WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |
Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. 7 05;12 Металлизация селена при ударном сжатии © С.Д. Гилев Институт гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН, 630090 Новосибирск, Россия e-mail: gilev@hydro.nsc.ru (Поcтупило в Редакцию 18 ноября 2005 г.) С целью исследования фазовых переходов в селене поставлены разрешенные во времени измерения электропроводности при ударном сжатии до 32 GPa. Найденная зависимость электропроводности от давления (P) включает два участка: резкий рост (P < 21 GPa) и „плато“ (P > 21 GPa). Полученные экспериментальные данные вместе с оценками температуры показывают, что при P < 21 GPa селен находится в полупроводниковом состоянии. В полупроводниковом селене ширина энергетической щели существенно уменьшается при сжатии. При давлении P > 21 GPa электропроводность демонстрирует насыщение на уровне 104 -1 · cm-1. Столь высокая электропроводность свидетельствует об эффективной металлизации ударно-сжатого селена. Эксперименты с образцами различной начальной плотности выявляют влияние температуры на фазовый переход. Так, порошковый селен металлизуется при меньшем ударном давлении, чем сплошной. Сопоставление оценок температуры с фазовой диаграммой селена указывает, что порошковый селен металлизуется в ударной волне в результате плавления. Вероятными механизмами ударно-волновой металлизации сплошного селена являются плавление или твердофазный переход. Металлическая фаза возникает при ударном сжатии без заметной временной задержки. В то же время снятие давления сопровождается временным сохранением металлической фазы и задержкой обратного перехода PACS: 81.40.Vw, 42.62.-b Введение приводит к существенному изменению термодинамических свойств аморфного образца [7,8]. Все это создает В 1930-х гг. на основе зонной теории твердых тел трудности при постановке и проведении исследований.

было предсказано явление металлизации диэлектриков Основные научные результаты изучения металлизации при сильном сжатии. В начале 1960-х гг. металлизаселена получены в условиях статического сжатия [9–30].

ция была обнаружена экспериментально для большого Их можно обобщить следующим образом.

класса полупроводников при статическом сжатии [1–4].

Аморфный и моноклинный селен при давлении окоВ условиях ударного сжатия металлический переход ло 13 GPa испытывает переход в фазу высокого давлеидентифицирован на основе анализа особенностей ударния, что диагностируется при помощи методов элекных адиабат в середине 1960-х гг. [5], однако первые тросопротивления, рентгеновской дифракции и отрапрямые наблюдения металлизации относятся к конжения света [10,12,13,15–17,19–22,24,27,28,30]. Селен цу 1970-х гг. [6].

в фазе высокого давления демонстрирует отчетливо На протяжении нескольких последних десятилетий выраженные металлические свойства [11,23,30], обламеталлизация является предметом пристального изучедает сверхпроводимостью [13,17] и имеет моноклинния в физике высоких давлений и высоких плотностей ную структуру [28]. Вместе с тем металлическая фаза энергии. Причина интереса обусловлена универсальным оказывается нестабильной и при достаточно большой характером металлического состояния, которое должвыдержке под давлением самопроизвольно трансфорно достигаться при достаточно сильном сжатии всех мируется в полупроводниковую фазу [15–17,20,22,28].

веществ. Основные научные проблемы, возникающие Протекание этих переходов существенно зависит от при изучении металлизации (и вообще фазовых перетемпературы, времени выдержки образца и динамики ходов) при высоком давлении, состоят в нахождении роста давления [21,22,28]. Дальнейшее сжатие образца механизмов, динамики, порога перехода и характеристик приводит к появлению при давлении около 20 GPa станового состояния вещества. Вследствие недостаточного бильной металлической фазы, имеющей моноклинную развития теоретических подходов и сложности явления в структуру [28].

настоящее время основным методом изучения подобных Тригональный селен переходит при давлении переходов является эксперимент.

P 14 GPa в другую полупроводящую фазу Особое внимание уделяется исследованию элементар[14,15,22,27,28]. При дальнейшем сжатии полупроных полупроводников. Пожалуй, наиболее изучены на сегодняшний день кремний и германий. Меньшее вни- водящая фаза переходит в объемно-центрированную моноклинную металлическую фазу (давление около мание исследователей привлекал селен. Свойства селена существенно зависят от фазы, степени чистоты, техно- 23 GPa) [22,27,28]. При повышении давления селен логии приготовления, температурной истории образца сохраняет свои металлические свойства и испытывает и условий кристаллизации [7]. Уже небольшой нагрев ряд последовательных превращений, сопровождающихся 42 С.Д. Гилев повышением симметрии кристаллической структуры основные параметры металлического состояния селе(переходы при 28, 60, 140 GPa) [27]. на Каковы возможные механизмы перехода ПостаНа сегодняшний день фазовая диаграмма селена при новка этих проблем, помимо фундаментальной важновысоком давлении не установлена. Диаграмма построена сти данных о состоянии вещества при высоких плотдля области плавления (температура около 1000 K, дав- ностях энергии, обусловлена рядом приложений, где ление до 10 GPa), где обнаружен переход полупровод- необходимо знать свойства ударно-сжатого вещества.

ник-металл в расплаве [25,26]. Положение границы Среди таких приложений можно отметить новые метвердофазного металлического перехода неопределенно. тоды ударно-волновой диагностики [31,35], применение Вместе с тем имеются данные о сильном влиянии ударно-индуцированных волн проводимости для генератемпературы на металлический переход [21]. ции сверхсильных магнитных полей [36–38], управление В условиях динамического сжатия поведение селе- потоками электромагнитной энергии [38] и создания на исследовалось в работах [31–34]. В [31] металли- мощных импульсов электромагнитного излучения [39].

ческий переход селена предложено использовать для В качестве основного метода исследования в настоядиагностики ударных волн. Ударная волна неизвестной щей работе используется метод электропроводности. По интенсивности пересекала тонкую селеновую пленку нашему мнению, это наиболее прямой и информативный и производила включение тока 10 mA, создаваемого метод, дающий возможность достаточно определенно высоковольтным источником. В [32] исследовался три- судить о состоянии вещества. При выполнении работы гональный селен после ударного нагружения в ампуле мы опирались на опыт, накопленный при исследовании сохранения. Обнаружена фаза с кубической примитив- ударно-волновой металлизации кремния [40,41], а также ной ячейкой. Внешний вид образца свидетельствовал о переходов при ударном сжатии металлических порошплавлении. ков [42].

Полноценное исследование аморфного селена проведено в [33], где построена ударная адиабата (до давлеМетодика эксперимента ния 25 GPa) и выполнены измерения удельного сопротивления. При росте давления ударной волны до 6.7 GPa Для измерения электропроводности используется электропроводность селена растет более чем на два поэлектроконтактная схема (рис. 1, a). Ток в цепи сорядка величины, что авторы объясняют температурным здается разрядом емкости C. Измерения проводятся разогревом образца. Рост электропроводности носит в максимуме тока, когда изменение тока минимально.

полупроводниковый характер и описывается постоянной Два параллельных сопротивления (Rs — сопротивлешириной энергетической щели 2.4 eV. В [34] приведение шунта, Rx — сопротивление образца) составляют ны данные измерений ударной адиабаты селена при измерительную ячейку. Выделенная пунктиром часть давлении ударной волны до 112 GPa. Ударная адиабата схемы уничтожается в эксперименте. Конструкция изне имеет явных особенностей и для области малых мерительной ячейки приведена на рис. 1,b. Шунт в виде давлений практически совпадает с [33].

константановой фольги (толщина 100-200 µs) накладыТаким образом, на сегодняшний день неизвестно, мевается на исследуемый образец и контактирует с ним таллизируется ли селен при ударном сжатии. Исследовапо всей поверхности. Плоская ударная волна входит в ния ударной сжимаемости [33,34] не выявили каких-либо ячейку сверху через диэлектрик и шунт. Регистрируется особенностей, указывающих на фазовый переход. Элекнапряжение на электродах, подключенных к шунту на трические измерения [33] ограничены относительно маповерхности раздела шунт-образец. Время регистралыми давлениями, а факт включения тока селеновой ции, как правило, ограничено распространением ударной пленкой [31] не имеет однозначной трактовки, поскольволны по образцу, хотя можно получить информацию ку, неясны параметры нагружения и свойства образца.

для более поздних времен, пока ячейка не испытывает Неизвестны давление металлизации, механизм перехода разрушения. Особенности данной ячейки обсуждались и параметры нового состояния вещества. Из опытов в [43–45].

по статическому сжатию следует, что ход превращения Технология измерений при переходе диэлектрик(полузависит от времени выдержки образца при высоком проводник)-металл в ударных волнах зависит от давлении [15–17,21,28]. При этом в образце происходят величины электропроводности исследуемого вещедлительные (от нескольких минут до часов) переходы ства [44,45]. Для относительно невысокой электропров металлическое или полупроводниковое состояние. Поводности < 103 -1 · cm-1 применимо электротехниэтому совершенно непредсказуемо поведение селена в ческое приближение. В этом случае средняя электроусловиях ударного сжатия, когда время сжатия лежит в проводность вещества может быть найдена по форнаносекундном диапазоне, а существование зоны высомуле [40]:

кого давления ограничено несколькими микросекундами.

s 1 VЦелью настоящей работы является исследование ме- = - 1, s(D - u) t V таллизации селена при ударном сжатии. Нас интересовали следующие вопросы: имеет ли место ме- где s — толщина фольги, s — удельное сопротивление таллизация селена в динамических условиях Каковы фольги, V0 — начальное напряжение, D — волновая Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. Металлизация селена при ударном сжатии разные сплошные образцы черного цвета. Плотность образцов составляла (4.0-4.2) ± 0.2g/cm3, удельное сопротивление более 108 · cm. Образцы второго вида представляли собой технический порошковый селен в состоянии поставки и имели невысокую степень чистоты. Частицы порошка имели неправильную форму и размер от долей миллиметра до миллиметра. Плотность порошка составляла 3.1g/cm3. Образцы третьего вида получались измельчением порошка технического селена и выделением фракции 20-32 µm, плотность такого порошка составляла 1.7g/cm3.

Поскольку, как известно из [7], свойства образцов селена могут значительно варьироваться, поставлены контрольные измерения теплоемкости сплошных и порошковых образцов. Измерения выполнены в институте неорганической химии им. А.В. Николаева СО РАН в интервале температур 296-328 K с помощью метода вакуумной адиабатической калориметрии. Для сплошного образца полученная зависимость теплоемкости от температуры Cp(T ) немонотонна: ниже температуры стеклования Tg 305 K теплоемкость составляет 0.34, при повышении температуры зарегистрирован максимум 0.63, при T > 310 K теплоемкость уменьшается до 0.52 J/g · degr. Для порошкового селена при T < Tg Рис. 1. Электрическая схема измерений (a) и измерительная теплоемкость C равна 0.33, при T > Tg теплоемкость ячейка электропроводности (b). Измерительная ячейка (a) p достигает значения 0.34 J/g · degr. Сравнение полученпредставлена в виде двух параллельных сопротивлений Rx и Rs. 1 — диэлектрическая пластина, 2 — тонкая константано- ных данных с [8] привело к выводу, что сплошной вая фольга (электрический шунт), 3 — исследуемое вещество, образец находится в аморфной фазе, а порошок является 4 — диэлектрик, 5 — электроды, 6 — осциллограф.

смесью тригонального ( 90% по массе) и аморфной фаз.

Нагружение измерительной ячейки производилось от скорость, u — массовая скорость. Для высокой электрозарядов конденсированных взрывчатых веществ. Для проводности > 103 -1 · cm-1 необходимо учитывать ослабления ударной волны использовались слои матескин-эффект в проводящем слое, формируемом ударной риалов, имеющие существенно разные ударные импеволной. В этом случае технология измерений основывадансы. Параметры плоской ударной волны в образцах ется на анализе электромагнитных процессов в системе рассчитывались на основании известных ударных адиашунт-образец [43] и сводится к решению обратной бат материалов. Для сплошного селена использовалась краевой задачи для уравнения диффузии магнитного ударная адиабата в виде зависимостей волновой скорополя [44,45].

сти D от массовой скорости u: D = 1.63 + 1.38u [33] Использованная схема и технология обработки дан(для скоростей D, u принята размерность km/s). Ударных эксперимента позволяет проводить измерения элекные адиабаты порошков найдены при помощи модели тропроводности с временным разрешением около 100 ns.

Оха-Персона [46]; в таком построении опорной явПрактически временное разрешение ячейки определялялась ударная адиабата сплошного селена. Ударные ется реверберацией ударной волны в шунте. Вместе адиабаты имели вид D = 1.0 + 1.4u (образцы второго с тем качественная информация о состоянии вещества вида), D = 0.36 + 1.32u (образцы третьего вида).

доступна для существенно меньших времен. Верхний При малых ударных давлениях электропроводность предел измеряемой электропроводности соответствует селена невелика. В этом случае использовалась модифилучшим металлам в нормальных условиях. Погрешность цированная измерительная ячейка. В образце параллельизмерения электропроводности существенно зависит от но направлению распространения ударного фронта расвеличины последней и составляет в настоящей работе полагались плоские контакты из медной фольги (толщидо 20%.

на 50 µm, ширина 10, расстояние 20-30 mm). Шунтом Использовались образцы селена трех видов. Образслужило сопротивление 1-20, которое располагалось цы первого вида получались плавлением селена элевне зоны действия ударной волны.

ментарного (степень чистоты 99.99%, ТУ 6-09-2521-77).

Жидкий селен заливался в полость измерительной ячей- Для записи электрических сигналов использоваки (размеры обычно 60 10 6mm3) и остывал на лись осциллографы C1-75, C9-27, Тектроникс открытом воздухе. В результате получались стеклооб- и TDS 1012.

Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. 44 С.Д. Гилев Экспериментальные результаты На рис. 2 приведены характерные записи напряжения, полученные в опытах со сплошным селеном: без ослабления ударной волны (рис. 2,a), с ударно-волновым аттенюатором, включающим дюралевую пластину (рис. 2b).

Pages:     || 2 | 3 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.