Влияние дефектов на низкотемпературную теплоемкость кристаллов Квавадзе, Карл Амбросиевич

Введение к работе

Актуальность темы. Физика дефектных кристаллов
является одним из важнейших разделов физики твердого
тела. Общеизвестно, что наличие . дефектов. в частности,
примесей в решетке существенно меняет как электронный,
так и колебательный спектр кристаллоа В настоящее время
существует довольно обширный материал (как теоретический,
так и экспериментальный), указывающий на то, что примеси,
даже в незначительной концентрации, приводят к
возникновению локальных и резонансных колебаний, которые
сильно меняют термодинамические и кинетические

характеристики кристаллоа Установлена что резонансные
колебания особенно существенно влияют на

низкотемпературную теплоемкость и теплопроводность, на спектры дальнего инфракрасного поглощения, а локальные -на структуру спектров комбинационного рассеяния и инфракрасного поглощения. Так как реальные кристаллы практически всегда содержат дефекты, учет влияния дефектов яа колебательный спектр является совершенно необходимым. Изучение динамики кристаллов с дефектами дает богатую информацию о деформации кристаллической решетки вокруг примеси, о силах взаимодействия примеси с окружением, о распределении и локализации примесей и та Научное понимание процессов, происходящих в кристаллах с дефектами, безусловно приобретает и практическое значение для создания материалов с заранее заданными свойствами. Все вышесказанное определяет актуальность тематики диссертации, посвященной, в основном, калориметрическому исследованию влияния дефектов на низкотемпературную теплоемкость кристаллов.

Основная цель работы - исследование влияния легких, тяжелых и молекулярных примесей, а также дислокаций, F-центров и вакансий ' на 'низкотемпературную теплоемкость кристаллов.

Сравнение полученных экспериментальных результатов с
существующими теоретическими представлениями дает

возможность судить о вызванной дефектами деформации фононного спектра. Такое сравнение позволяет также обнаружить, насколько теоретическая модель точно описывает накладываемую на фононный спектр Ма.рицы структуру, связанную с колебаниями примесных атомоа

Успешное осуществление поставленной цели, в первую
очередь, стало возможным благодаря созданию нового метода
и построенного на его основе высокочувствительного
Дифференциального калориметра, позволяющего измерять

обусловленные малыми концентрациями дефектов изменения

низкотемпературной теплоемкости щелочногалоидных кристаллов и высокотемпературных сверхпроводников.

Научная новизна Создан новый метод в двфферен-циальной
калориметрии. На основе разработанного метода построен
дифференциальный им.гульсный калориметр нового типа,
главное преимущество которого перед существующими в
настоящее время калориметрами заключается в сущес-твенном
превосходстве в чувствительности . и возможности проводить
измерения в условиях теплового равновесия. Благодаря
высокой чувствительности методики удалось работать с
кристаллами, содержащими примеси в концентрациях даже на
порядок ниже, чем у других. Впервые установлено, что

форма кривых температурных зависимостей изменения низкотемпературной теплоемкости ДС(Т) щелочногалоидных кристаллов при введении тяжелых примесей зависит от силовых постоянных взаимодействия примеси с окружающими ее ионами матрицы

Обнаружена низкотемпературная аномалия теплоемкости кристаллов КС1, содержащих легкую примесь (Na).

Впервые показано, что введение F-центров в кристаллы КС1 вызывает увеличение низкотемпературной теплоемкости. Установлено, что силовые постоянные вокруг F-центра изменяются йо крайней мере з дзух координационных сферах.

Обнаружен существенный рост низкотемпературной теплоемкости вьісохотєі яіературного сверхпроводника УВа^СизОб+х с увеличением количества выкансий в образцах. „''

Прослежены основные закономерности увеличения

теплоемкости на единичную концентрацию примеси гидроксила в КО, указывающие . на существование сильного диполь-дияольного взаимодействия в этой системе

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Новый метод в калориметрии, основным достоинством которого является высокоточное измерение разности теплоемгостей ДС(Т) . между исследуемым и сравниваемым с ним (эталонным) образцами, а также ьозыожность одновременно с этим измерять и определять абсолютные теплоемкости как исс ледуемого, так я эталонного образцов. На основе предложенного ' метода построен калориметр нового типа - дифференциальный импульрный калориметр, на котором н проведена основная ^Лл часть, исследований, щ>едсгавляемых к защите.

2. Влияние на низкеп^мцературную теплоемкость кристаллов ІСС1 тяя&ел|*х ОА»ри^ле»ггных . при^во^ Вг", Г, Ag*,Cs* и ТГ), осА^лязрпфх, усиливающих, а также не меняющих силовые постоянные (СП) ята^а^ф&дур. иримесюго иона с окружаюпрши его ионами Цатрицы.

Величины СД а также положения резонансних частот, возникающих в фононном спектре кристалла при введении этих примесей, вычислены сравнением экспериментальных данных с существующими теориями.

3. Воздействие легкой примеси Na*, а' также
комплексов Na*-Cl"-Na* на низкотемпературную теплоемкость
кристаллов КС1. Это представляет особый интерес ввиду
того, что теория предсказывает отсутствие влияния легкой
прчмесй на теплоемкость

4. Влияние на низкотемпературную теплоемкость
³ кристаллов N^Cl: Си* термической обработки, приводящей к

распаду микрокристаллитов CuCl и увеличивающей коыгаество одиночных ионов Си* в объеме на фоне общего уменьшения концентрации меди в образцах.

5. Роль дефектов с нулевой массой в изменении низкотемпературной теплоемкости иоттых кристаллов (Р-ц«_ятры в КС1) и высокотемпературных сверхпроводников (вакансии в YBa^CujCw).

6. Аномальное поведшше низкотемпературной теплоемкости кристаллов КС1:0Н~; экспериментальное подтверждение предсказанного АЛ. Буїштвили эффекта исчезновения минимума на кривой зависимости низкотемпературной теплоемкости от температуры с увеличением, концентрации примеси, обладающей несколькими равновесными положеіпіями ' около узла кристаллической решетки, вследствие увеличения максимального раещеплегаїя туннельных уровней с . ростом концентрации; сущестзеїшое увеличение (более, чем в 2 раза) прироста теплоемкости на единичную концентрацию (ДС^ТХі) Для больших концентраций гидроксила (0.36 моль%).

Научное и практическое значение

Работа имеет . в основном научное значение. Она несомненно представляет интерес для теоретиков ввиду того, что содержащиеся з ней экспериментальные даїшьіе помогут при ' создании более реальных теоретических моделей, описывающих динамику кристаллов с дефектами. Что касается импульсного дифференциального халориметра, то он является 'не только высокоточным исследовательским прибором для физиков, биологов и химиков, но может быть использован в . бюро стандартов, в геологии, в медицине и т.д. Этот тип калориметра - новое направление в научном приборостроении.

Публикации. По теме диссертации выполнено и
опубликовано 13 научных работ в центральных

(рецензируемых) журналах бывшего Советского Союза и зарубежных, 4 работы в тезисах докладов международных и

всесоюзных конференций, а также І авторское свидетельство на изобретение. ,

Апробация работы. Материалы диссертации в разное время были доложены на 18-ом Всесоюзном совещании по физике низких температур (Киев, 1974), на 19-ом Всесоюзном сочетании по физике низких температур (Минск, 1976), на 21-ом Всесоюзном совещании по физике низких температур (Харьков, 1980), на Международной конференции по дефектам в диэлектрических кристаллах (Рига, 1981), на 9-ой Всесоюзной конференции по калориметрии и химической термодинамике (Тбилиси, 1982), на 24-ом Всесоюзном совещании по физике низких температур (Тбилиси, 1986), на 25-ом Всесоюзном совещании по физике низких температур (Ленинград, 1988), на 2-ой Всесоюзной конференции по высокотемпературной сверхпроводимости (Киев, 1989).

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Изложена на 203 страницах машинописного текста, содержит 3 таблицы, 53 рисунка и библиографический список литературы из 165 наименований на 18 страницах.