как некоторый когерентный процесс,
который протекает в системе, далекой от термодинамического равновесия.
Известно, что возникновение таких процессов вызвано переходом системы
через состояние нестабильности, среди которых можно выделить два типа:
бифуркацию Хопка и бифуркацию Тьюринга. Важным отличительным
признаком каждого из этих состояний является характер присущего ему
переходного процесса. В первом случае реализуется только временной ре-
жим типа «предельных циклов». Для второго случая характерна не только
когерентность процесса во времени, но и проявление в системе устойчивой
пространственной организации. Пространственно-временная организация,
обусловленная возникающими в системе нестабильностями, рассматрива-
ется как основной признак существования нового типа динамического со-
стояния материи – диссипативной структуры. Поскольку возникновение
когерентных структур возможно лишь в системах, далеких от термодина-
мического равновесия, которое реализуется за счет существования в твер-
дых телах дефектов различной природы (включая примесные атомы), эле-
                                  48


ментарные дефекты являются основным системообразующим фактором
когерентной структуры. Известно, что дефекты взаимодействуют между
собой посредством связанных с ними полей внутренних напряжений, обра-
зуя комплексы. «Запуск» нестабильности за счет энергетических флуктуа-
ций в кристалле, приходящих от решетки, осуществляется легче в услови-
ях ускоренного распада дефектных комплексов, обусловленного действием
магнитного поля. Поскольку диффузионная подвижность элементарных
дефектов выше подвижности их комплексов, то распад последних приво-
дит к резкому увеличению макроскопического значения коэффициента
диффузии. Именно этот результат указывает на возможность перехода от
предельного цикла к диссипативной структуре. Смена характера переход-
ного процесса обусловлена неустойчивостью системы по отношению к
диффузии, особенно в случае пространственно неоднородных возмуще-
ний. Отсюда же следует, что возникновение в твердых телах диссипатив-
ных структур становится более вероятным при использовании импульсных
магнитных полей с большими градиентами, так как при этом пространст-
венная неоднородность возмущений возрастает.

     Авторы такого подхода доказывают целесообразность применения
импульсных магнитных полей (ИМП) для управления структурой и свой-
ствами твердых тел в силу того, что различные по природе дефектные
комплексы по-разному отвечают на одно и то же воздействие, и вместе с
тем различные внешние воздействия неодинаково влияют на один и тот же
дефектный комплекс.




                                  49


                       Рекомендуемая литература.

1. Фистуль В.И. Физика и химия твердого тела. : в 2-х т. / В.И. Фистуль. –
М. : Металлургия, 1995. – Т. 1. – 480 с.; Т. 2. – 320 с.
2. Вест А. Химия твердого тела : Теория и приложения. : в 2-х ч. / А. Вест. –
М. : Мир, 1988. – Ч. 1. – 555 с.; Ч. 2. – 334 с.
3. Чеботин В.Н. Физическая химия твердого тела / В.Н. Чеботин. – М. :
Химия, 1982. – 320 с.
4. Васильев А.В. Дефектно-примесные реакции в полупроводниках /
А.В. Васильев, А.И. Баранов. – Новосибирск : Изд-во Сиб. Отд. РАН,
2001. – 255 с.
5. Синельников Б.М. Физическая химия кристаллов с дефектами : учеб. по-
собие / Б.М. Синельников. – М. : Высш. шк., 2005. – 134 с.




                                     50



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика