Квантовые явления в процессе релаксации подсистемы структурных дефектов ионных кристаллов в магнитном поле Дмитриевский, Александр Александрович

Введение к работе

Актуальность работы обусловлена возрастающим интересом к новым нетрадиционным методам управления пластичностью твердых тел. Около десяти лет назад был обнаружен парадоксальный, на первый взгляд, эффект влияния постоянного магнитного поля (МП) с индукцией В ~1 Тл на пластичность диамагнитных ионных кристаллов. Поэтому особое внимание стали уделять исследованию влияния энергетически слабых МП (gu_BB«kT, где, g -фактор спектроскопического расщепления парамагнитной частицы, ц_в - магнетон Бора, кТ - тепловая энергия) на физико-химические процессы при пластическом деформировании. В начале 90-х годов Альшиц В.И. и Молоцкий М.И. предложили интерпретировать магнитопластический эффект (МПЭ) в ионных кристаллах на основе теории спин-зависимых процессов в химических реакциях [1,2], разработанной Бучаченко А.Л., Франкевичем Е.Л., Са-лиховым К.М., Молиным Ю.И., Соколиком И.А., Brocklehurst В., Kaptein R., Oosterhoff L.J. с соавторами и другими, применяя ее к рассмотрению взаимодействия неспаренных электронов, локализованных в дислокационных ядрах и точечных стопорах [3,4]. В [5] теоретически предсказана возможность резонансного разупрочнения твердых тел в скрещенных постоянном и микроволновом МП. Авторами [6] этот эффект был обнаружен экспериментально, что подтверждает спиновую природу МПЭ. В ряде работ были также сняты термодинамические противоречия, связанные с малостью энергии (по сравнению со средней энергией термических флуктуации), передаваемой слабым МП электронам, локализованным на структурных дефектах. Однако, данных, позволяющих установить конкретный тип дефектов, вовлеченных в спин-зависимые реакции, и предложить кинетическую модель процессов, іптациируемьгх МП в ионных кристаллах, получено не было. Использование в упомянутых выше работах лишь чисто механических методов исследования отклика кристалла на внешнее МП существенно ограничивает возможности интерпретации природы МПЭ на микроскопическом, электронном уровне. Можно надеяться, что привлечение методов оптической спектроскопии позволит получить независимые данные об электронной структуре магниточувствительных объектов в диамагнитных кристаллах и облегчит их идентификацию.

В соответствии с вышесказанным были сформулированы цели работы:

1. выявление объектов, вовлеченных в спин-зависимые реакции в ионных кристаллах, выяснение роли основной примеси в формировании этих объектов, их атомарной структуры и характера ее изменения в результате действия МП.;

2. определение электронно-оптических характеристик магниточувствительных точечных дефектов.

В соответствии с поставленными целями были сформулированы задачи исследования:

1. Установить основные микропараметры, характеризующие примесные

комплексы в ионных кристаллах, чувствительные к МП, их исходную мультиплст-ность, полный спнн и тип ионов, из которых они состоят.

2. Выяснить природу, продолжительность и кинетические характери
стики отдельных стадий, через которые проходит релаксационный процесс,
инициируемый в метастабильных примесных комплексах магнитным полем.

3. Исследовать влияние электронных возбуждений, создаваемых в подсистеме структурных дефектов светом оптического диапазона, на МПЭ и спектры электронного парамагнитного резонанса (ЭПР), детектируемые по изменению пластичности.

4. Предложить и сопоставить возможные механизмы влияния МП на пластические свойства ионных кристаллов.

Научная новішій работы заключается в следующем:

1. Обнаружен и исследован эффект влияния скрещенных постоянного (В₀= 0 - 0.8 Тл) и микроволнового (v=9.5 ГГц, В] ~2 мкТл) магнитных полей на микротвердость кристаллов NaCl, легированных различными примесями, в условиях ЭПР в электронной подсистеме структурных дефектов. Обнаружено совпадение количества и положений резонансных пиков разупрочнения, полученных измерением микротвердости и подвижности индивидуальных краевых дислокаций в кристаллах NaCl:Ca в условиях действия скрещенных постоянного и микроволнового МП.

2. Показано, что в формировании пластических свойств кристаллов необходимо учитывать обменное взаимодействие в парах дебетов, которые могут быть образованы: 1) точечным дефектом и дислокацией, 2) несколькими точечными дефектами примесного происхождения (например, в легированных кристаллах NaCl эти пары содержат ионы основной примеси Са или Ей, преднамеренно введенной в кристалл). Разделены вклады, вносимые этими типами дефектов в процесс разупрочнения кристаллов под действием МП.

3. Установлено, что короткоживущие магниточувствительные состояния де(1>ектов генерируются термическими флуктуациями с длительностью ожидания ~ 10"⁶ с в кристаллах NaCl: Са при температуре Т = 293 К.

4. Обнаружены возможности управления МПЭ с помощью света оптического диапазона и термообработки. Установлены условия и режимы воздействия внешними факторами, как усиливающими МПЭ, так и приводящими к его полному подавлению. Определено положение уровней магни-точувствительных центров в запрещенной зоне.

5. Обнаружена анизотропия магниточувствіггельньїх точечных дефектов
по отношению к плоскополяризованному свету, указывающая на вхождение в
состав магниточл вствительных комапсксов примесно-вакансионных диполей.

Научная ценность и практическая значимость работы.

1. Установлена последовательность, длительность и кинетика отдельных стадий многоэтапного процесса релаксации подсистемы структурных дефектов, инициируемого МП в ионных кристаллах, а также выделена ста-

дня, чувствительная к МП.

2. Показано, что МП, изменяя спиновое состояние радикальной пары, приводит к атомарным перестройкам внутри исследуемых магниточувстви-тельных точечных дефектов, состоящих из нескольких примесно-вакансионных диполей. Перестроенные или распавшиеся точечные комплексы легче преодолеваются дислокациями, что отражается на макропластиче-ских характеристиках кристаллов.

3. Выявлены условия и режимы воздействия светом оптического диапазона на состояние подсистемы структурных дефектов, позволяющие как увеличивать, так и уменьшать чувствительность кристаллов к действию МП.

4. Практическая значимость работы обусловлена возможностью использования результатов в качестве физической основы для создания новых энергосберегающих технологий обработки материалов, в частности, нетермических методов увеличения пластичности и селективного ускорения релаксации дефектов, находящихся в метастабильном состоянии, с помощью совокупности магнитных полей определенных параметров и света определенного спектрального состава.

Апробация работы. Полученные результаты были представлены на следующих конференциях и семинарах: XXXIV Международный семинар «Актуальные проблемы прочности», (Тамбов, 1998); XX Международная конференция «Релаксационные явления в твердых телах» (Воронеж, 1999); E-MRS 1999 spring meeting (Strasbourg, France, 1999); XXXV семинар «Актуальные проблемы прочности» (Псков, 1999); VI Международная научно-техническая конференция «Актуальные проблемы материаловедения» (Новокузнецк, 1999); Всероссийская молодежная научная конференция по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектронике (С-Петербург, 1999); XVIII Всероссийский симпозиум молодых ученых по химической кинетике (Московская обл., 200»)

На защиту выносятся следующие основные положения и результаты:

1. За резонансное уменьшение микротвердости ионных кристаллов в скрещенных постоянном (В₀ = 0 - 0.8 Тл) и высокочастотном (v = 9.5 ГГц, В] ~2 мкТл) МП ответственен резонанс в парах двух типов, образованных: 1) парамагнитными точечными дефектами, магнитостимулированная атомарная перестройка которых приводит к уменьшению их способности тормозить движение дислокаций, 2) парамагнитным центром на дислокации и парамагнитным точечным дефектом в объеме кристалла.

2. Изменение количества и положения резонансных пиков на зависимости микротвердости от величины индукции постоянного МП (полученной в условиях действия скрещенных полей), связанное с изменением типа основной примеси, свидетельствует о том, что ионы основноіі примеси входят в состав исследуемых магниточувствительных точечных дефектов.

3. МП способно изменять мультиплетность радикальных пар лишь во время коротких стадий возбуждения метастабильных структурных дефектов. В возбужденное магниточувствительное состояние дефекты переходят под действием термических флуктуации с длительностью ожидания ~10"⁶ с, при Т = 293 К в кристаллах NaCl. Малое время жизни возбужденных состояний радикальных пар обеспечивает изоляцию спиновой системы от термических флуктуации на время спиновой конверсии в МП, что позволяет наблюдать МПЭ в слабых МП.

4. Предварительная фотоэкспозиция кристаллов в ультрафиолетовом диапазоне частот приводит к изменению электронного состояния комплексов точечных дефектов, в результате которого они теряют чувствительность к МП. Самопроизвольное восстановление чувствительности кристаллов к МП может быть ускоренно инфракрасным светом, или светом F-полосы, в радиационно облученных кристаллах. Максимум эффекта гашения магнито-чувствительности обеспечивается при энергии фотонов, соответствующих глубоким уровням, расположенным примерно посередине запрещенной зоны (6.6 эВ для LiF, 3.6 эВ для NaCl и 2.8 эВ для КО), а сенсибилизации к МП -при энергии фотонов 1.57 эВ (для кристаллов NaCLCa)

5. Магниточувствительные примесные комплексы обладают оптической анизотропией и имеют максимум чувствительности к плоскополяризованному свету при ориентации плоскости поляризации вдоль кристаллографического направления [ПО], что соответствует преимущественной ориентации примесно-вакансионных диполей, из которых состоят магниточувствительные комплексы.

Структура и объем диссертации: Диссертация состоит из введения, пяти глав и списка цитированной литературы, содержащего 136 наименований. Полный объем составляет 131 страницу машинописного текста, в том числе оглавление, 28 рисунков и 2 таблицы.

Личное участие соискателя в получении результатов, изложенных в диссертационной работе. В работах, написанных в соавторстве, автору принадлежит разработка, создание и отладка экспериментальных установок, проведение экспериментов, обработка полученных данных, а также участие в планировании экспериментов, обсуждении результатов и написании статей.

Диссертационная работа выполнена при финансовой поддержке Российского Фонда Фундаментальных Исследований (проекты № 97- 02-16074 и № 00-02-16094) и федеральной программы «Университеты России - фундаментальные исследования» (проект № 381)

Публикации. Основные результаты диссертационной работы отражены в 14 публикациях, список которых приведен в конце автореферата.