WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика твердого тела, 2001, том 43, вып. 1 Скорость звука в монокристаллах синтетических опалов © В.Н. Богомолов, И.А. Смирнов, Н.В. Шаренкова, Г. Брулс Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия J.W. Goethe Universitt, 60054 Frankfurt a.M., Germany E-mail: Igor.Smirnov@shuvpop.ioffe.rssi.ru (Поcтупила в Редакцию 31 мая 2000 г.) В интервале температур 4.2–300 K на частоте 10 MHz в направлении [111] измерена продольная скорость звука (v1) в монокристаллическом синтетическом опале. vL при 300 K равна 2.1 · 105 сm/s. dvL/v300K(T ) (где dvL = vT, K - v300 K) в интервале 4.2–200 и 200–300 K ведет себя соответственно подобно аморфным и кристаллическим телам.

Работа выполнена в рамках двустороннего соглашения между Российской академией наук и Немецким научным обществом по теме ”Advanced Materials with Collective Electronic Properties” при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 00-02-16883).

В последние годы у экспериментаторов появился за- 26%). Пустоты в опале соединены друг с другом посредметный интерес к исследованию свойств синтетичеких ством каналов. Аморфные шары SiO2 первого порядка опалов. Опалы обладают весьма необычной кристалли- (и пустоты первого порядка: октаэдрические 800 и ческой структурой [1,2], что способствовало появлению тетраэдрические 400 )1 образуют правильную гранев них ряда уникальных физических эффектов. Опалы центрированную кубическую решетку с гигантским параметром 3000-4000. Плотность опала составляет оказались единственными твердотельными материалами, обладающими фотонной запрещенной зоной для видимо- 1.1-1.3g/cm3 [9].

Таким образом, опал можно рассматривать как аморфго света (фотонные кристаллы). Это вызвало большой ную среду (аморфные сферы SiO2 первого порядка) интерес у экспериментаторов и соответственно привело к потоку работ, посвященных этому эффекту (см., напри- с пространственной модуляцией свойств (регулярное расположение аморфных сфер SiO2, образующих кубимер, первые работы [3–5].) ческую решетку).

Опалы представляют собой пористое вещество с реРанее нами были измерены теплопроводность [1,13,14] гулярным расположением пор, которые образуют праи теплоемкость [14] монокристаллов синтетического вильную решетку [1,2]. Это позволило сконструироопала. Было показано, что теплоемкость при постоянном вать на их основе терхмерный нанокомпозит с кубидавлении в интервале температур 3–50 K ведет себя ческой решеткой из материала наполнителя (”матричаналогично пористым аморфным телам. Можно было ные квазикристаллы”) с огромной постоянной решетожидать, что при высоких температурах теплоемкость ки 3000-4000 и ”тяжелыми атомными массами” опала совпадет с теплоемкостью кристаллического SiO2.

(см. [6] и ссылки в ней).

(При T > 100 K теплоемкости аморфных и кристаллиНанокомпозиты на основе опала с введенными в его ческих тел, как правило, совпадают [15].) поры полупроводниками имеют реальную перспективу Теплопроводность кристаллической решетки монокридля создания сборок из электронных наноприборов больсталлического опала ведет себя аналогично классичешой плотности (см., например, [7,8]).

ским полукристаллическим материалам, представляюВ чем же состоит необычность кристаллической струкщим собой аморфное тело, в котором имеются закритуры опалов Опалы обладают структурой фрактального сталлизованные области. Однако в случае опала мы типа [9]. Они сформированы из плотноупакованных встретились с новым видом полукристаллического масфер аморфного SiO2 диаметром 2000-2500 (сферы териала, в котором аморфная фаза (сферы аморфного первого порядка). Эти сферы содержат в себе набор SiO2 первого порядка) выступает в роли ”атомных масс”, сфер SiO2 меньшего размера 300-400 — сферы второго порядка, которые формируются из частиц SiO2 которые конструируют кубическую гранецентрированную решетку. Такой ”полукристаллический” материал в порядка 100 — сферы третьего порядка. В решетке отличие от классического случая [16] мы назвали в [14] плотноупакованных сфер имеются пустоты октаэдричеполуаморфным материалом.

ского и тетраэдрического типов, которые также подразделяются на пустоты первого, второго и третьего При образовании нанокомпозита на основе опала с помощью различных способов [6,10–12] в пустоты и каналы первого порядка порядков. При анализе данных по скорости звука нас будет интересовать структура аморфных шаров SiO2 вводятся металлы, полупроводники, изоляторы, которые и образуют, как отмечалось выше, ”матричные квазикристаллы” с огромной постопервого порядка и общий процент пористости опала, янной решетки и ”тяжелыми атомными массами” (пустоты 800, который составляет 59% (процент пор первого порядка заполненные различными материалами).

Скорость звука в монокристаллах синтетических опалов оказалась равной 2.1 · 105 cm/s (точность ее определения составляла 10%). Экспериментальные результаты для dvL/v300 K = f (T ) (dvL = vT,K - v300 K) представлены на рис. 1 a. Величина dvL/v300 K имеет нестандартную температурную зависимость. В интервале 300-200 K она возрастает с понижением температуры, как это и должно быть у кристаллических тел, а в интервале 200-4K имеет температурную зависимость, характерную для аморфных материалов (сравни с рис. 1, b) [18–20].

Полученные результаты для dvL/v300 K(T ) хорошо коррелируют с экспериментальными данными для теплоемкости и теплопроводности кристаллической решетки монокристаллов опалов [14].

Здесь, так же как и в случае теплоемкости и теплопроводности, проявляется двойственный характер природы Рис. 1. a — температурная зависимость dvL/v300K для моноопала, заключающийся в том, что он одновременно кристалла синтетического опала. b — dv/v4.2K для аморфного является кристаллом и аморфным телом.

SiO2 и кристаллического Ge [18]. В правом нижнем углу рисунка приведены схема измерений и размеры исследованного При низких температурах, как и в случае для теплообразца.

емкости, полученные результаты для dvL/v300 K(T ) можно интерпретировать в рамках двухуровневой системы для аморфных тел (”two-level” systems tunneling madel).

С повышением температуры эта модель постепенно пеДля более полного понимания процессов переноса рестает работать и при высоких температурах характер тепла в опалах было интересно узнать, как поведет себя поведения dvL/v300 K уже полностью обусловлен ”крив нем скорость звука: будет ли влиять на нее пространсталлической” природой материлала.

ственная модуляция свойств (регулярность расположеНа основании данных настоящего эксперимента и ния аморфных сфер первого порядка и обусловленная наших результатов по исследованию теплоемкости и этим ”кристалличность” среды) и как проявится ”аморфтеплопроводности монокристаллов опала [14] в таблице ность”опала, связанная с наличием в нем аморфных представлено поведение vL, L и C в различных интерсфер SiO2 первого порядка. К сожалению, исследований валах температур.

скорости звука в опалах пока еще не проводилось.

В настоящей работе в интервале 4–300 K мы измерили продольную скорость звука (vL) на монокристаллическом образце опала, использованном нами ранее в работе [14]. Исследованный образец состоял из аморфных сфер SiO2 первого порядка диаметром 2350, из которых была сконструирована кубическая гранецентрированная решетка с постоянной решетки 3300 [14].

Скорость звука vL измерялась на частоте 10 MHz в направлении [111] монокристалла опала. Для измерений использовалась методика, развитая в [17].

Размеры исследованного образца составляли 2.4 2.5 6mm (рис. 1). Звук направлялся по грани с размерами 2.4 mm, которая совпадала с кристаллографическим направлением [111]. Схема измерения vL представлена на рис. 1. Кварцевые датчики крепились с помощью клея Thiokol 32. Предпринимались меры предосторожности, препятствующие проникновению клея в объем образца (клей проникал в него на расстояние не более чем несколько десятых миллиметра, что не вносило большой ошибки в измерения vL). Измерения Рис. 2. Зависимость vL от плотности для некоторых материапроводились в вакууме.2 Величина vL при 300 K лов на основе аморфного SiO2 при 300 K. 1 — silica gels [21], 2 — silica gels [22], 3 — наши данные для монокристалла синтетического опала, 4 — аморфный SiO2 [23,24], 5 —аморфный Для более быстрого установления теплового равновесия в камеру вводился под давлением в несколько mbar He. Считаем, что это не SiO2 после одноосного сжатия до 16 GPa при 300 K [25,26] должно сказаться на измеряемой величине vL.

.

Физика твердого тела, 2001, том 43, вып. 188 В.Н. Богомолов, И.А. Смирнов, Н.В. Шаренкова, Г. Брулс Особенности поведения различных физических эффектов в монокристаллическом опале при низких и высоких температурах Особенности поведения Исследуемый параметр Низкие температуры Высокие температуры Скорость звука Аналогичны аморфному материалу. Аналогичны кристаллическому материалу.

T = 4-200 K T = 200-300 K Теплоемкость Аналогичны аморфному материалу. Аналогичны кристаллическому материалу.

T < 50 K T > 100 K Теплопроводность Особенности, характерные для полукристаллических (полуаморфных) тел.

кристаллической решетки T = 4-300 K Интересная зависимость vL от плотности d для ряда [12] В.Н. Богомолов, Н.Ф. Картенко, Л.С. Парфеньева, А.В. Прокофьев, И.А. Смирнов, Х. Мисерек, Я. Муха, материалов на основе аморфного кварца (аморфный А. Ежовский. ФТТ 40, 3, 573 (1998).

кварц, упрочненный аморфный кварц: аморфный SiO2, [13] В.Н. Богомолов, Д.А. Курдюков, Л.С. Парфеньева, подвергнутый одноосному давлению, silica gels и опал) А.В. Прокофьев, С.М. Самойлович, И.А. Смирнов, была обнаружена нами. Она представлена на рис. 2.

А. Ежовский, Я. Муха, Х. Мисерек. ФТТ 39, 2, 392 (1997).

Наблюдается линейная зависимость vL от d.

[14] В.Н. Богомолов, Л.С. Парфеньева, И.А. Смирнов, Х. Мисерек, А. Ежовский, А.И. Кривчиков, Б.И. Веркин. ФТТ 43, Авторы выражают благодарность А.В. Прокофьеву за 1, 180 (2001).

проведение кристаллографической ориентации измерен[15] R.C. Zeller, R.O. Pohl. Phys. Rev. B4, 6, 2029 (1971).

ного образца опала. [16] C.L. Choy, D. Greig, J. Phys. C: Sol. Stat. Phys. 8, 3131 (1975).

[17] B. Lthi, G. Bruls, P. Thalmeier, B. Wolf, D. Finsterbusch, I. Kouroudis, J. Low. Temp. Phys. 95, 1/2, 257 (1994).

[18] A. Jagannathan, R. Orbach. Phys. Rev. B41, 5, 3153 (1990).

[19] H.J. Mc Skimin. J. Appl. Phys. 24, 8, 988 (1953).

Список литературы [20] J.T. Krause, C.R. Kurkjian. J. Amer. Ceram. Soc. 51, 4, (1968).

[1] В.Н. Богомолов, Т.М. Павлова. ФТП 29, 5–6, 826 (1995).

[21] T. Sleator, A. Bernasconi, D. Posselt, J.K. Kjems, H.R. Ott.

[2] В.Г. Балакирев, В.Н. Богомолов, В.В. Журавлев, Ю.А. КумPhys. Rev. Lett. 66, 8, 1070 (1991).

зеров, В.П. Петрановский, С.Г. Романов, Л.А. Самойлович.

[22] R. Calemczuk, A.M. de Goer, B. Salce, R. Maynard. Phonon Кристаллография 38, 3, 111 (1993).

Scattering in Condensed Matter. V Proc. Fifth. Int. Conf.

[3] В.Н. Богомолов, Д.А. Курдюков, А.В. Прокофьев, С.М. СаUrbana, Illinois / Ed. by A.C. Anderson, J.P. Wolfe. Springerмойлович. Письма в ЖЭТФ 63, 56 (1996).

Verlag, Berlin (1986). P. 126.

[4] В.Н. Богомолов, А.В. Прокофьев, С.М. Самойлович. ФТТ [23] W.F. Love. Phys. Rev. Lett. 31, 13, 822 (1973).

38, 9, 2722 (1996).

[24] J.M. Grace, A.C. Grace, A.C. Anderson. Phys. Rev. B33, 10, [5] V.N. Bogomolov, S.V. Gaponenko, I.N. Germanenko, 7186 (1986).

A.M. Kapitonov, E.P. Petrov, N.V. Gaponenko, A.V. Prokofiev, [25] Da-Ming Zhu. Phys. Rev. B50, 9, 6053 (1994).

A.N. Ponyavina, N.I. Silvanovich, S.M. Samoilovich. Phys. Rev.

[26] A. Polian, M. Grimsditch. Phys. Rev. B47, 21, 13 979 (1993).

E55, 6, 7619 (1997).

[6] 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).

[7] К.Х. Бабамуратов, В.В. Журавлев, Ю.А. Кумзеров, С.Г. Романов, С.А. Хачатуров. ФТТ 35, 6, 1577 (1993).

[8] V.N. Bogomolov, Yu.A. Kumzerov, S.G. Romanov, V.V. Zhuravlev. Physica C208, 371 (1993).

[9] В.Н. Богомолов, Л.С. Парфеньева, А.В. Прокофьев, И.А. Смирнов, С.М. Самойлович, А. Ежовский, Я. Муха, Х. Мисерек. ФТТ 37, 11, 3411 (1995).

[10] Л.И. Арутюнян, В.Н. Богомолов, Н.Ф. Картенко, Д.А. Курдюков, В.А. Попов, А.В. Прокофьев, И.А. Смирнов, Н.В. Шаренкова. ФТТ 39, 3, 586 (1997).

[11] Л.И. Арутюнян, В.Н. Богомолов, Н.Ф. Картенко, Д.А. Курдюков, Л.С. Парфеньева, И.А. Смирнов, Н.В. Шаренкова, А. Ежовский, Я. Муха, Х. Мисерек. ФТТ 40, 2, 379 (1998).

Физика твердого тела, 2001, том 43, вып.




© 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.