Низкотемпературные теплофизические свойства кристаллических диэлектриков сложного состава Егоров, Геннадий Викторович

Введение к работе

Актуальность темы. Настоящая работа посвящена
экспериментальному исследованию низкотемпературных

теплофизических свойств ряда неупорядоченных диэлектриков сложного состава и является частью фундаментальной проблемы, заключающейся в исследовании перестройки фононного спектра сложных диэлектриков, обусловленной изменением примесного состава кристаллов.

Основные теплофизические характеристики диэлектрических кристаллов теплоемкость С и теплопроводность к определяются фононным спектром кристалла и его структурой. Теоретические модели разработаны для простых кубических кристаллов и наталкиваются на большие трудности при рассмотрении кристаллов сложного состава и симметрии, особенно в случае введения значительного количества примесей, что приводит к существенной перестройке фононного спектра. Введение же большого количества примесей диктуется потребностями современной техники. В связи с этим актуальной становится задача определения влияния примесного состава кристаллов на фононный спектр, а следовательно, и на теплофизические свойства этих кристаллов.

В настоящей работе рассмотрено поведение теплоемкости и теплопроводности боратов, фианитов, лангаента, а также керамического нитрида алюминия AIN в широком интервале температур и концентраций примесей (в ряде кристаллов). Полученные экспериментальные данные могут способствовать построению удовлетворительных теорий теплоемкости и теплопроводности сложных кристаллов, которые в настоящее время отсутствуют.

Рассмотренные в данной работе вещества являются перспективными материалами для различных практических приложений, в частности для акустоэлектроники и лазерной техники, где они получили применение в линиях задержки, в качестве рабочих тел в лазерах, подложек интегральных схем высокой степени интеграции и др.

Как показано в диссертации, исследование низкотемпературных свойств этих веществ позволяет совершенствовать технологический процесс их получения и улучшить характеристики материалов, используемые на практике.

В работе сделан краткий анализ существующих теорий и предпринята попытка объяснения полученных результатов на основе этих теорий.

Цель работы. Целью настоящей работы является
экспериментальное исследование низкотемпературных

теплофизических свойств неупорядоченных диэлектриков сложного состава, включая твердые растворы и керамики, в которых проявляются эффекты, обусловленные перестройкой фононного спектра.

Научная новизна (основные положения, выносимые на защиту):

1. Впервые измерены температурные зависимости теплоемкости, теплопроводности и параметров решетки ряда сложных диэлектриков в широком интервале температур.

2. На основании калориметрических данных рассчитана температурная зависимость характеристической температуры Дебая исследованных веществ. Для фианитов, лангасита и нитрида алюминия получена температурная зависимость средней длины свободного пробега фононов.

3. Обнаружено, что наибольший относительный прирост теплоемкости при замещении атомов иттрия атомами гадолиния в боратах Yi__x Gd_x А1₃ (В0₃)4 наблюдается при температурах порядіса 20 К и имеет форму пика с полушириной ДТ, изменяющейся по мере роста концентрации легирующей примеси.

4. Установлено, что теплопроводность фианитов (Zr 0₂)i__x (Y₂ 0₃)__х слабо зависит от состава и от температуры. Температурная зависимость к(Т) имеет вид, характерный для аморфных тел, что свидетельствует о значительном искажении кристаллического поля фианитов.

5. Относительный прирост теплоемкости фианитов также имеет форму пика с максимумом при Т ~ 20 К и полушириной ДТ, зависящей от концентрации стабилизирующей примеси.

6. Обнаружено, что теплопроводность лангасита La₃ Ga< Si Ом существенно ниже теплопроводности кристаллического кварца, имеющего сходную симметрию, и слабо зависит от температуры. По своему значению теплопроводность лангасита близка к теплопроводности кварца, облученного большой дозой нейтронов.

7. Установлено, что температурная зависимость теплопроводности керамического А1 N имеет характерный колоколообразный вид с максимумом в области Т ~ 160 К. Теплоемкость керамического нитрида алюминия в исследованном интервале температур практически не отличается от теплоемкости поликристаллического образца, исследованного ранее, и хорошо согласуется с высокотемпературными данными по теплоемкости керамики А1 N.

8. На основании температурной зависимости параметров
кристаллической решетки А1 N в интервале 5 - 300 К установлено

наличие отрицательного коэффициента теплового расширения а і области температур ниже 140 К.

Практическая ценность работы. Полученные результаты пс теплофизическим свойствам боратов, фианитов, лангасита і керамического нитрида алюминия в широком интервале температуї могут быть использованы для оптимизации технологически) процессов получения этих материалов и для расчета теплофизическим режимов работы устройств, созданных на их базе, для определена термодинамических функций рассмотренных веществ, а также і качестве справочных данных для использования во всевозможны) расчетах.

Апробация работы. Результаты работы докладывались не Международной конференции по частотному контролю (ШЕЕ) в Сан франциско (1995 г.) и на Второй Европейской конференции пс пьезоэлектрическим материалам во Франции (Монпелье, 1997 г.).

Публикации. По основным результатам проведенным исследований опубликовано 5 статей в журнале "Физика твердогс тела".

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, шш глав и заключения ; содержит 120 страниц, включая 30 рисунков, К таблиц и библиографию из 111 названий.