Введение к работе
Актуальность темы. Проблема воздействия высоких давлений на кристаллические вещества охватывает широкий круг вопросов - от фундаментальных задач устойчивости и фазовых превращений до технических материаловедческих приложений. Давление является ключевой характеристикой во многих областях физики. При увеличении давления, действующего на твердое тело, увеличиваются межатомные взаимодействия, что в ряде случаев приводит к радикальному изменению физических и химических свойств материала. Значительные успехи достигнуты в теории физики твердого тела для материалов при высоких давлениях. Разработаны аналитические теории и приближенные методы, позволяющие рассчитывать широкий спектр свойств веществ материалов под действием высоких давлений.
В последнее десятилетие исследования высоких давлений претерпели революцию, обусловленную прорывом в технологии ячеек с алмазными наковальнями. В лабораторных условиях могут быть достигнуты статические давления в несколько мегабар. Причем, физические свойства материалов могут быть определены локально при этих условиях, и точность многих измерений при высоких давлениях приближается к точности, достигнутой на образцах при гидростатических сжатиях. При высоких давлениях, кроме давно известных структурных фазовых переходов, когда тип связи не меняется, могут происходить переходы с изменением типа связи, такие как переход «диэлектрик - металл».
Исследование перехода диэлектриков в металлизированное состояние под воздействием внешних факторов вызывает на сегодняшний день неослабевающий интерес. Металлизация - это электронный переход «диэлектрик - металл» (переход первого рода) с увеличением плотности вещества. Металлизация вещества под давлением широко исследуется экспериментальными и теоретическими методами. Металлизация была обнаружена у широкого круга веществ, таких как ионные кристаллы, оксиды, силикатные стекла, сульфиды и кристаллы инертных газов, полупроводниковые кристаллы.
Наиболее интересной для теоретического и практического применений является область давлений, в которой обращается в нуль энергетическая щель, отделяющая занятые и пустые электронные состояния, в результате чего происходит переход «диэлектрик - металл».
Предлагаемая работа посвящена исследованию свойств фазового перехода «диэлектрик - металл» в щелочно-галоидных кристаллах в экстремальных условиях высоких давлений в рамках метода функционала электронной плотности (МФЭП).
Цель работы. Изучить свойства фазового перехода «диэлектрик - металл» в ионных кристаллах в экстремальных условиях высоких давлений. Построить модели диэлектрической и металлизированной фаз ионного кристалла. Рассчитать структурные и термодинамические свойства фаз высокого давления ряда ионных кристаллов в рамках созданной модели.
Научная новизна.
-
Расчет давления фазового перехода «диэлектрик - металл» в ионных кри сталлах в условиях высоких давлений в рамках термодинамического подхо да.
-
Обнаружена зависимость давления фазового перехода «диэлектрик - ме талл» от размера кристалла.
-
Впервые рассчитаны когезионные характеристики диэлектрической и ме таллизированной фаз ионного кристалла при фазовом переходе «диэлектри - металл».
-
Впервые построены зависимости модулей упругости от давления вплоть д давления фазового перехода «диэлектрик - металл» (сжатие считается все сторонним).
-
Впервые построены фазовые диаграммы перехода «диэлектрик-металл» условиях высоких давлений для 12 щелочно-галоидных кристаллов.
-
Подробно анализируется возможность существования отрицательной по верхностной энергии кристалла при высоком давлении.
Основные положения, выносимые на защиту.
-
Метод расчета свойств фазового перехода «диэлектрик - металл» в ионны кристаллах в экстремальных условиях высоких давлений в рамках термоди намического подхода.
-
Результаты расчета давления фазового перехода «диэлектрик - металл» щелочно-галоидных кристаллах малых размеров.
-
Результаты расчета когезионных характеристик диэлектрической и металли зированной фаз ионного кристалла при фазовом переходе «диэлектрик - ме талл».
-
Результаты расчета упругих постоянных, поверхностной энергии диэлек трической фазы щелочно-галоидных кристаллов в В2 - модификации.
-
Фазовые pV - диаграммы перехода «диэлектрик - металл» в условиях вы соких давлений в щелочно-галоидных кристаллах.
-
Показана возможность существования состояния вещества с отрицательно поверхностной энергией под действием высоких давлений.
Практическая и теоретическая ценность работы. Полученные результаты носят фундаментальный характер и направлены на развитие теории фазовых переходов в кристаллических веществах в экстремальных условиях высоких давлений. Предложенные в работе модели позволяют проводить расчеты целого ряда характеристик фазового перехода «диэлектрик - металл» в кристаллах.
Достоверность результатов полученных в данной работе, определяется применением современных методов исследования и пакетов прикладных программ. Сравнение полученных теоретических результатов с экспериментальными данными показывает приемлемое согласие.
Личный вклад автора в получении научных результатов, изложенных в диссертации. Задача диссертационного исследования была поставлена совместно с научными руководителями, принимавшими участие, как в обосновании, так и в обсуждении конкретных моделей. Все аналитические и компьютерные расчеты выполнены автором самостоятельно.
Апробация работы. Основные результаты регулярно представлялись на: заседаниях научно-исследовательского семинара по современному анализу, информатике и физике НИИ ПМА КБНЦ РАН (2004 - 2011 гг.); XXI, XXIII, XXV Международных конференциях «Уравнения состояния вещества» (п. Эльбрус, 2006, 2008 и 2010 гг.); XXII, XXIV и XXVI Международных конференциях «Воздействие интенсивных потоков энергии на вещество» (п. Эльбрус, 2007, 2009 и 2011 гг.); I и II Международных конференциях «Деформация и разрушение материалов» (Москва, 2006 и 2007 гг.); VI и VIII Международных конференциях «Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии» (Кисловодск, 2006 и 2008 гг.); 4-м, 5-м и 6-м Российских симпозиумах «Проблемы физики ультракоротких процессов в сильнонеравновесных средах» (Новый Афон, 2006 - 2008 гг.); III Международной конференции «Нелокальные краевые задачи и родственные проблемы математической биологии, информатики и физики» (Нальчик, 2006 г.); V, VI и VII Школах молодых ученых «Нелокальные краевые задачи и проблемы современного анализа и информатики» (Нальчик, 2007 - 2009 г.); Международной конференции «Фазовые переходы, критические и нелинейные явления в конденсированных средах» (Махачкала, 2007 и 2009 гг.); IX и X Баксанских молодежных школах экспериментальной и теоретической физики (п. Эльбрус, 2008 - 2009 гг.).
Публикации. Основное содержание диссертации отражено в работах 1 - 25. Из них 1 -4 опубликованы в рецензируемых научных журналах, включенных ВАК в список изданий, рекомендованных для опубликования основных результатов кандидатской диссертации.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введе ния, трех глав, заключения и списка литературы, содержащего 120 наименований и изложена на 105 страницах. Основные результаты диссертации были получень при финансовой поддержке Фонда содействия отечественной науке в период 2007 2008 гг. и Программы целевых расходов Президиума РАН «Поддержка молоды ученых» в период 2009-2010 гг.
