Введение к работе
Актуальность темы. Значительное место в физике кристаллов занимает исследование диффузного (небрэгговского) рассеяшія рентгеновских лучей и электронов в металлах, сплавах и соединениях, связанного как с различного рода несовершенствами в кристаллах, так и с тепловими колебаниями атомов или ионов.
Тема данной диссертационной работы подразумевает изучение' именно теплового диффузного рассеяния (ДР), проявляющегося D мо-но-Лауэ опыте (неподвижный монокристалл облучается монохроматическим излучением) в виде протяженных в обратном пространстве дифракциошшх сигналов - светящихся стержней и плоскостей. Эти сигналы - следствие упругого рассеяния на кооперативных, резко анизотропных колебаниях атомов. Если .в кристалла согласованно колеблются одно- или двумерные когерентные объекты (атомные цепочки или плоскости), то в обратной решетке появляются диффузные образы в виде двумерных светящихся плоскостей или одномерных светящихся стержней. Между кооперативными колебаниями (концепция которых является главной в работе) и узором теплового ДР в ыоно-Лауэ опыте существует прямое соответствие и, следовательно, изучение теплового ДР дает возможность проводить анализ реальных тепловых колебаний в кристаллах. Данная область физики твердого тела еще недостаточно изучена как в экспериментальном, так и в теоретическом отношении.
Другим.немаловажным аспе'-том применения концепции кооперативных атомных колебаний является проблема спонтанных структурных фазовых переходов. При замерзании колебаний (когда они превращаются в статические смещения) когерентных объектов с последующей подстройкой кристалла (уплотнением, контракцией) кристаллическая решетка искажается, и на этом пути оказывается возможным адекватно описывать как структурные фазовые переходы, в том числе и реконструктивные, так и их каскада. Замерзание кооперативных колебаний возможно и без смещений когерентных объектов, тогда фазового перехода не происходит. И в том, и в другом случае (с переходом и без него) в задачи входит описание температурного пот;едетія как характеристик -кристаллической решетки, так и диффузного рассеяния.
Токіна обратом, одна и та же мода кооноратипннх колебаний атомов, с одной сторон1!, до.'Г'шл объяснять набл"',г;г)ег'но м и'-^гда
довольно сложные узоры теплового ДР и их температурную ЭВОЛЮЦИЮ, а сдругой стороны, ее замерзание при охлаждении должно давать детерминированное описание перестройки кристаллической структуры при фазовом переходе. Оба эти аспекта рассмотрены в диссертации. Очевидно;, что они затрагивают фундаментальные вопросы физики твердого тела, и в этом состоит актуальность данной темы и ее научная ценность.
Главные задачи данной работы состояли в построении теории указанных выше явлений, но в тех случаях, когда ощущалась явная нехватка экспериментального материала, ставились также и самостоятельные экспериментальные исследования, а именно получе ние рентгеновских монолауэграмм на довольно большом числе кристаллов.
Цели работы.
В связи с малым количеством описанных в литературе опытов по тепловому ДР в данной работе ставилась задача получения экспериментальных узоров теплового ДР на различных кристаллах -на металлах и сплавах со структурами ОЦК и ГЦК, на ряде соединений со структурой типа hla(& , на монокристалле высокотемпературного сверхпроводника їбо^&^С^ . На основании этих и имеющихся в литературе экспериментальных дифракционных данных, а также на основании кристаллохимического анализа необходимо было установить моды кооперативных колебаний для перечисленных структур.
Ставилась задача, используя актуальные кооперативные моды, получить теоретические выражения для среднестатистической интенсивности брэгговского И'диффузного рассеяния для вышеуказанных структур.
Используя результаты теоретических расчетов и экспериментов, проведенных автором, а также обобщая имеющиеся в литературе данные по тепловому ДР, необходимо было сформулировать правила расшифровки дифрактограмм теплового ДР. Здесь имелись в том числе чисто теоретические проблемы, которые в литературе не решены.
Поэтому в задачи работы входило получение теоретических вы ражений интенсивности рассеяния, например - рассеяния на одномерной изинговской цепочке с учетом взаимодействия вторых соседей.
В работе ставилась задача описания кристаллогоомотричооко-
'о механизма перестройки исходной структуры при структурных >азовых переходах ОЦК-ГПУ, ОЦКтГЦК, A/aft - C%CZ без использова-ия каких бы го ни было мнемонических правил, а на основе лишь нания актуальной кооперативной мода, отвечающей узору высоко-ешературного ДР..
- Наконец, одной из задач работы являлось построение темпе-
атурной теории фазового перехода ОЦК-ГПУ, включающей в себя
эмпературную оволщию характеристик как прямой, так и обрат-
эй решетки.
Научная новизна.
- Определена кооперативная мода колебаний в СВД структуре и
шрвые дано исчерпывающее объяснение различных эксперименталь-
іх данных по тепловому ДР в ОЦК' кристаллах. Получены узоры
[ффузного рассеяния, вызванного кооперативными тепловыми коле
ннями атомов, на монокристаллах Но и А/6 , ноторые также
ъясняются представленной кооперативной модой.
ПроЕедены моно-Лауэ эксперименты на ГЦК' сплаве гб - А/г в парной области составов, на кристаллах со структурой MaCL , тленно Ш ,L;F ,ШС&,
Детально сформулированы правила расшифровки дифрактограмм гглового ДР и его соответствия кооперативным атомным колебани-
. Дан теоретический вывод этих правил, а также эксперименталь-т их иллюстрация на многих конкретных примерах.
- Впервые подробна описана реальная кристаллогеометрия струй
ных фазовых переходов ОЦК-ГПУ, ОЦК-ГЦК,ЫаС1 - Ci(l без ис-
іьаования мнемонических правил. Получены ориентационные соот-
зешя, наблюдающиеся на эксперименте. Построена температурная
фия OIJK-ТПУ превращения, в рамках которой описано темпера-
іное поведение дифракционных образов,
- Получена экспериментальная картина ДР рентгеновских лучей
высокотемпературного сверхпроводника 1Вх1гСцлОу и предложе-
интерпретация этой картины, основанная на концепции тепловых ебаний когерентных объектов.
- Впервые получена функция интенсивности рассеяния излучений
изинголской цепочке с учетом взаимодействия вторых соседей и
ледовшю поведение этой функции в зависимости от параметров -
терэтугн и стнотешш величин взаимодействия перЕых и вторых
зд«зй, то есть построена вс я фазовая диаграмма задачи. Пока-
.1, что тз случае конкуренции взаимодействий РОЗНИКЯЛТ несо-
размерные фази, которые при понижении температуры испытывают Cocfc-lti переход в соразмерные фазы. Температура *4-'Ч перехода зависит от соотношения взаимодействий первых и вторых соседей.
Практическая ценность. Развитие концепции кооперативных ко лебаний атомов в кристаллах в двух аспектах ее проявления и на широком классе соединений подтверждает ее физическую реальность Развитые приемы вычислений, сформулированные правила расшифровки и полученные результаты могут быть использованы для других кристаллов. Концепция может быть применена, например, для иссле дования энергетических характеристик кооперативных мод, возможного проявления этих мод в опытах по рассеянию нейтронов и для разработки иных научных направлений. Теоретические результаты по модели Изинга могут быть широко использованы в других разделах физики твердого тела, например, в магнетизме. Основные результаты, выносимые'на защиту. Т. Экспериментальное получение рентгеновских монолауэграш (узоров диффузного рассеяния) на различных кристаллах: а) со структурой ОЦК - No и N6 , б) со структурой ЩК - неупорядоченном сплаве Ft ~t\l в инварной области составов, в) со структурой типа Л/о (Л ~ КШ , LlF , Л/<аС , г) высокотемпературном сверхпроводнике \&агСц}Оц .
-
Теоретическое объяснение картин диффузного рассеяния для всех вышеперечисленных кристаллов в рамках тепловой модели.
-
Температурная теория структурного фазового перехода ОЦК--ГПУ с прослеживанием температурной эволюции .брэгговского и диф фузного рассеяния.
-
Формулировка правил расшифровки дифрактограш теплового ДР на основе теоретических расчетов и экспериментальных данных.
Б. Кристаллохимичзекое объяснение фазовых переходов ОЦК-ГГГ/, ОЦК-ГЦК, М&( - СьСІ с помощью замерзания кооперативных колебаний тех когерентных объектов,.которые дают основной вклад в формирование узорл теплового диффузного рассеяния исходных фаз.
6. Получение среднестатистической интенсивности рассеяния из лучений на изинговской цепочке с учетом взаимодействии вторых сое едеС.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы доклада вались а^ на республиканском семинаре но физике тг.эрдого тела, Донецк, май 19с'8 г., б) на рпег'ублнкгч^коч <:с'/пнаре пі fh^oko-
темпер туршм. сверхпроводникам, Донецк, сентябрь Г989 г., в) на IX и X Совещаниях по использованию рассеяния нейтронов в физике конденсированного состояния, Заречный, апрель 1987 г. и ноябрь 1989 г.
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 7 печатных работах, перечень которых приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации. Диссертация сое оит из Введения, 6 глсаз и Заключения. Она изложена на 171 странице, со- ' держит 42 рисунка, I таблицу, оглавление и список литературы из 78 наименований.