Стимульовані опроміненням нестійкості та фазові перетворення в бінарних кристалах та одновимірних системах

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національна академія наук України

Інститут фізики

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Спеціальність - 01.04.07 - фізика твердого тіла

Стимульовані опроміненням нестійкості та фазові перетворення в бінарних кристалах та одновимірних системах

Михайловський Віталій Валерійович

Київ 2001

Дисертацією є рукопис

Робота виконана у відділі теоретичної фізики Наукового центру “Інститут ядерних досліджень” НАН України.

Науковий керівник - доктор фіз.-мат. наук, професор Сугаков Володимир Йосипович Науковий центр “Інститут ядерних досліджень” завідувач відділу

Офіційні опоненти - доктор фіз.-мат. наук, професор Лось Віктор Федорович Інститут магнетизму НАН України завідувач відділу;

доктор фіз.-мат. Наук Крайчинський Анатолій Миколайович Інститут фізики НАН України провідний науковий співробітник.

Провідна установа - Київський університет ім. Тараса Шевченка, фізичний факультет

Захист відбудеться “ 22 ” березня 2001 р. о 1430 год., на засіданні Спеціалізованої Вченої Ради Д 26.159.01 в Інституті фізики НАН України за адресою: 03650, м.Київ-39, проспект Науки 46.

З дисертацією можна ознайомитися в науковій бібліотеці Інституту фізики НАН України.

Автореферат розіслано “ 20 ” лютого 2001 р.

Вчений секретар Спеціалізованої Вченої Ради Д 26.159.01 Іщук В.А.

1. Загальна характеристика роботи

ядерний бінарний напівпровідник молекулярний

Актуальність теми

Фазові перетворення та нелінійні явища в кристалах є фундаментальними проблемами фізики твердого тіла. Значна увага приділяється дослідниками вивченню впливу зовнішніх умов на рівноважні та кінетичні фазові перетворення. Кристал, що знаходиться в полях ядерного та сильного електромагнітного опромінення, є нерівноважною системою. Існує велика кількість експериментальних свідчень про появу різноманітних нестабільностей та неоднорідностей в кристалах при опроміненні. Нестабільності проявляються в різких стрибках провідності, мікротвердості, температури та інших властивостей кристала при певних дозах опромінення. Це свідчить про раптову перебудову дефектної структури кристала. На досліді часто спостерігають в опромінених кристалах утворення різноманітних періодичних структур: надгратки пор, надгратки дислокацій, періодичні модуляції складу багатокомпонентних кристалів. Різка зміна властивостей з часом та раптова поява просторових неоднорідностей при стаціонарному та однорідному у просторі збуренні кристала свідчать про пороговий характер явищ, що є характерним для явищ, які описує синергетика. Цікавим є питання про утворення при опроміненні нових фаз з принципово новими властивостями в порівнянні з властивостями матриці. З'ясовування цих питань необхідно, з одного боку, для обґрунтованого вибору радіаційно-стійких матеріалів і прогнозування їхньої поведінки під опроміненням, та, з іншого боку, для цілеспрямованого радіаційного впливу з метою одержання матеріалів з новим комплексом властивостей. Проте незважаючи на тривалий розвиток проблем радіаційного матеріалознавства (зокрема проблем фазових переходів під дією ядерного опромінення), внаслідок складності проблем кількісне і якісне узгодження теорії та експерименту має місце лише в деяких найпростіших випадках.

В останні роки виник новий напрямок досліджень: фотоіндуковані фазові перетворення. Робіт в цьому напрямку мало, проте їх кількість швидко зростає в зв'язку з можливостями керувати властивостями матеріалів за допомогою світла.

Оскільки утворення нових фаз та фазові перетворення при опроміненні є процесами, які найбільш істотно впливають на радіаційно-індуковану зміну механічних, теплових, електрофізичних властивостей матеріалів, дослідження в цьому напрямку є актуальними.

Зв'язок автора з науковими проблемами, планами, темами

Робота виконувалась у межах бюджетної теми відділу теоретичної фізики НЦ ІЯД НАН України "Теоретичне дослідження впливу ядерного опромінення на нерівноважні та невпорядковані кристали та пошук радіаційно-чутливих ефектів в кристалах" №0197U016410 (1996-2000), проекту Державного фонду фундаментальних досліджень "Ефекти самоорганізації в кристалах при ядерному та електромагнітному опроміненні" 2.04/0732 (1997-2000) та гранта Уряду України і Фонду Цивільних Досліджень та Розвитку (CRDF) США "Нелінійні ефекти в опромінених кристалах" UE2-319.

Мета і задачі дослідження

Метою роботи є побудова теорії утворення нових фаз та особливостей фазових перетворень у впорядкованих багатокомпонентних кристалах під впливом опромінення.

Перед роботою поставлені такі задачі:

отримати умови нестійкості стаціонарного розподілу дефектів у впорядкованих бінарних кристалах під опроміненням та виникнення дисипативних структур, які характеризуються періодичними у часі чи просторі змінами концентрацій дефектів; зробити чисельні оцінки характерних періодів виникаючих структур, а також характерних часів їх встановлення;

встановити особливості розвитку фотоіндукованих фазових переходів в одновимірних органічних кристалах, а саме якісно нові ефекти, що виникають при зміні дисипації енергії з системи; дослідити параметри, що характеризують рух границі фаз.

Наукова новизна одержаних результатів

В дисертаційній роботі вперше отримані такі результати:

Накопичення антиструктурних дефектів у впорядкованих бінарних сплавах під опроміненням призводить до нестійкості однорідного стаціонарного розподілу дефектів та виникненню ефектів самоорганізації (кінетичних фазових переходів).

При певних параметрах кристалу та умов опромінення стаціонарні значення температури і концентрацій антиструктурних дефектів у впорядкованому бінарному сплаві є нестійкими по відношенню до виникнення автоколивань. Ці автоколивання спричиняє накопичення великого числа антиструктурних дефектів та їх наступний самовідпал.

Період та область існування автоколивань залежать, насамперед, від енергії антиструктурних дефектів, коефіцієнтів дифузії вакансій та від швидкості теплообміну зразка з термостатом.

При накопиченні великого числа антиструктурних дефектів однорідний розподіл дефектів у впорядкованому бінарному сплаві є нестійким по відношенню до періодичних у просторі флуктуацій. Розвинення цієї нестійкості призводить до виникнення періодичних у просторі осциляцій композиційного складу сплаву.

Побудовано новий механізм фотостимульованого фазового перетворення в довгих одновимірних макромолекулах з метастабільної у стабільну фазу. За новим механізмом фазовий перехід стимулюється коливаннями атомів молекули, що знаходиться у збудженому стані після поглинання кванта світла.

В процесі розвинення зародку нової фази границя фаз рухається з прискоренням. Завдяки цьому швидкість границі фаз досягає більших значень, ніж групові швидкості поширення малих коливань в обох фазах.

Практичне значення одержаних результатів

Результати роботи виявляють роль антиструктурних дефектів при виникненні нестійкостей у впорядкованих багатокомпонентних сполуках під опроміненням. Ефекти, передбачені в роботі, дають основу для пошуку альтернативних методів побудови надструктур. Результати моделювання фазових переходів в довгих макромолекулах дозволили описати фотостимульовані фазові переходи у значно ширшій області, ніж в попередніх моделях. Детальне знання особливостей фотостимульованих фазових переходів необхідне при пояснені чи конструюванні фоточутливих або фотокерованих процесів в складних органічних речовинах.

Особистий внесок автора

Особисто автором

проведені аналітичні і чисельні розрахунки стаціонарних значень концентрацій дефектів різних типів у впорядкованому бінарному кристалі під опроміненням в різних наближеннях;

створені комп'ютерні програми, за допомогою яких побудовані області нестійкості однорідного стаціонарного розподілу дефектів по відношенню до виникнення автоколивань та періодичних у просторі структур;

методами молекулярної динамки побудовані області існування фотостимульваного фазового переходу (у запропонованій співавторами моделі), а також проведені чисельні розрахунки максимальної швидкості границі фаз та зроблені порівняння з груповими швидкостями розповсюдження малих коливань.

Постановка задач, побудова моделей та обговорення одержаних результатів проводились автором разом з науковим керівником та співавторами.

Апробація роботи

Основні результати дисертаційної роботи були представлені на наступних конференціях:

Меморіальний симпозіум на честь академіка А.А.Смірнова "Порядок в металлах и сплавах" (Київ, Україна, 1998).

Міжнародний симпозіум "Microstructural Processes in Irradiated Materials" (Бостон, США, 1998).

Щорічна наукова конференція Інституту ядерних досліджень НАНУ (Київ, Україна, 1999).

Міжнародна школа-конференція з актуальних питань фізики напівпровідників (Трускавець, Україна, 1999).

Міжнародна конференція "NP-Hardness and Phase Transitions" (Трієста, Італія, 1999).

Щорічна наукова конференція Інституту ядерних досліджень НАНУ (Київ, Україна, 2000).

XIV Международная конференция по физике радиационных явлений и радиационному материаловедению. (Алушта, Украина, 2000).

Публікації

За матеріалами дисертації опубліковано 9 робіт. З них 4 статті в наукових журналах, 3 статті в збірках наукових праць, 2 тези доповідей на конференціях.

Структура та об'єм дисертації

Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, висновків та списку 158 використаних літературних джерел. Її викладено на 151 сторінці; вона містить 41 рисунок, які займають 17 сторінок.

Короткий зміст роботи

У вступі обґрунтована актуальність виконаної дисертаційної роботи, її практичне значення, сформульовані цілі дослідження і наведені загальні результати, які вперше отримані в роботі. Також приведено короткий зміст дисертації по розділам.

У першому розділі приведені літературні дані, результати експериментальних та теоретичних досліджень інших авторів щодо ефектів самоорганізації та стимульованих структурних змін у твердих тілах під опроміненням. Особлива увага приділяється змінам у багатокомпонентних кристалах, а також випадкам, коли опромінення переводить кристал у стан, який не існує в рівновазі (так звані кінетичні фазові переходи). Детально розглянуті теоретичні роботи, які описують виникнення нестійкості однорідного розподілу радіаційних дефектів у простих моделях.

У другому розділі проаналізована стійкість стаціонарних значень температури та концентрацій дефектів у бінарному впорядкованому сплаві під опроміненням. Для цього були записані кінетичні рівняння для концентрацій точкових дефектів у впорядкованому бінарному сплаві, а також рівняння теплового балансу для температури зразка. Були розглянуті такі дефекти: міжвузельні атоми обох типів (їх концентрації позначені як IA та IB), вакансії в підгратках обох типів (Va і Vb) та антиструктурні дефекти обох типів (тобто атоми, що знаходяться в вузлах підгратки чужого типу: Ab та Ba). В кінетичних рівняннях були враховані такі реакції між дефектами: створення опроміненням пар Френкеля та антиструктурних дефектів, поглинання міжвузельних атомів та вакансій стоками (поверхнею кристала, границями зерен та дислокаціями), рекомбінація міжвузельних атомів та вакансій, витиснення атомів у вузлах гратки міжвузельними атомами та переходи атомів у сусідні вакансії. Так, наприклад, кінетичне рівняння для концентрації вакансій у підгратці типу a має наступний вигляд:

= Aa ? IAVa + Ba ? IBVa +BaVb ? AbVa +

+ AaVb ? BbVa ? + K0 (1 ? z Va) (Aa + Ba). (1)

Для інших типів дефектів (IA, IB, Vb, Ab та Ba) записані подібні рівняння. Тут К0 - число пар Френкеля, що створюються опроміненням в підгратці кожного типу в одиницю часу; інші коефіцієнти K та б описують швидкості різних реакцій. Деякі з цих коефіцієнтів були визначені через параметри дифузії, решта визначається за допомогою принципу детальної рівноваги. Для розрахунків були використані наявні дані про реальні кристали (а саме, для GaAs), але також проводилися дослідження отриманих ефектів від параметрів кристалу (від енергій утворення дефектів, активації дифузії та ін.). Так як всі реакції мають термоактивований характер, коефіцієнти їх швидкостей залежать від температури зразка T. Для температури зразка записане рівняння теплового балансу, в якому враховані радіаційний розігрів зразка, теплообмін зразка з навколишнім середовищем, а також тепло, що виділяється чи поглинається внаслідок згаданих вище реакцій між дефектами. В дисертаційній роботі записані окремі кінетичні рівняння для міжвузельних атомів різних типів, так само як і для вакансії та антиструктурні дефекти різних типів, що до цього часу не робилося [1, 2]. Це дозволяє більш правильно описати, наприклад, утворення антиструктурних дефектів при рекомбінації міжвузельних атомів та вакансій.

Перш за все в дисертаційній роботі були визначені стаціонарні значення концентрацій дефектів та температури у впорядкованому сплаві під опроміненням. Для цього був знайдений стаціонарний розв'язок системи 7 нелінійних рівнянь (6 кінетичних рівнянь та рівняння теплового балансу). Якісна залежність цих значень від температури та швидкості утворення дефектів опроміненням співпадає з подібними залежностями, отриманими в більш простих моделях. Насамперед, при малих температурах концентрація антиструктурних дефектів може досягти великих значень.

В подальшому були проведені дослідження стійкості отриманого стаціонарного розв'язку. Показано, що стаціонарний розв'язок може виявитися нестійким по відношенню до нестаціонарних збурень. Якісно це можна зрозуміти з наступних міркувань. Нехай температура зразка стала більше стаціонарного значення (внаслідок флуктуації). В розглянутій системі це призведе до пришвидшення термоактивованих процесів, які зменшують концентрацію антиструктурних дефектів. Різке зменшення кількості антиструктурних дефектів призведе до того, що витрачена на їхнє створення енергія визволиться і піде на розігрів зразка. Якщо у зразку була накопичена велика кількість антиструктурних дефектів, то цей розігрів може виявитися значним та перевищити охолодження зразка внаслідок теплообміну з навколишнім середовищем. Отже, в системі реалізується позитивний зворотній зв'язок, що призводить до нестійкості стаціонарного розв'язку. Розвиток цієї нестійкості повинен призводити до виникнення автоколивань температури та концентрацій дефектів у впорядкованому сплаві під опроміненням.

Для кількісного опису цього явища проведений лінійний аналіз стійкості стаціонарних розв'язків, отриманих при різних параметрах кристалів та опромінення. Для цього концентрації дефектів різних типів та температура зразка були представлені у вигляді

X(t) = X0 + дX exp(лt), (2)

де замість X слід підставити концентрації дефектів та температуру (IA, IB, Va, Vb, Ab, Ba та T), замість X0 - відповідні стаціонарні значення. Величини дX є малими добавками до стаціонарного розв'язку. Вимагаючи існування нетривіального розв'язку для дX, можна знайти власні значення системи л. Якщо дійсна частина хоча б одного зі значень л є додатньою, стаціонарний розв'язок є нестійким. В околі точки, в якій дійсна л частина перетинає 0, уявна частина л дозволяє визначити період нестаціонарного розв'язку.

Перевіряючи стійкість стаціонарних розв'язків, отриманих для різних значень інтенсивності опромінення K0 та температури навколишнього середовища T0, була побудована область, у якій стаціонарний розв'язок є нестійким (рис). Зокрема виявлено, що існує деяке критичне значення швидкості створення дефектів, нижче котрого стаціонарний розв'язок є стійким при будь-якому значенні температури термостата. Наявність такого критичного значення теж має просте якісне пояснення. При малих інтенсивностях опромінення велика кількість антиструктурних дефектів накопичується лише при малих температурах зразка. Але при цьому всі термоактивовані процеси у кристалі відбуваються настільки повільно, що розігрів зразка внаслідок зменшення концентрації антиструктурних дефектів відбувається значно повільніше, ніж теплообмін зразка з навколишнім середовищем.

Були зроблені чисельні оцінки періоду автоколивань. Вони показують, що при типових значеннях параметрів період складає 102 - 105 сек в залежності від швидкості теплообміну зразка з термостатом та інтенсивності опромінення. Також був проведений аналіз залежності області нестійкості від параметрів кристалу. Незважаючи на велику кількість параметрів, які входять до кінетичних рівнянь, найбільш сильно ефект виникнення автоколивань залежить лише від декількох з них. Так, швидкість теплообміну зразка з термостатом (яка залежить насамперед від товщини зразка та матеріалу навколишнього середовища) кардинально впливає на область існування та на період автоколивань. Розрахунки показують, що для виникнення автоколивань краще підходять кристали з великими значеннями енергії антиструктурних дефектів. Виявлено, що область виникнення автоколивань збільшується при створенні антиструктурних дефектів опроміненням у результаті каскадів атомних зіткнень.

У третьому розділі проаналізована стійкість однорідного розподілу дефектів у бінарному впорядкованому сплаві під опроміненням. Виникнення нестійкості однорідного розподілу дефектів можна зрозуміти наступним чином. Нехай у результаті флуктуації в деякій області кристала концентрація антиструктурних дефектів збільшиться. Процес дифузії буде прагнути згладити цю неоднорідність і повернути значення концентрації до стаціонарного значення. Проте внаслідок взаємодії між дефектами може відбуватися й обернений процес. Дійсно, якщо мобільні міжвузельні атоми притягаються до антиструктурних дефектів, то виникне потік цих атомів, направлений до області зі збільшеною концентрацією антиструктурних дефектів. У результаті в цій області буде проходити більше процесів рекомбінації, ніж у випадку однорідного розподілу, тому концентрація антиструктурних дефектів буде зростати. Наведена картина показує, що в системі існує позитивний зворотний зв'язок, і однорідний розподіл дефектів буде нестійким.

Для опису цього ефекту отримані у попередньому розділі кінетичні рівняння були доповнені дифузійними доданками з урахуванням взаємодії між дефектами. При цьому була врахована взаємодія дефектів усіх типів лише з антиструктурними дефектами, бо концентрація останніх максимальна. Так енергія дефектів типу б була записана як

Eб(r) = Eб0 + Ab(r') dV' + Ba(r') dV', (3)

де Eб0 - енергія дефекту без урахування взаємодії, Ab та Ba - концентрації антиструктурних дефектів, потенціал Uб-в описує взаємодію двох точкових дефектів типу б та в. Для потенціалу Uб-в була використана відома формула, яка описує взаємодію пружних полів, що виникають навколо точкових дефектів, в кубічних кристалах зі слабкою анізотропією. Ця взаємодія має сильно анізотропних характер: для одних напрямків має місце притягання, для інших - відштовхування. В роботі наведені чисельні оцінки параметрів взаємодії між дефектами. Зокрема, міжвузельний атом притягається до антиструктурного дефекту, якщо радіус-вектор, що з'єднує ці дефекти, спрямований уздовж однієї з кристалічних осей.

Кінетичні рівняння (див. (1)) були узагальненні з урахуванням просторової залежності енергій дефектів та можливості неоднорідного розподілу дефектів. Для простих процесів (дифузія міжвузельних атомів по міжвузельним положенням чи дифузія вакансій) були отримані відомі вирази. Проте у дисертаційній роботі були отримані градієнтні доданки і для більш громіздких процесів (наприклад, для рекомбінацій міжвузельних атомів та вакансій).

Модифікація рівнянь та урахування взаємодії між дефектами дозволили провести лінійний аналіз стійкості однорідного розподілу дефектів по відношенню до неоднорідних флуктуацій. Для цього концентрації дефектів були представлені у вигляді

X(r, t) = X0 + дX exp(-ikr + лt), (4)

де замість X слід підставити концентрації дефектів (IA, IB, Va, Vb, Ab та Ba), замість X0 - відповідні стаціонарні значення. Величини дX є малими добавками до стаціонарного розв'язку. Вимагаючи існування нетривіального розв'язку для дX, можна знайти власні значення системи л(k) - очевидно, що вони будуть функціями вектору k. Лише якщо всі значення л(k) для усіх k є від'ємними (розрахунки показують, що значення л(k) дійсні), стаціонарний розв'язок є стійким.

Була знайдена область параметрів опромінення, у яких однорідний розв'язок є нестійким (див. рис). У результаті розвинення цієї нестійкості у зразку повинна утворюватися періодична структура, яка складається з ділянок з підвищеною концентрацією атомів одного та іншого типу. Ці ділянки мають вигляд площин, паралельних кристалічним площинам. Зміни антиструктурних дефектів різних типів знаходяться в протифазі (або у фазі при деяких значеннях параметрів). Розрахунки показують, що розв'язок є стійким до довгохвильових збурень (тобто при k>0). Це відрізняє розглянутий в роботі ефект від прискореного опроміненням спінодального розпаду та є характерним для утворення стабільних періодичних структур. Період виникаючої надструктури, згідно зробленим оцінкам, дорівнює від 300 до 105 нм у залежності від параметрів кристала та опромінення (на період надструктури сильно впливає значення густини дислокацій). Змінюючи параметри взаємодії можна показати, що найважливіша взаємодія, яка призводить до утворення надструктури дефектів, - це притягання між антиструктурними дефектами і мобільними міжвузельними атомами. Досліджена залежність області виникнення надструктури від параметрів кристала. Найбільш сильний вплив мають параметри взаємодії між дефектами (параметри деформації кристалічної гратки навколо дефектів).

У четвертому розділі розглянуті особливості зародження та розвитку фотостимульованого фазового переходу в довгих одновимірних макромолекулах. Результати, наведені в цьому розділі, є продовженням циклу робіт Огави та Кошино з даної тематики. В запропонованій ними моделі розглядається одновимірний ланцюжок, кожною ланкою якого є молекула. Вважається, що при фазовому переході суттєвим є зміщення лише одного атому в кожній молекулі, і положення цього атома визначає фазовий стан молекули. Рух решти атомів молекул в рамках моделі детально не розглядається. Окрім того в моделі покладається, що кожна з молекул ланцюжка може знаходитися в одному з двох електронних станів. В основному стані для атома існує два мінімуми потенціальної енергії, наявність яких й забезпечує існування двох фаз. У збудженому стані є один мінімум, який знаходиться між мінімумами основного стану. Як приклад такої системи можна привести системи з переносом заряду, в якій один з електронних станів відповідає парі нейтральних атомів, інший - донорно-акцепторній парі.

Гамільтоніан системи записується таким чином:

H = . (5)

Тут xi та pi - одновимірні координата та імпульс i-го атому. Потенціал Ui описує внутрішньомолекулярну взаємодію, тобто взаємодію з іншими атомами, рух яких в моделі детально не описується. Потенціал Uij - це енергія міжмолекулярної взаємодії, а саме взаємодії атомів різних молекул ланцюжка між собою. Ця взаємодія описується гармонічним законом та в наближенні найближчих сусідів. Для Ui в роботі [3] був отриманий такий вираз:

. (6)

Потенціал U- відповідає основному стану молекули, U+ - збудженому стану. Параметри е та t обрані таким чином, що в основному стані для атома існує два мінімуми потенціальної енергії (їхні положення позначені як x = а та x = b). Коли атоми всіх молекул ланцюжка знаходяться в положенні x = а вважається, що макромолекула в одному фазовому стані, коли в x = b - фазовий стан інший. В роботі розглядаються фотостимульовані фазові переходи, тобто фотостимульовані процеси, при яких атоми переходять з одного мінімуму потенціалу U- в інший. Авторами моделі показано, що електронні стани молекул у різних фазах різні. Повертаючись до наведеного приклада, це означає, що розглядаються фазові переходи, які супроводжуються переносом заряду. Відомо, що при такому переході змінюється відстань між атомами, яка й може характеризуватися величиною xi.

В роботі враховано, що розглянута система атомів є відкритою системою. Вона взаємодіє з термостатом, у ролі якого виступають невраховані в моделі коливання макромолекули, електронна підсистема і т.п. Тому енергія ланцюжка атомів не зберігається. Цю дисипацію енергії ми врахували феноменологічно, увівши силу тертя, пропорційну швидкостям атомів з коефіцієнтом пропорційності Г. В дисертаційній роботі було проведено моделювання системи методом молекулярної динаміки. Поведінка системи описувалася наступною системою рівнянь Ньютона:

. (7)

Ця система диференційних рівнянь розв'язувалася чисельно. В дисертаційній роботі було показано, що значення коефіцієнта Г може якісно вплинути на поведінку системи.

Розглядаються ефекти, коли внаслідок поглинання одного фотону та збудження лише однієї молекули до іншої фази переходять усі молекули ланцюжка (так званий ефект доміно). Відомо, що внаслідок поглинання кванту світла атом може подолати потенціальний бар'єр та перейти у інший мінімум потенціальної енергії. У попередніх роботах співавторів (Т.Огави та К.Кошино) були отримані умови, за яких внаслідок міжмолекулярної взаємодії перехід однієї молекули до нового стану спричиняє переходи у сусідніх молекулах, і перехід розповсюджується по всьому ланцюжку. Це було можливим при переході з метастабільної до стабільної фази та лише в таких системах, в яких критичний розмір зародку нової фази становить біля однієї молекули (тобто в таких системах, в яких міжмолекулярна взаємодія не є дуже великою). В дисертаційній роботі показана ще одна можливість фотостимульованого фазового переходу. У випадку малої дисипації енергії під час коливань атома збудженої молекули внаслідок міжмолекулярної взаємодії декілька сусідніх атомів долають потенціальний бар'єр та переходять у інший мінімум. Завдяки цьому утворюється зародок більший за критичний, що розпочинає фазовий перехід в усьому ланцюжку молекул. Знайдений механізм реалізується в системах, характерний час дисипації в яких набагато більший за період атомних коливань (але цей час набагато менший за час життя молекули у збудженому стані). За допомогою цього механізму можна описати фотостимульовані фазові переходи в системах, в яких критичний розмір зародку є великим (декілька десятків молекул). Слід відзначити, що в системах з великим критичним зародком нової фази термостимульовані переходи є менш ймовірними, тому фотостимульовані фазові переходу є більш ефективними. В дисертаційній роботі побудована область існування фотостимульованого фазового переходу на площині коефіцієнту міжмолекулярної взаємодії та швидкості дисипації Г.

Мале значення коефіцієнту дисипації Г та велика міжмолекулярна взаємодія призводить також до особливостей розповсюдження фази вздовж ланцюжка молекул. При переході атома у більш глибокий мінімум потенціалу Ui вивільнюється деяка потенціальна енергія. Розрахунки показують, що частина цієї енергії через міжмолекулярну взаємодію передається сусіднім атомам ланцюжка, в результаті чого перехід наступного атому відбувається швидше, ніж попереднього (див. рис. ). Внаслідок цього границя фаз на початковому етапі рухається з прискоренням. Також біля границі фаз атомами накопичується енергія, що визволилася при переході великої кількості атомів, тобто рух атомів на границі фаз має ознаки акселерона (див. [4]). Показано, що накопичення енергії продовжується навіть після завершення прискореного руху границі фаз, але в цьому випадку збільшується не амплітуда коливань атомів (і не швидкість переходу атома до нового мінімуму потенціалу), а час коливань або розмір області біля границі фаз, у якій атоми мають велику енергію.

Основні результати та висновки

1. Проаналізовано кінетичні фазові переходи, що відбуваються при накопиченні антиструктурних дефектів у впорядкованих бінарних сплавах під опроміненням. Записано систему кінетичних рівнянь для концентрацій дефектів, включаючи антиструктурні дефекти, а також рівняння теплообміну. Знайдена залежність стаціонарних значень концентрацій дефектів від швидкості створення радіаційних дефектів та температури зразка.

2. Показано, що при деяких умовах стаціонарний розв'язок є нестійким по відношенню до виникнення автоколивань температури і концентрацій антиструктурних дефектів. Ці автоколивання виникають завдяки накопиченню великого числа антиструктурних дефектів і їх наступному самовідпалу.

3. Знайдено умови опромінення, за яких стаціонарний розв'язок є нестійким, та зроблено оцінки періоду виникаючих автоколивань. Показано, що найважливіший вплив на область та період автоколивань мають інтенсивність опромінення, швидкість теплообміну зразка та термостату, коефіцієнти дифузії дефектів. Оцінки також показують, що для виникнення автоколивань краще підходять кристали з великими значеннями енергії антиструктурних дефектів.

4. Одержано умови, за яких однорідний розподіл дефектів є нестійким по відношенню до періодичних у просторі флуктуацій. Побудована проста якісна картина виникнення нестійкості. Найважливіша взаємодія, що призводить до цієї нестійкості, - це притягання між антиструктурними дефектами і мобільними міжвузельними атомами. У результаті розвинення цієї нестійкості у зразку повинна утворюватися періодична структура, що складається з ділянок з підвищеною концентрацією атомів одного та другого типу.

5. Досліджено залежність області виникнення надструктури від параметрів кристала. Найбільше сильний вплив мають параметри взаємодії між дефектами (параметри деформації кристалічної гратки навколо дефектів). Період виникаючої надструктури залежить у першу чергу від значення густини стоків для дефектів, а також від інтенсивності опромінення, температури та коефіцієнтів дифузії.

6. У рамках простої моделі виявлено новий механізм фотостимульованого фазового перетворення в довгих одновимірних макромолекулах з метастабільної у стабільну фазу. На відміну від запропонованого раніше механізму фазовий перехід розвивається ще до того, як молекула, що поглинула фотон, повернеться до основного стану.

7. Отримана та проаналізована область існування фотостимульованого фазового перетворення. Новий механізм дозволяє описати фотостимульовані фазові перетворення в більш широкій області міжмолекулярної взаємодії, зокрема в системах, в яких критичний розмір зародку є великим, і термостимульований фазовий перехід менш імовірний (тому фотостимульований перехід для таких систем є більш актуальним).

8. Виявлено, що на початковому етапі границя фаз рухається з прискоренням. Завдяки цьому границя фаз досягає більших швидкостей, ніж групові швидкості поширення малих коливань в обох фазах.

Список публікацій за темою дисертації

Михайловський В.В., Расселл К.С., Сугаков В.Й. Автоколивання температури та густини дефектів у бінарних сплавах під опроміненням // УФЖ. - 1999. - Т. 44, № 10. - С. 1280-1284.

Михайловський В.В., Расселл К.С., Сугаков В.Й. Процеси самоорганізації у впорядкованих бінарних сплавах під опроміненням // Металофізика та новітні технології. - 1999. - Т. 21, № 11. - С. 70-74.

Михайловський В.В., Расселл К.С., Сугаков В.Й. Образование сверхрешеток плотности дефектов в бинарных соединениях при ядерном облучении // ФТТ. - 2000. - Т. 42, № 3. - С. 471_477.

Mykhaylovskyy V.V., Sugakov V.I., Koshino K., Ogawa T. Accelerated motion of photo-induced phase boundary in one-dimensional system // Solid State Communication. - 2000. - Vol.113, № 6. - P. 321-326.

Mіkhaіlovskіy V.V., Russell K.C., Sugakov V.I. Time and space instabilities in binary alloys at phase transitions under irradiation // Microstructural Processes in Irradiated Materials. - Warrendale, Materials Research Society, 1999. - Vol. 540. - P. 687-672.

Михайловський В.В., Сугаков В.Й. Нестабільності в бінарних сполуках під опроміненням // Збірник Наукових Праць Інституту Ядерних Досліджень. - 1999. - С. 191-193.

Михайловський В.В. Утворення періодичного розподілу точкових дефектів в бінарних напівпровідниках // Збірник Наукових Праць Інституту Ядерних Досліджень. - 2000, № 1. - С. 91-97.

Михайловський В.В., Сугаков В.Й. Періодичний розподіл антиструктурних дефектів в бінарних сполуках під опроміненням // Міжнародна школа-конференція з актуальних питань фізики напівпровідників. Тези доповідей. - Дрогобич, 1999. - С. 22.

Mіkhaіlovskіy V.V., Sugakov V.I. Instabilities in binary alloys under irradiation // XIV Международная конференция по физике радиационных явлений и радиационному материаловедению. Труды конференции. - Харьков, 2000. - С. 26.

Анотація

Михайловський В.В. Стимульовані опроміненням нестійкості та фазові перетворення в бінарних кристалах та одновимірних системах. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.07 - фізика твердого тіла. - Науковий центр “Інститут ядерних досліджень” НАН України, Київ, 2000.

У роботі подані результати теоретичного дослідження нестійкостей, що виникають при ядерному опроміненні впорядкованих бінарних сплавів та бінарних напівпровідників. Теоретично передбачене виникнення часових і просторових нестійкостей однорідного стаціонарного розподілу дефектів. Причиною часових нестійкостей є накопичення та самовідпал антиструктурних дефектів. Такі нестійкості призводять до виникнення автоколивань температури і концентрацій дефектів. Просторові нестійкості виникають як наслідок взаємодії дефектів і призводять до просторових осциляцій концентрацій антиструктурних дефектів (тобто осциляцій складу сплаву). Також представлені результати досліджень стимульованих світлом фазових переходів в одновимірних системах. Для опису системи використовується метод молекулярної динаміки. Побудовано область існування фотостимульованих фазових переходів та знайдено якісно новий механізм розвитку фотостимульованих фазових переходів. Також показано, що на початковому етапі межа поділу фаз рухається з прискоренням.

Ключові слова: опромінення, антиструктурні дефекти, автоколивання, надгратка, фотостимульовані фазові переходи.

Аннотация

Михайловский В.В. Стимулированные облучением неустойчивости и фазовые превращения в бинарных кристаллах и одномерных системах. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.07 - физика твердого тела. - Научный центр "Институт ядерных исследований" НАН Украины, Киев, 2000.

В работе представлены результаты теоретического исследования неустойчивостей, которые возникают при ядерном облучении упорядоченных бинарных сплавов и бинарных полупроводников. Была проанализирована система шести кинетических уравнений для концентраций точечных дефектов и уравнения теплового баланса для температуры образца под облучением. В систему входили уравнения для концентрации следующих дефектов: межузельные атомы каждого сорта, вакансии обоих типов и антиструктурные дефекты (точечные дефекты, которые возникают, когда атом одного типа становится в чужую подрешетку). Найдены стационарные решения системы при различных параметрах облучения. Показано, что в упорядоченном бинарном сплаве под облучением может накопиться большое число антиструктурных дефектов, которое может привести к возникновению двух типов неустойчивостей однородного стационарного распределения дефектов: временных и пространственных (т.е. решение может быть неустойчивым по отношению к нестационарным и неоднородным добавкам). Причиной временных неустойчивостей является накопление большого числа антиструктурных дефектов и их последующий самоподдерживающийся отжиг. Такие неустойчивости приводят к возникновению автоколебаний температуры и концентраций дефектов. В работе построены области неустойчивости стационарного распределения дефектов на плоскости интенсивности облучения и температуры окружающей среды, сделаны оценки периода возникающих автоколебаний для типичных значений параметров. Также обнаружено, что область и период автоколебаний сильнее всего зависят от интенсивности облучения, скорости теплообмена образца и термостата, энергии образования антиструктурных дефектов и коэффициентов диффузии вакансий.

В работе были проанализированы и пространственные неустойчивости. Предложена простая качественная картина возникновения таких неустойчивостей. Они возникают как следствие дальнодействующего упругого взаимодействия дефектов. При этом основную роль играет притяжение подвижных межузельных атомов к антиструктурным дефектам. Также существенным является тот факт, что межузельные атомы имеют малое время жизни. В результате этого система является неустойчивой по отношению к флуктуациям только с определенным периодом. Пространственные неустойчивости приводят к пространственным осцилляциям концентраций антиструктурных дефектов (т.е. состава сплава). Вследствие анизотропии упругого взаимодействия между дефектами возникающие структуры ориентированы вдоль кристаллических плоскостей. Период структур определяется скоростями диффузии и временами жизни разных типов дефектов. В работе построены области неустойчивости однородного распределения дефектов на плоскости интенсивности облучения и температуры, а также сделаны оценки для периода возникающих структур для типичных значений параметров.

Также в диссертационной работе представлены результаты исследований стимулированных светом фазовые переходы в длинных макромолекулах. Для описания таких процессов используется модель, предложенная Огавой и Кошино. В ней рассматривается одномерная цепочка одинаковых молекул, которая может находиться в двух фазовых состояниях. Предполагается, что при фазовом переходе существенно меняется положение только одного атома в каждой молекуле. Динамика таких атомов описывается с помощью адиабатического внутримолекулярного потенциала (два минимума которого соответствуют положениям атомов в разных фазах), а также учитывается межмолекулярное взаимодействие и диссипация энергии при движении рассматриваемых атомов на возбуждение неучтенных в модели степеней свободы. При поглощении фотона молекулой изменяется адиабатический потенциал одного из атомов, в результате чего при фотостимулированном фазовом переходе атомы всех молекул переходят в новое положение. Для количественного описания системы используется метод молекулярной динамики. Построена область существования фотостимулированных фазовых переходов в зависимости от параметров системы. Найден качественно новый механизм развития фотостимулированных фазовых переходов. В соответствии с ним фазовый переход начинается как следствие колебаний молекулы в возбужденном состоянии. Также показано, что на начальном этапе развития фазового перехода граница раздела фаз двигается с ускорением. Из-за этого её скорость становиться больше, чем групповые скорости фононов в обоих фазах.

Ключевые слова: облучение, антиструктурные дефекты, автоколебания, сверхрешетка, фотостимулированные фазовые переходы.

Summary

Mykhaylovskyy V.V. Radiation induced instabilities and phase transitions in binary crystals and one-dimensional systems. - Manuscript.

Thesis for scientific degree of candidate in physical and mathematical sciences on speciality 01.04.07 - solid state physics. - Scientific centre "Institute for Nuclear Research" NAN of Ukraine, Kyiv, 2000.

Instabilities in the ordered binary alloys and binary semiconductors under radiation are investigated theoretically. We have predicted an appearance of time and space instabilities of the uniform stationary defect distribution. The nature of time instabilities is the accumulation and self-annealing of antisite defects. Such instabilities lead to self-oscillations of defect density and temperature of crystal. Space instabilities arise from defect-defect interaction and lead to spatial periodical modulation of antisite defect density (i.e. alloy composition). Results of the investigations of photoinduced phase transitions in one-dimensional systems are presented also. To describe the behaviour of such systems we used the molecular dynamics method. The region of the existence of photoinduced phase transitions was built and qualitatively new mechanism of photoinduced phase transitions development was found. It was shown that during an initial period of new phase development, the accelerated motion of a phase boundary takes place. Its velocity is large and exceeds the group velocity of the phonons in both phases.

Keywords: radiation, antisite defects, autooscillations, superlattice, photoinduced phase transitions.

Размещено на Allbest.ru