WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика твердого тела, 2003, том 45, вып. 1 Теплопроводность кристаллического хризотилового асбеста © Ю.А. Кумзеров, Л.С. Парфеньева, И.А. Смирнов, Х. Мисиорек, Я. Муха, А. Ежовский Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия Институт низких температур и структурных исследований Польской академии наук, 50-950 Вроцлав, Польша E-mail: Igor.Smirnov@pop.ioffe.rssi.ru (Поступила в Редакцию 9 апреля 2002 г.) В интервале температур 5-300 K измерена теплопроводность кристаллического хризотилового асбеста, состоящего из полых трубчатых волокон Mg3Si2O5(OH)4. Обсуждается возможность использования этого материала в качестве диэлектрической матрицы для исследования теплопроводности тонких нитей, образующихся при введении металлов или полупроводников в каналы „трубок“ кристаллического хризотилового асбеста.

Работа выполнена в рамках соглашения между Российской и Польской академиями наук при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 02-02-17657).

В последние годы с целью создания и изучения фун- дующие параметры: a = 5.30, b = 9.10, c = 7.32, даментальных физических свойств новых материалов = 93 [14]. Ось a направлена вдоль каналов трубок для современной техники и наноэлектроники в веду- (рис. 1, d). Упаковка самих трубок близка к гексагональщих лабораториях Европы, США и Японии начали ной [2].

широко проводиться исследования физических свойств Пористость хризотилового асбеста (отношение обънебольших частиц металлов и полупроводников в виде ема пустот каналов к общему объему образца) составлякластеров, кластерных кристаллов, сверхтонких нитей ет 5-6% [2]. Прямое наблюдение пористой структуры и нанокомпозитов [1,2]. хризотилового асбеста с помощью электронной микроКак правило, исследование физических свойств этих скопии было проведено в [14].

объектов в свободном состоянии не представляется Внутренние каналы трубок хризотилового асбеста возможным. Для этого их вводят в нанопоры или тонкие могут заполняться под давлением расплавами Hg, Sn, каналы различных диэлектрических пористых матриц: Bi, In, Pb, Se, Te [2,15] и образовывать регулярные сипористых стекол, цеолитов, опалов, асбестов. стемы ультратонких параллельных нитей, которые из-за В настоящей работе нас будет интересовать диэлек- большого расстояния между ними не взаимодействуют трическая матрица кристаллического хризотилового ас- друг с другом. В первом приближении их можно считать беста. аналогами квантовых проволок.

Хризотиловый асбест — волокнистый минерал груп- За последние годы было проведено большое число пы серпентина, водный силикат магния Mg3Si2O5(OH)4, исследований физических свойств таких тонких нитей отвечающий следующему химическому составу, который металлов и полупроводников, расположенных в каналах может варьироваться в зависимости от того или иного трубок хризотилового асбеста. Исследовалось влияние месторождения: SiO2 37-44%, MgO 39-44%, H2O размеров каналов на температуру сверхпроводящего пе(связанная вода) 12-15%. В качестве премесей в нем рехода, температуры плавления и затвердевания, вольтмогут присутствовать Fe, Al, Ca, Ni, Mn, Na. амперные характеристики, электросопротивление, теплоемкость и другие свойства материалов, введенных Хризотиловый асбест имеет очень инетерсную в хризотиловый асбест (см., например, [16–24]).

нестандартную кристаллическую структуру. Он состоит из структурных слоев, которые ограничены с внутрен- Физика металлических и полупроводниковых систем, ней стороны кремнекислородной сеткой, а с внеш- близких к одномерным, вызвала большой интерес у исней — сеткой, отвечающей гидроокиси магния [2–5] следователей прежде всего потому, что такие объекты (рис. 1, a). Поскольку размеры внутренней сетки мень- обладают свойствами, принципиально отличающимися ше, чем внешней, слои хризотилового асбеста стремятся от свойств массивных материалов [1,2].

свернуться в цилиндры (трубки) с кремнекислородным В последние годы появился интерес (в первую очередь слоем на внутренней стороне. Такие трубки имеют у теоретиков) и к изучению поведения теплопроводновнешние диаметры d1 300-500 и внутренние диа- сти ( ) сверхтонких нитей (квантовых проволок). Однаметры d2 20-150 [2,4] (рис. 1, b, c). Пространство ко экспериментальные данные о величине металлов между трубками (обозначенное цифрой 1 на рис. 1, b) и полупроводников, введенных в каналы асбестов, в лиобычно бывает заполнено аморфной массой материала тературе отсутствуют. Нет сведений и о теплопроводтрубок. В целом кристаллическая решетка слоев асбеста ности (для широкой области температур) кристалличеотносится к моноклинной системе [4,6–14] и имеет сле- ского хризотилового асбеста. Поэтому цель настоящей Теплопроводность кристаллического хризотилового асбеста Перед измерением для удаления возможной воды из каналов трубок образец отжигался на воздухе при температуре 150C. При этой температуре потерь „связанной воды“ в образце не происходило [25]. После отжига на торцы образца наносился тонкий слой лака, который препятствовал проникновению атмосферной влаги в каналы трубок асбеста при монтаже образца в измерительной установке. Измерение теплопроводности асбеста проводилось в интервале температур 5-300 K на установке, аналогичной использованной в [26].

Полученные экспериментальные результаты для кристаллического хризотилового асбеста представлены на рис. 2. Хризотиловый асбест является изолятором, поэтому измеренная в эксперименте является теплопроводностью кристаллической решетки ( = ).

ph ph Необходимо отметить две особенности, обнаруженные на зависимости (T ) хризотилового асбеста:

1) наличие максимума теплопроводности при достаточно высокой температуре ( 150 K), 2) относительно небольшую величину при низких температурах (T 20-30 K).

На рис. 3 для сравнения с полученными нами значениями кристаллического хризотилового асбеста (кривая 1) приведены литературные данные для ph монокристаллов MgO [27] (кривая 2) и SiO2 [28] (кривая 3) (основных „составляющих“ хризотилового асбеста Mg3Si2O5(OH)4), а также данные для теплопроводности волокнистого асбеста (асбестовой ваты) [29] Рис. 1. a) Кристаллические слои, образующие структуру волокон хризотилового асбеста [5]. b) Система плотно упакованных трубчатых волокон хризотилового асбеста [2]: 1 —пространство между трубками асбеста. c) Схематическое изображение разреза трубчатых волокон хризотилового асбеста [2].

d) Диаграмма, иллюстрирующая характер расположения осей элементарной ячейки хризотилового асбеста по отношению к изогнутым слоям структуры [4].

работы состояла в определении величины теплопроводности кристаллического хризотилового асбеста в интервале температур 5-300 K и оценке возможности использования его в качестве диэлектрической матрицы — контейнера для исследования тонких нитей металлов и полупроводников, расположенных в наноканалах его трубок.

Для измерения теплопроводности был использован образец натурального „ломкого“ хризотилового асбеста из узбекистанского месторождения. Размер образца соРис. 2. Зависимость теплопроводности кристаллического христавлял 5.5 6.5 12 mm. Внутренние и внешние диа- зотилового асбеста от температуры. Тепловой поток направ метры трубок в нем были равны d2 50 A и d1 = 300. лялся вдоль трубок асбеста (вдоль направления a).

Физика твердого тела, 2003, том 45, вып. 58 Ю.А. Кумзеров, Л.С. Парфеньева, И.А. Смирнов, Х. Мисиорек, Я. Муха, А. Ежовский На рис. 4 мы провели качественное сравнение поведения для хризотилового асбеста (кривая 1) и моноph кристалла NaCl при наличии у последнего размерного эффекта, когда l = const = 100 [31] (см. кривые 3 и 4).

Там же представлены данные для монокристалла ph SiO2 [28] (кривая 2). Однако окончательно вывод об определяющей роли в зависимости (T ) размерного эффекта в кристаллическом хризотиловом асбесте можно будет сделать после того, как для него будут получены экспериментальные данные по Cv(T ) и v.

На основании сравнения полученных нами данных для зависимости (T ) кристаллического хризотилового асбеста с имеющимися в литературе данными для теплопроводности чистых металлов и некоторых полупроводников [28] мы предположили, что кристаллический хризотиловый асбест можно использовать в достаточно широкой области температур (там, где величина асбеста на несколько порядков меньше материалов наполнителей) в качестве диэлектрической матрицы для исследования теплопроводности тонких нитей металлов и полупроводников, введенных в каналы его трубок.

Подтвердится ли это предположение, покажут дальнейшие эксперименты, которые начаты в наших лабораториях.

Рис. 3. Зависимость теплопроводности от температуры кристаллического хризотилового асбеста (1), монокристаллов MgO [27] (2), SiO2 (в направлении оси c) [28] (3) и волокнистого асбеста (асбестовой ваты) [29] (4). 5 — теплопроводность кристаллического хризотилового асбеста с учетом пористости образца. Вертикальными штриховыми линиями на кривых отмечена температура максимума соответствующих материалов.

(кривая 4). Кривая 5 получена на основании данных для кристаллического хризотилового асбеста, рассчитанных по формуле из работы [30], учитывающей пористость исследованного нами образца, которая была равна 5%.

Появление максимума на зависимости (T ) кристаллического хризотилового асбеста при достаточно высоких температурах по сравнению, например, с монокристаллами MgO и SiO2 (рис. 3) можно качественно объяснить за счет размерного эффекта, когда длина свободного пробега фононов становится сравнимой с толщиной стенки трубки асбеста. Для исследованного нами образца эта толщина равна 100-125. К сожалению, нам не удалось найти в литературе данных для скорости звука v и теплоемкости Cv(T ) для кристаллического хризотилового асбеста, поэтому мы не смогли рассчитать длину свободного пробега l для этого материала по известной формуле Рис. 4. Зависимости теплопроводности от температуры кристаллического хризотилового асбеста (1), монокристаллов SiO2 [28] (2) и NaCl [28] (3), а также кристаллического NaCl 3 ph l =. (1) при l = const = 100 [31] (4).

Cvv Физика твердого тела, 2003, том 45, вып. Теплопроводность кристаллического хризотилового асбеста Список литературы [1] В.Н. Богомолов, Ю.А. Кумзеров. Препринт ФТИ им. А.Ф. Иоффе АН СССР № 971. Л. (1985). 59 с.

[2] Yu.A. Kumzerov. Nanostructured Films and Coatings / Ed.

Gan-Moog Chow, I.A. Ovid’ko, T. Tsakalakos. Nato Science Series 3. High Technology. Kluwer Academic Publ., Dordrecht–Boston–London (2000). V. 78. P. 63.

[3] В.В. Бехтерев, В.И. Соломонов. Неорган. материалы 31, 4, 567 (1995).

[4] У.Л. Брэгг, Г.Ф. Кларингбулл. Кристаллическая структура минералов. Мир, М. (1967). 389 с.

[5] В.Н. Богомолов. УФН 124, 1, 171 (1978).

[6] B.E. Warren, W.L. Bragg. Z. Kristallogr. 76, 201 (1930).

[7] B.E. Warren, K.W. Herring. Phys. Rev. 59, 925 (1941).

[8] E. Aruya. Mineral. Mag. 27, 188 (1945).

[9] N.N. Padurow. Acta Cryst. 3, 200 (1950).

[10] E.J.W. Whittaker. Acta Cryst. 9, 855 (1956).

[11] G.W. Brindley. X-ray identification of crystal structures of clay minerals. Mineralogical Society, London (1952). Ch. 2.

[12] H. Jagodzinski, G. Kunze. Die Rollschenstruktur des chrysolite, Neues Janbuch fr Mineraologie (1954). P. 134.

[13] J.E.W. Whittaker, J. Zussmann. Mineral. Mag. 31, 107 (1956).

[14] K. Yada. Acta Cryst. 23, 704 (1967).

[15] В.Н. Богомолов. ФТТ 13, 3, 815 (1971).

[16] В.Н. Богомолов, В.К. Кривошеев, Ю.А. Кумзеров. ФТТ 13, 5, 3720 (1971).

[17] В.Н. Богомолов, В.К. Кривошеев. ФТТ 14, 4, 1238 (1972).

[18] В.Н. Богомолов, Ю.А. Кумзеров. Письма в ЖЭТФ 21, 7, 434 (1975).

[19] V.N. Bogomolov, E.V. Kolla, Yu.A. Kumzerov, N.M. Okuneva, V.N. Prigodin. Solid State Commun. 35, 4, 363 (1980).

[20] В.Н. Богомолов, Б.Е. Квятковский, Е.В. Колла, С.А. Ктиторов, Ю.А. Кумзеров, Н.М. Окунева. ФТТ 23, 7, (1981).

[21] В.Н. Богомолов, Ю.А. Кумзеров, В.А. Пименов. ФТТ 23, 8, 2506 (1981).

[22] V.N. Bogomolov, E.V. Kolla, Yu.A. Kumzerov. Solid State Commun. 46, 2, 159 (1983).

[23] V.N. Bogomolov, E.V. Kolla, Yu.A. Kumzerov. Solid State Commun. 46, 5, 383 (1983).

[24] В.Н. Богомолов, К.В. Колла, Ю.А. Кумзеров. Письма в ЖЭТФ 41, 1, 28 (1985).

[25] Л.А. Дробышев, Я.Я. Говорова. Кристаллография 16, 3, 544 (1971).

[26] A. Jezowski, J. Mucha, G. Pompe. J. Phys. D: Appl. Phys. 7, 1247 (1974).

[27] I.P. Morton, M.F. Lewis. Phys. Rev. B 3, 2, 552 (1971).

[28] Теплопроводность твердых тел. Справочник / Под ред.

Ф.С. Охотина. Энергоатомиздат, М. (1984). 320 с.

[29] Теплофизические свойства материалов при низких температурах. Справочник. Машиностроение, М. (1982). 216 с.

[30] Е.Я. Литовский. Изв. АН СССР. Неоргран. материалы 16, 3, 559 (1980).

[31] В.Н. Богомолов, Н.Ф. Картенко, Д.А. Курдюков, Л.С. Парфеньева, А.А. Сысоева, Н.В. Шаренкова, И.А. Смирнов, Х. Мисерек, Я. Муха, А. Ежовский. ФТТ 41, 2, 348 (1999).




© 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.