Введение к работе
Актуальность работы
Изучение активационных процессов (в данном случае - возникновения вакансии и миграции атомов) актуально по той причине, что именно эти микроскопические процессы лежат в основе таких макроскопических эффектов как плавление и сублимация, и определяют такие свойства вещества как твердость, пластичность, жаропрочность. Вместе с тем в настоящее время отсутствует единая аналитическая методика, позволяющая изучить активационные процессы в кристаллах от Т = О К и до перехода в жидкую фазу включительно. Разработка такой методики позволяет не только выйти на приоритетные позиции в теории конденсированного состояния, но также и во многих связанных с этим прикладными задачами материаловедения.
Актуальность предлагаемой работы заключается также и в том, что вакансионные и диффузионные параметры здесь изучены в их непосредственной взаимосвязи, исходя только из потенциала межатомного взаимодействия. В расчетных формулах отсутствуют какие-либо подгоночные параметры, которые могли бы привести к неоднозначности получаемых результатов. Активационные параметры изучены как при высоких температурах, так и вблизи Т = О К, где проведение экспериментов затруднительно. Изучены активационные параметры таких веществ, у которых измерение этих параметров затруднено: алмаз, «серое» олово, бинарные полупроводниковые соединения, кристаллы инертных газов, кристаллы изотопов водорода, фуллериты с различной молекулярной массой.
Часть работы была выполнена при финансовой поддержке: РФФИ (гранты: № 02-03-33301-а; 09-08-96508-р_юг_а; 09-08-07014-д), и программ фундаментальных исследований: как Президиума РАН (№ 12.1.19): «Теплофизика и механика экстремальных энергетических воздействий и физика сильно сжатого вещества», так и Отделения Энергетики, Машиностроения, Механики и Процессов Управления РАН (№ ИПГ-6-ОЭ): «Устойчивость фазовых состояний и критические режимы тепломассопереноса». Во всех грантах Магомедов М.Н. являлся ру ков о дите л ем.
4 Цель работы
Целью работы является разработка и апробация аналитической методики, позволяющей рассчитывать вакансионные и диффузионные параметры в различных Р-Т-усяоъиях, начиная от Т= О К и до перехода в жидкую фазу.
Для реализации поставленной цели в диссертационной работе были решены следующий задачи:
-
Вычисление температуры Дебая исходя из параметров парного потенциала межатомного взаимодействия, массы атома, плотности и структуры кристалла.
-
Самосогласованное определение всех четырех параметров межчастичного парного потенциала взаимодействия типа Ми-Леннарда-Джонса исходя из экспериментальных данных.
-
Определение термодинамических параметров активационных процессов (образования вакансий и самодиффузии) в их взаимосвязи, исходя из параметров парного потенциала межатомного взаимодействия, массы атома, структуры кристалла, его плотности и температуры.
-
Обобщение методики расчета активационных параметров на случай нанокристалла с варьируемой формой поверхности и произвольной кристаллической структуры.
Научная новизна
Автором впервые получены и выносятся на защиту следующие основные теоретические результаты, большинство из которых уже нашли экспериментальное подтаверждение:
-
Разработана новая статистическая модель простого вещества, в которой частицы могут быть как локализованными в ячейке, образованной ближайшими соседями, так и быть делокализованными, т.е. перемещаться по всему объему системы. Получены условия, которым должны удовлетворять как вероятность активационного процесса, так и характеристическая температура системы.
-
Разработана методика, позволяющая рассчитывать температуру Дебая, параметр Грюнайзена, а также все четыре параметра парного потенциала межчастичного взаимодействия типа Ми-Леннарда-Джонса.
-
Определены параметры межатомного потенциала Ми-Леннарда-Джонса почти для всех элементов Периодической таблицы, для всех изотопов водорода, для ряда молекулярных кристаллов, для ряда бинарных кристаллов типа АВ, для фуллеренов с молекулярной массой: от 15 до 120 масс атома углерода.
-
Разработана аналитическая методика, позволяющая, исходя из потенциала межатомного взаимодействия, рассчитывать параметры активационных процессов (как вакансионные, так и диффузионные) и их взаимосвязь, начиная от Т= 0 К и до перехода в жидкую фазу включительно.
-
Определены параметры образования вакансий и самодиффузии почти для всех элементов Периодической таблицы, и изучено их изменение при изобарическом нагреве. Изучена корреляция активационных параметров с различными свойствами вещества.
-
Разработан метод изучения зависимости свойств нанокристалла одноатомного вещества, как от размера, так и от его формы и структуры. Метод апробирован при расчетах удельной поверхностной энергии, температуры Дебая, температуры плавления и температуры сверхпроводящего перехода для ряда веществ.
-
Изучена эволюция поверхностного давления, как при изоморфном изменении размера, так и при изомерной вариации формы нанокристалла. Изучено размерное изменение активационных параметров при учете поверхностного давления и при изомерной вариации формы нанокристалла.
Научная и практическая значимость работы
Предложенные в работе методы вычисления параметров образования вакансий и самодиффузии, а также метод изучения зависимости свойств от размера и формы нанокристалла вносят вклад в понимание процессов, происходящих в кристалле при его нагреве, сжатии, либо при изоморфном уменьшении его размера, или при изомерной деформации формы нанокристалла. Рассчитанные в диссертации значения поверхностной энергии, параметры образования вакансий и самодиффузии могут быть использованы (и уже используются другими авторами) для теоретического изучения свойств кристаллов в различных .Р-Г-ТУ-условиях.
Апробация работы
По теме диссертации автором сделано 43 докладов на международных и 21 на Всесоюзных и Всероссийских конференциях, таких как:
Symposiums on Thermophysical Properties. - University of Colorado, Boulder, Colorado, (USA: XI - 1991 г.; XV - 2003 г.; XVI - 2006 г.; XVII - 2009 г.);
Российские конференции по теплофизическим свойствам веществ (1992 г. -Махачкала; 2002 г. - Казань; 2005 г. - Санкт-Петербург; 2008 г. - Москва);
Международные конференции по химической термодинамике (XIV - 2002 г. - Санкт-Петербург; XV - 2005 г. - Москва; XVII - 2009 г. - Казань);
Международные конференции: «Фазовые переходы, критические и нелинейные явления в конденсированных средах» (Махачкала - 2002 г.; 2004 г.);
Международные конференции по физике электронных материалов - ФИЭМ (Калуга: I - 2002 г.; II - 2005 г.; III - 2008 г.);
Всероссийские конференции «Строение и свойства металлических и шлаковых расплавов» (Екатеринбург - 2004 г. и 2008 г.);
Всероссийский Симпозиум по термохимии и калориметрии (2004 г. -Нижний Новгород);
European Conferencies on Thermophysical Properties (17 - Bratislava - 2005 г.; 18th-France-2008 г.);
Международные конференции «Химия твердого тела и современные микро-и нанотехнологии» (Кисловодск - 2005 г.; 2006 г.; 2008 г.; 2009 г.);
V и VI Международные конференции «Радиационно-термические эффекты и процессы в неорганических материалах» (Томск - 2006 г. и 2008 г.);
Международные конференции «Кинетика и механизм кристаллизации» (Иваново - 2006 г.; 2008 г.);
13th International Conference on Liquid and Amorphous Metals: LAM-13 (Екатеринбург - 2007 г.);
Международный симпозиум «Порядок, беспорядок и свойства оксидов»: ODPO (Ростов-на-Дону, п. Лоо - 2007 г.; 2009 г.);
Международный симпозиум «Плавление и кристаллизация металлов и оксидов»: МСМО (Ростов-на-Дону, п. Лоо - 2007 г.; 2009 г.).
7 Публикации
Основное содержание диссертации опубликовано в 158 научных работах, из которых статей в центральных рецензируемых журналах - 93 (список в конце), тезисов и материалов конференций - 64. Статьи опубликованы в журналах:
Теплофизика Высоких Температур - 32; Журнал Физической Химии - 22; Письма в Журнал Технической Физики - 11; Физика Твердого Тела - 8; Расплавы - 4; Поверхность - 3; Металлы - 3; Физика Металлов и Металловедение - 3; Журнал Неорганической Химии - 2; Журнал Технической Физики -1; Физика и Техника Полупроводников -1; Альтернативная энергетика и экология - 1; Журнал Структурной Химии - 1; Металлофизика - 1.
Все научные работы выполнены автором единолично, т.е. без соавторов, что и определяет его «личный вклад» в полученные результаты.
Структура и объем диссертации
