WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика твердого тела, 2006, том 48, вып. 1 Влияние размерного эффекта на колебательные и электронные свойства нанокомпозитов Cu–Pb © М.Г. Землянов, Г.Х. Панова, Г.Ф. Сырых, А.А. Шиков Российский научный центр „Курчатовский институт“, 123182 Москва, Россия E-mail: shikov@isssph.kiae.ru (Поступила в Редакцию 14 марта 2005 г.) Путем закалки из жидкого состояния на наружной поверхности вращающегося медного диска синтезированы образцы композитов из несмешиваемых в твердом состоянии элементов Cu и Pb. Методом рентгеновской дифракции установлено, что полученные композиты Cu–Pb представляют собой вкрапления наночастиц Pb определенного размера в медной матрице. Определен средний размер нанокристаллических блоков Pb вдоль нормалей к отражающим плоскостям (111) и (200) и выявлено их распределение по размерам. Исследованы колебательные, электронные и сверхпроводящие свойства композитов Cu85Pb15 и Cu50Pb50 с помощью измерений низкотемпературной теплоемкости, магнитной восприимчивости и сопротивления и выделен вклад в теплоемкость наночастиц Pb. Обнаружено увеличение плотности низкочастотных возбуждений в нанокристаллах Pb по сравнению с кристаллическим Pb. Наблюдаемые уменьшения Tc коррелируют с изменением размера наночастиц Pb, что является следствием влияния размерного эффекта на свойства нанокристаллов Pb.

Работа поддержана Российским фондом фундаментальных исследований (проект № 02-16803-a).

PACS: 61.10.Nz, 65.40.Ba, 73.63.Bd 1. Введение с рядом причин. Свинец является классическим материалом для изучения термодинамических, кинетичеОбычно принято считать нанокристаллами мелкозер- ских и сверхпроводящих свойств. Следует отметить, нистые материалы, имеющие размер морфологических что исследования электронных, колебательных и сверхчастиц порядка 100 nm и менее. В этом случае чис- проводящих систем в двухкомпонентных соединениях ло атомов на поверхности зерна составляет несколько вызывает в настоящее время большой интерес в связи процентов от числа атомов в объеме. Ограниченность с широким использованием нанотехнологий. Получение дальнего порядка и большая доля свободной поверхно- такой информации возможно только при проведении сти и межзеренных границ нанокристаллов приводят к комплексных исследований с использованием различпоявлению новых физических свойств (по сравнению с ных методов: рентгеновской дифракции, рассеяния нейкристаллическими материалами) [1,2]. Поэтому изуче- тронов, изучения термодинамических и кинетических ние поведения нанокристаллических материалов пред- свойств.

ставляет большой интерес как для современной физики Целью данной работы было исследование размерных твердого тела, так и с точки зрения возможности их эффектов в нанокомпозитных материалах на основе практического применения. В настоящее время весьма CuPb. С помощью методов рентгеновской дифракции, актуальным представляется изучение влияния размер- исследования температурной зависимости теплоемкости ных эффектов на колебательные и термодинамические и определения температуры сверхпроводящего перехода свойства нанокристаллов. Особый интерес представляет индуктивным и резистивным методами были изучены исследование двухкомпонентных нанокомпозитов, со- структурные, термодинамические и сверхпроводящие держащих сверхпроводник и нормальный металл, что свойства композитов Cu85Pb15 и Cu50Pb50 при переходе дает возможность изучить влияние размерного эффекта от кристаллического к нанокристаллическому состояна колебательные, электронные свойства и электрон- нию. Эти измерения дают информацию об изменениях, фононное взаимодействие. Такие исследования были наблюдаемых в низкочастотной части энергетического проведены с помощью методов рассеяния нейтронов, спектра колебательной системы и плотности электронизучение низкотемпературной теплоемкости и измере- ных состояний на поверхности Ферми.

ния температуры сверхпроводящего перехода [3] на образцах Cu90Nb10 при переходе от крупнозернистого 2. Приготовление образцов к нанокристаллическому состоянию.

В настоящей работе были синтезированы композит- и их характеристика ные системы Cu85Pb15 и Cu50Pb50, состоящие из Pb, диспергированного в матрице Cu с помощью метода Нанокристаллические образцы Cu85Pb15 и Cu50Pbбыстрой закалки из жидкого состояния на холодной были получены путем закалки из жидкого состояния поверхности. Выбор Pb в качестве наночастиц связан на наружной поверхности вращающегося медного диска Влияние размерного эффекта на колебательные и электронные свойства нанокомпозитов Cu–Pb Рис. 1. Профили XRD-отражений (111) и (400) свинца для нанокомпозитных образцов Cu50Pb50 (1), Cu85Pb15 (2). Для сравнения приведены профили отражения для эталона — Ge (3).

в атмосфере очищенного аргона. Исходные элементы деления теплоемкости составляла 2% в температурной помещались в ампулу из нитрида бора. Нагрев осуще- области 2–4K, 1% в области 4–10 K и 0.2–0.5% в ствлялся индукционным методом с помощью высокоча- области 10–35 K. Температура сверхпроводящего перестотного генератора ВЧГ60/0.44. Расплав выдавливался хода определялась калориметрическим, индуктивным и избыточным давлением аргона через отверстие диамет- резистивным методами.

ром 1 mm на поверхность вращающегося диска, имеющую линейную скорость 40 m/s. Оценочная скорость закалки составляла 106 K/s.

Структура полученных образцов анализировалась методом рентгеновской дифракции, при этом регистрировались полнопрофильный спектр и профили отдельных отражений для свинца (111), (200), (222) и (400). Съемка проводилась на дифрактометре ДРОН-4 в медном излучении (монохроматизированным отражением от пирографита). В качестве эталона использовался дисперсный (менее 10 µm) порошок высокочистого Ge. На рис. показаны профили отражений (111) и (400) свинца для нанокомпозитных образцов Cu50Pb50 и Cu85Pb15, а также эталона Ge. Определение среднего размера нанокристаллических блоков вдоль нормали к отражающей плоскости и рапределение этих блоков по размерам проводились методом Фойгт-аппроксимации [4]. На рис. 2 приводятся нормированные на единицу функции распределения блоков свинца по размерам в направлениях [111] и [100]. Средний размер кристаллитов Pb составил для нанокристаллического образца Cu85Pb15 26.3nm, а для образца Cu50Pb50 45.7 nm. Установлено, что рост концентрации Pb сопровождается увеличением как размера наночастиц, так и ширины их распределения по диаметру.

Теплоемкость образцов измерялась в адиабатическом Рис. 2. Функции распределения нанокристаллических блоков калориметре с импульсным нагревом [5] в интервале свинца по размерам в направлениях [111] и [100] для нанокомтемпературе 2–35 K. Экспериментальная ошибка опре- позитных образцов Cu85Pb15 (a) и Cu50Pb50 (b) 9 Физика твердого тела, 2006, том 48, вып. 130 М.Г. Землянов, Г.Х. Панова, Г.Ф. Сырых, А.А. Шиков 3. Экспериментальные результаты и их обсуждение Экспериментально изучены температурные зависимости теплоемкости нанокомпозитных и кристаллических образцов Cu85Pb15 и Cu50Pb50 в области 2–35 K и индуктивным и резистивным методами определены их температуры сверхпроводящего перехода.

Результаты измерений теплоемкости нанокомпозитных и кристаллических образцов Cu85Pb15 и Cu50Pb50, а также выделенной из нанокомпозитных образцов теплоемкости нанокристаллического Pb в области 2–10 K представлены на рис. 3. Для сравнения на этом же рисунке приведены данные для массивных кристаллических образцов Pb и Cu [6]. Рис. 4. Низкотемпературная теплоемкость нанокомпозитного (1) и кристаллического (2) образцов Cu50Pb50 в области Полученные температурные зависимости теплоемкосверхпроводящего перехода.

стей позволили определить характеристические дебаевские температуры (0) и коэффициенты электронной теплоемкости (0), а также (используя табличные значения (0) и (0) для кристаллической Cu) выделить из теплоемкости нанокомпозитных образцов вклад в теплоемкость нанокристаллического Pb.

Эти результаты позволили изучить влияние размеров наночастиц Pb на теплоемкость. Обнаружено возрастание теплоемкости при переходе от кристаллического Pb к нанокристаллическому Pb с размером частиц 26.3 и 45.7nm.

Когда размер частиц становится настолько малым, что отношение площади поверхности к объему уже не является пренебрежимо малым, можно ожидать, что влияние поверхности изменит зависимость термодинамических функций от температуры и приведет к отчетливому эффекту, связанному с размером наночастиц. В этом случае учет влияния границ зерен приводит к появлению Рис. 5. Низкотемпературная теплоемкость нанокомпозитного (1) и кристаллического (2) образцов Cu85Pb15 в области сверхпроводящего перехода.

в обычном дебаевском законе T дополнительного члена вида bT2N-1/3 (где N — число атомов на границах зерен), который может вносить заметный вклад в теплоемкость [7].

Результаты, полученные при выделении низкотемпературной теплоемкости нанокристаллического Pb, подтверждают существование дополнительного вклада в теплоемкость кристаллического Pb, связанного с размером наночастиц. С уменьшением размера наночастиц наблюдается рост этого вклада, что проявляется в уменьшении дебаевской температуры (0) нанокристалла Pb по сравнению с найденной для массивного Рис. 3. Температурные зависимости теплоемкости. 1 —наноPb (см. таблицу). Наличие большой разграничивающей кристаллического Pb, выделенного из нанокомпозита Cu85Pb15;

поверхности между нанокристаллическим Pb и медной 2 — нанокристаллического Pb, выделенного из нанокомпозита матрицей приводит к ослаблению межатомных взаимоCu50Pb50; 3 — кристаллического Pb; 4 — кристаллического действий, в первую очередь на границах зерен [8]. Что композита Cu50Pb50; 5 — нанокомпозита Cu50Pb50; 6 — касается электронной теплоемкости, то она убывает с кристаллического композита Cu85Pb15; 7 — нанокомпозита Cu85Pb15; 8 — кристаллической Cu. уменьшением размера наночастиц.

Физика твердого тела, 2006, том 48, вып. Влияние размерного эффекта на колебательные и электронные свойства нанокомпозитов Cu–Pb Колебательные и электронные характеристики нанокомпозитных и кристаллических образцов Cu85Pb15 и Cu50Pb50, а также выделенная из нанокомпозитных образцов теплоемкость нанокристаллического Pb (для сравнения приведены характеристики массивных кристаллических образцов Pb и Cu) Образец Tc, K Tc, K Tc, K (0), mJ/mol · K2 (0), K Cu85Pb15(нанокомпозит) 6.2 6.0 6.1 2.2 Cu85Pb15(кристалл) 7.2 7.1 6.9 1.7 Cu50Pb50(нанокомпозит) 6.8 6.8 6.4 2.1 Cu50Pb50(кристалл) 7.1 6.9 6.9 4.2 нано-Pb в Cu85Pb15 6.2 - - 2.5 нано-Pb в Cu50Pb50 6.8 - - 2.7 Pb 7.2 - - 3.0 Cu - - - 0.73 Данные измерения теплоемкости.

Данные измерения AC-восприимчивости.

Данные измерения сопротивления.

На рис. 4 в координатах C/T -T показано поведение низкотемпературной теплоемкости композита Cu50Pbв нанокомпозитном и кристаллическом состоянии в интервале температур 6–8 K. В первом случае обнаружен сверхпроводящий переход при Tc 6.8 K. Для кристаллического состояния температура сверхпроводящего перехода составляет Tc 7.1 K. Более резкое уменьшение температуры сверхпроводящего перехода наблюдается при измерении теплоемкости нанокомпозитного образца Cu85Pb15, для которогоTc 6.2 K; для кристаллического образца Cu85Pb15 Tc 7.2K (рис. 5).

Результаты определения температуры сверхпроводящего перехода исследованных образцов индуктивным методом и по измерению сопротивления представлены на рис. 6. Температура сверхпроводящего перехода, измеренная индуктивным методом для нанокомпозитного Cu50Pb50, составляет Tc 6.8 K, для кристаллического массивного образца в этом случае Tc 6.9K. Для нанокомпозитного образца Cu85Pb15 Tc 6.0 K, а для кристаллического Tc 7.1 K. Значения Tc, полученные резистивным способом, близки к этим величинам. Полученные данные согласуются также с результатами измерений температуры сверхпроводящих переходов по теплоемкости нанокомпозитных и кристаллических образцов Cu85Pb15 и Cu50Pb50. Таким образом, наблюдаемые с помощью разных методов изменения Tc коррелируют с размером наночастиц Pb и проявляются вследствие влияния размерного эффекта на сверхпроводящие свойства нанокристаллов Pb.

4. Заключение В результате проведенных исследований изучены температурные зависимости теплоемкости нанокомпозитРис. 6. Температурные зависимости магнитной восприимчиных и кристаллических образцов Cu85Pb15 и Cu50Pb50 в вости U нанокомпозитных (1) и кристаллических (2) образцов области 2–35 K, определены их температуры сверхпроCu85Pb15 (a) и Cu50Pb50 (b) в области сверхпроводящего водящего перехода и установлено влияние размерного перехода. c — температурная зависимость сопротивления эффекта на колебательный и электронный спектры и нанокристаллических образцов Cu50Pb50 (1) и Cu85Pb15 (3) сверхпроводящие свойства нанокристаллов Pb в таких кристаллического образца Cu50Pb50 (2).

композитных материалах.

9 Физика твердого тела, 2006, том 48, вып. 132 М.Г. Землянов, Г.Х. Панова, Г.Ф. Сырых, А.А. Шиков Возрастание теплоемкости Pb при переходе от кристаллического к нанокристаллическому состоянию связано с вкладом поверхностных колебательных мод в теплоемкость, которая изменяется обратно пропорционально размеру частиц.

Во всех исследованных нанокомпозитных и кристаллических образцах наблюдается переход в сверхпроводящее состояние. Прослеживается корреляция параметров сверхпроводящего перехода с размерами наночастиц Pb:

уменьшение размеров наночастиц Pb сопровождается уменьшением Tc. Таким образом, показана возможность прецизионного управления параметрами сверхпроводящего перехода нанокомпозита путем целенаправленного изменения размеров наночастиц.

Полученная с помощью измерений рентгеновской дифракции и низкотемпературной теплоемкости информация об изменении структурных, колебательных, электронных и сверхпроводящих свойств нанокомпозитов Cu85Pb15 и Cu50Pb50 при переходе их от кристаллического к нанокристаллическому состоянию указывает на то, что определяющим фактором являются размерные эффекты, приводящие к ослаблению межатомных взаимодействий на границах зерен. Аналогичное влияние размерных эффектов на колебательные, электронные и сверхпроводящие свойства Nb в матрице Cu наблюдалось для композита Cu90Nb10 [3], что свидетельствует о существовании общих закономерностей в формировании свойств наночастиц, внедренных в металлическую матрицу.

Список литературы [1] И.Д. Морохов, В.И. Петинов, Л.И. Трусов, В.Ф. Петрунин.

УФН 133, 4, 653 (1981).

[2] Э.Л. Нагаев. УФН 162, 9, 49 (1992).

[3] М.Г. Землянов, Г.Х. Панова, Г.Ф. Сырых, А.А. Шиков. ФТТ 47, 2, 350 (2005).

[4] А.Н. Иванов, Е.В. Шелехов, Е.Н. Кузьмина. Завод. лаб.

Диагностика материалов 70, 11, 29 (2004).

[5] М.Н. Хлопкин, Н.А. Черноплеков, П.А. Черемных. Препринт ИАЭ № 3549/10. М. (1982).

[6] Физика низких температур / Под ред. А.И. Шальникова.

ИЛ, М. (1959). С. 339.

[7] А. Марадудин, Э. Монтролл, Дж. Вейсс. Динамическая теория кристаллической решетки в гармоническом приближении. Мир, М. (1965). С. 276.

Pages:     || 2 |



© 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.