Особливості електронного спектру та їх вплив на фізичні властивості перехідних металів та сплавів на їх основі

Таким чином, наближаючи енергію Фермі до критичної _с, на фоні особливостей, пов'язаних зі зміною густини електронних станів при електронно-топологічному переході, з'являються більш тонкі ефекти електрон-електронних та електрон-фононних взаємодій, що пов'язано, як можна припустити, з особливостями енергетичного стану тієї частини електронів, які формують нову малу порожнину поверхні Фермі.

Висока чутливість особливостей термоелектрорушійної сили при електронно-топологічному переході до малих змін температури була помічена також іншими авторами при дослідженні залежності (Р) / Т сплавів індію (Р - тиск). Зміна температури на ~ 1 К приводила до зміни знаку особливостей залежності (Р) / Т, яку спостерігали. Автори пов'язували це з процесами перекидання, які виникають при електронно-топологічному переході під впливом домішок та тиску при низьких температурах. У даному випадку тиск був зовнішнім параметром, який змінював відстань рівня Фермі від критичної енергії.

У нашому випадку за умови _F = _с відбувається електронно-топологічний перехід під дією домішок та спостерігаються дві особливості - зміна густини електронних станів та зміна динаміки руху електронів, які утворюють нову порожнину поверхні Фермі. “Осциляції”, які спостерігаються в залежностях кінетичних та тепмодинамічних характеристик від зовнішніх параметрів впливу на енергію Фермі, можна гіпотетично пов'язати із перетинанням рівнів квазідискретного спектру електронів нової групи енергією _F. Квазідискретність спектру при такому припущенні пояснюється тим, що енергія Фермі попадає на край спектру нової зони, це створює умови для локалізації цих електронів у вузькому інтервалі енергій у напрямку, де відбувається електронний перехід.

Обидві особливості присутні при електронно-топологічному переході, вони пов'язані між собою і супроводжують одна одну.

В розділі 9 “Особливості температури надпровідного переходу при електронно-топологічному переході в ренії і його сплавах” приведено результати досліджень особливостей температури надпровідного переходу Т_с під тиском - Р до 10 Кбар для сплавів Re_1-хMo_х в інтервалі концентрацій до 5 ат.% (в межах твердого розчину). Використання двох зовнішніх параметрів: тиску та домішки дає можливість вивчати залежності Т_с Re та похідної по тиску - Т_с(С) / Р від концентрації домішок Мо в сплавах Re_1-хMo_х.

Дослідження показали, що температура надпровідного переходу ренію підвищується незалежно від валентності домішок. При додаванні домішок меншої валентності Mo 4,7ат.% Т_с ренію підвищується до 5 К з перегином в залежності Т_с(С) при 2,35ат.% Mo. Незначне підвищення Т_с спостерігається під впливом домішки більшої валентності - Os. В обох випадках спостерігається кореляція перегину в нелінійності підвищення Т_с ренію під впливом домішок з екстремумами в залежностях похідних Т_с(С) / Р при критичній концентрації домішок.

За нашими результатами залежність Т_с(С) / Р для сплаву

Re_1-хMo_х має мінімум при концентрації 2,35ат.% Mo (рис.15). Це свідчить про наявність критичної енергії _c< в електронному спектрі Re та про появлення діркової порожнини в поверхні Фермі при додаванні до ренію 2,35ат.% Mo.

Домішки Mo знижують енергію Фермі Re. Коли рівень енергії Фермі перетинає критичну енергію _с - вершину заповненої d-зони, яка знаходиться нижче рівня Фермі, відбувається електронно-топологічний перехід під дією домішки Mo. При концентрації 2,35 ат.%Mo з'являється нова діркова порожнина поверхні Фермі в сплаві Re-Мо. На рівень Фермі виходять d-електрони з високою густиною електронних станів, що робить значний внесок в підвищення Т_с. На рис.14 представлено експериментальні залежності змін температури надпровідного переходу та теоретичне розділення внесків плавної та топологічної складових змін Т_с для систем: Re-Мо та Re-Os.

З цих результатів витікає, що домішки будь-якої валентності приводять до підвищення Т_с за рахунок позитивного внеску топологічної складової в зміну Т_с.

При кількісному порівнянні теорії з експериментом визначено енергетичний зазор () при енергіях нижчих , який для ренію дорівнює 0,017 еВ, а також інші параметри електронно-топологічного переходу в ренії під дією домішок Мо та Os.

В розділі 10 “Температура надпровідного переходу -урану під тиском і електронно-топологічний перехід” приведено кількісне порівняння літературних експериментальних даних залежності температури надпровідного переходу від тиску для -урану з теорією електронно-топологічних переходів.

Нелінійна залежність Т_с(P) -урану має дві особливості, які в рамках розгляду з точки зору електронно-топологічних переходів відповідають виникненню перемички при тиску Р = 5Кбар та утворенню нової електронної порожнини поверхні Фермі при Р = 9 Кбар. При порівнянні експерименту з теорією здобуто кількісні параметри тонкої структури електронного спектру -урану, які відповідають указаним електронно-топологічним переходам, в тому числі енергетичні зазори, які дорівнюють=0,003 еВ та .

На рис.16 б. показано теоретичне розкладання сумарної експериментальної залежності Т_с(P) - 16 а для -урану на складові, які у відповідності з визначеними параметрами електронно-топологічних переходів відображають два топологічних переходи (лінії 1,2) та лінійну (лінія 3) складові залежності Т_с(P).

Таким чином, особливості залежності Т_с(P) -урану добре узгоджуються з теорією електронно-топологічних переходів.

ВИСНОВКИ

В результаті комплексних досліджень електронно-топологічних переходів в Мо, Rе, -урані та сплавах на їх основі вирішена проблема, яка поставлена в даній роботі. Встановлено зв'язок особливостей електронного спектру з особливостями фізичних властивостей цих металів та сплавів на їх основі. Уперше на одному і тому ж об'єкті проведено дослідження особливостей різних фізичних характеристик, пов'язаних з електронно-топологічними переходами під впливом зовнішніх дій - домішок, тиску, температури, із використанням різних методик досліджень.

Розвинуто уявлення про природу електронно-топологічних переходів в сплавах перехідних металів. Експериментально виявлено особливості кінетичних та термодинамічних характеристик, які не спостерігались раніше. Вони відбивають зміну динаміки руху електронів, як наслідок електронно-топологічного переходу. Результати, одержані в роботі, можна сформулювати у вигляді таких висновків:

1. Експериментально виявлено електронно-топологічний перехід - утворення нової електронної групи в Мо під дією домішок ренію. При концентрації домішки ренію ~ 10ат.% в залежності похідної температури надпровідного переходу по тиску та термоелектрорушійної сили від концентрації домішки спостерігаються екстремуми, що відповідає перетинанню рівня Фермі критичної енергії електронного спектру. Встановлено, що електронно-топологічний перехід проявляється ідентично, як в надпровідному, так і в нормальному стані сплавів Mo-Re.

Це свідчить про те, що спостереження екстремумів в залежностях та можна використовувати, як метод виявлення критичних енергій в електронному спектрі.

Це важливо для прогнозування змін всієї електрон-фононної системи металів та сплавів, які визначають особливі властивості матеріалів.

Зміни електрон-фононних взаємодій приводять до змін надпровідних та нормальних властивостей металів та сплавів. Ці зміни розповсюджуються не тільки на електронні, а і на механічні властивості, такі, як міцність та пластичність.

2. Експериментально доведена електронна природа особливостей, які спостерігаються при дослідженні потрійних систем (Mo_1-х-Re_х)_1-уNb_у, виготовлених на основі подвійної системи Mo_1-х-Re_х з концентрацією вище критичної. В таких системах під дією домішки Nb - протилежної валентності у порівнянні з Re, рівень Фермі зміщується у протилежному напрямку та спостерігається зникнення нової електронної порожнини поверхні Фермі, яка виникла в подвійній системі під впливом домішки Re.

Екстремуми та ) в подвійних та потрійних системах спостерігаються при однакових електронних концентраціях, що відповідає перетинанню рівнем Фермі однієї і тієї ж критичної енергії, але з протилежних боків по енергії.

3. Показана єдина природа впливу процесів розсіювання на електронно-топологічні переходи в нормальному та надпровідному стані. Це виявлено за результатами досліджень електронно-топологічних переходів потрійних та подвійних систем, для яких при однаковій електронній концентрації, але різних остаточних електроопорах, спостерігається зміна значень характеристик в екстремумі у відповідності з різницею остаточних електроопорів в однаковій мірі в надпровідному та нормальному станах.

4. Вперше звернено увагу на складну природу електронно-топологічних переходів в перехідних металах та їх сплавах. На експерименті показано, що це явище має дві особливості: одна - це коренева добавка до густини електронних станів, друга (на порядок менша) спостерігається уперше - це осциляції кінетичних та термодинамічних характеристик на фоні їх нелінійної залежності від зовнішніх параметрів при утворенні малих частин поверхні Фермі внаслідок електронно-топологічного переходу. Передбачається, що це пов'язано з енергетичним станом електронів на краю зони.

Експериментально показано, що зміна топології поверхні Фермі при електронно-топологічному переході в сплавах Мо-Re супроводжується зміною енергетичного стану електронів у вузькому інтервалі енергій біля дна зони, яка відповідає новій порожнині поверхні Фермі. Це змінює динаміку руху електронів, яка значно впливає на фононну систему і, як наслідок змінює кінетичні та термодинамічні характеристики матеріалів.

Можна припустити, що це відповідає дискретному характеру спектру (частковій локалізації електронів на краю спектру) нової малої групи на фоні суцільного спектру електронів основних груп.

5. Вперше, за допомогою прямого методу досліджень кристалічних структур -каналювання іонів гелію в кристалі, встановлено зв'язок електронних переходів з утворенням надструктури в кристалічній ОЦК структурі твердого розчину сплавів Мо_1-х-Rе_х.

При концентраціях домішки Rе вище критичної, яка відповідає електронно-топологічному переходу в сплавах Мо_1-х-Rе_х, в спектрах відбиття спостерігаються особливості, пов'язані з утворенням надструктури. В залежності інтенсивності спектру відбиття від кута між кристалографічним напрямком та пучком зарядових частинок з'являється додатковий “пічок”, який відображає зміщення атомів в певному кристалографічному напрямку.

Зміщення атомів відносно вузлів рівноважного стану в межах твердого розчину Мо-Re відбувається в одному кристалографічному напрямку <110> внаслідок взаємодій нерівноважної густини електронних станів з іонним остовом кристалу. Природа виникнення нерівноважної густини електронних станів - це особливості стану електронів на краю нової зони при електронно-топологічному переході.

6. Знайдено електронно-топологічний перехід в ренії - утворення діркової порожнини поверхні Фермі, по екстремуму в залежності Т_с(С) / Р при критичній концентрації домішки Мо 2,3ат.%. Визначена критична енергія в електронному спектрі ренію нижче рівня Фермі по мінімуму похідної Т_с(С) / Р в сплавах Re-Mo. Експериментально показана кореляція перегину в залежності Т_с(С) з екстремумом в Т_с(С) / Р при концентрації домішки Мо 2,3ат.%. Це доводить зв'язок підвищення температури надпровідного переходу Re під впливом домішки Мо з електронно-топологічним переходом. Такий висновок підтверджується кількісним порівнянням експерименту з теорією.

7. Визначено кількісні параметри електронно-топологічних переходів в ренії під впливом домішок різних валентностей. Кількісно розділені зміни Т_с в сплавах Re-Mo, Re-Os, які пов'язані з топологічною добавкою до густини електронних станів та плавною складовою змін Т_с(С). Показано, що на фоні плавного зменшення Т_с позитивні топологічні додатки приводять до зростання сумарної зміни Т_с незалежно від валентності домішок. Доведено, що додавання домішок будь-якої валентності підвищує Т_с(С) Re під впливом топологічних переходів.

8. Визначено енергетичні зазори як параметри електронно-топологічних переходів в Mo, Re по результатам даної роботи, в -U - по літературним даним. В Mo-Re , в Re-Os , в Re-Mo = -0,017 еВ, в -U =0,003 еВ та . З теоретичних розрахунків такі значення енергетичних зазорів не визначаються, тому що точність розрахунку мала. В той же час, ці результати знаходяться в якісній відповідності з теоретичними розрахунками електронного спектру чистих металів.

Визначено типи електронних переходів: для Мо - утворення електронної порожнини під дією домішок Re; для Re - утворення діркової порожнини під дією домішок Мо та утворення електронної порожнини під дією домішок Os; для -U утворення електронної порожнини та перемички під дією тиску. Ці результати доповнюють уявлення про тонку структуру електронного спектру цих металів.

9. Показано, що при змінах топології поверхні Фермі, необхідно враховувати не тільки зміни густини електронних станів, але і зміни динаміки руху електронів. Це пов'язано з тим, що нові частини поверхні Фермі відповідають краю спектру - вузькому інтервалу енергій біля дна, вершини або іншої особливої точки електронного спектру, де енергетичний стан електронів відрізняється від суцільного спектру основної групи електронів. Саме такий підхід дає можливість з'ясувати з єдиної точки зору усі особливості твердих розчинів Мо-Rе, які досліджено. Ці особливості впливають на властивості матеріалів, розповсюджуючись на електронні, механічні властивості, зміну кристалічної структури, фононного спектру при визначених критичних параметрах електронно-топологічного переходу.

Одержані результати можна узагальнити для будь-яких перехідних металів зі складною електронною структурою та топологією поверхні Фермі.

10. Вирішення проблеми, поставленої в представленій роботі, відкрило нові перспективи розвитку цього напрямку - це поширення експериментальних та теоретичних досліджень природи квазідискретного спектру в металах та сплавах, де відбувається електронно-топологічний перехід.

Такі дослідження важливі для встановлення умов появлення квазідискретного спектру електронів поблизу критичної енергії та взаємодій таких електронів з фононами, а також представляють інтерес з точки зору практичного використання цих особливостей. Не виключено, що такі матеріали мають перспективи в застосуванні їх в мікроелектрониці.

ПЕРЕЛІК ОСНОВНИХ ПРАЦЬ, ОПУБЛІКОВАНИХ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Игнатьева Т.А., Макаров В.И., Черевань Ю.А. О влиянии примесей и давления на температуру сверхпроводящего перехода таллия V // ЖЭТФ.- 1974.- Т.67, В.3.- С.994-1005.

2. Макаров В.И., Клейнер В.З., Игнатьева Т.А. О проявлении фазовых переходов 2^1,2 рода в электронных свойствах -урана и кадмия // ФНТ.- 1979.- Т.5, №9.- С.1022-1034.

3. Игнатьева Т.А., Черевань Ю.А. Об особенностях изменения температуры сверхпроводящего перехода под давлением для твердых растворов Мо-Re // Письма в ЖЭТФ.- 1980.- Т.31, В.7.- C.389-392.

4. Ярмошенко Ю.М., Ганин Г.В., Нармонев А.Г., Игнатьева Т.А., Черевань Ю.А., Захаров А.И., Курмаев Э.З. Рентгеновские спектры и электронная структура бинарных сплавов молибдена с рением // ФММ.- 1986.- Т.62, №5.- С.932-938.

5. Великодный А.Н., Заварицкий Н.В., Игнатьева Т.А., Юргенс А.А. Термоэдс и электронный топологический переход в системе Mo_1-x-Re_x // Письма в ЖЭТФ.- 1986.- Т.43, В.12.- С.597-599.

6. Игнатьева Т.А., Великодный А.Н., Тихоновский М.А. Вольт-амперные характеристики и тепловая неустойчивость в области резистивного состояния ВТСП керамик // Письма в ЖТФ.- 1991.- Т.17, В.2.- С.61-65.

7. Ignatyeva T.A. Velikodny А.N.. Jankovsky V.A. Peculiarities of I-V characteristics and heat instability of HTSC ceramics. Cryogenics - Supplement. ICMC.- 1992.- V.32.- Р.341-344.

8. Игнатьева Т.А., Ганн В.В., Великодный А.Н. Исследование электронно-топологического перехода в сверхпроводящих сплавах Mo-Re, Mo-Re-Nb // ФНТ.- 1994.- Т.20, №11.- С.1133-1141.

9. Игнатьева Т.А., Великодный А.Н Электронно-топологические переходы в системах Mo-Re, Mo-Re-Nb //Физика и техника высоких давлений.- 1994.- №2.- С.10-14.

10. Игнатьева Т.А., Великодный А.Н. Особенности термоэдс сплавов Mo-Re, Mo-Re-Nb и электронно-топологический переход в этих системах // ФНТ.- 2002.- Т.28, №6.- С.569-579.

11. Великодный А.Н., Игнатьева Т.А. Электро- и теплопроводность сплавов Mo_1-x-Re_x при низких температурах // Вісник Харківського університету. Серія фізична: “Ядра, частинки, поля”.- 2002.- В.1 (17), №548.- С.89-92.

12. Великодный А.Н., Игнатьева Т.А. Электро- и теплосопротивление молибдена при низких температурах // Вопросы атомной науки и техники. Серия: “Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники”.- 2002.- В. (12), №1.- С.47-49.

13. Игнатьева Т.А., Великодный А.Н. Электронно-топологический переход в системе Re_1-x-Mo_x // Вопросы атомной науки и техники. Серия: “Вакуум, чистые металлы, сверхпроводники”.- 2003.- В.(13), №5.- C.78-81.

14. Игнатьева Т.А., Великодный А.Н. Электронно-топологический переход в сплавах Re_1-х-Mo_x и его влияние на температуру сверхпроводящего перехода // ФНТ.- 2004.- Т.30, №5.- С.523-534.

15. Игнатьева Т.А., Великодный А.Н., Саньков А.А. О температурной зависимости удельного сопротивления в сплавах Mo-Re, Mo-Re-Nb // Вопросы атомной науки и техники. Серия: “Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники”.- 2004.- В.(14), №6.- C.89-92.

16. Игнатьева Т.А., Великодный А.Н. Электронно-топологические переходы в сплавах рения и их влияние на T_c // Физика и техника высоких давлений.- 2004.- Т.14, №1.- С.117-123.

17. Дикий Н.П., Игнатьева Т.А. Применение метода каналирования заряженных частиц в кристаллах для исследования сплавов Mo-Re // ФТТ.- 2006.- №1.- C.25-29.

18. Игнатьева Т.А. О локализации электронов при электронно-топологическом переходе // ФТТ.- 2007.- В.3.- C.389-397.

19. Игнатьева Т.А. Особенности электронного спектра и температурная зависимость удельного сопротивления молибдена // Вісник Харківського університету. Серія фізична: “Ядра, частинки, поля”.- 2007.- В.1/33, №763.- С.81-87.

20. Игнатьева Т.А., Великодный А.Н. Особенности электронного спектра сплавов с электронно-топологическим переходом и их влияние на физические свойства. // Известия РАН. Серия физическая.- 2007.- Т.71, №8.- С.1104-1107.

21. Лифшиц И.М., Брандт Н.Б., Гинзбург Н.И., Понамарев Е.Г., Лазарев Б.Г., Лазарева Л.С., Макаров В.И., Игнатьева Т.А., Ицкевич Е.С., Вороновский А.И. Явление электронно-топологических фазовых переходов металлов при упругих деформациях. Открытие. Диплом №238. Заявка от 2 января 1978г. Официальный бюллетень Государственного комитета СССР по Делам изобретений и открытий, “Открытия, изобретения, промышленные образцы, товарные знаки”. 1981.

22. Игнатьева Т.А., Великодный А.Н. Авторское свидетельство №1628787 зарегистрировано в Государственном реестре изобретений СССР 15 октября 1990 по заявке №4602733 от 17 октября 1988.

23. Макаров В.И., Клейнер В.З., Игнатьева Т.А. О влиянии фазовых переходов 2^1/2 рода на электронные свойствах -урана // Материалы 20-го Всесоюзного совещания по физике низких температур, НТ-20, Часть 1, секция: “Электронные свойства при низких температурах”, Москва, Черноголовка, январь.- 1978.- С.254-255.

24. Игнатьева Т.А Черевань Ю.А., Саньков А.А. О проявлении изменения топологии поверхности Ферми молибдена под действием примеси рения и давления // Материалы 20-го Всесоюзного совещания по физике низких температур, НТ 20, Часть 111, секция: Сверхпроводимость, Москва, Черноголовка, январь.-1978.- С.171-172.

25. Игнатьева Т.А., Черевань Ю.А. Об особенностях изменения температуры сверхпроводящего перехода под давлением для твердых растворов Мо - Re. ХХ1Всесоюзное совещание по физике низких темпера тур. Тезисы докладов Часть 1.”Сверхпроводимость”. Харьков, сентябрь.- 1980.- С.86-87.

26. Игнатьева Т.А, Черевань Ю.А. О частичной локализации энергетического спектра в системе Мо-Re // Материалы 2-го научного семинара “Металлофизика сверхпроводников”. Киев, октябрь.- 1983.- C.210-211.

27. Великодный А.Н., Заварицкий Н.В., Игнатьева Т.А., Юргенс А.А. Термоэдс и электронный топологический переход в системе Mo_1-x-Re_x Труды 24 Всесоюзного совещания по физике низких температур “Электронные явления при низких температурах”. Тбилиси.- 1986.- С.166-167.

28. Игнатьева Т.А., Курмаев Э.З., Ярмошенко Ю.М., Ганин Г.В. Особенности в плотности электронных состояний в сплавах Мо-Re // Тезисы конференции “Металлофизика сверхпроводников”, часть 111. Киев, март.- 1986.- C.381-382.

29. Ignat'eva T. Velikodny A. Electron spectrum singularities in superconduction characteristics of unordered ystems under pressure// Proc. International Conf. “High pressure science and technology” (XI th АIRAPT) - Kiev: Naukova dumka. 1989.- V.3.- P.187-189.

30. Игнатьева Т.А. Ганн В.В, Великодный А.Н. Электронно-топологический переход в системах Mo-Re, Mo-Re-Nb и его влияние на зависимость T_c(C) // Труды 30 совещания по физике низких температур “Фундаментальные вопросы сверхпроводимости, включая ВТСП”.- Дубна.- 1994.- С.127-128.

31. Игнатьева Т.А., Великодный А.Н., Янковский В.А., Еленский В.А. Влияние тонкой структуры электронного спектра Re на температуру сверхпроводящего перехода T_c его сплавов Re-Mo, Re-Оs // Труды 30 совещания по физике низких температур. “Сверхпроводимость”.- Дубна.- 1994.- С.129-130.

32. Великодный А.Н., Игнатьева Т.А. Кинетические характеристики сплавов Mo_1-х-Re_х при температурах Т<10К // Труды 8 Международного симпозиума “Высокочистые металлические и полупроводниковые материалы”. Харьков.- 2002.- С.199-202.

33. Дикий Н.П., Игнатьева Т.А. Особенности ориентационной зависимости упруго рассеянных ионов гелия в сплавах Mo-Re и электронно-топологический переход // Тезисы докладов 3-й конференции по физике высоких энергий, ядерной физике и ускорителям. 29 февраля-4 марта, Харьков.- 2005.- С.71.

34. Дикий Н.П., Игнатьева Т.А. Особенности каналирования заряженных частиц в сплавах Mo-Re и электронно-топологический переход // Труды Международной конференции “Современное материаловедение: достижения и проблемы”, ММS-2005, 26-30 сентября, Киев, Украина.- 2005.- С.825-826.

АНОТАЦІЇ

Ігнатьєва Т.О. Особливості електронного спектру та їх вплив на фізичні властивості перехідних металів та сплавів на їх основі.- Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.07 - фізика твердого тіла.- Інститут електрофізики і радіаційних технологій НАН України.- Харків.- 2008.

Проведено комплексні дослідження особливостей тонкої структури електронного спектру та її впливу на фізичні властивості Мо, Rе та сплвів на їх основі. Знайдено електронно-топологічні переходи по екстремумам в залежностях температури надпровідного переходу по тиску та термоелектрорушійної сили від концентрації домішок. Знайдено енергетичні зазори між енергією Фермі та критичною - (_F - _c) для Мо, Rе та б-урану. Експериментально виявлено виникнення надструктури в кристалічній ОЦК ґратці твердого розчину сплавів Мо_1-х-Rе_х при електронному переході. Вперше експериментально спостережено осциляції кінетичних та термодинамічних характеристик при електронно-топологічному переході, як функції зовнішніх параметрів, що змінюють відстань рівня _F від _c. Це пов'язується зі зміною динаміки руху електронів біля дна зони при утворенні нової електронної порожнини поверхні Фермі. Встановлено зв'язок зміни властивостей металів та сплавів з електронно-топологічними переходами.

Ключові слова: електронно-топологічний перехід, енергетичний зазор - _F - _c, тонка структура електронного спектру,T_c - температура надпровідного переходу, - термоелектрорушійна сила.

Игнатьева Т.А. Особенности электронного спектра и их влияние на физические свойства переходных металлов и сплавов на их основе.- Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук по специальности 01.04.07 - физика твердого тела.- Институт электрофизики и радиационных технологий НАН Украины.- Харьков.- 2008.

Проведены комплексные исследования особенностей тонкой структуры электронного спектра - электронно-топологических переходов и их влияния на физические свойства переходных металлов и сплавов на их основе. Исследованы Мо, Rе и сплавы на их основе в пределах твердого раствора.

Обнаружены электронно-топологические переходы в Мо, Rе по экстремумам в производных зависимостей температуры сверхпроводящего перехода по давлению и термоэдс , здесь С - концентрация примеси. В Мо эти особенности соответствуют появлению новой электронной полости поверхности Ферми под действием примеси рения, в Rе - появлению дырочной полости под действием примеси Мо.

Эти результаты находятся в соответствии с теоретическими расчетами электронного спектра этих металлов и хорошо количественно описываются теорией электронно-топологических переходов В.Г. Барьяхтара, В.И. Макарова, В.В. Ганна.

По экспериментальным результатам данной работы, используя эту теорию, найдены количественные параметры тонкой структуры электронного спектра Мо, Rе, а для б-урана - по литературным данным. Основные параметры - это энергетические зазоры между энергией Ферми и критической (_F - _c) и их производные по внешним параметрам (примесь, давление), под действием которых происходит изменение топологии поверхности Ферми.

При исследовании тройных систем (Мо_1-х-Re_х)_1-у-Nb_у экспериментально наблюдался электронный переход противоположный по сравнению с двойной системой Мо_1-х-Re_х. В тройной системе под действием примеси Nb малая группа электронов, появившаяся под действием примеси Re в двойной системе, исчезает. Это соответствует экстремуму в зависимостях и при той же критической энергии или электронной концентрации, что и в двойной системе, но при подходе к ней энергией Ферми с противоположной стороны по шкале энергий. Количественно эти результаты также описываются параметрами, найденными при сравнении теории с экспериментом, и находятся в хорошем соответствии с данными, определенными по эксперименту для двойных систем. Таким образом, показано, что наблюдение экстремума в зависимостях и можно использовать, как метод определения критических точек и параметров тонкой структуры электронного спектра.

Установлена взаимосвязь особенностей электронного и фононного спектров при электронно-топологических переходах и их влияние на особенности физических свойств этих металлов и сплавов.

Экспериментально, по особенностям каналирования ионов гелия в кристалле показано, что электронный переход приводит к появлению сверхструктуры в кристаллической ОЦК решетке твердого раствора сплавов Мо_1-х-Rе_х при концентрациях примеси выше критической. Предполагается, что такие изменения кристаллической решетки в пределах твердого раствора связаны с появлением неравновесной плотности электронных состояний, которая является результатом электронного перехода. Взаимодействие таких электронов с ионным остовом решетки приводит к смещению атомов относительно узлов твердого раствора замещения в кристаллографическом направлении <110>.

Развиты представления о природе электронно-топологических переходов в сплавах переходных металлов. Экспериментально показано, что электронно-топологический переход сопровождается не только особенностью в плотности электронных состояний , но и другими, которые наблюдаются впервые и связаны с изменением динамики движения электронов. Они проявляются как осцилляции кинетических и термодинамических характеристик на фоне плавной нелинейности, соответствующей корневой добавке к плотности электронных состояний. Такие особенности наблюдаются в узком интервале энергий близких к критической, при которой происходит электронный переход, и отражают энергетическое состояние электронов малой группы, возникающей на краю спектра (дно зоны) при электронно-топологическом переходе.

Изменение динамики движения электронов оказывает существенное влияние на кинетические и термодинамические характеристики материалов. Особенности свойств металлов и сплавов при электронно-топологическом переходе не ограничиваются электронными свойствами, а распространяются и на такие важные технические свойства твердых тел, как прочность, пластичность.

Найден электронно-топологический переход в рении - появление дырочной полости поверхности Ферми при энергиях ниже уровня Ферми. Этот переход осуществляется под действием примеси Мо, которая понижает энергию Ферми. Проведен количественный анализ полученных экспериментальных данных, используя теорию электронно-топологических переходов. При количественном сравнении влияния примесей различных валентностей (Мо и Оs) на температуру сверхпроводящего перехода Re показан положительный вклад топологических добавок в общее изменение Т_с. Этим определяется повышение Т_с рения независимо от валентности добавляемой примеси.

Решение проблемы, поставленной в данной работе, открыло новые перспективы развития данного направления - это расширение экспериментальных методов исследований тонкой структуры электронного спектра, природы квазидискретного спектра в металлах у края зоны, изучение условий его появления и выяснение практического применения особенностей, связанных с особенностями энергетического состояния электронов на краю спектра.

Ключевые слова: особенности электронного спектра, электронно-топологический переход, энергетический зазор - _F - _c, T_c - температура сверхпроводящего перехода, - термоэдс.

Ignatyeva Т.А. Features of an electronic spectrum and their influence on physical characteristics of transitional metals and alloys based on these metals.- Manuscript.

Thesis for gaining of doctor's degree in physics and mathematics by specialty: 01.04.07 - solid state physics.- Institute of electrophysics & radiation technologies NAS of Ukraine.- Kharkiv.- 2008.

The comprehensive studies were carried out into the features of a thin structure of the electronic spectrum - electronic-topological transition and their influence on the physical characteristics of transitional metals and alloys based on these materials.

The features of the electronic-topological transition have been studied on the change of the superconducting temperature transition under pressure and of the thermopower, as function of the impurities concentration in the solid solution of alloys on the bases of Мо and Re.

The energy gaps between the Fermi and critical energies of the electronic spectrum are detected by comparison of experimental results with theory. Experimental results show that the electronic transition leads to formation of a superstructure in the BCC crystalline lattice of the solid solution of Мо_1-х-Rе_х alloys. It is caused by the change in the dynamics of electron motion in the bottom of the zone due to formation of a new electron cavity at the Fermi surface. As a result, new properties of the electronic state arise, namely, oscillation of the kinetic and thermodynamic characteristics as a function of electronic-topological transition's parameters that influences upon the properties of materials.

These variations do not concern the electronic properties, but have effect upon such important engineering properties, as hardness, plasticity.

Кey words: features of the electronic spectrum, electronic-topological transition, energy gap, T_c - superconducting temperature transition, - thermopower.

Размещено на Allbest.ru