Введение к работе
Актуальность проблемы. Систематические исследования политипизма ведутся уже 60 лет, однако, природа образования политипных структур не выяснена и интерес к изучению этого явления нарастает.
Под политипизмом понимают способность одного и того же химического соединения существовать в нескольких кристаллических модификациях, отличающихся друг от друга последовательностью укладки одинаковых по структуре и составу атомных слоев.
Как показывает эксперимент, политипизм широко распространен в различных классах веществ, причем политипные структуры часто обладают уникальными свойствами: эффект памяти формы, эффект сверхупругой деформации, высокая пластичность плотно-упакованных кристаллов. Естественно, что механические, электрические, магнитные и другие свойства политипных модификаций зависят от их кристаллической структуры.
В настоящее время исследование ряда важных вопросов, касающихся стабильности политипных фаз и их устойчивости к влиянию внешних воздействий, остается актуальным. Имеющиеся данные порой противоречивы.
Настоящая работа посвящена изучению равновесных и неравновесных политипных превращений при изменении внешнего поля и температуры.
Значительные возможности в исследовании политипных структур заложены в аксиальной модели Изинга, которая может быть использована для описания политипизма в плотноупакованных кристаллах.
В рамках модели Изинга сложились два подхода. Традиционный основан на рассмотрении кристаллов бесконечного размера. При этом подходе достигнут значительный прогресс, но есть ряд существенных ограничений. Другой подход, развиваемый в последние годы и в рамках которого выполнена настоящая работа, основан на рассмотрении кристаллов малого размера и позволяет рассматривать как равновесные, так и неравновесные превращения, исследовать метастабильные состояния, двойникование, дает набор большого количества политипных структур. Анализ модели проводится
3 '
математически строго без приближений при конечных температурах.
Исследование систем малого размера имеет самостоятельную ценность в связи с развивающимися в последние годы порошковыми технологиями, исследованием мелкодисперсных структур и нанома-териалов, в которых также обнаруживается политипизм. Процессы в малых кристаллах привлекают особый интерес, так как классические подходы к ним неприменимы и необходимо использование новых подходов.
Цель работы- исследовать политипные переходы в плотноупа-кованных структурах как равновесные, так и неравновесные, в условиях внешнего поля и отличных от нуля температур при учете дальнего и многочастичного взаимодействий.
Для достижения общей цели работы ставились следующие задачи.
-
Разработать методы исследования диаграмм основных состояний и соответствующий программный комплекс, позволяющие идентифицировать многослойные структуры и установить общие правила интерпретации структур на диаграммах, соответствующих разным размерам модельной системы.
-
Исследовать влияние размеров модельного кристалла, дальнего и многочастичного взаимодействий на стабилизацию конкретных политипных модификаций, в том числе многослойных, а также на возможные серии политипных превращений при температуре Т=0К.
-
Исследовать политипные превращения в плотноупакованных кристаллах в неравновесных условиях во внешнем поле при отличных от нуля температурах, а также в условиях изменяющейся температуры.
Научная новизна. Предложенная ранее модель расширена на область неравновесных превращений. Она позволяет проследить кинетику политипных превращений и учесть влияние кинетических и структурных факторов, дальнего и многочастичного взаимодействий, температуры на реализующиеся последовательности политипных структур с учетом метастабильных состояний.
Впервые рассчитаны, интерпретированы и проанализированы диаграммы основных состояний с учетом взаимодействий атомов в десяти координационных сферах ГЦК-решетки и многочастичного взаимодействия. На основе проведенного анализа установлена роль
этих взаимодействий в стабилизации большого количества конкретных политипных структур.
В рамках единого подхода' интерпретирована экспериментально наблюдаемая последовательность политипных структур SiC (серия из девяти равновесных политипных структур).
Научное и практическое значение настоящей работы состоит в следующем. Проведенные исследования влияния дальнего и многочастичного взаимодействий на стабильность политипных структур и систематизация этих результатов позволяют расширить физические представления о природе образования таких структур, описывать, объяснять и предсказывать поведение политипных систем при изменении напряженности внешних полей и температуры в квазиравновесных и неравновесных условиях.
Достоверность результатов диссертации обеспечивается следующим: согласием результатов с общими термодинамическими закономерностями; согласием результатов, полученных в расчетах, с экспериментальными данными и теоретическими расчетами других авторов; использованием известных, проверенных и хорошо зарекомендовавших себя методов; отсутствием приближенных математических подходов (модель описывается математически точно).
На защиту выносятся следующие положения:
-
Методика расчета и исследования диаграмм основных состояний плотноупакованных кристаллов, позволяющая определять спектр термодинамически допустимых политипных структур и набор политипных превращений в квазиравновесных условиях. Результаты расчетов диаграмм основных состояний.
-
Существенное влияние дальнего и многочастичного взаимодействий на стабилизацию политипных структур и на последовательности равновесных и неравновесных политипных превращений.
-
Результаты расчетов возможных политипных превращений в плотноупакованном кристалле в равновесных и неравновесных условиях при ненулевых температурах с учетом энергетических барьеров между политипными модификациями.
Личный вклад диссертанта. Автором разработаны алгоритмы и созданы программные комплексы, проведены расчеты поведения модельных систем. Диссертанту принадлежит постановка и решение
задачи о последовательности политипных структур и политипных превращений в системе SiC (серия из девяти равновесных политипных структур). Совместно с руководителями осуществлялась постановка задачи и обсуждение результатов.
Апробация работы. Результаты диссертации докладывались на республиканских Катановских чтениях (Абакан, 1997, 1998, 1999), на IV Международной школе-семинаре «Эволюция дефектных структур в конденсированных средах» (Барнаул, 1998), на V российско-китайском международном симпозиуме «Новые материалы и технологии»/ Фундаментальные проблемы создания новых материалов и технологий XXI века/ (Байкальск, 1999), на 2-ом Всероссийском семинаре «Моделирование неравновесных систем» (Красноярск, 1999).
Публикация результатов. По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, из них две статьи в центральном журнале.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Материал изложен на /5/ стр. машинописного текста, включает 43 рисунка.