Введение к работе
Актуальность пробле?ді. Явления переноса заряда, тепла и массы относятся к (Тундаментальннм кинетическим характеристикам твердых тел. Внегение воздействия - электрическое и магнитное поля, температура, давление и др. - приводят к изменению этих характеристик. Исследование таких изменений составляет одну из основных задач как теоретического, тан и прикладного аспектов современной физики твердого тела.
Интерес н изучению переходных металлов, в особенности Ц группы (\1,Лґб,Га ), определяется уникальным набором их физических свойств, таких, как высокая температура плавления, коррозионная стойкость, пластичность, сверхпроводящие характеристики, способность к поглощению водорода. Исследование кинетических характеристик этих металлов не отличалось полнотой и завершенностью, а литературные данные носили противоречивый характер. Без решения этих противоречий и дополнительных исследований' вряд ли можно было надеяться на составление целостного представления о механизмах переноса в металлах Y группы.
Проблема "Водород в металлах" была о$орлулирована около 20 лет назад и вобрала широкий спектр фундаментальных и прикладных задач физики твердого тела - сверхпроводимость, квантовую диффузию, физику фазовых переходов и др. Систематические исследования физических свойств металловодородных систем, которые получили широкое распространение, были начаты, по сути, в работах, вошедших составной частью в настоящую диссертации.
Одним из самых значительных достижений физики твердого тела за последние десятилетия является открытие высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП). В настоящее время главными проблемами в этом направлении являются разработка теории ВТШ и создание сверхпроводящих систем с высокими токонесущими параметрами. Изучение кинетических характеристик высокотемпературных сверхпроводников, наряду с другими исследованиями ВТСП, создает реальные предпосылки решения указанных проблем.
В связи с изложенным исследования, направленные на дальнейшее изучение явлений переноса в твердотельных системах, представляются важными и актуальными.
Цель исследований. Целью настоящей работы явилось исследование кинетических характеристик чистого тантала, тантаяо-водородаой системы и иттриевой НИИ керамики с точки зрения выяснения основных механизмов рассеяния носителей и их влияния на особенности низкотемпературного поведения электро- и теплопроводности.
Для достижения поставленной цели в работе при низких температурах были исследованы температурные зависимости электросопротивления и теплопроводности ряда образцов тантала различной чистоты и ряда образцов система тантал-водород с различным содержанием водорода.
Впервые проведены комплексные исследования параметров диффузии и электропереноса водорода в тантале и влияния на эти параметры различных факторов - электрического поля, температуры, чистоты исходных образцов, изотопического состава дийузанта.
Проведены исследования сопротивления и теплопроводности иттриевой ВТСП керамики при низких температурах, направленные на выяснение механизма переноса тепла в области граничного рассеяния, максимума теплопроводности и сверхпроводящего перехода.
Научная новизна. В работе впервые показано, что отрицательная кривизна на температурной, зависимости сопротивления неферромагнитных металлов в промелуточной области температур не есть аномалия, требугацая, по мнению многих авторов, для своего объяснения дополнительных механизмов рассеяния, а есть нормальный температурный ход сопротивления, обусловленный электрон-фононным рассеянием и описываемый известной формулой Блоха-Гршайзена.
Показано, что температурная зависимость электросопротивления тантала в широком интервале температур ( - 300 К) с хорошей точностью описывается формулой, учитывающей внутризонное и межзонное электрон-фононное рассеяние. Обнаружено, что значения коэффициентов при соответствующих степенях температуры зависят от чистоты образцов и эта зависимость имеет естественный вид кривой с насыщением при переходе к более чистым образцам.
Выполненные целенаправленные исследования позволили впервые надежно обнаружить минимум на температурной зависимости теплопроводности тантала при температуре около 0,5-<5>. Показано, что минимум теплопроводности обусловлен конкурирукщим дейст-
виєм двух механизмов электрон-фононного рассеяния - неупругого и упругого. Наличие примесей смещает положение минимума в область более низких температур. Обнаружен также минимум на температурной зависимости теплопроводности достаточно чистого алюминия. Надежное обнаружение минимума на температурных зависимостях» теплопроводности двух "случайных" металлов подтверждает вывод о том, что минимум есть фундаментальная особенность электронной компоненты теплопроводности в достаточно чистих металлах, то есть в условиях, когда примеси не подавляют неупругое электрон-фононное рассеяние. .
Впервые проведены комплексные исследования диффузии и электропереноса водорода в тантале - в первом из металлов ванадиевой группы. Обнаружено, что посторонние примеси уменьшают коэффициент диффузии водорода и увеличивают его подвижность в поле. Обнаружены максимумы на полевых зависимостях скорости электропереноса водорода и дейтерия, что связано с квантовым характером движения легчайших примесей в решетке металла.
Обнаружено, что вклад в остаточное сопротивление тантала, обусловленный рассеянием электронов на гидридных выпадениях, имеет нелинейную концентрационную зависимость. Это обстоятельство следует рассматривать как "внутренний" размерный эффект. Впервые показано, что величина и положение максимума теплопроводности тантала, насыщенного водородом, практически не зависят от концентрации водорода. При более высоких температурах теплопроводность тантала, насыщенного водородом, оказывается выше теплопроводности чистого образца. Причиной такого поведения теплопроводности является увеличение числа электронов проводимости за счет легирования тантала водородом. Наличие отрицательного заряда увлечения водорода в тантале также подтверждает до-норную роль водорода по отношении к танталу.
Показано, что температурная зависимость теплопроводности иттриввой ВТСП керамики с хорошей точностью описывается формулой, учитывающей фонон-фононное и фонон-примесное рассеяния, а также перенос тепла объемными и "поверхностными" фононами. Электронная компонента мала и проявляется только в районе сверхпроводящего перехода.
Практическая значимость работы. Полученные результаты важ-
ны для более глубокого понимания процессов переноса заряда, тепла и массы в проводяїцих твердотельных системах. Использованный способ описания j)fr} переходных металлов стал чувствительным инструментом при изучении влияния пластической деформацій на микроскопические характеристики ниобия. Данные по диффузии ,^ водорода в тантале использованы при создании квантовомеханиче-ской теории диффузии. Разработанная методика изучения диффузии использована при комплексном рафинировании ванадия. Созданные экспериментальные установки позволили выполнить многочисленные исследования теплопроводности новых конструкционных материалов для нужд новой техники.
На защиту выносятся следующие положения:
-
Перегиб на температурной зависимости удельного электросопротивления несі-ерромагнитньк металлов при Г«0,4># и отрицательная кривизна при более высоких температурах связаны с фундаментальным характером электрон-фононного взаимодействия и его изменением при переходе от низкотемпературного предела (Т«8 ,jc^'7's) к высокотемпературному (Т»0,^^). Отрицательную кривизну J3(V не следует считать аномалией (как это было принято), связанной с наличием какого-либо дополнительного механизма рассеяния, поскольку она является следствием выполнимости закона Блоха-Грюнайзена.
-
Температурная зависимость удельного электросопротивления тантала в интервале - 300 К описывается фэрыулой, учитывающей прмиесное, внутривенное и меасзонное рассеяния на фононах ; электрон-электронное рассеяние не дает заметного вклада в удельное сопротивление тантала в исследованном интервале температур ; наблюдавшуюся другими авторами зависимость j>c*>T* при
7" <. в /10 следует объяснять одновременным вкладом указанных механизмов рассеяния.
-
Обнаружение минимума на температурных зависимостях коэффициента теплопроводности тантала различной чистоты и весьма чистого алюминия при 7« 0,5-^7. Расчеты по определению положения и глубины минимума в зависимости от примесей и искажений решетки.
-
Метод неразрушаюцего прецизионного исследования диффузии и электропереноса нерадиоактивных атомов примеси в метал-
лах, основанный на измерении электросопротивления последовательно расположенных участков одномерного образца и исключающего перенос дийузадта через поверхность,
-
Результаты исследования диффузионных параметров водорода в тантале: разрешение граничной и объемной диффузии, температурная зависимость, изотопический эффект, влияние примесей.
-
Полевые зависимости скорости электропереноса водорода и дейтерия в тантале, на которых обнаружены максимумы, связанные с квантовым характером движения легких примесных атомов в электрическом поле.
-
Закономерности температурной и концентрационной зависимостей прироста электросопротивления, обусловленного водородом, в двухфазной области системы водород-тантал, а именно: обнаружение нелинейного вклада в электросопротивление за счет рассеяния электронов на гидридных выпадениях и особенности поведения j)fr) в области распада твердого раствора.
-
Обнаружение влияния роста концентрации электронов проводимости за счет легирования тантала водородом на температурную зависимость теплопроводности системы водород-тантал в широком интервале температур.
-
Аппроксимация экспериментальных данных по температурной зависимости теплопроводности иттриевой ВТСП керамики в широком интервале температур формулой, учитывающей перенос тепла только фононами.
10. Наличие в иттриевых ВТСП керамиках электронов проводимости и их переход в сверхпроводящее состояние приводит к незначительному (порядка 10 %) изменению полной теплопроводности и проявляется в области температур, примыкающей к температуре сверхпроводящего перехода.
Апробация работы. Основные результаты и выводы диссертации опубликованы в 32 работах (в том числе I авторское свидетельство) . Материалы диссертации неоднократно докладывались и обсуждались на международных, всесоюзных и республиканских конференциях, в том числе на всесоюзных совещаниях по физике низких температур (1968, 1970, 1974, 1976, 1979, 1980 и 1988 гг.), на Советско-Американском семинаре "Прикладные вопросы низкотемпера-тургсго материаловедения'1 (Киев, 1976 г.), на Мелщународной кон-
ференции "Криогенные материалы" (Киев, 1986 г.), на I Всесоюзном совещании по высокотемпературной сверхпроводимости (Харьков, 1988 г.).
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 212 наименований и примечания. Диссертация изложена на 261 странице, содержит 82 рисунка и 8 таблиц.
