Введение к работе
Актуальность темы. Одной из основных задач современной физики конденсированного состояния является исследование отклика той или иной системы на внешние воздействия с целью создания материалов с заданными свойствами. Среди традиционных методов такого воздействия можно назвать, например, тепловые, радиационные, электрические, магнитные и др. Все они, заметно изменяя энергетическое состояние конденсированной системы, могут существенным образом влиять на физические свойства последней, приводя, в частности, к изменениям критических параметров фазовых переходов системы. Воздействие сильных (>10 Тл) магнитных полей, например, вызывает смещение температуры Кюри у сегнетоэлектриков [1,2] и существенное изменение пластических свойств щелоч-но-галоидных кристаллов [3]. Облучение высокоэнергетическими у-квантами структур металл-диэлектрик-полупроводник генерирует в них высокоэнергетические электронно-дырочные пары, не склонные к рекомбинации [4], что существенно изменяет электрические свойства системы. Воздействие неоднородных температурных полей приводит к возникновению в диэлектриках термополяризационных эффектов [5] Во всех перечисленных примерах энергия воздействия сравнима по порядку величины с тепловой энергией кТ (к - постоянная Больцма-на, Т- абсолютная температура) системы, поэтому понятны причины, вызывающие изменение тех или иных ее свойств.
г)*-»***«№> магнитопластический
Сравнительно недавно, однако, появились первые работы (см., например, [6]), в которых сообщалось об изменениях механических свойств у образцов инструментальных сталей после воздействия на них слабых (<1 Тл) импульсных магнитных полей (ИМП). Поскольку энергия ЦцН (цв - магнетон Бора, Я - напряженность магнитного поля), которую привносят такие поля в решетку кристалла, на несколько порядков величины меньше кГ(для разумных температур), сообщения о «каких-либо эффектах», вызываемых подобными воздействиями, вызвали поначалу совершенно естественную скептическую реакцию. Тем не менее, результаты исследований воздействия слабых импульсных и постоянных магнитных полей (ПМП) на конденсированные системы различной природы продолжали появляться в печати, находя многообразные и независимые подтверждения. Было обнаружено, например, что кратковременные воздействия ИМП могут инициировать долговременные структурные перестройки и связанные с ними изменения физических свойств у широкого класса немагнитных материалов. В качестве примеров можно отметить магнитопластический эффект, обнаруженный в ионных кристаллах [7], ИМП-инициированный распад пересыщенного твердого раствора кислорода в кристаллах кремния [8], изменение характера диэлектрических потерь и пластичности обработанных слабыми ПМП сегнетоэлектрических кристаллов [9] и т.д. Эти исследования показали возможность модифицирования свойств диамагнитных материалов слабыми магнитными полями. К настоящему времени накоплен достаточно объемный экспериментальный материал, посвященный таким исследованиям, но все они до сих пор имели разрозненный характер. Предпринимались попытки построения теоретических моделей, объясняющих столь стран-
БИБЛИОТЕКА СПетсрб; 09 ТОО
ные с точки зрения термодинамі
2 эффект в работе [10] рассматривался с позиций влияния слабых МП на спиновые состояния короткоживущих пар дефектов, образованных дислокацией и парамагнитным точечным центром в объеме щелочно-галоидного кристалла. Ранее такой же подход был использован для объяснения протекания спин-зависимых химических реакций в диамагнитных жидкостях и твердых телах, подвергнутых воздействию слабых МП [11]. Однако, экспериментально установленные эффекты и закономерности зачастую не удавалось трактовать в рамках известных моделей. Для построения общих теоретических представлений, позволяющих объяснить способность слабых (практически с «нулевой» энергией) ИМП и ПМП вызывать существенные изменения состояния конденсированных систем, необходимо дальнейшее накопление экспериментального материала, в частности, поиск возможно большего количества веществ, откликающихся на такие слабые воздействия. Это позволило бы, в конечном итоге, модифицировать свойства широкого класса диамагнитных твердых тел с помощью простой аппаратуры, доступной практически для любой современной лаборатории.
Цель и задачи исследования.
Целью работы является установление закономерностей и природы эффекта слабых магнитных полей в структурных и фазовых превращениях диамагнитных материалов.
В соответствии с поставленной целью решались следующие научные задачи:
Экспериментальное исследование воздействия слабых ИМП на реальную структуру и фазовые превращения в полупроводниковых кристаллах кремния, полупроводниковых твердых растворах систем Sb-As, Sb-As-Ge, а также соединений А11'В" на примере арсенида индия.
Исследование влияния слабых ИМП и ПМП на фазовые переходы «кристалл-расплав-кристалл» в кристаллизующихся гибкоцепных полимерах групп орга-носилоксанов и полиэтиленоксидов.
Установление закономерностей изменения сегнетоэлектрических и диэлектрических свойств подвергнутых воздействию ИМП и ПМП водородсодержащих кристаллов триглицинсульфата (ТГС) и дигидрофосфата калия (KDP) вблизи сегнетоэлектрического фазового перехода.
Определение изменения характера температурной зависимости удельного электрического сопротивления вблизи сверхпроводящего фазового перехода высокотемпературного сверхпроводника (ВТСП) - керамики УВагОізС^-а после ИМП-воздействия.
Научная новизна. Основные результаты исследований воздействия слабых ИМП и ПМП на фазовые переходы в диамагнитных кристаллах полупроводников и сегнетоэлектриков, в кристаллизующихся полимерах и ВТСП-керамике получены впервые и заключаются в следующем:
- обнаружено, что кратковременное (секунды) воздействие слабого (0.4 Тл) ИМП инициирует в кристаллах кремния, выращенного методом Чохральского, протекание долговременных (сотни часов при комнатной температуре) процессов, сопровождающихся существенным смещением спектров поглощения и отражения микроволнового излучения;
обнаружен эффект долговременного (месяцы) перераспределения компонентов кристаллов твердого раствора Sbi.xASx, подвергнутых воздействию ИМП (0.3 Тл, 60 с); перераспределение включает в себя этапы первоначального обогащения поверхности кристаллов сурьмой с образованием ею кластеров, дальнейший распад кластеров и существенное повышение однородности твердого раствора; структурные превращения сопровождаются снижением температуры плавления кристаллов;
установлено, что в образцах трехкомпонентной системы Sbo^gAso^Geo^j, в которых наблюдается крайне неравномерное исходное распределение компонентов, воздействие ИМП (0.3 Тл, 60 с) вызывает долговременный процесс радикальной перестройки структуры, конечным этапом которого является образование областей твердого раствора арсенида германия, отсутствующего в исходном образце;
для модифицированного полидиметилсилоксана (с добавлением 0.5% метил-виниловых звеньев), подвергнутого 30-секундной обработке слабым ИМП (0.2 Тл) при комнатной температуре, обнаружен эффект существенного сближения температур плавления Тпл и кристаллизации Гц, (изменение ЛТ^Гпл-Т^ ~ 30 К), имеющего необратимый характер;
в полиэтиленоксидах с молярными массами 100-Ю3 (ПЭО-100) и 40-Ю3 (ПЭО-40) кг/кмоль, обработанных при Г=350 КИМП (0.2 Тл, 30 с), отмечен магнито-кристаллизационный эффект, проявляющийся в необратимом изменении характера нуклеации при кристаллизации полимеров;
обнаружено селективное воздействие слабого (до 0.32 Тл) ПМП на расплав образцов ПЭО-100, заключающееся в существенном изменении температур фазовых переходов AJ"= 7^-7^ полимера;
обнаружены эффекты изменения сегнетоэлектрических и диэлектрических свойств вблизи точки Кюри у номинально чистых кристаллов ТГС, обработанных слабым (0 02-0.06 Тл) ИМП в полярной и параэлектрической фазах;
показана возможность селективного воздействия слабого (0.05-0.09) ПМП на кристаллы ТГС и KDP, приводящего к уменьшению их температур Кюри и возрастанию величины коэрцитивного поля;
для образцов ВТСП-керамики YBa2Cu307.s, обработанных ИМП (0.5 Тл при 7=420 К в течение 60 с) отмечен эффект изменения знака температурного коэффициента электрического сопротивления (ТКС) вблизи сверхпроводящего фазового перехода и отсутствие самого перехода вплоть до Т— 77К.
Основные положения, выносимые на защиту:
Кратковременное воздействие слабых импульсных магнитных полей (ИМП) приводит к долговременному перераспределению элементов в полупроводниках, полупроводниковых твердых растворах и соединениях AmBv
Гибкоцепные кристаллизующиеся полимеры, имеющие радикальные концевые группы и (или) слабые двойные связи в полимерной цепи после обработки их расплава слабыми магнитными полями меняют морфологию кристаллического состояния.
Немонотонная зависимость от времени температур фазовых превращений кристалл-расплав-кристалл ИМП - обработанных полимеров обусловлена возрастанием подвижности полимерных цепей за счет разрушения сетки «физических узлов» с одной стороны, и снижением подвижности цепей в результате их сшивок—с другой.
Обработка слабыми магнитными полями полярных фаз водородсодержащих кристаллов (триглицинсульфат и дигидрофосфат калия) вызывает обратимое возрастание напряженности коэрцитивного поля и диэлектрической проницаемости и уменьшение температуры Кюри.
Воздействие ИМП на сверхпроводящую керамику УВа^СизОт-я меняет знак ее температурного коэффициента сопротивления вблизи сверхпроводящего фазового перехода.
Практическая значимость. Обнаруженные в работе закономерности свидетельствуют о том, что слабые магнитные поля могут успешно использоваться для модификации свойств целого ряда диамагнитных материалов:
на примере кристалла InAs показана возможность использования ИМП для повышения фазовой однородности и структурного совершенства бинарных фаз полупроводниковых соединений АШВ;
предложен способ геттерирования в кристаллах Cz-Si, основанный на последовательной обработке образцов а-частицами и ИМП (в отличие от традиционных высокотемпературных предлагаемый способ реализуется при Т<550 К, что позволяет использовать его практически на любом этапе формирования приборов на основе кристаллов Cz-Si);
показана возможность использования ИМП в качестве тестирующего воздействия для обнаружения скрытых технологических дефектов в пластинах Cz-Si;
использование для обработки ИМП и ПМП дает возможность изменять характер процесса кристаллизации и варьирования температурного интервала между Тпр и Ткрв полимерах, имеющих слабые двойные связи в основной цепи и/или радикальные концевые группы;
обнаруженный эффект изменения знака ТКС вблизи температуры сверхпроводящего фазового перехода в ВТСП-керамике YBa2Cu307-s после ИМП-воздействия открывает дополнительные возможности для управления реальной структурой и свойствами оксидных высокотемпературных сверхпроводников;
результаты работы следует учитывать при разработке приборов, в которых
используются исследованные материалы (защита от воздействия ИМП).
Личный вклад автора. Все основные экспериментальные результаты, представленные в диссертации, получены самим автором, либо при его непосредственном участии. Выбор направлений исследований, постановка задач, обобщение экспериментальных результатов, написание статей также принадлежат автору. Ряд исследований проведен с участием соискателя и аспирантов, у которых автор является соруководителем (Палагин М.Ю., Дронов МА, КолесниковаЕ.Д.).
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на нижеперечисленных конференциях, симпозиумах, семинарах и совещаниях: Всесоюзной конференции «Актуальные проблемы получения и применения сегнетоматериалов» (Москва, 1991), Международной школе-семинаре «Релаксационные явления в твердых телах» (Воронеж, ВПИ, 1993 ), VIII Международной конференции по сегнетоэлектричеству (США, 1993), Международной конференции «Диэлектрики-93» (Санкт-Петербург, 1993), III Международном симпозиуме по доменным структурам (Польша, 1994), Международном семинаре «Релаксационные явления в твердых телах» (Воронеж, ВПИ, 1995), VIII Европейской конференции по сегнетоэлектричеству (Голландия, 1995), ГХ Международной, конференции «Взаимодействие дефектов и неупругие явления в твердых телах» (Тула, 1997), VI Международной конференции по электрокерамикам и их применениям (Швейцария, 1998), XV Всероссийской конференции по физике сег-нетоэлектриков (Ростов-на-Дону, 1999), VII, \ТП и ГХ Международных научно-технических конференциях «Радиолокация, навигация, связь» (Воронеж, ВГУ, 2001 2002 и 2003), Международной научно-технической конференции «Межфазная релаксация в полиматериалах» (Москва, 2001), II и Ш Международных междисциплинарных симпозиумах «Фракталы и прикладная синергетика» (Москва, 2001 и 2003), Международной школе-семинаре «Нелинейные процессы в дизайне материалов» (Воронеж, ВГТУ, 2002), Ш Международной научно-технической конференции «Электрическая изоляция - 2002» (Санкт-Петербург, 2002), VII Российско-японском симпозиуме по сегнетоэлектричеству (Санкт-Петербург, 2002), XVI Всероссийской конференции по физике сегнетоэлектриков (Тверь, 2002), Международной научно-технической школе-семинаре «Молодые ученые — науке, технологиям и профессиональному образованию» (Москва, 2002), Ш и V Международных научно-технических конференциях «Кибернетика и технологии XXI века» (Воронеж, ВГУ, 2002 и 2004), Международной научно-технической конференции «Тонкие пленки и слоистые структуры» (Москва, 2002), Всероссийской конференции «Физико-химические процессы в конденсированном состоянии и на межфазных границах» (Воронеж, ВГУ, 2002), V Междун. конф. «Действие электромагнитных полей на пластичность и прочность материалов» (Воронеж, ВГТУ, 2003), Международной научно-практической конференции «Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения» (Москва, 2003), IV Международном семинаре по физике сегнетоэластиков «ISFP-4» (Воронеж, 2003), Международной научно-технической школе - конференции «Молодые ученые — 2003» (Москва, 2003), Международной научно-технической конференции «Межфазная релаксация в полиматериалах» (Москва, 2003), X Международной конференции «Диэлектрики - 2004» (Санкт-Петербург, 2004).
Публикации. В конце автореферата приведен список из 46 основных публикаций по теме диссертации. Личный вклад соискателя во всех работах, выполненных в соавторстве, состоит в постановке части задач исследования, получении экспериментальных данных, написании статей, творческом участии в анализе полученных результатов, их обобщении и формулировке выводов.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, приложений и списка литературы. Объем диссертации составляет 338 страниц машинописного текста, включая 122 рисунка и 9 таблиц. Список литературы содержит 381 наименование.
