Введение к работе
Актуальность исследования. В течение трех последних десятилетий в физике конденсированного состояния наиболее активно изучаются нелинейные системы. Особый интерес среди нелинейных явлений вызывают кооперативные эффекты в твердом теле. Они тесно связаны с явлениями самоорганизации на атомном уровне [1-3].
Одним из наиболее интересных и важных для практического применения объектов нелинейной физики являются волны солитонного типа (уединенные волны) [4-8]. Они являются ярким примером локализации энергии в рассматриваемой системе.
Не смотря на то, что солитоны известны науки более 170 лет, во многих областях знания они мало изучены. Так в последнее время возрастает интерес к дискретным нелинейным системам, в которых возможно существование динамических солитонов. Примером динамического солитона могут служить дискретные бризеры (ДБ) - локализованные в пространстве и периодические по времени высокоамплитудные возбуждения в нелинейных дискретных структурах с трансляционной симметрией [5].
Солитонные волны, как в континуальных, так и в дискретных физических системах, могут переносить энергию, импульс, массу, электрический и топологический заряд, другие физические величины, а также информацию [9]. Уникальным свойством уединенных волн является их живучесть и устойчивость по отношению к возмущениям.
Возможность локализации энергии в бездефектных дискретных упорядоченных структурах, которая впервые предсказана авторами работы [10] получила экспериментальное подтверждение. Дискретные бризеры были обнаружены в различных областях, например в нелинейной оптике [11, 12], джозефсоновских сверхпроводящих контактах [13], в аниферромагнетиках [14]. Относительно недавно были получены экспериментальные доказательства существования ДБ в кристалле Nal в состоянии теплового равновесия [15]. Заметим, что существование ДБ в этом кристалле было предсказано теоретически, методом молекулярной динамики [16]. Возможность возбуждения ДБ в трехмерном кристалле со структурой NaCl исследовалась методом молекулярной динамики в работах [16 - 18]. Оценка времени жизни ДБ в условиях термодинамического равновесия при различных температурах дана для двумерного кристалла NaCl в [19]
В тоже время, дефекты в конденсированных средах так же могут быть описаны посредством теории солитонов. Дефекты кристаллической структур, такие как точечные дефекты, дислокации, краудионы и ряд других, в рамках теории солитонов можно отнести к топологическим солитонам [20-22].
Исследование солитонных явлений в конденсированных средах связано с рядом трудностей. В первую очередь с проблемой непосредственного наблюдения процессов, происходящих внутри тела. Кроме того, многие процессы, такие как движение краудиона, колебания нелинейной
локализованной моды либо рекомбинация вакансий и межузельных атомов происходят со столь высокой скоростью, что делает изучение таких процессов в натурном эксперименте практически не возможным. Поэтому во многих случаях актуален метод компьютерного моделирования, который позволяет преодолеть указанные препятствия.
Компьютерное моделирование, являющееся в настоящее время таким же признанным методом исследования как экспериментальный и теоретический метод, начало применяться в физике твердого тела с конца пятидесятых годов XX в. С его помощью на атомном уровне возможно исследование не только быстропротекающих процессов, как, например, движение краудиона, но и процессов более длительных по времени. При помощи компьютерной модели можно как проверить теоретические разработки, так и объяснить и спрогнозировать явления еще не освещенные в полной мере другими методами исследования.
В данной работе используется частный метод компьютерного моделирования - метод молекулярной динамики. Для рассматриваемых задач он имеет ряд преимуществ по сравнению с другими, так как атомы в нем не привязаны к узлам идеальной кристаллической решетки. Кинематика атомов описываются с помощью уравнений Ньютона. Это позволяет наиболее реалистично моделировать различные процессы, как в идеальных кристаллических структурах, так и при наличии различных дефектов.
Объект исследования — кооперативные явления в твердом теле.
Предмет исследования, динамические и топологические солитоны в кристаллических телах и несколько тесно связанных между собой явлений: локализация колебаний, кооперативные атомные смешения, возбуждение продольных и поперечных волн и их влияние на дрейф дефектов.
Целью настоящей работы является изучение методом молекулярной динамики кооперативных явлений при взаимодействии динамических и топологических солитонов с дефектами в трех и двумерных моделях различных кристаллических соединений с ГЦК структурой.
Для достижения данной цели были поставлены следующие задачи.
-
Построить молекулярно-динамическую модель для исследования на атомном уровне солитонных явлений в различных соединениях.
-
Исследовать условия существование нелинейных локализованных колебательных мод или дискретных бризеров в модельных ячейках стехиометрии А3В на примере Ni3Al и Pt3Al.
-
Выявить условия устойчивости динамического краудиона в никеле, исследовать взаимодействие краудиона с границей биметалла в зависимости от скорости его движения.
-
Изучить роль точечных дефектов вблизи дислокаций несоответствия на границе различных биметаллических соединений.
Научная новизна диссертационной работы состоит в выявлении методом молекулярной динамики условий существования нелинейных локализованных колебательных мод в кристаллических структурах стехиометрии А3В.
Исследовано влияние температуры на время жизни нелинейных локализованных колебательных мод в модельных кристаллах.
Исследована стабильность движения краудиона в Ni от начальной скорости и угла разориентации. Впервые исследовано прохождение краудиона через границу биметалла. Установлено, что при столкновении краудиона и дислокации несоответствия порождается продольная волна, вызывающая миграцию вакансий в сторону ближайшей дислокации несоответствия на границе биметалла.
Впервые исследовано влияние импульсного внедрения межузельных атомов на процесс массопереноса вблизи дислокаций несоответствия на границе биметалла. Оценена скорость массопереноса в зависимости от конфигурации внедрения МА и расстояния от границы биметалла. Показана роль температуры в данном процессе.
Научно-практическая ценность диссертационной работы заключается в том, что полученные результаты могут быть использованы для развития современных представлений о процессах на микро-уровне в твердых телах. Полученные результаты могут быть полезны при создании материалов с заранее заданными свойствами, а так же усовершенствованию свойств уже известных материалов подвергающихся различным экстремальным воздействиям. При этом результаты компьютерных экспериментов, а так же их методика может быть с успехом использована в процессе проведения занятий со студентами при изучении процессов протекающих в различных кристаллических структурах.
На защиту выносятся следующие положения.
-
Возможно существование нелинейных локализованных колебательных мод в бездефектных кристаллах стехиометрии А3В при отношении массы компоненты А к массе компоненты В равном четырем и более.
-
Существует диапазон скорости движения краудиона, на котором он может преодолевать значительный расстояния в идеальной кристаллической решетке Ni, без потери энергии.
-
При прохождении динамического краудиона через границу биметалла порождается продольная волна при столкновении с дислокацией несоответствия, которая может являться причиной миграции единичных вакансий в сторону ближайшей дислокации несоответствия.
-
Единичный межузельный атом является причиной эстафетных атомных смещений вблизи границы биметалла, при этом скорость подобных смещений зависит от места и конфигурации импульсного внедрения межузельного атома. Скорость таких смещений может превосходить скорость звука в рассматриваемом материале.
-
На границе биметалла Pt-Al ядра вершинных дислокаций несоответствия при наличии точечного дефекта замещения в виде легкой компоненты могут служить аккумуляторами энергии нелинейных колебаний.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях: «Образование, наука, инновации - вклад молодых исследователей» III (XXXV) Международная научно-практическая конференция (Кемерово: ООО «ИНТ», 2008); «Перспективы развития фундаментальных наук» V Международная конференция студентов и молодых ученых (г. Томск, 2008); «Наука и образование: проблемы и перспективы» 11-ая региональная научно-практическая конференция аспирантов, студентов и учащихся (Бийск, 15-16 мая 2009 г.); «Фундаментальные науки и образование» Всероссийская научно-практическая конференция (Бийск, 31 января - 3 февраля 2010 г.); «Наука и образование: проблемы и перспективы» 12-ая региональная научно-практическая конференции аспирантов, студентов и учащихся (Бийск, 16-17 апреля 2010 г.); «Перспективы развития фундаментальных наук» VIII Международная конференция студентов и молодых ученых (г. Томск, 2011); XVII Международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (г. Томск, 2011); XII Международная научно-техническая «Уральская школа-семинар металловедов - молодых ученых» (г. Екатеринбург, 2011); I международная научно-практическая конференция «Фундаментальные науки и образование» (Бийск, 29 января - 1 февраля 2012 г.).
Личный вклад автора состоит в формулировке проблемы, определении цели и задач исследований, в решении поставленных задач, выполнении основной части исследования, анализе полученных результатов и их интерпретации.
Публикации. Результаты работы изложены в 19 публикациях, пять из которых в журналах, включенных в список ВАК Минобрнауки РФ для публикации материалов диссертационных работ. Кроме того, получено авторское свидетельство государственного образца на программу для ЭВМ в соавторстве.
Структура работы и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы из 165 наименования. Работа изложена на 165 страницах машинописного текста, содержит 4 таблицы и 75 рисунков.
![Электронные явления в фотоактивных тонкопленочных полимерных структурах на основе комплекса [NiSalen]](/i/i/4390/373683.png "Электронные явления в фотоактивных тонкопленочных полимерных структурах на основе комплекса [NiSalen] Пучков Михаил Юрьевич")
