Введение к работе
Актуальность темы. Классическая диффузия в конденсированных средах обуславливает большое число физически важных явлений (ионная проводимость, рекомбинация дефектов в кристаллах, химические реакции в твердых матрицах и т.д.). Значительный и устойчивый интерес к диффузии мотивирован также быстрым прогрессом в области микроэлектроники (повышение стабильности и долговечности приборов, варьирование их оптических и электронных характеристик).
В отличие от жидкости, где процесс переноса определяется в основном одним параметром - коэффициентом диффузии (КД), пространственная миграция в твердых телах осложнена проявлениями структуры среды, в т. ч. и эффектами взаимодействия самого диффу-занта (водород в металлах, легирование полимеров, поверхностная диффузия и пр.). При этом разделяют свойства, возникающие в бездефектном материале и связанные с анизотропией регулярной решетки, и следствия дефектности кристалла - наличия в нем вакансий, дислокационных линий, межзеренных границ и т.п. Неоднородность структуры может изменить как значения транспортных коэффициентов, так и сами законы переноса (зависимости от времени, от концентрации). В большинстве случаев такие сильные следствия неупорядоченности чувствительны также к размерности пространства, так что анизотропия материала оказывается существенной.
К настоящему времени стало понятным, что задача броуновского движения в системах со статическим беспорядком имеет математические аналогии во многих фундаментальных проблемах физики (объемные взаимодействия полимерных цепей, проводимость сетки случайных сопротивлений и др.), в т. ч. и физики твердого тела (низкотемпературная теплоемкость неупорядоченных ферромагнетиков и стекол, прыжковая проводимость легированных полупроводников, спектр колебаний разупорядоченных кристаллов и пр.).
Таким образом, исследование аномальной диффузии в средах с сильной анизотропией является совершенно необходимым для понимания явлений транспорта и релаксации в реальных твердых телах и имеет широкую область применимости.
Целью работы является разработка и исследование моделей аномальной диффузии в неупорядоченных системах с сильной анизотропией. С этим тесно связано также изучение кинетики перехода клубок-спираль в нуклеиновых кислотах, когда беспорядок, представляемый локальными нарушениями двойной спирали, является незамороженным.
Научная новизна.
-
Предложена модель ускорения диффузии примеси винтовыми дислокациями, основанная на рассмотрении смещений вдоль дислокации путем диффузионных оборотов вокруг ее оси. В рамках этой модели исследована кинетика ускоренной диффузии примеси вдоль уединенной дислокации, а также диффузия примеси, равнораспределенной в объеме.
-
Предложена модель диффузии в анизотропном неупорядоченном кристалле, основанная на рассмотрении газа частиц с исключенным объемом на неупорядоченной решетке и позволившая найти зависимости от типа и степени беспорядка концентрационного поведения коэффициента коллективной диффузии.
-
Предложена модель диффузионно-контролируемой абсорбции анизотропно взаимодействующих частиц, на основании которой найдены кинетические характеристики абсорбции.
-
Предложена модель роста двойной спирали, основанная на рассмотрении тепловых переходов в структуре спирали и позволившая найти размер ее критического зародыша.
Основные положения, выносимые на защиту.
-
Модель ускоренной диффузии примеси в средах с винтовыми дислокациями и полученные на основании этой модели результаты: 1) точное решение задачи случайных блужданий в режиме уединенной дислокации в среде с произвольной степенью анизотропии, 2) асимптотическое распределение по смещениям вдоль оси дислокации и зависимость от времени коэффициента диффузии, 3) значение эффективного коэффициента диффузии при конечной плотности дислокаций.
-
Модель диффузии в анизотропном неупорядоченном кристалле и полученные на ее основе результаты: 1) разделение зависимостей коэффициента коллективной диффузии для беспорядка по связям и беспорядка по узлам, 2) концентрационная зависимость коэффициента коллективной диффузии для узельного беспорядка, 3) эффект низкотемпературной автолокализации диффузионного фронта, 4) эффект асимметрии диффузионной проницаемости неоднородно-разупорядоченной мембраны.
-
Модель диффузионно-контролируемой абсорбции двумерного решеточного газа локально анизотропно взаимодействующих частиц и полученные на ее основе результаты: 1) две стадии кинетики абсорбции, с параболической (нормальной) и замедленной (аномальной) временными зависимостями, 2) немонотонность температурной зависимости эффективного коэффициента диффузии на нормальной стадии.
-
Модель роста двойной спирали и вычисленный на ее основе размер критического зародыша спирали.
Практическая ценность. Полученные результаты могут быть использованы для описания транспортных явлений в неупорядоченных анизотропных средах, в частности, для интерпретации экспериментов и для модельных расчетов диффузионных характеристик слоистых систем и полупроводниковых структур, проводимости суперионных кристаллов. Результаты моделирования решеточного газа анизотропно
взаимодействующих частиц могут найти применение в исследованиях свойств YBaCuO-керамики - перспективного ВТСП-материала. Предложенная модель ядра нуклеации двойной спирали описывает ряд свойств полимерных молекул нуклеиновых кислот.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались: на 2-м рабочем семинаре по многочастичным проблемам кинетики (Рига, 1987), на 10-й конференции молодых ученых по теоретической физике (Киев, 1987), на Международном симпозиуме по электронной структуре и свойствам молекул и кристаллов (Дубровник, 1988), на 16-й межвузовской конференции молодых ученых тіо химии и физике твердого тела (Ленинград, 1989), на 2-м симпозиуме по химии твердого тела (Пардубице, 1989), на 3-й Международной конференции по материалам и механизмам сверхпроводимости высокотемпературных сверхпроводников (Каназава, 1991), на конференциях молодых ученых ИХТТ СО РАН (1986,1988) и отчетной сессии ИЦиГ СО РАН (1996), на научных семинарах в ИЦиГ СО РАН, ИФП СО РАН, ИХТТ СО РАН.
Публикации. По материалам диссертации имеется 7 публикаций.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, содержит 13 рисунков и библиографию из 131 наименования. Общий объем 123 страницы.
