Введение к работе
Актуальность темы
Квазикристаллы (квазипериодические кристаллы) образуют новый класс твердых тел, свойства которых не укладываются в рамки классической кристаллографии. По степени и характеру упорядочения квазикристаллы занимают место между кристаллическими и аморфными материалами. Их атомная структура отвечает вращательной симметрии, запрещенной в "классической"кристаллографии (например, наблюдаются оси симметрии пятого порядка), т.е. она несовместима с периодичностью. Несмотря на отсутствие трансляционной симметрии, в квазикристаллах наблюдается дальний порядок, о чем свидетельствуют острые максимумы на дифрактограммах. Такой тип дальнего порядка получил название квазипериодического [1].
Известные к настоящему времени квазикристаллы образованы, как правило, металлическими компонентами, но обладают рядом свойств, весьма необычных для металлических сплавов. К их числу относится: высокое удельное электросопротивление, существенно превышающее сопротивление как в кристаллическом, так и в аморфном состояниях, возрастание удельного сопротивления при увеличении степени структурного совершенства образцов при очень сильной чувствительности к составу, низкая теплопроводность и низкий электронный вклад в удельную теплоемкость. Это весьма необычно и требует серьезного теоретического объяснения, согласно одному из которых причина лежит во взаимодействии электронных оболочек атомов, приводящем к локализации электронов внутри кластера.
Поскольку необычность свойств квазикристаллов во многом обусловлена особенностями их локальной структуры, то исследование локальной структуры и симметрии необходимо для понимания свойств этого нового класса веществ.
В связи с вышесказанным, актуальным является исследование особенностей локальной квазикристаллической структуры на основе совместного изучения структур квазикристалла Al-Fe-Cu и его кристалла-префазы (предшественника) с помощью методов, чувствительных к изменению локального упорядочения атомов вещества. К этим методикам относится рентгеновская спектроскопия поглощения (РСП или XAFS — X-ray Absorption Fine Structure), которую разделяют на две области: околопороговую структуру РСП — XANES (X-ray Absorption Near Edge Structure) и протяженную тонкую структуру РСП — EXAFS (Extended X-ray Absorption Fine Structure).
1 '^^^мльїшП
І Б"^ИОТМНАЯ/
Цель работы
Целью работы является сравнительное исследование особенностей локальной структуры квазикристаллов и кристаллов Al-Fe-Cu одного сте-хиометрического состава при помощи XAFS (EXAFS и XANES) спектроскопии с использованием синхротронного излучения для установления характера перестройки атомов при переходе из кристаллического в квазикристаллическое состояние.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
-
Проведено экспериментальное исследование серии квазикристаллических образцов Al-Cu-Fe различного химического состава и кристалла-префазы (предшественника) одного из квазикристаллов методами EXAFS- и XANES-спектроскопии в широком интервале температур 10 - 300 К выше К-Cu и K-Fe краев поглощения;
-
Исследованы параметры локального окружения меди и железа в исследуемых веществах: межатомные расстояния, факторы структурного разупорядрчения Дебая-Валлера и координационные числа сфер ближайшего окружения атомов меди и железа;
3 Выполнен анализ изменения симметрии ближайшего окружения атомов меди и железа при переходе из кристаллического в квазикристаллическое состояние;
-
С помощью компьютерного моделирования XANES-спектров проведено исследование влияния размеров кластеров вокруг атомов меди и железа на формирование особенностей формы края поглощения в квазикристалле и его кристалле-префазе;
-
Оценено влияние химического разупорядочения вокруг атомов меди и железа на формирование особенностей XANES при переходе из кристаллического в квазикристаллическое состояние.
Научная новизна работы
-
Впервые проведено сравнительное исследование особенностей локальной структуры кристалла-префазы и системы квазикристаллов близкого стехиометрического состава в широком интервале температур;
-
Показано, что формирование квазикристаллической структуры сопровождается слабой перестройкой в медной матрице и значительным изменением локального упорядочения вокруг атомов железа;
-
Установлен различный тип симметрии локального упорядочения вокруг атомов меди и железа в квазикристалле и показано различное влияние размера кластера, используемого при XANES-моделировании выше К- краев поглощения меди и железа на формирование особенностей структуры спектра поглощения в квазикристаллах;
-
На основании совместного анализа EXAPS- и XANES-спектров предложена согласованная модель перестройки локального окружения атомов меди и железа в тройном сплаве Al-Cu-Fe, обеспечивающая формирование икосаэдрических квазикристаллов.
Научная и практическая значимость
Предложенный механизм локальной перестройки атомов, ведущий к образованию квазикристаллов Al-Cu-Fe, позволяет ответить на вопрос о формировании кластерных конфигураций, в которых происходит локализация заряда. Именно локализация электронов в кластерах отвечает за аномалии проводимости квазикристаллов.
Понимание механизма локальных процессов образования квазикристаллических структур открывает широкие возможности для создания материалов с заранее заданными свойствами, поскольку свойства квазикристаллов сильно зависят от степени их структурного совершенства и химического состава. Учитывая, что квазикристаллические комплексы могут достигать нанометровых размеров, полученные знания о типах локального упорядочения полезны в различных областях нанотехнологии.
Автор выносит на защиту
-
Результаты экспериментального исследования температурных зависимостей локального окружения атомов меди и железа в кристаллическом и квазикристаллическом состоянии ряда тройных сплавов Al-Fe-Cu
-
Данные о межатомных расстояниях, факторах структурного разу-порядочения Дебая-Валлера и координационных числах сфер ближайшего окружения атомов меди и железа в исследуемых веществах;
-
Результаты моделирования симметрии кластеров ближайшего окружения атомов меди и железа в квазикристаллическом состоянии;
-
Модель локальной перестройки атомов вокруг меди и железа при структурном переходе кристалл-квазикристалл.
Апробация работы
Материалы диссертации были представлены на следующих конференциях: XIV и XV Международная Конференция по использованию Синхротронного Излучения СИ-2002 и СИ-2004 (Новосибирск, 2002.2004); IV Национальная конференция по применению рентгеновского, синхротронного излучений, нейтронов и электронов для исследования материалов РСНЭ-2003 и РСНЭ НАНО-2005 (Москва, 2003, 2005); 12th International Conference on X-ray Absorption Fine Structure, XAFS-12 (Sweden, 2003); Научная сессия МИФИ-2002 и МИФИ-2004 (Москва, 2002, 2004); Научная конференция ИСФТТ РНЦ "Курчатовский институт"(Москва, 2005), а также на научном се\*инаре ИСФТТ РНЦ "Курчатовский ин-ститут"по физике квазикристаллов (2005).
Публикации по работе
По теме диссертации опубликовано 3 статьи и 8 тезисов докладов.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. В первой главе проведен обзор литературы по физическим свойствам квазикристаллов, особое внимание уделено влиянию локальной структуры на свойства квазикристаллов и методам исследования локальной структуры. Вторая глава посвящена описанию теоретических основ методов исследования локальной структуры — EXAFS- и XANES-спектроскопии. В третьей и четвертой главах представлены результаты экспериментального исследования тройных сплавов Al-Fe-Cu в кристаллическом и квазикристаллическом состояниях методами XAFS-спектроскопии и проведен сравнительный анализ результатов EXAFS- и XANES-моделирования.
Работа изложена на 123 страницах машинописного текста, включая 47 рисунков и 4 таблицы. Список литературы насчитывает 200 наименований.
