Введение к работе
Актуальность темы.
В дифракционных опытах по рассеянию рентгеновских лучен, электронов и других частиц на монокристаллах в первую очередь обнаруживается интенсивное Брзгговское рассеяние, обусловленное строго периодическим (идеальным) распределением атомов по узлам кристаллической структуры. В реальности во всех кристаллах существуют отклонения от строгой периодичности, что приводит к дополнительному рассеянию. В широком смысле любое небрэгговское рассеяние . называется диффузным рассеянием. Подавляющее большинство работ по диффузному рассеянию посвящено изучению различных причин нарушения идеальности статического характера: неоднородность по составу, неоднофазность, дефекты упаковки, примеси, вакансии и т.п. Наряду со статическими несовершенствами кристалла существует еще одна принципиально неустранимая причина нарушения идеальности кристалла, обусловленная тепловыми смещениями атомов из положений равновесия, порождающая тепловое диффузное рассеяние (ТДР). Под этим термином обычно подразумевают неупругое однофононное рассеяние, интенсивность которого обратно пропорциональна фононноп частоте, а потому это рассеяние приводит к появлению очень слабого довольно однородного фона во зсем обратном пространстве и заметно возрастающего по интенсивности лишь вблизи Брэгговских рефлексов (гало).
Предметом рассмотрения диссертации является совершенно своеобразное явление: диффузное рассеяние в идеальных кристаллах, обладающее весьма специфическими свойствами: во-первых, резко неоднородное и анизотропное распределение диффузных образов в обратном пространстве в виде четко определенных плоскостей и стеркней, по интенсивности меньше Брэг.говского рассеяния, но на порядки превышающее интенсивность фона; во-вторых, такое диффузное рассеяние существует во всем интервале температур; в-третьих, это диффузное рассеяние испытывает сложную температурную эволюцию, плавно меняясь по'интенсивности в широких интервалах температур и испытывая резкие скачки по интенсивности в точках структурных фазовых переходов, демонстрируя тем самым теснейшую связь такого диффузного рассеяния со структурными фазовыми переходами.
Для обнаружения и регистрации интересующего нас диффузного рассеяния традиционные методы рентгеновского анализа - Лауэ-метод на монокристалле с использованием белого излучения и метод
Дебая-Шеррера - практически непригодны. Наиболее удобным методом для получения общей картины диффузного рассеяния служит так называемый моно-Лауэ метод (иначе называемый методом "фиксированный пучок - фиксированный кристалл"). Суть моно-Лауэ метода заключается в том, . что на неподвижнб закрепленный монокристалл направляется узкоколлимированный монохроматический пучок рентгеновских лучей, а результат дифракции регистрируется на плоской фотопленке, располагаемой за кристаллом. Подробное описание этого метода изложено в обзоре французских исследователей Дорнера и Комеса Ш.
До появления работ автора диссертации- в научной литературе существовало несколько десятков работ исключительно экспериментального плана с получением монолауэграмм на кристаллах с разнообразными типами структур и разными типами кристаллической связи. Однако долгое время не существовало ни удовлетворительной теории явления, ни даже адекватного обьяснения причин возникновения такого особого диффузного рассеяния. Затем в работе Комеса, Ламбер и Гннье 12) на монокристалле ниобата калия была прослежена температурная-эволюция диффузного рассеяния. В этой же работе впервые предложена качественная гипотеза для обьяснения физической природы особого диффузного рассеяния, механизма его возникновения и изменения с температурой.
Суть идей Комеса, Ламбер и Гинье заключается в следующем. Атомы, составляющие кристалл, в - первом приближении аппроксимируются твердыми шарами, а между атомами существуют зазоры различной величины в различных кристаллографических направлениях, что приводит к возможности одновременных (когерентных) смещений в определенных кристаллографических направлениях целых протяженных объектов размерности 2 (плоскости) или размерности 1 (цепочки). Причиной - возникновения аномального диффузного рассеяния являются кооперативные тепловые колебания атомов, связанных в жесткие протяженные объекты. Именно эта работа послужила главным стимулом для построения последовательной теории в работах автора диссертации и других исследователей, позволившей не только вскрыть глубинные универсальные причины этого нового явления - особого теплового диффузного рассеяния, но и позволившей количественно рассчитать картины диффузного рассеяния и его температурных изменений, в том числе и происходящих при структурных фазовых переходах, углубляя наши
представления о физической природе фазовых превращений. Наличие указанных нерешенных проблем, а также активные исследования этих вопросов другими исследователями. определяют актуальность проведенных авторских разработок. Основная проблематика затрагиваемых в диссертации вопросов прекрасно изложена в книгах Лайнса и Гласса (31 н Бруса и Каули [41. Бсё проведенные автором диссертации исследования лежат в русле современных научных идей, развивая их и перекликаясь с работами научных школ разных стран.
Целями работы являются две стратегические задачи построгння теории. Во-первых, выяснение природы, механизмов л условий возникновения диффузного рассеяния, т. а. протяженных диффузных образов и возможностей теоретического предсказания и получения наиболее полной картины рассеяния, а гакзе его температурной эволюции. Во-вторых, выявление причинно-следственной связи между диффузным рассеянием и струхтурными фазовыми переходами.
В развернутом виде первая задача состоит из трех основных проблем Первая независимая проблема - при рассмотрении конкретного кристалла мы должны определить форяу и структуру протяженных когерентных объектов, их размерность, их' вээимиуг ориентации и расположение относительно кристаллографических осей. Все это, кочзчно, можно определить из эксперимента, имея в наличии хороаие моно-Лаузграмкы, однако нами разработан более эффективный путь решения этой проблемы, ' а именно кристаллохимический . анализ исходной (высокотемпературной) структуры, прафазы , в терминологии Айэу. Чаще всего этот путь является единственно _ возможным, так как получение экспериментальной моно-Лауэграммы оказывается сопряженным с большими трудностями, либо вообще невозможно (см. обсуждение этого вопроса для SrTi03 в 111. К тому же кристаллографический анализ более информативен, так ках - позволяет получить в дополнение к указанным характеристикам еще направление и амплитуду колебаний протяженных объектов. Еторая проблема заключается в том, как при известных протяженных объектах построить математический аппарат для описания кооперативных колебаний объектов и, используя методы статистической физики, рассчитать интенсивность диффузного рассеяния. Третья и наиболее Еажная проблема - это возможность, замерзания кооперативных колебаний при понижении температуры, переходящих в статические смещения, что в конечном итоге приводит к структурным фазовым
превращениям.
Теперь на первый план выдвигается вторая стратегическая задача о причинно-следственной связи диффузного рассеяния и структурных фазовых переходов. В области физики фазовых переходов наиболее важными вопросами, на которые хотелось получить ответы, являются следующие. Почему конкретный кристалл, обладающий устойчивой структурой в широком интервале температур,при некоторой критической температуре Т теряет устойчивость и спонтанно переходит в другое структурное состояние? Что нужно знать кроме исходной структуры, чтобы определить новую структуру и ее характеристики? Каким образом кристалл готовится к предстоящему переходу, т. е. существуют ли настоящие предшественники фазового перехода? И если существуют, то в чем проявляются? В какого рода эксперименте их можно наблюдать и в каком температурном интервале - в непосредственной близости к точке фазового перехода или в более широком интервале? Почему в семействе изоструктурных кристаллов разные представители испытывают разные переходы, а другие не испытывают вообще? И, наконец, хорошо развитая теория должна с единой точки зрения описьтать не только один фазовый переход, но и весь каскад фазовых переходов, если таковой имеется у конкретного кристалла, а также температурную эволюцию диффузного рассеяния во всем температурном интервале с самых высоких температур до абсолютного нуля.