Введение к работе
Актуальность темы.
Проблема неравновесных фазовых превращений в некристаллических твердых телах занимает особое место в теоретической и экспериментальной ризике конденсированного состояния. Хорошо известно, что в стандартном описании фазовых переходов предполагается квазистационарный и язазиравновесный характер таких процессов [1], причем переход происходит между фазовыми состояниями, хорошо определенными в термодинамическом змысле. Кинетика такого процесса может быть описана в рамках различных моделей зарождения и роста [1,2].
Однако, механическое перенесение такого рода теорий на область некристаллических твердых тел возможно лишь с большими оговорками. По своей природе аморфное состояние метастабильно и, следовательно, строго говоря, не может быть охарактеризовано постоянным значением термодинамического потенциала. С другой стороны, наличие метастабилыюсти на исходной, конечной или промежуточной стадии фазового превращения означает, что в системе имеет место сильное взаимодействие структурных элементов, которое при. определенных условиях может стать доминирующим. Поэтому на качественном уровне не должно вызывать удивления существование специфического режима кристаллизации аморфных материалов - взрывной кристаллизации (ВК), реализующейся в виде волны фазового превращения, распространяющейся в образце со скоростью до vex~l-20 м/с [3].
Таким образом важное с практической точки зрения исследование области и условий стабильности аморфных материалов должно включать не только квазиравновесные, но и быстрые процессы. Однако теория взрывной кристаллизации далека от полной разработки.
Не вызывает сомнений, что ВК представляет собой существенно неравновесное явление. Несмотря на то, что этот феномен известен уже более 100 лет, указанный круг проблем не попал в сферу интересов канонической неравновесной термодинамики, традиционно ориентированной по преимуществу на описание стохастических процессов диффузионного типа [4].
Известные из литературы теоретические модели взрывной кристаллизации построены по другому принципу [3]. Основой описания в них является факт бистабильности режима фазового превращеігия, и в соответствии с этим
формально вводится система нелинейных скоростных уравнений для скорости процесса и теплообмена с таким расчетом, чтобы получить два стационарных решения для скорости Vi«v2. При этом меньшее из решений, Vi, отождествляется со скоростью равновесной кристаллизации, а большее, у2, - со скоростью взрывного процесса vex.
Однако, описание взрывной кристаллизации в рамках нелинейных скоростных уравнений оказывается сильно формализованным, а реальная физическая проблема природы специфических механизмов быстрой "сборки" кристаллической фазы и соответствующих им механизмов энергообмена на фронте фазового превращения остается вне рамок данного подхода.
С экспериментальной точки зрения группа явлений, связанных с взрывной кристаллизацией, соответствует главным образом процессам, возникающим при воздействии коротких импульсов мощного лазерного излучения на поверхность аморфных или кристаллических полупроводников, а также на разупорядоченные пленки, получаемые методами ионной имплантации. Эти процессы важны с точки зрения технологии некристаллических материалов, что делает актуальным разработку соответствующих теоретических моделей.
Взрывная кристаллизация не является единственным примером неравновесных фазовых превращений в некристаллических веществах. В последнее десятилетие происходит интенсивное развитие новых способов синтеза аморфных материалов, принадлежащих к группе методов твердофазной аморфизации (ТФА) [5,6]. Явление ТФА возникает в том случае, когда метастабильная при данных термодинамических параметрах кристаллическая фаза релаксирует в устойчивую аморфную модификацию. Неравновесность процесса при этом проявляется в том, что переход идет в новую метастабильную фазу, а не в кристаллическую фазу, реализующую минимум термодинамического потенциала. Методы ТФА оказываются практически важными для синтеза металлических, полупроводниковых и интерметаллических аморфных соединений, однако уровень теоретического описания данного явления до сих пор ограничивался качественными рассуждениями и полуколичественными оценками.
Целью настоящей работы являлась теоретическое изучение неравновесных фазовых переходов в некристаллических твердых телах, в том числе в аморфных полупроводниках и металлах.
Задачей исследования являлось, во-первых, выяснение природы аномалий, возникающих в неравновесном режиме фазового превращения, и обоснование возможного физического механизма перенормировки скорости процесса, который в конечном итоге и делает такой процесс осуществимым.
Во-вторых, целью данной работы была разработка простых моделей неравновесных фазовых превращений, исходя из предложенных физических идей. Эти модели должны допускать сопоставление с экспериментом и тем самым позволять судить о справедливости сделанных предположений.
Если предположить, что различные неравновесные фазовые превращения в некристаллических твердых телах имеют единую природу, то уместно задаться вопросом о том, в какой мере крут идей, используемых для построения моделей взрывной кристаллизации, может быть применен к случаю твердофазной аморфизации. Исследование этой проблемы также составляло одну из задач настоящего исследования.
Научпая повпзпа диссертационной работы состоит в том, что в ней впервые предложен единый теоретический подход к описанию взрывной кристаллизации и твердофазной аморфизации, исходя из рассмотрения возбужденных состояний (представляющих собой локализованные на длине промежуточного порядка фононные моды, связанные сильным взаимодействием с электронной подсистемой), образующихся на фронте неравновесного фазового превращения. В диссертационной работе разработана оригинальная дискретно-непрерывная модель неравновесных фазовых превращений и подробно исследована структура и область устойчивости волны фазового превращения.
Практическая ценность.
С практической точки зрения результаты диссертации могут быть использованы для моделирования и предсказания режимов взрывной кристаллизации в аморфных полупроводниках и металлах, а также для оценки структурных параметров полупроводников, получаемых методом твердофазной аморфизации в условиях высокого давления. Выполненные расчеты скоростей взрывной кристаллизации и твердофазной аморфизации представляют практический интерес для постановки экспериментов по проверке теоретических предсказаний.
Апробация работы.
Основные результаты исследований прошли апробацию на II Всесоюзной конференции по физике стеклообразных твердых тел (Рига-Лиелупе, 1991 г.), 7-й
научной сессии Совета по нелинейной динамике (Мосіза, 1996 г.), на международных конференциях ICAS15 (Англия, 1993 г.), NATO ASI "Formation and interaction of topological defects" (Англия, 1994 г.), ISCMP (Болгария, 1994 г.), IIB95 (Португалия, 1995 г.), DIMAT96 (Германия, 1996 г.), а также неоднократно докладывались на научных семинарах ИОФ РАН (Москва), ИФВД РАН (Троицк) и на научном семинаре Кларендонской лаборатории (Оксфордский университет, Англия).
Публикации.
По теме диссертации опубликовано семь печатных работ.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, содержащего основные выводы,' и списка цитируемой литературы из 110 наименований. Объем диссертации составляет 137 страниц машинописного текста, включая 31 иллюстрацию.