Введение к работе
Актуальность работы. Соединения германия и кремния с Зё-переходными металлами отличаются весьма большим разнообразием теплофизических и кинетических свойств. Специфические физико-химические свойства приводят к их. разностороннему использованию в технике, в частности, в металлургии, маши? построении и приборостроении. Так, например, данные материалы используются в пленочной технологии при производстве современных электронных приборов. Поэтому изучение теплофизических и кинетических свойств соединений германия и кремния с Зё-переходными металлами при высоких температурах представляет большой научный и практический интерес.
Имеющиеся сведения о свойствах этих материалов при высоких температурах в твердом и жидком состояниях отличаются существенной неполнотой и противоречивостью. Данные о термоэдс практически отсутствуют. Поэтому необходимо осуществить систематические, комплексные исследования теплофизических свойств (ТФС) соединений германия и кремния с триадой железа. Естественно, что особый интерес представляют сведения об аномальных изменениях теплофизических свойств этих веществ в окрестности температур структурных превращений. Кроме того, важно проследить за изменениями электронной структуры и ее связью с ТФС. Получение такой информации важно для формирования общей модели, описывающей высокотемпературные теплофизические свойства этих веществ.
Недостаточна надежность имеющихся экспериментальных данных, вызванных известными трудностями проведения теплофизических измерений при тем-, пературах выше 1000 К и отсутствием единого комплексного метода измерения теплофизических свойств веществ. В свою очередь, разработка новых, эффективных методов исследования ТФС упирается в необходимость решения ряда достаточно трудоемких экспериментальных задач по метрологическому высокотемпературному обеспечению теплофизического эксперимента.
Основной путь развития высокотемпературных теплофизических исследований лежит в создании нестационарных методов измерения. Из многообразия таких методов отметим импульсный метод (ИМ), как наиболее перспективный и обладающий рядом достоинств: простотой, высоким быстродействием, хорошими точностными характеристиками, комплексностью (возможностью одновременного измерения температуропроводности, теплоемкости, теплопроводности). Поэтому исследованию ТФС должно предшествовать развитие импульсного метода измерения и создание соответствующих установок. Целью работы является:
- проведение комплексных исследований теплофизических характеристик соединений германия и кремния с Зё-переходными металлами и установление основных закономерностей изменения этих характеристик; изучение полученных
РОС НАЦИОНАЛЬНАЯ БИБЛИОТЕКА СПепрїурт О» КЗ,
результатов и поиск физических моделей для описания и выявления основных механизмов переноса энергии, рассеяния носителей для определения особенностей протекания фазовых переходов и интерпретации ряда других результатов;
разработка импульсного метода измерения и создание средств экспериментального исследования теплофизических характеристик металлов и сплавов при высоких температурах в твердом и жидком состояниях;
проведение исследования электронной структуры и выявление температур-но-концентрационной зависимости плотности состояний Fe-Ge.
Методы исследования. Методы современной теплофизики и физики конденсированного состояния веществ; теоретические и вычислительно-математические методы.
Научная новизна:
в рамках единой методики проведено комплексное исследование ТФС соединений германия и кремния с Зё-переходными металлами в твердом и жидком состояниях в интервале температур от 300 К до 2000 К; получены новые данные и уточнены имевшиеся ранее сведения о ТФС этих веществ;
показано, что комплекс свойств твердых растворов германия и кремния в Зё-переходных металлах является типичным для ферромагнитных проводящих материалов, а в парамагнитной области - типичным для металлов;
-особенности температурных и концентрационных зависимостей теплофизических и кинетических свойств этих веществ могут быть объяснены на основе модели двухполосной проводимости (модели Мотта); установлена корреляция удельного электросопротивления и теплопроводности твердых растворов в твердом и жидком состояниях, которая носит электронную природу;
-впервые на основании полученных результатов рентгеноэлектронной спектроскопии показано влияние плотности d-состояний на концентрационные зависимости теплофизических и кинетических свойств системы железо-германий в области твердых растворов;
-на основании анализа тепловых моделей полубесконечных, полусферических тел, неограниченных пластин, тел, ограниченных сферическими и цилиндрическими поверхностями, оценены границы применимости импульсного метода исследования теплофизических характеристик и определены требования к условиям проведения эксперимента, обеспечивающие достаточно малые методические погрешности измерения; впервые выполнены детальные теоретические и экспериментальные исследования метрологических характеристик созданных измерительных средств;
-созданы оригинальные экспериментальные установки для измерения теплофизических характеристик твердых и жидких веществ импульсным методом, использующие излучение оптического квантового генератора, оснащенные аналоговыми и цифровыми измерительными системами, способными обрабатывать
сигналы контактных (термопарных) и бесконтактных (фотоэлектрических) датчиков.
Научная и практическая ценности работы:
-получены систематические сведения о комплексе физических характеристик соединений германия и кремния с Зё-переходными металлами, а также железа, никеля, меди, германия, олова, висмута в интервале высоких температур; установлены основные закономерности изменения ТФС; получены сведения об электронной структуре соединения германия с железом; данные сведения представляют интерес и как справочный материал;
-разработана теория импульсных методов измерения ТФС тел различной конфигурации (ограниченных и неограниченных) и установлены границы их применимости;
-создан ряд измерительных установок, предназначенных для исследования ТФС твердых материалов при высоких температурах в твердом и в жидком состояниях. Разработан метод анализа метрологических характеристик этих установок; методики и установки для измерения ТФС защищены пятью авторскими с видетельствами;
На защиту выносятся следующие научные положения:
1. Изменения комплекса физических характеристик твердых растворов железа
и германия в Зё-переходных металлах в парамагнитной фазе обусловлены
двухполосным характером энергетического спектра коллективизированных
электронов. Основными механизмами рассеяния носителей энергии и заряда
в этих веществах в ферромагнитном состоянии являются магнитные неод
нородности, колебания решетки и примеси. С ростом температуры в ферро
магнитной области магнитный компонент рассеяния увеличивается, а с уве
личением концентрации кремния и германия - уменьшается. В парамагнит
ной фазе относительная роль магнитного механизма снижается по мере рос
та температуры.
-
Вблизи магнитного фазового перехода II рода поведение теплофизических характеристик (ТФХ) и температурного коэффициента удельного электросопротивления соединений кремния и германия с Зё-переходными металлами в области твердых растворов носит аномальный характер. С увеличением концентрации примеси температура Кюри сдвигается в сторону уменьшения, а глубина аномалий уменьшается.
-
Увеличения концентраций германия и кремния приводят к уменьшению скачка температуропроводности и электросопротивления при фазовых переходах 1 рода в железе и никеле в концентрационной области существования твердых растворов. Характер рассеяния носителей заряда и энергии в твердом и жидком состояниях в этой температурной области одинаковы.
-
Соединение FeGe, содержащее 50 ат. % германия является металлом с магнитной системой, неустойчивой вблизи уровня Ферми, где плотность со-
стояний образует очень высокий и острый пик рентгеноэлектронного спектра (РЭС), обусловленный d-состояниями Fe.
-
Имеется однозначная связь между параметрами импульсного теплового потока, воздействующего на каждый из изученных типов образцов, и теп-лофизическими характеристиками этих образцов.
-
Ограниченности размеров образцов и воздействующих на них тепловых потоков являются причинами появления погрешностей измерений ТФХ. Выбором соответствующих значений длительностей теплового импульса и размеров образцов и тепловых потоков, данная погрешность может быть сведена к пренебрежимо малой величине.
Апробация работы:
Основное содержание выполненных исследований докладывалось на Европейских конференциях по тешюфизическим свойствам (Баден-Баден, 1982 г.); по термометрии и теплооэнергетике (Будапешт, 1989 г.); по рентгеноэлектрон-ной спектроскопии поверхности (7-th ICES, Киба, Япония, 1997 г., 10-th ICSS, Бирмингем, Англия, 1998 г., 8-th ECSS, Севилья, Испания, 1999 г); по проблемам системного обеспечения качества продукции промышленности (Ижевск 1997 г.); по тешюфизическим измерениям в начале XXI века (4-ая Международная теплофизическая школа, Тамбов, 2001 г.); на Всесоюзных конференциях по калориметрии и химической термодинамике (Иваново, 1979 г., Горький, 1988 г.); на Всесоюзных и Российских конференциях по теплофизическим свойствам веществ (Минск, 1978 г., Ташкент, 1982 г., Новосибирск, 1988 г., Казань, 2002); на Всесоюзных конференциях "Методы и средства теплофизи-ческих измерений в области высоких температур" (Севастополь, 1987 г.); "Метрологическое обеспечение температурных и теплофизических измерений в диапазоне высоких температур" (Харьков, 1986 г., 1990 г.); на Всесоюзных конференциях по теплофизике технологических процессов (Тольятти, 1976 г., 1988 г., Волгоград, 1980 г., Ташкент, 1984 г., Рыбинск, 1996 г.); на Всесоюзном семинаре "Обратные задачи и идентификация процессов теплообмена" (Москва, 1988 г.); на Международной конференции «ЛОМОНОСОВ-2000» (Москва, 2000 г.); на 4 и 5 Российской университетско-академической научно-практической конференции (Ижевск, 1999 г., 2001 г.); на VIII Уральской региональной конференции "Контроль технологии, изделий и окружающей среды физическими методами" (Ижевск, 1999 г.) и на ряде других региональных конференций и семинаров.
Публикации. Основное содержание диссертационной работы отражено в 41 научной работе, в том числе получено пять авторских свидетельств.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, библиографического списка, включающего 401 наименований и приложения. Работа изложена на 342 страницах машинописного текста, содержит 130 рисунков, 12 таблиц.
