Введение к работе
Актуальность темы. Исследование природы, условий стабильности и физических свойств систем с ковалентными связями представляет собой актуальное направление физики твердого тела, важное как с точки зрения фундаментальной науки, так и разнообразных практических приложений.
Исследование классических ковалентных кристаллов семейства алмаза при высоких давлениях показало, что.давление является мощным фактором, влияющим на стабильность ковалентных структур. Уже при небольшом сжатии Si, Ge и их аналоги проявляют такие признаки потери стабильности, как уменьшение ширины запрещенной зоны и смягчение поперечных акустических колебаний. Дальнейшее уменьшение объема приводит к потере устойчивости и к фазовым переходам: например, в кремнии в интервале давлений 0.1-1 Мбар наблюдается четыре полиморфных перехода первого рода, при которых происходит последовательное увеличение координационного числа от 4 до 12 и постепенное изменение распределения электронной плотности от сильно анизотропного ковалентного в структуре алмаза до сферически симметричного, характерного для плотноупакованных структур. Все фазы высокого давления в кремнии являются металлическими.
Алмаз, как оказалось, выпадает из общего ряда, поскольку остается стабильным вплоть до максимально достижимых статических давлений (~4 Мбар) и не обнаруживает отмеченных выше признаков потери устойчивости при умеренных давлениях. Согласно существующим представлениям, уникальные свойства алмаза связаны с особенностями электронной структуры остова углерода, .а именно, с отсутствием внутренних р-электронов.
Если это так, то изоэлектронные и структурные аналоги алмаза -BN (структура сфалерита) и ВеО (структура вюртнига) также должны быть очень устойчивы к действию высоких давлений, а такие «гибридные» чещества, как ВР, SiC, A1N и B6S должны следовать общим закономерностям, установленным для Si, Ge и их аналогов.
Возможность исследовать при высоких давлениях названные соединения появилась в середине 80-х годов с развитием техники алмазных наковален и продвижением в мегабарную область давлений. В частности, появилась возможность достаточно точного рентгенографического измерения их уравнений состояния, необходимых как для дальнейшего развития теории структурных свойств тетраэдрических кристаллов, так и для многочисленных практических применений.
Исследование колебаний решетки, в том числе поведения поперечных акустических колебаний под действием сжатия, могло дать ответ на вопрос о степени стабильности ближайших аналогов алмаза. В этом плане особенно привлекательной была возможность исследования методом КРС в алмазных наковальнях политипов SiC и соединений со структурой вюртцита (ВеО, A1N), в которых колебания, аналогичные ТА-колебаниям структуры алмаза, становятся активными в комбинационном рассеянии света первого порядка.
Эти актуальные задачи применительно к BN, SiC и A1N изучались
автором диссертации.
Целью данной диссертационной работы является:
- исследование влияния высоких давлений на кристаллическую структуру
и динамические свойства BN, SiC и A1N;
- выявление общих закономерностей поведения алмазоподобных
соединений под давлением.
Научная новизна работы заключается в следующем:
- впервые с высокой точностью измерены зависимости параметров
решетки кубического BN, SiC-ЗС и SiC-15R от давления. Получены
точные и надежные значения модулей объемной упругости и их
производных по давлению для указанных веществ;
измерены объемные зависимости частот ЬО(Г)- и ТО(Г)-колебаний BN и SiC-ЗС при сжатии до 0.93Vo и 0.86Vo, соответственно;
измерены зависимости от давления частот всех КРС-активных фононов SiC-6H (до 48 Ша) и SiC-15R (до 35 ГПа). Прослежена эволюция фононной дисперсионной кривой SiC вдоль Л-направления под действием давления; в частности, зарегистрировано смягчение ТА-ветви;
- измерена зависимость частоты Ej1-фонона A1N от давления и
обнаружена его аномальная стабилизация;
- установлен обратимый характер фазового перехода в A1N из структуры
вюргцита в структуру NaCl.
Практическая ценность работы.
Высокая точность экспериментального определения модуля объемной упругости и его производной по давлению BN и SiC позволяет использовать эти величины в качестве справочных данных. Установленные в диссертации закономерности могут служить для проверки надежности и предсказательной силы теоретических методов и способствуют пониманию природы ковалентной связи в кристаллах сзмейства алмаза.
Апробация работы.
Основные результаты диссертации докладывались на международных конференциях по физике высоких давлений: ХІ-й конференции AIRAPT, Киев, 1987; Международной конференции по физике и технике высоких давлений, посвященной 80-летию академика Л.Ф.Верещагина, Троицк, 1989; ХИ-й конференции AIRAPT, Падерборн, ФРГ, 1989; XXVIII-й ежегодной сессии EHPRG, Талане, Франция, 1990; lV-м семинаре США-Япония «High-pressure: Applications to Earth and Planetary Sciences», Сендай, Япония, 1991; а также на IV-й Всесоюзной конференции по спектроскопии КРС, Ужгород, 1989 и Конференциях сотрудников Института Кристаллографии РАН (1988, 1996).
На зашиту выносятся следующие основные выводы диссертации:
1. Для С, BN, SiC, Si и Ge существует универсальное уравнение
состояния в переменных (Р/Во, V/Vo);
2. Стабильность алмаза и алмазоподобных веществ определяется в первую
очередь наличием (отсутствием) внутренних р-электронов в ионных
остовах составляющих кристалл атомов, что подтверждается поведением BN, SiC и A1N при высоких давлениях. Отличная от нуля степень ионности является дополнительным дестабилизирующим фактором. 3. Анализ экспериментальных данных выявил предпочтительность «алмазной» шкалы высоких давлений.
Структура диссертации.
