Електронна структура та умови існування впорядкованих фаз сплавів перехідних металів

Размещено на http://www.allbest.ru

КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ім. ТАРАСА ШЕВЧЕНКА

01.04.07 - Фізика твердого тіла

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук

Електронна структура та умови існування впорядкованих фаз сплавів перехідних металів

Годлевська Оксана Олександрівна

Київ - 2004 р.

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі фізики металів

Київського національного університету імені Тараса Шевченка.

Науковий керівник:доктор фізико-математичних наук

Репецький Станіслав Петрович

професор кафедри фізики функціональних матеріалів Київського національного університету імені Тараса Шевченка.

Офіційні опоненти:доктор фізико-математичних наук

Гречко Леонід Григорович

провідний науковий співробітник інституту

хімії поверхні НАН України. (м. Київ).

доктор фізико-математичних наук, професор

Якібчук Петро Миколайович

завідувач кафедри фізики металів фізичного факультету Львівського національного університету імені Івана Франка (м. Львів)

Провідна установа: Інститут металофізики імені Г.В. Курдюмова НАН України (м. Київ)

Захист відбудеться " 14 " червня 2004 р. о 16 30 годині на засіданні спеціалізованої Вченої Ради Д 26.001.23 при Київському національному університеті імені Тараса Шевченка за адресою: 03022 Київ, проспект акад. Глушкова, 6, аудиторія №200, фізичний факультет.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Київського національного університету імені Тараса Шевченка (м. Київ, вул. Володимирська, 58).

Автореферат розіслано “ 12 ” травня 2004 р.

Вчений секретар

спеціалізованої Вченої Ради Б.А. Охріменко

Размещено на http://allbest.ru

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми Фазові перетворення порядок-безлад й обумовлені ними зміни фізичних властивостей займають помітне місце та є однією з актуальних проблем фізики твердого тіла. Суттєві успіхи в описі таких фазових переходів зумовлені розвитком електронної теорії. Ефекти впливу далекого атомного впорядкування на енергетичний спектр електронів, що пов'язані з виникненням енергетичної щілини та переходом метал-діелектрик, вперше були передбачені в роботах Смирнова А.А. Подальші дослідження впливу атомного впорядкування на енергетичний спектр електронів та електропровідність сплавів були спочатку виконані в роботах Макарова С.І. (1975-1976 рр.), а потім в роботах Репецького С.П. (1990 - 2001 рр.). В роботах Репецького С.П. було показано, що у випадку близького впорядкування на кривій енергетичної залежності густини електронних станів виникає характерний провал, що призводить до утворення енергетичної квазіщілини при встановленні далекого порядку. Виявлено, що поведінка електропровідності, а також характер атомного впорядкування суттєво залежать від положення рівня Фермі по відношенню до зазначеної квазіщілини. Для таких електронних концентрацій, для яких рівень Фермі лежить поза областю квазіщілини, електропровідність сплаву зі збільшенням ступеня впорядкування зростає. Якщо рівень Фермі попадає в область квазіщілини, спостерігається аномальна поведінка електропровідності: з впорядкуванням вона зменшується.

Однак у зазначених вище роботах при описі електронних станів не враховувалися коливання кристалічної гратки та електрон-фононна взаємодія, що можуть давати значні внески в енергію упорядкування, параметри міжатомних кореляцій і істотно впливати на властивості сплаву.

Варто вказати, що в роботах Sacchetti F. (1979,1980) зроблена спроба врахувати внесок електрон-фононної взаємодії в термодинамічний потенціал і електронну теплоємність сплаву. У роботах Chen An-Ben, Weisz G., Sher A. (1972) та Куземського А.Л. (1983) досліджений вплив електрон-фононної взаємодії на електропровідність неупорядкованих сплавів. Однак у цих роботах не були враховані міжатомні кореляції, а електрон-фононна взаємодія вважалася слабкою.

Давно вже розвивається підхід для розрахунку вільної енергії, параметрів міжатомних кореляцій, що ґрунтується на методі псевдопотенціалу. Однак параметри псевдопотенціалів перехідних металів резонансним чином залежать від положення рівня Фермі по відношенню до значень енергії електронів в 3d станах. Оскільки рівень Фермі залежить від електронної структури, яка в свою чергу визначається атомним впорядкуванням сплаву, то псевдопотенціал перехідних металів є залежним від атомного впорядкування, що в цьому методі не враховується.

Тому виконане в роботі врахування електрон-фононної взаємодії та міжатомних кореляцій в багатозонній моделі сильного зв'язку та застосування цього підходу для дослідження поведінки сплавів перехідних металів є досить актуальним.

Зв'язок роботи з науковими темами, проектами Робота виконувалась згідно з основними напрямками досліджень кафедри фізики металів Київського національного університету імені Тараса Шевченка в ході виконання держбюджетних тем: “Електронна структура і властивості шаруватих матеріалів. Розробка методів оптимізації пластичних властивостей напівпровідникових і шаруватих матеріалів при електронній, лазерній, термомеханічній обробках” (Номер держреєстрації №01950030537), та “Взаємодія дефектів структури з електронами, оптичними та рентгенівськими променями в керамічних матеріалах”

(Номер держреєстрації №97011).

Мета і задачі дослідження Основною метою дисертаційної роботи є з'ясування ролі міжатомних кореляцій та впливу електрон-фононної взаємодії у структурно-фазових перетвореннях сплавів на основі перехідних металів з вузькими d-зонами. Об'єктом дослідження є вплив електрон-фононної взаємодії на електронну структуру та параметри міжатомних кореляцій сплавів перехідних металів. Предметом дослідження є електронна структура та фазові переходи порядок-безлад сплавів перехідних металів з вузькими d-зонами. Для досягнення поставленої мети в роботі користувалися методами теорії багатократного розсіяння.

Наукова новизна отриманих результатів В дисертаційній роботі на основі методу кластерного розкладу для термодинамічного потенціалу системи електронів і фононів досліджено внесок електрон-фононної взаємодії в електронну структуру та параметри міжатомних кореляцій сплаву. Це дало змогу вирішити задачу врахування багаточастинкових взаємодій (в першу чергу електрон-фононних) та отримати єдиний підхід при розрахунках вільної енергії системи та параметрів міжатомних кореляцій із перших принципів.

В роботі отриманий вираз для масового оператора електрон-фононної взаємодії, числовий аналіз якого показав, що він дає можливість вперше правильно описувати температурну поведінку електроопору сплаву у всьому діапазоні температур. На основі отриманого виразу для масового оператора електрон-фононної взаємодії запропоновано новий метод розрахунку температурної залежності електроопору сплаву.

Вперше чисельно досліджені енергетичні спектри сплавів перехідних металів FeTi, NiTi, CoTi та FeCr стехіометричного складу з урахуванням електрон-фононної взаємодії та міжатомних кореляцій в багатозонній s-p-d моделі сильного зв'язку.

На прикладі зазначених систем показана можливість застосування отриманих результатів для опису впливу електрон-фононної взаємодії на електронну структуру та властивості сплавів на основі перехідних металів з вузькими енергетичними зонами.

З урахуванням міжатомних кореляцій та електрон-фононної взаємодії проаналізована електронна структура і дано обґрунтування стабільності інтерметалідних фаз сплавів FeTi, NiTi, CoTi стехіометричного складу та отримані близькі до експериментальних значення температур фазового переходу порядок-безлад. Вперше теоретично обґрунтована область існування впорядкованої фази сплаву Fe50Cr50 .

Практичне значення отриманих результатів Використаний в роботі підхід дозволяє розраховувати густину електронних станів, досліджувати структурну фазову діаграму не тільки для систем на основі перехідних металів, але й для напівпровідників з домішками. Одержані результати можуть бути використання при інтерпретації термодинамічних властивостей сплавів.

Особистий внесок автора Результати, що представлені та опубліковані у співавторстві, отримані при безпосередній участі автора на усіх етапах роботи.

Особистий внесок автора в роботи [1], [2], що ввійшли до складу дисертації, полягає в проведенні числових досліджень впливу s-d гібридизації і ближнього впорядкування на густину електронних станів і електропровідність бінарних сплавів заміщення та обґрунтуванні причин аномально великого електроопору деяких сплавів перехідних металів.

В роботі [3] автором було досліджено електронну структуру та вивчена зміна електропровідності при дальньому впорядкуванні бінарного сплаву заміщення Fe50Ti50., зроблені розрахунки міжатомної взаємодії та енергії впорядкування сплаву нікель-хром.

В роботі [4] автором було розраховано рівноважні параметри атомного впорядкування для сплаву Fe50Ti50 та досліджений мікроскопічний механізм стабільності інтерметалідної фази.

В роботах [5], [6] автором на основі методу кластерного розкладу для термодинамічного потенціалу системи електронів і фононів досліджено внесок електрон-фононної взаємодії в електронну структуру та параметри міжатомних кореляцій сплаву. Автором отримано вираз для масового оператора електрон-фононної взаємодії. Розраховано електронну структуру, вільну енергію та параметри атомного впорядкування сплавів перехідних металів еквіатомного складу NiTi, CoTi та FeCr та досліджено структурно-фазові переходи. Зроблена оцінка впливу електрон-фононної взаємодії на енергетичний спектр електронів. Проаналізована температурна залежність опору кристалічної гратки при врахуванні електрон-фононної взаємодії.

Виконання числових розрахунків на ЕОМ за розробленими автором програмами, написання наукових статей по темі дисертації, інтерпретація та узагальнення результатів, підготовка доповідей наукових конференцій та їх тез виконана або з безпосередньою участю автора, або ним особисто.

Апробація результатів дисертації Основні положення та результати дисертаційної роботи доповідались та обговорювались на:

? A.A. Smirnov Memorial Symposium “Atomic Order in Alloys” (Kиїв, 1998);

? Міжнародна Конференція “Структурные основы модификации материалов методами нетрадиционных технологий (МНТ-7)” ( Обнінск, 2003);

? Міжнародна Конференція "Functional Materials" (Крим, Україна, 2003);

? доповіді на наукових семінарах Київського національного університету імені Тараса Шевченка та Національного аграрного університету.

Публікації За матеріалами дисертаційної роботи опубліковано 9 наукових праць, з них 6 - статті у фахових журналах і 3 тези доповідей на симпозіумах та міжнародних конференціях.

Об'єм та структура роботи Дисертаційна робота складається з вступу, чотирьох розділів, висновків та списку використаних джерел, що містить 200 посилань. Робота викладена на 136 сторінках, включаючи 37 рисунків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми, сформульовані мета роботи, наукова новизна і практична цінність.

В першому розділі проаналізований сучасний стан мікроскопічної теорії термодинамічних властивостей сплавів. Наведено огляд наукових робіт, що присвячені вивченню фізичних властивостей невпорядкованих систем за допомогою методу функцій Гріна, а саме: одновузлових наближень та їх кластерних узагальнень. Детально викладено метод виходу за рамки одновузлового наближення, що базується на кластерному розкладі для усередненої по конфігураціях повної Т-матриці розсіяння. Розглянуто узагальнення зазначеного методу на випадок багатьох зон. Проаналізований малий параметр такого узагальнення кластерного розкладу та область збіжності даного підходу. В багатозонній моделі наводяться вирази для густини електронних станів та електропровідності бінарних сплавів та аналізуються отримані в співавторстві на їх основі результати по впливу міжатомних кореляцій та далекого порядку на енергетичний спектр та електропровідність бінарних сплавів.

В другому розділі викладається кластерний розклад для двочасових запізнюючих функцій Гріна та термодинамічного потенціалу невпорядкованого кристалу з урахуванням електрон-фононної та електрон-електронної взаємодії. Електронні стани системи описані в багатозонній моделі сильного зв'язку. Викладені результати грунтуються на діаграмній техніці для температурних функцій Гріна. За нульове одновузлове наближення в цьому методі кластерного розкладу було вибране наближення когерентного потенціалу.

Використовуючи теорему Віка, для обчислення температурних функцій Гріна невпорядкованого кристала можна побудувати діаграмну техніку (розвинута в роботах Репецького С.П.), аналогічну діаграмній техніці, представленій в роботах Абрикосова А.А., Горькова Л.П., Дзялошинського І.Є., для однорідної системи. Виконуючи перетворення Фурьє і використовуючи відомі співвідношення між спектральними представленнями температурної і часової функцій Гріна, шляхом аналітичного продовження на дійсну вісь отримаємо систему рівнянь для запізнюючих функцій Гріна (- одночастинкова функція Гріна для підсистеми електронів; , - відповідно функції Гріна “зміщення-зміщення” та “імпульс-імпульс” для підсистеми фононів)

Явні вирази для масових операторів функцій Гріна, що описують багаточастинкову взаємодію в системі, можна отримати, скориставшись діаграмною технікою.

В третьому розділі чисельно досліджуються процеси упорядкування на енергетичному спектрі електронів сплавів та з'ясовується ступінь та характер впливу електрон-фононної взаємодії.

Дослідження проводилось на прикладі сплавів FeTi, NiTi, CoTi та FeCr стехіометричного складу. Показано що, якщо рівень Фермі знаходиться в області енергетичної квазіщілини, електрон-фононна взаємодія призводить до ефекту "замиття" енергетичної щілини, що повністю узгоджується з виконаними в однозонній моделі аналітичними оцінками в роботах Репецького С.П. Крім цього, врахування міжатомних кореляцій призводить до посилення цього ефекту. На прикладі зазначених систем чисельно показана можливість застосування отриманих результатів для опису впливу електрон-фононної взаємодії на електронну структуру та властивості сплавів на основі перехідних металів з вузькими енергетичними зонами.

На основі отриманого виразу для масового оператора електрон-фононної взаємодії (11) запропоновано новий метод розрахунку температурної залежності електроопору сплаву.

Як відомо, електроопір сплаву пропорційний уявній частині масового оператора. Використовуючи цей факт, в роботі проаналізована температурна залежність опору невпорядкованого сплаву при врахуванні електрон-фононної взаємодії. Так, відомо, що при низьких температурах опір гратки пропорційний . При високих температурах опір пропорційний першій степені температури. Як показують числові розрахунки, отриманий автором вираз для масового оператора електрон-фононної взаємодії (формула (11)), дає можливість описувати температурну поведінку опору гратки у всьому діапазоні температур.

В четвертому розділі досліджуються фазові переходи порядок-безлад сплавів перехідних металів. Проаналізована електронна структура та умови стабільності інтерметалідних фаз FeTi, NiTi, CoTi стехіометричного складу. Досліджений вплив електрон-фононної взаємодії та міжатомних кореляцій у сплаві Fe50Cr50 та обгрунтована область існування впорядкованої фази зазначеного сплаву.

На рис.1 представлені результати розрахунків рівноважних значень густини електронних станів для сплаву Ni50Ti50 при температурі 1000 К. Суцільними і пунктирними кривими позначені розрахунки з урахуванням і без врахування електрон-фононної взаємодії. Відповідні температурні залежності міжатомних кореляцій наведені на рис. 2. Наведені на рис. 2 результати температурної залежності параметрів далекого порядку (рис. 2,а) та міжатомних кореляцій (рис. 2,б - параметр на першій координаційній сфері, рис.2,в - на другій координаційній сфері) для Ni50Ti50 показують, що в інтервалі температур 1300-1500 К здійснюється фазовий перехід порядок-безлад. Цей факт добре узгоджується з експериментальними даними. Як видно з рис. 2,в біля температури переходу порядок-безлад, відбувається зміна знаку параметра міжатомних кореляцій на другій координаційній сфері

(з "+" на "-" ), що пов'язане із зміною типу близького впорядкування. Необхідно відмітити, що врахування електрон-фононної взаємодії призводить до помітного збільшення цієї тенденції.

Аналогічні розрахунки для сплаву Co50Ti50 показали, що він включно до температури 1600 К знаходиться в упорядкованому стані. А фазовий перехід порядок-безлад сплаву Fe50Ti50 відбувається поблизу температури 1500 К. Розраховані температури структурного переходу порядок-безлад для сплавів Ni50Ti50, Co50Ti50 та Fe50Ti50, як свідчать експериментальні дані, відповідають температурам плавлення. Така поведінка цих систем обумовлена тим, що в енергетичному спектрі електронів при атомному впорядкуванні сплавів Fe-Ti, Ni-Ti та Co-Ti виникає квазіщілина, положення якої знаходиться в області енергій, що відповідають краю зони Бріллюена повністю впорядкованого сплаву. Рівень Фермі потрапляє в зазначену область енергій, що призводить до зменшення вільної енергії в результаті виникнення квазіщілини при атомному впорядкуванні та робить атомне впорядкування цих сплавів енергетично вигідним. Отже, стабільність впорядкованих інтерметалідних фаз зумовлена положенням рівня Фермі по відношенню до квазіщілини в енергетичному спектрі електронів Fe-Ti, Ni-Ti та Co-Ti, що виникає при впорядкуванні сплавів

Результати розрахунків рівноважних значень густини електронних станів для сплаву Fe50Cr50 при температурах 500 К , 1000 К та 1500 К . Суцільними і пунктирними кривими позначені розрахунки з урахуванням і без врахування електрон-фононної взаємодії. Як показують розрахунки, при температурах нижче 500 К рівень Фермі знаходиться на правому схилі виникаючої при впорядкуванні квазіщілини на енергетичній залежності густини електронних станів. Із збільшенням температури суттєву роль починає відігравати електрон-фононна взаємодія, яка зсуває положення рівня Фермі до середини квазіщілини. З подальшим збільшенням температури рівень Фермі знову починає зсуватися на правий схил зазначеної квазіщілини і вище температури 1500 K займає стійке положення на правому схилі.

Числові результати розрахунку температурної залежності параметрів далекого порядку та міжатомних кореляцій Як відомо з експериментальних даних, поблизу стехіометричного складу компонентів

(Fe - 48.50%, Cr - 51.50%) в інтервалі температур 793-1093 К існує впорядкована фаза. Нижче температури 793К існує -фаза, вище 1093 К - -фаза. Отримані результати розрахунків (рипідтверджують існування в інтервалі температур 600-1300 К впорядкованої фази, а нижче та вище вказаного інтервалу - розупорядкованої фази. Як було показано, при близькому впорядкуванні сплаву на кривій енергетичної залежності густини електронних станів є характерні провали, які пов'язані з виникненням квазіщілин при встановленні далекого порядку. Із збільшенням степені впорядкування, розщеплення енергетичного спектру посилюється. Природа існування впорядкованої і невпорядкованої фаз сплаву Fe50Cr50 пов'язана з положенням рівня Фермі в енергетичному спектрі електронів по відношенню до квазіщілини, що виникає при впорядкуванні. При температурах нижче 500 К рівень Фермі знаходиться на правому схилі виникаючої квазіщілини. Це призводить до того, що термодинамічно вигідно розупорядкування сплаву, при якому квазіщілина замивається і, як наслідок, вільна енергія знижується.

Із збільшенням температури суттєву роль починає відігравати електрон-фононна взаємодія, яка зсуває положення рівня Фермі до середини квазіщілини (рис 3,б), що робить впорядкування термодинамічно вигідним. З подальшим збільшенням температури домінуючу роль відіграє ентропійний член вільної енергії, який і зумовлює перехід в разупорядковану фазу при температурі фазового переходу 1500 K.

Отримані результати показують можливість застосування даного методу для опису електронних станів та впливу електрон-фононної взаємодії на рівноважні властивості сплавів перехідних металів. Потрібно зауважити, що ці результати не можуть бути застосовані для опису критичної області температур поблизу фазового переходу порядок-безлад, так як враховані тільки парні міжатомні кореляції. Опис цієї області, як відомо, вимагає врахування багаточастинкових кореляцій. Використаний в роботі метод кластерного розкладу дозволяє враховувати багаточастинкові кореляції, проте це може бути предметом подальших досліджень.

У висновках сформульовано основні результати дисертаційної роботи.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ І ВИСНОВКИ

На основі методу кластерного розкладу для термодинамічного потенціалу системи електронів і фононів досліджено внесок електрон-фононної взаємодії в електронну структуру та параметри міжатомних кореляцій сплаву. Врахування електрон-фононної взаємодії призводить до ефекту "замиття" квазіщілини в електронному спектрі сплавів що впорядковуються. "Замиття" квазіщілини зростає з підвищенням температури.

На основі отриманого виразу для масового оператора електрон-фононної взаємодії запропоновано новий метод розрахунку температурної залежності електроопору сплаву.

В енергетичному спектрі електронів при атомному впорядкуванні сплавів Fe-Ti, Ni-Ti та

Co-Ti виникає квазіщілина, положення якої знаходиться в області енергій, що відповідають краю зони Бріллюена повністю впорядкованого сплаву. Рівень Фермі потрапляє в зазначену область енергій, що призводить до зменшення вільної енергії в результаті виникнення квазіщілини при атомному впорядкуванні та робить атомне впорядкування цих сплавів енергетично вигідним. Стабільність впорядкованих інтерметалідних фаз зумовлена положенням рівня Фермі по відношенню до квазіщілини в енергетичному спектрі електронів Fe-Ti, Ni-Ti та Co-Ti що виникає при впорядкуванні сплавів.

Електрон-фононна взаємодія в сплаві Fe-Cr при зростанні температури призводить до зсуву рівня Фермі всередину квазіщілини в енергетичному спектрі електронів що виникає при атомному впорядкуванні, та робить впорядкування фази Fe-Cr в області температур 600-1300К енергетично вигідною. Цей результат дає пояснення причини виникнення впорядкованої фази Fe-Cr та підтверджує існуючі в літературі експериментальні дані.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ДИСЕРТАЦІЇ ВИКЛАДЕНІ В РОБОТАХ

Кулиш Н.П., Макара В.А., Репецкий С.П., Лень Е.Г., Годлевская О.А. "Влияние s-d-гибридизации на электропроводность сплавов переходных металлов" // Металлофизика и новейшие технологии. 1996. Т.18. N12. С. 13-20.

Кулиш Н.П., Макара В.А., Репецкий С.П., Лень Е.Г., Годлевская О.А. "Влияние формирования ближнего порядка на электропроводность сплавов переходных металлов" // ФММ. 1997. N4. С. 51-66.

Годлевська О.О., Плющай І.В., Репецький С.П. "Електронна структура та властивості сплаву FeTi" // Вісник КУ, серія фіз.-мат.наук. 1997. №4. С. 331-341.

Repetsky S.P., Kulish N.P., Borisov A.D., Godlevskaya O.A. "The Electronic Structure and Atomic Ordering in Fe-Ti Alloy" //Металлофиз. новейшие технол. 1999. Т.21, N11. С.13-18.

Репецкий С.П., Шатний Т.Д., Годлевская О.А. "Влияние электрон-фононного взаимодействия на электронную структуру и атомное упорядочение" //Металлофиз. Новейшие технол. 2003. Т.25. N4. с.417-430.

Репецький С.П., Шатній Т.Д., Годлевська О.О. "Електрон-фононна взаємодія та параметри міжатомних кореляцій" // Вісник КУ, серія фіз.-мат.наук. 2003. №1. С. 406-415.

АНОТАЦІЯ

Годлевська О.О. Електронна структура та умови існування впорядкованих фаз сплавів перехідних металів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.07 - фізика твердого тіла, Київський національний університет імені Тараса Шевченка, Київ, 2004.

Дисертаційна робота присвячена з'ясуванню ролі міжатомних кореляцій та впливу електрон-фононної взаємодії у структурно-фазових перетвореннях сплавів на основі перехідних металів з вузькими d-зонами. В роботі на основі методу кластерного розкладу для термодинамічного потенціалу системи електронів і фононів досліджено внесок електрон-фононної взаємодії в електронну структуру та параметри міжатомних кореляцій сплаву. На основі отриманого виразу для масового оператора електрон-фононної взаємодії запропоновано новий метод розрахунку температурної залежності електроопору сплаву. З урахуванням електрон-фононної взаємодії проаналізована електронна структура та умови стабільності інтерметалідних фаз FeTi, NiTi, CoTi стехіометричного складу. Досліджений вплив електрон-фононної взаємодії та міжатомних кореляцій у сплаві Fe50Cr50 та обґрунтована область існування впорядкованої фази зазначеного сплаву.

Ключові слова: кластерний розклад, температурна функція Гріна, електрон-фононна взаємодія, термодинамічний потенціал, перехід порядок-безлад

АННОТАЦИЯ

Годлевская О.А. Электронная структура и условия существования упорядоченных фаз сплавов переходных металлов. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.07 - физика твердого тела, Киевский национальный университет имени Тараса Шевченко, Киев, 2004.

Диссертационная работа посвящена изучению роли межатомных корреляций и влиянию электрон-фононного взаимодействия при структурно-фазовых превращениях сплавов на основе переходных металлов с узкими d-зонами.

В работе изложено кластерное разложение для двухвременных запаздывающих функций Грина и термодинамического потенциала неупорядоченного кристалла с учетом электрон-фононного взаимодействия. На основе метода кластерного разложения для термодинамического потенциала системы электронов и фононов исследовано вклад электрон-фононного взаимодействия в электронную структуру и параметры межатомных корреляций сплава.

Численно исследованы процессы упорядочения и выяснена степень и характер влияния электрон-фононного взаимодействия на энергетический спектр электронов сплавов. Показано, что если уровень Ферми находится в области энергетической квазищели, электрон-фононное взаимодействие приводит к эффекту "замытия" энергетической щели. Кроме этого, учет межатомных корреляций приводит к усилению этого эффекта.

На основе полученного автором выражения для массового оператора электрон-фононного взаимодействия предложен новый метод расчета температурной зависимости электросопротивления сплава.

Исследован фазовый переход порядок-беспорядок сплавов переходных металлов. Проанализирована электронная структура и условия стабильности интерметаллидных фаз FeTi, NiTi, CoTi стехиометрического состава. Так, в энергетическом спектре электронов при атомном упорядочении сплавов Fe-Ti, Ni-Ti и Co-Ti возникает квазищель, положение которой находится в области энергий соответствующих краю зоны Бриллюэна полностью упорядоченного сплава. Уровень Ферми попадает в указанную область энергий, что и приводит к уменьшению свободной энергии в результате возникновения квазищели при атомном упорядочении и делает атомное упорядочение этих сплавов энергетически выгодным. Таким образом, стабильность упорядоченных интерметаллидных фаз обусловлена положением уровня Ферми по отношению к возникающей при упорядочении квазищели в энергетическом спектре электронов Fe-Ti, Ni-Ti и Co-Ti.

Исследование влияния электрон-фононного взаимодействия и межатомных корреляций в сплаве Fe50Cr50, позволило объяснить область существования упорядоченной фазы указанного сплава. Электрон-фононное взаимодействие в сплаве Fe-Cr при увеличении температуры приводит к сдвигу уровня Ферми к середине возникающей в энергетическом спектре электронов при атомном упорядочении квазищели и делает упорядочение ?-фазы Fe-Cr в области температур 600-1300К энергетически выгодным. Этот результат объясняет причины возникновения упорядоченной ?-фазы Fe-Cr и подтверждает существующие экспериментальные данные.

Ключевые слова: кластерное разложение, температурная функция Грина, электрон-фононное взаимодействие, термодинамический потенциал, переход порядок-беспорядок

ABSTRACT

Godlevska O.O. Electronic structure and conditions of ordered phases existence of alloys transitional metal. - Manuscript.

Thesis for the degree of Doctor of Philosophy (Candidate of Physics and Mathematics) on speciality 01.04.07 - solid state physics. - Kyiv National Taras Shevchenko University, Kyiv, 2004.

The thesis is devoted to the study the role of inter-atomic correlations and influence of electron-phonon interactions in structural-phase transformation of alloys based on transitional metals with narrow d-band. The influence of electron-phonon interaction on the electronic structure and inter-atomic correlation parameters were investigated by the method based on cluster expansion for thermodynamic potential of electrons and phonons. New formula for operator electron-phonon interaction was obtained. A method of calculating temperature dependence of alloy electrical resistivity based on the formula for operator electron-phonon interaction was suggested. To take into account the electron-phonon interaction, the electronic structure and conditions of stability of intermetallide phases FeTi, NiTi, CoTi stochiometric composition was analyzed. The influence of electron-phonon interactions and interatomic correlations in the Fe50Cr50 alloy is explored and the area of existence of ordered phase of the mentioned alloy was reasoned. сплав фазовий перетворення перехідний метал

Keywords: cluster expansion, Green's temperature function, electron-phonon interactions, thermodynamic potential, order-disorder transition

Размещено на Allbest.ru