Введение к работе
Актуальность. Изменения физических свойств конденсированных сред при уменьшении межатомного расстояния в результате сильного сжатия является фундаментальной проблемой физики высоких давлений. Этой проблемой охватывается широкий круг тем, среди которых в последние 10-15 лет заметное место заняли исследования физико-химических превращений фуллеритов при высоких, порядка 10 ГПа, давлениях.
Как известно, существует два способа создания высоких давлений. Первый - это создание давлений в статических прессах или алмазных наковальнях. Второй способ - это динамический, когда высокие давления в образце возникают на короткое, порядка микросекунды, время прохождения по образцу сильной ударной волны.
В статических условиях исследования электрофизических и термодинамических свойств сжатых фуллеритов в подавляющем большинстве проведены in-situ [1]. Для исследований, проводимых в ударно-волновых условиях, характерна обратная ситуация - большинство исследований выполнено на сохраненных образцах фуллеритов, то есть ex-situ. Поэтому экспериментальные исследования физических свойств фуллеритов в динамических экспериментах in-situ актуальны. В частности измерения электросопротивления фуллеритов Сбо и С7о непосредственно в процессе ударно-волнового нагружения представляют собой актуальную задачу.
Регистрация сопротивления ударно-сжатых фуллеритов позволяет надежно регистрировать скачки электропроводности, обусловленные физико-химическими превращениями при динамическом нагружении. Вместе с этим интерпретация результатов является нетривиальной и, также как и для других веществ, требует уравнения состояния для фуллеритов Сєо и С7о- Поэтому термодинамические свойства и построение уравнений состояния, обеспечивающие расчеты термодинамических параметров ударно-сжатых фуллеритов, также представляют собой актуальную проблему физики фуллеренов.
Цель работы заключается в комплексном исследовании электрофизических и термодинамических свойств фуллеритов С60 И Суо и выявлении индивидуальных особенностей физико-химических
превращений, протекающих в этих углеродных материалах при высоких давлениях и температурах ударного сжатия.
Объекты исследования. Монокристаллы фуллеритов С6о и С7о с гранецентрированной кубической (ГЦК) структурой, выращенные из газовой фазы.
Методы исследования. Электрофизические свойства фуллеритов С6о и С7о в условиях ударного нагружения изучались с помощью методики непрерывной регистрации электрического сопротивления исследуемых образцов в процессе ударного сжатия. Давление в ударных волнах измерялось методом манганинового датчика. Режим ступенчатого ударного сжатия образцов фуллеритов С6о и С70 создавался ударом плоской металлической пластины, разогнанной продуктами взрыва до скоростей порядка ~ 2 км/сек. Для сохранения образцов фуллеритов С6о и С7о после ударно-волнового сжатия применен метод сохранения образцов в металлических ампулах. Использован плоский вариант ампулы сохранения, позволяющий получать условия ударно - волнового нагружения, соответствующие реализуемым в экспериментах по измерению электропроводности образцов. Рентгенодифрактометрические исследования сохраненных фуллеритов С60 и С7о проведены с использованием дифрактометра ДРОН-4 (Си Ка1-излучение). Спектрографические исследования фуллеритов С6о и С70 проводились на ИК-Фурье спектрометре Perkin-Elmer Spectrum 100 с ATR приставкой. Элементный анализ образцов был выполнен на сканирующем микроскопе высокого разрешения Zeiss Supra 50 VP с системой микроанализа и с волнодисперсионным (EDX) и энергодисперсионным (WDX) спектрометрами. Расчет термодинамических и кинетических параметров ударно-сжатых фуллеритов осуществлялся в рамках полуэмпирического подхода.
Научная новизна. Впервые экспериментально зафиксировано, что при давлениях ступенчатого ударного сжатия, превышающих 20 ГПа, падение электросопротивления образца фуллерита Сбо сменяется его резким увеличением. При этом проводимость образцов фуллеритов С6о и С7о при ударном сжатии определяется, главным образом, ее объёмной составляющей. Показано, что при динамическом нагружении
немонотонное изменение характерно не только для электросопротивления образца, но и для удельного электросопротивления фуллерита С6о, причем появление максимума проводимости фуллерита С6о обусловлено образованием зародышей рентгеноаморфной полимерной фазы. В рамках полуэмпирической методики построена решёточная составляющая уравнения состояния ГЦК-фуллерита С6о, фуллерита С70, трехмерного полимера 3DC6o. Экспериментально установлено, что при динамическом нагружении до 30 ГПа фуллерит С60 сохраняет свою кристаллическую структуру и его молекулы не разрушаются, тогда как кристаллическая структура фуллерита С70 кардинально изменяется в этих условиях, а его молекулы разрушаются.
Практическая ценность. Полученные результаты в сочетании с
независимыми изотермическими и ударно-волновыми
экспериментальными данными позволили расширить границы исследования электрофизических и термодинамических свойств кристаллической формы фуллеренов С6о и С7о в экстремальных условиях.
Личный вклад автора. Автором определены цели работы, выполнены динамические эксперименты по сохранению и регистрации электросопротивления ударно-сжатых фуллеритов, проведен анализ полученных экспериментальных данных на основе построенных уравнений состояния и сформулированы выводы. Подготовлены публикации по теме диссертации.
Апробация работы. Результаты исследований докладывались и обсуждались на Международной конференции "Водородное материаловедение и химия углеродных материалов", (Украина, 2003, 2005, 2007), Международной конференции "Уравнения состояния вещества", (п. Эльбрус, Россия, 2004, 2006, 2008), Международной конференции "Воздействие интенсивных потоков на вещество", (п. Эльбрус, Россия, 2005, 2007), XIII Симпозиуме по горению и взрыву, (г. Черноголовка, Россия, 2005), 14th APS Topical Group Conference Shock Compression of Condensed Matter, (Baltimore, Maryland, USA, 2005), International Workshop on Crystallography at High Pressures, (Dubna, Russia, 2006), Второй Всероссийской конференции молодых ученых "Физика и химия высокоэнергетических систем", (г. Томск, Россия, 2006),
Ill Всероссийской конференции молодых ученых, (г. Томск, Россия, 2007), Ninth annual conference of the Yugoslav Materials Research Society YUCOMAT, (Herceg Novi, Montenegro, 2007), Joint 21 AIRAPT and 45 EHPRG International Conference on High Pressure Science and Technology, (Catania, Italy, 2007), 8th International Workshop on Subsecond Thermophysics, (Moscow, Russia, 2007), а также на научных семинарах и конкурсах научных работ в ИПХФ РАН.
По теме диссертации опубликовано 15 научных работ, в том числе 4 в рецензируемых журналах и 11 в сборниках трудов и тезисов конференций.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, литературного обзора, четырех глав, заключения с основными результатами и списка литературы. Объем диссертации составляет 121 страницу, содержит 55 рисунков, 5 таблиц и библиографию из 123 наименований.
