Введение к работе
Мотивация исследования. Фундаментальные вопросы физики искусственных металлов оказались в центре внимания многих исследований вследствие активного использования актинидов в современной и перспективной энергетике. Плутоний и америций, их сплавы, являются эффективными катализаторами ядерных реакций. Кюрий, как абсолютно уникальный генератор термальной энергии, является самым перспективным источником энергии.
Отправной точкой диссертационного исследования стала проблема аномальной температурной зависимости электросопротивления (ЭС) 5- Ри, при решении которой на протяжении почти пятидесяти лет безуспешно привлекались самые различные идеи, модели и подходы [1, 2, 3]. Плутоний оказался единственным представителем семейства металлов с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления (ТКС). Гигантскими скачками объема (~ 20 %) сопровождаются его структурные фазовые переходы. Со временем может изменяться его магнитное состояние и удельное сопротивление. Америций при низких температурах является сверхпроводником, а при комнатных температурах и под давлением его удельное сопротивление огромно ~ 400 fiQ см, но сохраняется металлический ход температурной зависимости ЭС [4]. Установлены существенные (~ 10 %) изменения объема кюрия при фазовых переходах и, что само по себе удивительно, вполне ординарные свойства нептуния.
С точки зрения электронной теории, аномальные свойства актинидов, вероятнее всего, обусловлены спецификой поведения электронов 5f оболочки. При переходе от нептуния к кюрию кардинально изменятся характер их поведения- от коллективизированного к локализованному. Но 5f электроны плутония демонстрируют одновременно признаки и коллективизированного, и локализованного поведения, что, возможно, и обеспечивает его уникальные свойства [3].
С другой стороны, эксперименты показывают, что существенным фактором, определяющим аномальные свойства трансурановых металлов, являются примеси и дефекты. Но если концентрацию примесей можно до-
стоверно определить, то концентрация дефектов - величина переменная и плохо контролируемая. Из-за процессов самораспада происходит постоянная генерация и рекомбинация дефектов, влияющих на свойства металлов, а "чистый" металл оказывается, по- существу, разбавленным сплавом.
В процессе анализа проблемы отрицательного ТКС стало очевидным, что для понимания природы наблюдаемых аномалий необходимо выяснить, какие эффекты связаны со свойствами самих металлов, а какие обусловлены примесями и дефектами. С точки зрения кинетики, задача состоит в последовательной оценке соответствующих вкладов в наблюдаемое сопротивление трансурановых металлов, что требует не только качественного, но и количественного объяснения наблюдаемых эффектов. Но количественные оценки сопротивления, полученные в рамках различных подходов даже для разбавленных сплавов простых и переходных 3d-4d- и 5d металлов, оказываются настолько противоречивыми и непрозрачными, что невозможность прямого использования существующих моделей для анализа резистивных свойств актинидов и их сплавов очевидна.
Цель работы. Диссертационное исследование посвящено разработке универсальных теоретических моделей и подходов последовательного качественного и количественного анализа резистивных свойств актинидов и их сплавов и изучению природы высокорезистивного состояния.
На защиту выносятся следующие основные Полоэюения :
1.Металлический тип температурной зависимости ЭС идеальных чистых актинидов - нептуния, плутония, америция и кюрия в fee- фазе сохраняется во всем исследованном диапазоне температур и давлений и для любых кристаллических фаз и, в основном, определяется рассеянием электронов проводимости на фононах, сопровождающимся межполосными переходами токоносителей. Величина удельного ЭС определяется не только отношением ПС на уровне Ферми д^+^(Ер)/'gs{Ep) но и перенормировкой эффективной массы токоносителей за счет эффектов гибридизации и сильного взаимодействия.
2. Основными параметрами, определяющими величину остаточного сопротивления (ОС) разбавленных сплавов переходных металлов и акти-
нидов являются величина относительного избыточного заряда, вносимого примесным ионом (или дефектом) в матрицу- растворитель и значение ПС на уровне Ферми в матрице растворителе.
-
Значение относительного избыточного заряда, вносимого примесью (или дефектом) в матрицу металла растворителя определяется потоком нескомпенсированного заряда через замкнутую ячейку металла- растворителя и может быть вычислено в рамках существующих ab initio методов.
-
Приведенное ОС всех известных разбавленных сплавов переходных (немагнитных ) металлов является универсальной функцией квадрата модуля недиагонального sd элемента Т - матрицы рассеяния.
-
Количественное описание наблюдаемого ОС в разбавленных сплавах железа и никеля может быть получено без введения искусственных параметров, в рамках предложенной четырехтоковой модели проводимости.
-
Предоложенный метод разделения вкладов в ОС, обусловленных рассеянием на металлических примесях и дефектах, позволяет выполнить оценки концентрации дефектов в разбавленных сплавах актинидов и по резистивным свойствам определять возраст исследуемого образца.
-
Существенные отклонения ОС сплавов Np-Pu, Np-Cm, Np-Am,Pu-Am, Pu-Cm, Am-Cm от предсказываемого правилом Нордгейма. являются следствием сильного электрон-примесного рассеяния, приводящем к изменениями исходной ПС сплавов с концентрацией и, как следствие, изменениям вероятности межполосных переходов рассеянных электронов
-
Следствием специфического изменения с концентраций парциальных ПС и вкладов в проводимость от групп токоносителей с различной ориентацией спина является наблюдаемая аномальная концентрационная зависимость ОС сплавов Fe-Cr.
-
Отрицательный ТКС разбавленных сплавов Ри является следствием интерференции электрон - примесного и электрон - фононного взаимодействий. Этот же механизм рассеяния влечет квадратичную зависимость удельного сопротивления в области низких температур.
10. Некогерентными процессами рассеяния обусловлены наблюдаемые
температурно концентрационные зависимости ЭС сплавов Am - Pu. Вы-
сокие значения сопротивления связаны как с межполосными переходами токоносителей, так и с существенной перенормировкой их эффективной массы вследствие сильного взаимодействия.
Актуальность диссертационного исследования обеспечивается следующими факторами:
Разработана многополосная модель проводимости, позволяющая без использования предположения о малости взаимодействия и дополнительных подгоночных параметров теории получить качественное и количественное объяснение кинетических свойств металлов и их сплавов.
Предложенный метод аппроксимации реальных фаз металлов их кубическими решениями для экспериментального объема, позволяет анализировать и моделировать свойства реальных металлов и сплавов при нормальных условиях и под давлением.
Предложенный ah initio метод определения относительного избыточного заряда, может быть использован не только для количественного определения рассеивающего потенциала и ОС разбавленных сплавов, но и при построении количественной теории растворимости металлических твердых растворов.
Методика расчетов реализована в комплексе программ. Она может использоваться для детальных расчетов различных кинетических свойств магнитных и немагнитных сплавов, сплавов с участием актинидов, при моделирования материалов с заранее заданными свойствами.
Кроме того
объекты исследования находятся в центре внимания не только академической но и прикладной науки; более 50% цитирований, использованных в диссертации приходится на работы, опубликованные в последние годы.
результаты, полученные автором в процессе выполнения диссертационного исследования и опубликованные в ведущих научных журналах, активно цитируются и стали предметом обсуждения в обзорных работах.
Новизна представленных в диссертационной работе результатов и выводов заключается в следующем:
1. Многополосная модель проводимости в теории аномальных кинети-
ческих свойств трансурановых металлов и их сплавов, а также сплавов на основе ферромагнитных металлов предложена впервые.
2. Впервые показано, что характер температурной зависимости ЭС
чистых актинидов при высоких температурах определяется сильным
электрон-фононным взаимодействием, индуцирующим переходы рассеян
ных s— электронов в незаполненные d— и/— полосы и перенормировкой
эффективной массы токоносителей вследствие сильного взаимодействия и
гибридизации полос.
-
Методика определения относительного избыточного заряда, основанная на первопринципном расчете потока заряда через ячейку металла -растворителя является оригинальной.
-
В рамках метода кинетического уравнения и многополосной модели проводимости впервые дано количественное объяснение величины ОС для всех разбавленных сплавов переходных металлов. Доказано, что приведенное ОС всех известных разбавленных сплавов с участием переходных металлов, пропорционально квадрата модуля недиагонального sd(f)) элемента Т - матрицы рассеяния.
5.Впервые показана возможность оценки концентрации дефектов в разбавленных сплавах актинидов и возраста образцов из резистивных данных.
-
Впервые объяснены причины значительного отклонения хода концентрационной зависимости ОС бинарных сплавов Np-Pu, Np-Cm, Np-Am, Pu-Am, Pu-Cm, Am-Cm от предсказываемого правилом Нордгейма.
-
Впервые показано, что интерференционный механизм рассеяния электронов проводимости приводит к аномальной температурной зависимости удельного ЭС разбавленных сплавов Ри.
Научная и практическая значимость работы заключается:
в более глубоком понимании физической картины формирования аномалий резистивных свойств исследованных металлов и сплавов (часть опубликованных результатов работы использованы в обзорах [3, 5])
в применении полученных результатов для модельного описания наблюдаемых зависимостей и объяснения природы аномалий кинетических свойств актинидов и их сплавов.
- в использовании предложенных методов для количественных расчетов
ОС разбавленных сплавов актинидов и определения возраста образов по
концентрации дефектов из резистивных данных.
-полученные модельные результаты и разработанные автором компьютерные коды могут оказаться полезными для прогнозирования кинетических свойств сплавов переходных металлов и актинидов.
- предложенный метод определения относительного избыточного заря
да может дать количественный критерий для детального анализа эмпири
ческого правила растворимости Юм - Розери
Согласно базе данных научного цитирования Института научной информации ISI, идеи, результаты и выводы диссертации, представленные в работах [А1-А27], использованы в десятках научных публикаций.
Достоверность большинства представляемых результатов и выводов диссертационной работы подтверждена экспериментальными и теоретическими исследованиями, проведенными независимыми авторами.
Публикации. По теме диссертации опубликованы 12 работ в ведущих научных рецензируемых журналах. Список некоторых публикаций [А1 -А27], приводится в конце автореферата.
Личный вклад автора Постановка задач, анализ и формулировка выводов во всех описанных компонентах исследования, принадлежит автору диссертационной работы. Автором выполнено обобщение модели проводимости Мотта, разработаны методики вывода кинетических уравнений и уравнений ПКП в квантовомеханическом подходе. В постановке численных расчетов личный вклад автора был превалирующим.
Структура и объем диссертации. Диссертация содержит 277 страницы машинописного текста и состоит из введения, трех частей, содержащих 9 глав, заключения, приложения, списка литературы из 195 наименований, 46 рисунков и 11 таблиц.
Апробация работы. Результаты исследования докладывались автором: на пленарном заседании научной сессии ИФМ УрО РАН по итогам 2005 года, на семинарах лабораторий электрических явлений, рентгеновской спектроскопии и оптики металлов ИФМ УрО РАН, на меж-
дународных конференциях Moscow Internation Simposium on Magnetism (MISM) -2002, -2005г. (МГУ им. Ломоносова), г. Москва, EASTMAG -2007г.(Казань), -2010г (Екатерибург), "Plutonium Futures - The Science" -2008,(г. Дюжон, Франция), -2010г (г. Кейстоун, Колорадо США), VI, VIII, X и XI Международных российско - американские семинарах «Фундаментальные свойства плутония» - 2005, 2008, 2011 г. (г. Снежинск), - 2010 г. г. Москва., Конференции по ядерным материалам - 2010г. (г. Карлсруэ, Германия) "Новые магнитные материлы " НМММ -2004г. 2006г и 2008г. (МГУ им. Ломоносова, г. Москва) XXXIII,XXXIV и XXXV Совещаниях по физике низких температур -2003г 2006г -2009г (гг. Екатеринбург, Лоо (Сочи), Черноголовка, Московская обл.) и других конференциях и семинарах
