WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика твердого тела, 2002, том 44, вып. 2 Влияние особенностей структуры на теплопроводность поликристаллического сульфида цинка © Н.В. Лугуева, С.М. Лугуев Институт физики Дагестанского научного центра Российской академии наук, 367003 Махачкала, Россия E-mail: kamilov@datacom.ru (Поступила в Редакцию 24 мая 2001 г.) В диапазоне температур 80–400 K выполнено экспериментальное исследование теплопроводности оптически прозрачных поликристаллов сульфида цинка, различающихся размерами кристаллитов, плотностью образцов, и монокристалла ZnS. Показано, что теплопроводность поликристаллических образцов существенно зависит от размеров кристаллитов и связанной с ними концентрации дефектов в приграничном слое. В образцах с зернами размером 1 µm при температурах T < 130 K наблюдается дополнительное тепловое сопротивление вследствие граничного рассеяния фононов. Показано, что в области температуры T > 210 K наряду с поперечными фононными модами в теплопереносе начинают играть возрастающую с температурой роль продольные фононные моды.

Сульфид цинка ввиду его прозрачности в инфракрас- ликристаллической керамики. В связи с этим возникла ной области спектра используется в оптическом прибо- необходимость детального изучения механизмов переноростроении. В ряде случаев для практического примене- са тепла в оптических поликристаллических материалах ния поликристаллические материалы на оснвое сульфида на основе ZnS в зависимости от особенностей струкцинка предочтительнее монокристаллического ZnS [1]. туры образцов, температуры, размеров кристаллитов, При серийном производстве оптических поликристалли- линейных и объемных дефектов, что является целью ческих материалов на основе ZnS используются методы настоящей работы.

вакуумного рекристаллизационного прессования мелко- В данной работе приводятся результаты более тщадисперсного порошка или осаждения из паровой фазы тельного исследования теплопроводности КО-2, резульисходного сырья. Образцы, получаемые рекристаллиза- таты исследования теплопроводности поликристалличеционным прессованием (КО-2), имеют лучшие механи- ского сульфида цинка, полученного осаждением из пароческие свойства, но несколько худшую прозрачность, вой фазы, и монокристалла ZnS.

особенно в коротковолновой области оптического спек- Образцы КО-2 были получены методом рекристалтра, чем образцы, получаемые осаждением из паровой лизационного прессования в вакууме тонкодисперсного фазы (ПО-2) [2,3]. Данные о коэффициенте теплопро- (размер частиц 25 nm) порошка ZnS (сульфид цинка водности () поликристаллических образцов сульфида для оптической керамики). Полученные образцы имели цинка, получаемых как методом рекристаллизационного размер зерен 1-2 µm, относительную плотность 0.прессования, так и осаждением из паровой фазы, не- (образец КО-2(1)) и 0.991 (образец КО-2(2)) от плотнообходимы для оптимизации технологии получения со- сти монокристаллического ZnS. Образцы ПО-2 состояли вершенных оптических материалов на их основе и для из кристаллитов размером 1-3 mm, имели плотность, решения конструкторских задач. Вместе с тем данные равную плотности монокристалла ZnS. Образцы для о теплопроводности и ее температурной зависимости измерений вырезались из объемных дисков, имели форму позволяют получить интересные сведения о механизмах стержней с круглым или прямоугольным сечением, равпереноса тепла в веществе и изучить зависимость от ным 20 mm2 и высотой 22-24 mm. По данным рентгеособенностей структуры образцов. ноструктурного анализа исследованные материалы КО-2, Проведенные нами исследования [4] показали, что те- ПО-2 и монокристалл ZnS имели кубическую структуру плопроводность поликристаллического оптического ма- (-ZnS–сфалерит).

териала КО-2, полученного методом рекристаллизацион- Измерения проводились в диапазоне температур ного прессования в вакууме мелкодисперсного порошка 80-400 K в вакууме абсолютным стационарным методом сульфида цинка, существенно меньше теплопроводности на установке, аналогичной установке типа A, описание монокристаллического ZnS. Значения коэффициента те- которой приведено в [6]. В интервале температур плопроводности КО-2, приведенные в работе [4], были в 160-250 K измерения проводились также в квазиста3.9 раза при 80 K и в 1.6 раза при 300 K меньше, чем ционарных условиях с помощью переохлажденного этизначения, приведенные в работе [5] для монокристалли- лового спирта в качестве хладоагента. Температурный ческого ZnS при тех же температурах. Предварительный дрейф при этом не превышал 0.5 K в час. Необходимость анализ позволил предположить, что более низкая, чем проведения таких измерений диктовалась результатами у монокристаллического ZnS, теплопроводность КО-2 анализа темпераутрной зависимости образцов, исслеобусловлена особенностями дефектной структуры по- дованных при стационарном температурном режиме при 252 Н.В. Лугуева, С.М. Лугуев эксперимента данные, полученные в стационарных (где измерительный прибор помещался в хладоагент с фиксированной температурой) и квазистационарных условиях. Для удобства обсуждения полученных экспериментальных данных и проведения их анализа на рис. представлены температурные зависимости теплового сопротивления (W = 1/) образцов КО-2, ПО-2 и монокристалла ZnS. Как видно из рис 2, в исследованном диапазоне температур зависимости W (T ) образцов ПО-и монокристалла ZnS представляют собой параллельные прямые с изломом в области 210 K. По сравнению с ПО-2 и монокристаллом ZnS тепловое сопротивление образцов КО-2 существенно больше по абсолютной величине. В области температур 130-400 K зависимость W(T ) образцов КО-2 также имеет линейный характер с изломом при 210 K, однако при T < 130 K наблюдается отклонение W(T ) от такой зависимости, что может быть связано с особенностями рассеяния фононов.

Рассмотрим механизмы, которые могли бы быть ответственны: 1) за наблюдаемые в эксперименте низкие значения для поликристаллических образцов КО-(несмотря на достаточно высокую их оптическую прозрачность) по сравнению с поликристаллами ПО-2 и монокристаллом ZnS; 2) за появление дополнительного теплового сопротивления в образцах КО-2 при T < 130 K; 3) за изменение наклона температурных зависимостей теплового сопротивления образцов КО-2, Рис. 1. Температурные зависимости коэффициента теплопроПО-2 и монокристаллического ZnS в области 210 K.

водности образцов ZnS различной структуры: монокристалАнализ возможных составляющих, вносящих вклад ла (1), поликристалла ПО-2 (2), поликристалла КО-2 разной в исследованных образцов в диапазоне температур пористости (3, 4). I — измерения в квазистационарных 80-400 K, показывает, что поскольку электрическое соусловиях, II — монокристалла ZnS из работы [5], III — КО-2 из работы [4].

фиксированных температурах хладоагента, и наблюдавшимися на зависимости (T ) особенностями, которые обсуждаются далее. Относительная погрешность измерений при обоих температурных режимах не првышала 2% в низкотемпературной области измерений и 3% в области температур 300-400 K.

Полученные экспериментальные данные представлены на рис. 1. На этом же рисунке для сравнения приведены данные о коэффициенте теплопроводности монокристалла ZnS из работы [5] и образца КО-2, измеренного в [4]. Из представленных на рис. 1 экспериментальных данных видно, что полученные нами результаты для монокристалла ZnS и данные работы [5] практически совпадают. Совпадают также значения образцов КО-2, исследованных в настоящей работе, с данными, полученными ранее [4]. Теплопроводность КО-2 во всем исследованном диапазоне температур заметно ниже теплопроводности ПО-2 и монокристалла. ТеплопроРис. 2. Температурные зависимости теплового сопротивления водность ПО-2 и монокристалла близки между собой (W = -1) образцов ZnS различной структуры. Нумерация как по абсолютной величине, так и по температурной образцов та же, что и на рис. 1. 4 — разность тепловых зависимости. Совпадают также в пределах погрешности сопротивлений КО-2 и ПО-2.

Физика твердого тела, 2002, том 44, вып. Влияние особенностей структуры на теплопроводность поликристаллического сульфида цинка противление ZnS велико, электронным теплопереносом можно пренебречь. Оценка фотонной составляющей теплопроводности phot исследованных нами образцов показала, что, несмотря на их оптическую прозрачность, phot пренебрежимо мала даже в монокристаллах ZnS.

Такая оценка, проведенная для поликристаллических образцов ZnS [7], показала, что phot при 300 K составляет в них 0.006% от величины общей теплопроводности.

Следовательно, экспериментально полученные значения образцов определяются переносом тепла колебаниями кристаллической решетки.

Рассмотрение роли акустических и оптических фононов в переносе тепла в ZnS показывает, что вклад оптических фононов в исследуемой области температур несуществен, поскольку оптические фононные моды в ZnS имеют характеристические температуры 426 K для поперечных оптических фононов и 477 K для продольных оптических фононов [8], и они начинают возбуждаться лишь в высокотемпературной области исследуемого интервала. Ввиду этого, а также их малой групповой скорости, оптические фононы не могут внести заметный вклад в теплоперенос при температурах ниже комнатной.

Акустические же фононы доминируют в теплопереносе в исследованных образцах ZnS при температурах Рис. 3. Температурные зависимости длины свободного про80-400 K.

бега фононов. 1–3 — зависимости средней длины свободного Попытаемся теперь проанализировать механизмы, пробега фононов в КО-2, ПО-2 и монокристалле ZnS соотограничивающие перенос тепла в исследованных образветственно, 4 — зависимость расчетной длины свободного цах. В монокристаллах ZnS основными механизмами, пробега фононов при фонон-фононных процессах рассеяния ограничивающими теплопроводность в интервале темпе- (lph), 5 — зависимость расчетной длины свободного пробега ратур 80-400 K, являются трехфононные процессы пе- фононов в КО-2 с учетом фонон-фононных и фонон-граничных процессов рассеяния, 6, 7 — зависимости длины свободного реброса и процессы рассеяния фононов нульмерными и пробега фононов при граничном рассеянии в образцах КО-2 с одномерными дефектами, которые присутствуют в реальразмерами зерен 1 и 2 µm соответственно.

ных кристаллах. В поликристаллах ПО-2 и КО-2 перенос тепла может ограничиваться, кроме того, двумерными дефектами (межзеренными границами), а в КО-2 — еще и объемными (поры) дефектами. Вклад последних В поликристаллических образцах межзеренные гравозможен, так как плотность образцов КО-2(1) на 0.2%, ницы и приповерхностные слои зерен всегда содержат КО-2(2) на 0.9% меньше плотности ПО-2 и монокрибольшое количество дефектов [9], которые деформируют сталлического ZnS. При получении образцов КО-2 меторешетку и эффективно рассеивают фононы, повышая дом горячего прессования в них могут образовываться тепловое сопротивление образцов. О роли границ зерен мелкие вакуумированные поры [9], что является причии дефектов в рассеянии фононов можно судить, оценив ной уменьшения плотности образцов. Нами проведена длину свободного пробега фононов для каждого типа оценка вклада пор в уменьшение теплопроводности КО-процессов рассеяния. Из данных о коэффициенте тепо формуле, предложенной в [10] для образцов малой плопроводности мы оценили среднюю длину свободного пористости, пробега фононов (l) по формуле = 0 1 - P, (1) l =, (2) CV (v) где 0 — коэффициент теплопроводности вещества с нулевой пористостью, P — пористость вещества. Рас- где — экспериментально полученный коэффициент считанное таким образом уменьшение теплопроводности теплопроводности, CV — теплоемкость при постоянном при температуре 300 K за счет пористости для образца объеме, v — средняя скорость звука. Значения CV и v КО-2(1) составляет 0.3%, а для образца КО-2(2) — 1.3% для ZnS взяты соответственно из [11] и [12]. Полученные от образцов с нулевой пористостью. Поэтому в иссле- таким образом значения средней длины свободного продованных образцах КО-2 столь низкая теплопроводность бега фононов в исследованных образцах представлены на по сравнению с ПО-2 и монокристаллом не может быть рис. 3. Поскольку рассеяние фононов в исследованных обусловлена лишь наличием в КО-2 микропор. образцах обусловлено фонон-фононным рассеянием, расФизика твердого тела, 2002, том 44, вып. 254 Н.В. Лугуева, С.М. Лугуев сеянием на дефектах и границах зерен, среднюю длину эффективными рассеивающими центрами для фононов в свободного пробега фононов можно представить в виде соединениях A2B6 [5], ограничивающими их длину свободного пробега. В ПО-2 и особенно в КО-2 необходимо --1 -1 -учитывать еще и вклад в тепловое сопротивление от проl = lph + ld + lb, (3) цессов рассеяния фононов на дефектах в приграничном слое зерен. В КО-2 ввиду малости размеров зерен конгде lph — длина свободного пробега, обусловленная центрация таких дефектов существенно больше, чем в фонон-фононными процессами рассеяния, ld — длина ПО-2. Соответственно их вклад в тепловое сопротивлесвободного пробега, связанная с рассеянием фононов на ние образцов КО-2 много больше, чем в ПО-2. Как видно дефектах, lb — длина свободного пробега, обусловленная из рис. 2, дополнительное тепловое сопротивление, обусрассеянием фононов границами зерен. Длина свободловленное большим в КО-2, чем в ПО-2, количеством ного пробега фононов, связанная с фонон-фононными дефектов вблизи границ зерен, практически не зависит от процессами рассеяния в сульфиде цинка, оценена по температуры, что соответствует существующей теории формуле [13] a рассеяния фононов на дефектах [16].

lph =, (4) T На температурной зависимости W(T ) для КО-2, ПО-и монокристалла ZnS в области температуры 210 K нагде a3 — объем, приходящийся на один атом в кристалле, блюдается изменение наклона (излом). Наличие излома — коэффициент теплового расширения, — параметр на зависимости W(T ) в районе температуры Дебая () Грюнайзена. При проведении расчетов значения и для сульфида цинка взяты из работ [8,14]. Величина lb было обнаружено ранее для щелочно-галоидных соединений и некоторых халькогенидов свинца и кадмия [17].

рассчитана по формуле [15] На теоретически рассчитанной зависимости W(T ) для NaCl также имелся такой излом [18]. Среднее знаlb = 1.12F d, (5) чение температуры Дебая для акустических фононных где d — поперечное сечение зерна, F — относительная мод, которые переносят тепло в сульфиде цинка, можно часть фононов, диффузно рассеивающихся на границах. определить по формуле [19] Для ZnS F = 0.58 [15]. Результаты проведенных таким образом расчетов lph, lb для исследованных образцов 2 2 = TA + LA, (6) также представлены на рис. 3. При расчете lb размер 3 зерна принимался равным 1 и 2 µm, что соответствует где TA и LA — температуры Дебая для поперечных размерам зерен в КО-2.

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.