WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика твердого тела, 2001, том 43, вып. 1 Низкотемпературная теплоемкость и теплопроводность монокристаллов синтетического опала © В.Н. Богомолов, Л.С. Парфеньева, И.А. Смирнов, Х. Мисёрек, А. Ежовский, А.И. Кривчиков, Б.И. Веркин Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия Institute of Low Temperature and Structure Research Polish Academy of Science, 50–950 Wroclaw 2, Poland Institute for Low Temperature Physics and Engineering National Academy of Science of Ukraine, 310164 Kharkov, Ukraine E-mail: Igor.Smirnov@shuvpop.ioffe.rssi.ru (Поступила в Редакцию 26 мая 2000 г.) Измерены теплоемкость при постоянном давлении (в интервале 3–50 K) и теплопроводность кристаллической решетки (в интервале 5–75 K) монокристалла синтетического опала. Показано, что теплоемкость опала при этих температурах ведет себя аналогично пористым аморфным материалам. Из данных по теплопроводности следует, что монокристаллический опал можно отнести к классу полукристаллических материалов (частично закристаллизованных аморфных материалов). Однако вследствие специфики кристаллической структуры опалы образуют нестандартный тип полукристаллических материалов, которому мы дали название полуаморфные материалы.

Работа выполнена в рамках соглашения между Российской и Польской академиями наук при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 00-02-16883).

Исследованию теплопроводности () опалов и нано- Пустоты в опале соединены друг с другом посредкомпозитов на их основе посвящено достаточно большое ством каналов. Аморфные шары SiO2 первого порядка число работ [1–6]. Измерялась опалов, обладающих образуют регулярную гранецентрированную решетку с периодом 3000-4000. Таким образом, опал можно различной степенью совершенства [1,2]. Теплоемкость рассматривать как аморфную среду (аморфные сферы (C) опалов до сих пор не исследовалась.

SiO2 первого порядка) с пространственной модуляцией Опалы являются очень интересными объектами для свойств (регулярное расположение аморфных сфер SiO2, проведения на них различных физических эксперименвыстроенных в кубическую решетку).

тов. Они обладают уникальной кристаллической струкВ настоящей работе проведено измерение в интертурой фрактального типа [1,7,8]. Опалы состоят из вале температур 3–50 K теплоемкости при постоянном плотноупакованных сфер аморфного SiO2 диаметром давлении (Cp) и в интервале 5–75 K теплопроводности 2000-2500 (сферы первого порядка). Этисферысосовершенных синтетических монокристаллов опалов.

держат в себе набор плотноупакованных сфер меньшего Методика получения образцов кратко описана в [1].

размера 300-400 (сферы второго порядка), которые Согласно рентгеновским данным, опалы являются чисто в свою очередь формируются из плотноупакованных аморфными материалами [2,3,5]. Никаких следов кричастиц порядка 100 (сферы третьего порядка).

сталлической фазы SiO2 в исследованных нами образцах В решетке плотноупакованных сфер имеются пустоты не обнаружено. Для определения параметра кубической октаэдрического и тетраэдрического типов. При этом в решетки, образованной аморфными шарами SiO2 перзависимости от порядкового номера сфер пустоты также вого порядка, был использован оптический структурподразделяются на пустоты первого, второго и третьего ный анализ [2,10]. Размеры шаров SiO2 сопоставимы порядков.

с длиной волны видимого света, который выступал в Октаэдрические и тетраэдрические пустоты первого, данном случае аналогом рентгеновских лучей при рентвторого и третьего порядков имеют соответственно разгеноструктурном анализе. Размер аморфных шаров SiOмеры 800, 140, 30 и 400, 70, 15 и вносят вклад в исследованном образце оказался равным 2350, а в общую пористость опала в 26, 19 и 14%. Таким постоянная кристаллической решетки 3300.

образом, суммарная пористость опала будет 59%.

Теплоемкость определялась с помощью адиабатичеОднако реальная суммарная пористость даже достаточно ского метода, для измерения теплопроводности была совершенных образцов опала, согласно [2,9], составляет использована методика, аналогичная [11].

лишь 46–50%. Это происходит из-за возможного спе- Цель настоящей работы: 1) исследовать влияние на кания шаров SiO2 второго и третьего порядков. Пори- теплоемкость и теплопроводность опала наблюдающейся стость структуры шаров первого порядка остается рав- в нем пространственной модуляции свойств (регулярной теоретической и составляет, как отмечалось выше, ность расположения аморфных сфер SiO2 первого поряд26% [1–6]. ка) и обусловленной этим ”кристалличности” объекта Низкотемпературная теплоемкость и теплопроводность монокристаллов синтетического опала впадает с теплоемкостью сильно пористой SiO2-аэрогели (рис. 1).

2) Величина Cp/T возрастает с понижением температуры, проходит через колоколообразный максимум и достаточно резкий минимум и затем вновь возрастает при последующем понижении температуры (рис. 2, 3).

Рис. 2. Зависимость Cp/T3 от T для исследованного образца Рис. 1. Зависимость теплоемкости от температуры для ряопала.

да аморфных и кристаллических материалов. Точки — результаты настоящего эксперимента для Cp опала (плотность 1.1-1.3g/cm3). Данные для Cv кристаллического и аморфного SiO2 (плотность аморфного материала 2.2g/cm3) заимствованы из [12], а для Cp двух образцов SiO2-аэрогеля с плотностью 0.275 и 0.145 g/cm3 —из [13].

исследования; 2) определить влияние на C(T ) большой степени пористости опала.

На рис. 1 приведены полученные нами значения для Cp(T ) опала. Там же для сравнения представлены литературные данные для Cv(T ) кристаллического и аморфного SiO2 [12] и Cp(T ) для SiO2-аэрогели [13].

На рис. 2 и 3 в координатах C/T = f (T ) приведены наши данные для опала и для сравнения данные для аморфного и кристаллического SiO2 [12].

Как видно из рис. 1–3, Cp(T ) опала ведет себя, подобно Рис. 3. Сравнение поведения C/T3 = f (T ) для Cv кристалликлассическим аморфным материалам.

ческого и аморфного SiO2 [12] и Cp для исследованного образца 1) Величина теплоемкости опала существенно превыопала. Штриховые линии — теплоемкость, вычисленная из шает теплоемкость кристаллического и незначительно данных по упругим константам в рамках дебаевской модели аморфного SiO2, а, начиная с T > 6 K, практически со- из [12].

Физика твердого тела, 2001, том 43, вып. 184 В.Н. Богомолов, Л.С. Парфеньева, И.А. Смирнов, Х. Мисёрек, А. Ежовский, А.И. Кривчиков...

Рис. 4. Температурная зависимость ph монокристалла синтетического опала (a — в координатах ph = f (T), b — в координатах lgph = f (lgT ). Точки на рис. 4, b — усредненные величины, взятые из рис. 4, a).

Из классической модели поведения C(T ) аморфных В [1,2] мы исследовали теплопроводность синтетител следует, что при низких температурах (T < 1K) ческих опалов, обладающих различной степенью совершенства. Согласно этим измерениям, для ph(T ) в стеклах C T (а не C T3, как это имеет недостаточно совершенных образцов опалов (немономесто для кристаллических тел) и наблюдается избыток кристаллов) наблюдалась зависимость, характерная для теплоемкости по сравнению с кристаллами и дебаевским классических аморфных тел [1,2]. Для области низких вкладом в C, рассчитанным, например, из данных по температур 4–25 K ph T в интервале 25–60 K она скорости звука (рис. 3) [12].

выходила на плато и затем при T > 60 K возрастала Такое поведение C(T ) аморфных тел объясняется в T. Для более совершенных образцов опала (близких настоящее время в рамках феноменологической модели к монокристаллам) ph вела себя подобно ”полукристалдля двухуровневых систем (”two-level-systems tunneling лическим” материалам [16,17]. Для них ph T во model”) [14,15]. С повышением температуры выше 1 K всем исследованном интервале температур (4–300 K).

эта модель постепенно перестает оказывать влияние.

Что представляет собой классический ”полукристаллиТеплоемкость уже не возрастает T, но превышеческий” материал Это аморфное тело, в котором имение теплоемкости аморфных тел по сравнению с криются закристаллизованные области (т. е. кристалличесталлическими продолжает иметь место примерно до ская фаза находится в ”аморфном море”) [16,17]. У таких 100 K [12]. Исчерпывающего и общепринятого объясматериалов отсутствует плато на ph(T ), а теплопроводнения последнего эффекта, к сожалению, пока что не ность в области низких температур в зависимости от существует. При T > 100 K величины теплоемкости для количества закристаллизованной фазы может возрастать аморфных и кристаллических тел чаще всего совпадас температурой по закону от ph T до ph T3.

ют [12].

Изменение величины ph (уменьшение ph в области Таким образом, на основании анализа наших экспери- самых низких температур в полукристаллических матементальных результатов для теплоемкости опала и срав- риалах по сравнению с ph аморфной матрицы) и ее нения их с литературными данными для теплоемкости температурной зависимости объясняется появлением в аморфных тел можно сделать заключение, что никаких полукристаллических материалах теплового сопротивления на границах аморфное тело–кристалл [16,17].

специфических особенностей в поведении C(T ) уопалов, Полученные в настоящей работе экспериментальные связанных с наличием в них регулярного расположения результаты ph(T ) для совершенного монокристалличеаморфных сфер SiO2 первого порядка (т. е. наличия ского образца опала представлены на рис. 4 a. Как видно ”кристалличности”), не обнаружено. Теплоемкость опаиз этого рисунка, на ph(T ) отсутствует плато и во всей ла ведет себя аналогично обычным пористым аморфным измеренной области температур ph T (рис. 4, b), т. е.

материалам.

и в этом эксперименте у ph(T ) проявляются свойства, Интересные новые соображения появились у нас при характерные для полукристаллических тел [1,2,16,17].анализе данных по теплопроводности исследованного монокристалла опала. Предлагаемая для монокристаллического опала модель полукристалла не противоречит нашим данным для теплоемкости опала, Опал — изолятор, поэтому измеренная на эксперипоскольку C аморфных и частично закристаллизованных аморфных менте теплопроводность является теплопроводностью материалов всегда превышает при низких температурах теплоемкость, кристаллической решетки ph. рассчитанную по дебаевской модели [17].

Физика твердого тела, 2001, том 43, вып. Низкотемпературная теплоемкость и теплопроводность монокристаллов синтетического опала Попытаемся найти объяснение полученным результа- Авторы выражают благодарность Н.Ф. Картенко и там. Рассмотрим несколько возможных вариантов. Н.В. Шаренковой за проведение рентгеноструктурного, 1) Зависимость ph T может соответствовать в на- а А.В. Прокофьеву за проведение оптического структуршем случае области температур выше плато, характерно- ного анализа исследованных образцов опала.

го для аморфных тел, а реального плато и температурной зависимости ph T надо ожидать при более низких Список литературы температурах (T < 4K). Однако такому предположению противоречат: а) наши предыдущие исследования [1] В.Н. Богомолов, Л.С. Парфеньева, А.В. Прокофьев, ph опала [1,2], согласно которым плато у аморфного И.А. Смирнов, С.М. Самойлович, А. Ежовский, Я. Муха, опала наблюдается в области 25–60 K, а зависимость Х. Мисёрек. ФТТ 37, 11, 3411 (1995).

ph T2 имеет место при 4–25 K и б) данные для [2] В.Н. Богомолов, Д.А. Курдюков, Л.С. Парфеньева, Cp(T ), полученные в настоящей работе. У аморфных тел А.В. Прокофьев, С.М. Самойлович, И.А. Смирнов, А. Ежовский, Я. Муха, Х. Мисёрек. ФТТ 39, 2, 392 (1997).

плато на ph(T ) и ”колоколообразная выпуклость” на [3] Л.И. Арутюнян, В.Н. Богомолов, Н.Ф. Картенко, Д.А. Курзависимости C/T = f (T ) приблизительно совпадают по дюков, В.В. Попов, А.В. Прокофьев, И.А. Смирнов, температуре (см., например, [12,18]). У исследованного Н.В. Шаренкова. ФТТ 39, 3, 586 (1997).

нами опала ”выпуклость” на кривой C/T = f (T ) нахо[4] Л.И. Арутюнян, В.Н. Богомолов, Н.Ф. Картенко, Д.А. Курдится в районе 10 K (а не при температурах ниже 4 K).

дюков, Л.С. Парфеньева, И.А. Смирнов, Н.В. Шаренкова, 2) В аморфном опале имеются области закристаллиА. Ежовский, Я. Муха, Х. Мисёрек. ФТТ 40, 2, 379 (1998).

зованного SiO2, что и приводит к поведению ph(T ), [5] В.Н. Богомолов, Н.Ф. Картенко, Л.С. Парфеньева, характерному для полукристаллических материалов.

А.В. Прокофьев, И.А. Смирнов, Х. Мисёрек, Я. Муха, Это предположение также надо отбросить, поскольку, А. Ежовский. ФТТ 40, 3, 573 (1998).

как уже отмечалось выше, согласно рентгеноструктур- [6] В.Н. Богомолов, Н.Ф. Картенко, Д.А. Курдюков, Л.С. Парным исследованиям, никаких следов наличия в иссле- феньева, А.А. Сысоева, Н.В. Шаренкова, И.А. Смирнов, Х. Мисёрек, Я. Муха, А. Ежовский. ФТТ 41, 2, 348 (1999).

дованном нами образце кристаллической фазы SiO[7] В.Н. Богомолов, Т.М. Павлова. ФТП 29, 5–6, 826 (1995).

не обнаружено.

[8] В.Г. Балакирев, В.Н. Богомолов, В.В. Журавлев, Ю.А. Кум3) Как отмечалось ранее, опал обладает уникальной зеров, В.П. Петрановский, С.Г. Романов, Л.А. Самойлович.

кристаллической структурой, согласно которой он одКристаллография 38, 3, 111 (1993).

новременно является аморфным телом и кристаллом.

[9] В.В. Ратников. ФТТ 39, 5, 956 (1998).

За ”аморфность” отвечают сферы второго и третьего [10] В.Н. Богомолов, А.В. Прокофьев, А.И. Шелых. ФТТ 40, 4, порядков, которые не образуют регулярной субструк648 (1998).

туры по всему кристаллу опала. За ”кристалличность” [11] A. Jezowski, J. Mucha, G. Pompe. J. Phys. D: Appl. Phys. 20, ответственна правильная кубическая решетка, образо1500 (1987).

ванная аморфными сферами SiO2 первого порядка. Таким [12] R.C. Zeller, R.O. Pohl. Phys. Rev. B4, 6, 2029 (1971).

образом, в случае опала мы встречались с новым видом [13] T. Sleator, A. Bernasconi, D. Posselt, J.K. Kjems, H.R. Ott.

Phys. Rev. Lett. 66, 8, 1070 (1991).

полукристаллического материала, когда аморфная фаза [14] P.W. Anderson, B.I. Halperin, C.M. Varma. Philos. Mag. 25, (сферы аморфного SiO2 первого порядка) выступает в (1972).

роли ”атомных масс”, участвующих в конструировании [15] W.A. Phillips. J. Low. Temp. Phys. 7, 351 (1972).

кубической решетки с гигантской постоянной решетки.

[16] C.L. Choy, D. Greig. J. Phys. C: Solid Stat. Phys. 8, Такой полукристалл в отличие от стандартного класси(1975).

ческого случая [16,17] (будем называть его ”полукри[17] A. Assfalg. J. Phys. Chem. Sol. 36, 1389 (1975).

сталлом 1-го вида”) можно назвать ”полукристаллом [18] D.A. Ackerman, D. Moy, R.C. Potter, A.C. Anderson, 2-го вида”. Можно также ввести новый термин и назвать W.N. Lawless. Phys. Rev. B23, 3886 (1981).

”полукристалл 2-го вида” полуаморфным материалом.

Анализу природы полукристалличности (полуаморфности), проявляющейся в поведении ph(T ) у монокристаллов опала, будет посвящена отдельная статья.

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.