Фазовые превращения под давлением до 70 ГПа в халькогенидах олова, германия и свинца Бегоулев, Вячеслав Борисович

Введение к работе

Актуальность темы. Давление является важным физическим параметром, оказывающим существенное влияние на состояние вещества. Воздействие высокого давления сопровоадается изменением механических, электрических, тепловых, оптических, магнитных свойств и, во многих случаях, приводит к переходу вещества в другую модификацию. Это связано с тем, что когда объем твердого тела уменьшается при сжатии, его атомная или электронная структура может претерпеть скачкообразное изменение до достижения энергетического равновесия в новых условиях. Эти явления и оказываются ответственными за изменение физических свойств твердого тела при переходе в другую фазу. Таким образом, расширяя диапазон достижимых давлений, мы получаем новые возможности целенаправленного изменения физических свойств объектов, а также создания новых модификаций с уникальными свойствами.

Одним из наиболее интересных примеров такого рода служит переход ряда веществ, являющихся в обычных условиях диэлектриками и полупроводниками, в металлическое состояние.

Исследования переходов диэлектрик - металл безусловно были стимулированы постановкой проблемы металлического водорода. По теоретическим оценкам предполагалось, что водород должен перейти в металлическое состояние при давлении 1-3 Мбар. Кроме того ожидалось, что металлическая модификация водорода должна обладать сверхпроводящими свойствами. Столь высокое значение давления перехода связано с большой шириной запрещенной зоны водорода.

Вещества с меньшей шириной запрещенной зоны должны переходить в металлическое состояние при более низких давлениях и

поэтому могут служить удобными объектами для изучения закономерностей переходов диэлектрик - металл, а также свойств образовавшихся под давлением металлических модификаций.

К таким объектам можно отнести узкозонные полупроводники группы iv - vi — халькогениды олова, германия и свинца. Бод воздействием давления указанные соединения испытывают фазовые превращения в металлическое состояние, обладающее сверхпроводящими свойствами. Регистрация сверхпроводимости под давлением позволяет зафиксировать переход вещества в металлическое состояние.

Чтобы получать достоверную информацию о процессах, происходящих под давлением, в первую очередь важно знать величину и характер распределения давления в камере непосредственно в процессе проведения эксперимента. Если учесть, что с ростом предельно достижимых давлений ( I Мбар и более ), полезный рабочий объем камеры высокого давления становится достаточно мал ( Ю^_12-10^_14м³), введение датчиков давления в рабочую зону представляет значительную трудность. Успешное решение проблемы измерения давления и изучения его распределения в камерах мегабарного диапазона обеспечивается применением рубиновых датчиков микронных размеров.

Детальная информация о характере распределения давления в камере непосредственно в условиях фазового превращения позволила развить новый метод регистрации фазовых превращений по возникновению аномалий на эпюре давления, а также дает возможность построения Р - Т диаграмм веществ в низкотемпературной области ( 4.2 К - 300 К ).

В совокупности с электрическими измерениями этот метод дает информацию не только о самом факте фазового превращения, но и

позволяет определить величину давления перехода.

Указанные обстоятельства определяют актуальность данного исследования фазовых превращений халькогенидов олова, германия и свинца в области давлений до 70 ГПа и температур 4.2 К - 300 К. Целью диссертационной работы является:

1. Создание экспериментального комплекса для исследования в
мегабарном диапазоне давлений фазовых превращений диэлектрик

( полупроводник ) - металл и сверхпроводимости образовавшихся модификаций. Комплекс включает в себя :

а) камера высокого давления типа "закругленный индентор -
плоскость", одна из наковален которой изготавливается из природного
алмаза, а вторая - из синтетического алмаза "карбонадо";

б) устройства для нагружения и фиксации усилия;

в) оптический криостат;

г) прецизионная оптико-механическая система, позволяющая
производить измерения распределения давления в камере в широком
интервале температур;

д) аппаратура для измерения электросопротивления и температуры
образца.

1. Разработка метода регистрации фазовых превращений и построения Р - Т диаграмм веществ по аномалиям распределения давления в образце.

2. Исследование фазовых превращений полупроводник - металл в халькогенидах олова, германия и свинца под давлением до 70 Ша.

Научная новизна работы заключается в следующем: -создан экспериментальный комплекс для исследования в мегабарном диапазоне давлений фазовых превращений диэлектрик (полупроводник)-металл и сверхпроводимости образовавшихся модификаций;

- разработан метод регистрации под давлением фазовых
превращений в образцах малого объема ( 10~¹² - Ю^-14 м³ ) в
низкотемпературной' .области ( 4.2 К - 300 К ) по аномалиям
распределения давления в исследуемом веществе;

- обнаружен переход теллурида германия в сверхпроводящее
состояние под давлением 44 ГПа. Определено давление перехода
теллурида олова и сульфида свинца в сверхпроводящее состояние:
22 ГПа и 24 ГПа соответственно;

- построены Р - Т диаграммы халькогенидов свинца в
низкотемпературной области (4.2 К- 300 К) под давлением до 35 ГПа.

Практическая ценность работы. Расширен диапазон давлений ( до 90 ГПа ) при исследовании сверхпроводимости металлических модификаций, образовавшихся в результате фазового перехода диэлектрик ( полупроводник ) - металл под давлением.

Развит новый метод регистрации фазовых превращений под давлением в образцах малого объема ( Ю^-12 - Ю^-14 м³ ) по аномалиям распределения давления. Метод дает возможность построения Р - Т диаграмм в низкотемпературной области ( 4.2 К - 300 К ).

Полученные данные о поведении под давлением халькогенидов олова, германия и свинца дополняют набор сведений об этих материалах, применяемых в настоящее время во многих приборах электроники и энергетики.

Основные защищаемые положения:

1. Метод измерения давления в камере при гелиевых
температурах по люминесценции рубина.

2. Метод регистрации фазовых превращений в образцах малого

объема ( I0~¹² - ІСГ¹⁴ м³ ) по аномалиям распределения давления.

3. Метод построения ? - Т диаграмм веществ в
низкотемпературной области ( 4.2 К - 300 К ).

4. Обнаружение новой фазы высокого давления теллурида германия.

5. Построение Р -Т диаграмм халькогенидов свинца под
давлением до 35 ГПа в области температур 4.2 К - 300 К.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на їх, х, хі Международных конференциях МАРИВД по физике и технике высоких давлений ( Олбани, США, 1983 г.; Амстердам, Голландия, 1985 г.; Киев, СССР, 1987 г. ), на 23 и 24 Всесоюзных совещаниях по физике низких температур ( Таллин, 1984 г.; Тбилиси, 1986 г. ), на vin, їх, х и хп Научных семинарах "Влияние высоких давлений на вещество" ( Киев, 1983, 1984, 1985 г.г.; Одесса, 1987 г. ), на Всесоюзном совещании "Применение высоких давлений для получения новых материалов и создания интенсивных процессов химических технологий" ( Москва, МГУ, 1986 г. ).

на v Всесоюзной конференции "Получение и обработка материалов высоким давлением" ( Минск, 1987 г. ).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 8 печатных работ.

Структура и объем работы, диссертация состоит из введения, трех глав, основных результатов и выводов, списка цитированной литературы. Работа изложена на 121 странице, включая 33 рисунка и список литературы из 102 наименований.