Автор выражает искреннюю благодарность своим научным руководителям Головину Юрию Ивановичу и Моргунову Роману Борисовичу, а также всем сотрудникам кафедры за оказанную помощь и теплые дружеские отношения.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение________________________________________________________________________5
Глава 1. Литературный обзор____________________________________________________ 11
1.1 Критерии разграничения "сильного” и "слабого” магнитных полей и их воздействия на физические процессы________________________________________ 11
1.2 Экспериментальные данные по магнитопластическим и другим магнитным эффектам в ионных, ковалентных и молекулярных кристаллах __________________12
1.2.1 Влияние магнитного поля на процесс взаимодействия парамагнитных центров в объеме кристалла и в ядре дислокации________________________13
1.2.2 Эффекты, связанные с изменением в магнитном поле состояния точечных дефектов в объеме и на поверхности кристалла_________________________ 17
1.2.3 Возможные объекты в кристалле, которые могут быть подвержены действию магнитного поля______________________________________________23
1.3 Влияние слабых магнитных полей на протекание спин-зависимых реакций в твердых телах______________________________________________________________25
1.3.1 Механизм влияния магнитного поля на спин-зависимые химические реакции_______________________________________________________________26
1.3.2 Магнито-спиновыс эффекты в молекулярных, полупроводниковых и ионных кристаллах_____________________________________________________31
1.4 Физические свойства фуллеритов___________________________________________36
1.4.1 Перспективы использования фуллеритов в технике, электронике, химии и
биологии__________________________________________________________________36
1.4.2. Пластические свойства фуллеритов __________________________________39
1.4.3 Электронное строение идеальной решетки фуллеритов и их магнитные и электрические свойства________________________________________________44
1.5. Постановка целей и задач исследования___________________________________48
Глава 2. Методика исследований_________________________________________________50
2.1 Методика получения и измерения магнитных полей до 30 Тл__________________50
2.2 Методика исследования подвижности индивидуальных дислокаций, инициированной магнитным полем без приложения внешней механической нагрузки __________________________________________________________________54
2.3 Методика исследования влияния магнитного поля на изменение мнкротвсрдости ионных и молекулярных кристаллов____________________________56
2.4 Методика исследования фотопроводимости фуллерита С«> в постоянном магнитном поле_____________________________________________________________59
2.5 Выводы__________________________________________________________________ 62
3
Глава 3. Изменение пластичности ионных и молекулярных кристаллов в результате влияния магнитного поля_______________________________________________________63
3.1 Необратимость изменения состояния метас1абильных точечных дефектов под влиянием слабого магнитного ноля__________________________________________63
3.2 Влияние умеренных магнитных нолей на пробеги индивидуальных дислокаций в ионных кристаллах_______________________________________________________67
3.3 Обратимость изменения на микропластичность ионных кристаллов под влиянием магнитных полей с индукцией до 30 Тл_____________________________73
3.4 Выделение полевых зависимостей для разных типов точечных дефектов 77
3.5 Влияние импульсного магнитного поля на пластические свойства молекулярных кристаллов С<ю_______________________________________________82
3.6 Возможные механизмы влияния умеренного магнитного поля на пластичность ионных и молекулярных кристаллов__________________________________________86
3.7 Выводы__________________________________________________________________96
Глава 4. Возбуждение точечных дефектов немагнитными воздействиями и инициирование их перехода в магниточувствительное состояние _________________ 98
4.1 Роль термообработки в формировании чувствительности точечных дефектов в ионных кристаллах к магнитному полю_______________________________________98
4.2 Влияние релаксационных процессов вблизи свежсобразованной поверхности на магнитопластические эффекты в ионных кристаллах___________________________99
4.3 Сенсибилизация радиационно-окрашенных кристаллов к действию магнитного поля Р-светом____________________________________________________________105
4.4 Модели влияния немагнитных факторов на магниточувствительное состояние точечных дефектов________________________________________________________110
4.5 Выводы_________________________________________________________________112
Глава 5. Влияние магнитного поля на фотопроводимость фуллерита Сбо___________113
5.1 Экспсримс1гтальные данные о влиянии магнитного поля на фотопроводимость С$о_____________________________________________________113
5.2 Модель влияния магнитного поля на электронные переходы в подсистеме фотонозбужденных молекул фуллерита_______________________________________118
5.3 Выводы_________________________________________________________________124
Общие выводы по работе_______________________________________________________125
Литература____________________________________________________________________127
4
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы, В последнее время несколькими независимыми группами исследователей установлено, что магнитное поле (МП) с индукцией В -1 Тл влияет на многие физические параметры ионных кристаллов, связанные с пластичностью: под действием МП наблюдается смещение дислокаций в ненагруженных кристаллах [1]. увеличение их пробегов при нагружении (2); увеличение дислокационного внутреннего трения (3); понижение предела текучести [4]; изменение скорости макропластичсского течения (5). Все эти явления объединяются общим названием - магнитопластичсскнс эффекты (МПЭ).
Одна из коренных трудностей объяснения МПЭ связана с тем, что МП, используемое для исследования пластичности, в энергетическом отношения является малым возмущением по сравнению с тепловой энергией Так, сопоставление энергии Е частицы, имеющей магнитный момент м. равный магнетону Бора, в магнитном поле В=1 Тл со средней энергией теплового движения кТ этой частицы, показывает, что Е-рВ-Ю'1 эВ на несколько порядков меньше кТ при комнатной температуре. Магнитные поля, которые удовлетворяют соотношению Е«кТ, принято называть слабыми в термодинамическом отношении (для магнитонеупорядоченных сред слабыми являются МП с В<10 Тл при Т=300 К). С другой стороны известно, что слабое МП (В«1 Тл), оказывая влияние на неравновесные состояния вешества. способны существенно воздействовать на диффузию, электропроводность и интенсивность люминесценции в полупроводниковых и молекулярных кристаллах [6], скорость и выход жидкофазных химической реакций, на биологические процессы и так-далее. Очевидно, это возможно только в условиях далеких от термодинамического равновесия
Существующие теории МПЭ в слабых полях предсказывают насыщение в МП с индукцией -1-10 Тл, зависящее от величины принятых параметров, относительно которых пока отсутствуют экспериментальные данные
5
Исследование МПЭ в сильных МП (Е>кТ, что соответствует ВгГОО 'Гл при Т=300 К) и умеренных МП (Е-кТ; В=10+50 Тл при Т=300 К), может улучшить состояние теории слабополевых эффектов, а также обнаружить дополнительные каналы, связанные с влиянием поля не только на неравновесные, но и на равновесные системы
а заключалась в обнаружении и исследовании явлений, связанных с действием МП с В до 30 Тл на пластичность кристаллов с различным типом межатомной связи, в создании условий для управления МПЭ с помощью “немагнитных” факторов (термической обработки, образования новой поверхности, света оптического диапазона), а также в исследовании одновременно с пластичностью фотопроводимости кристаллических систем в МП. В соответствии с поставленной целью были сформулированы
I Создать экспериментальные условия и исследовать МПЭ в ионных и молекулярных кристаллах в умеренных магнитных полях с индукцией до 30 Тл, которые способны сообщать элементарным объектам (носителям спинов) в кристалле энергию, сопоставимую с тепловой энергией при комнатной температуре.
2. Выяснить различия в закономерностях МПЭ, индуцированных магнитными полями, которые обеспечивают различные соотношения между магнитной энергией Е нооггелей спинов и тепловой энергией ~кТ, для слабых (Е«кТ) и умеренных (Е-кТ) магнитных полей.
3. Исследовать воздействие немагнитных факторов на магннточувствительносгь ионных кристаллов путем длительного отжига, образования новой поверхности, освещения светом оптического диапазона.
4. Исследовать влияние магнитного поля на фотопроводимость монокристаллов фуллерита Сцо.
5. Па основе полученных экспериментальных результатов предложить модели влияния умеренного магнитного поля на пластичность кристаллов с различным типом связи.
6
Научная новизна полученных результатов заключается в обнаружении и исследовании новых физических эффектов, связанных с влиянием умеренных МП на пластические свойства ионных и молекулярных кристаллов.
Обнаружено влияние МП с индукцией В-30 Тл на микротвердость ионных кристаллов NaCI и KCI. а также молекулярных кристаллов С«о Установлено, что экспозиция кристаллов в МП вызывает длительные (до нескольких суток) остаточные изменения микротвердости. Выявлены зависимости пробегов дислокаций в NaCI в поле внутренних напряжений и зависимости микротвердости кристаллов от индукции МП.
Установлены принципиальные различия в закономерностях воздействия слабых и у меренных M1I на пластичность ионных кристаллов. Слабое МП изменяет пластические свойства необратимо, в то время как изменения пластичности, инициируемые умеренным МП, имеют обратимый характер. Так, в отличие от постоянного МП с В-1 Тл, повторные импульсы МП с В-30 Тл способны многократно инициировать изменения микротвердости. В МП с BSI0 Тл полевые зависимости МПЭ имеет монотонно нарастающий характер, в то время как в диапазоне 0<В<30 Тл имеет место зависимости с максимумом или насыщением Повышение чувствительности кристалла к слабому МП под действием внешних факторов не всегда влечет усиление эффектов в умеренном МП, и наоборот.
Определены факторы, приводящие к изменению мапшточувствительносги пластических свойств ионных кристаллов Так, показано, что длительный изотермический отжиг и последующее медленное охлаждение приводит к потере кристаллами чувствительности к МП. Механическая активация образцов сколом приводит к повышению магниточувсгвигельносги. В у-облученных ионных кристаллах F-свет сенсибилизирует чувствительность к МП, которая была потеряна после действия слабого МП
Обнаружено влияние слабого МП на фотопроводимость фуллерита C«j. Выяснено, что прибавка фототока зависит от индукции МП и не сводится к гальваномагннтным эффектам
7
Научная ценность н практическая значимость работы. Научная ценность полученных результатов определяется расширением границ наблюдения известных магнитопластических эффектов в области, принципиально отличающиеся от нсследоианных ранее, и наблюдении ряда новых явлений, индуцированных МП В частности, выполнены измерения пластических характеристик ионных кристаллов КаС1. КС1 и молекулярных кристаллов Счо в МП с индукцией до 30 Тл, обеспечивающих выход за пределы диапазона слабых МП В этих умеренных МП обнаружены новые закономерности их действия на механические характеристики кристаллов; обратимый характер индуцированных изменений, немонотонные полевые зависимости и другие. Установлено, что наряду с пластичностью МП может изменять и электрические свойства кристаллов. Выявлена роль термической обработки, образования новой поверхности и воздействия света оптического диапазона в формировании магииточувствкгельности ионных кристаллов. Найдены условия и параметры этих немагнитных факторов, обеспечивающих увеличение чувствительности ионных кристаллов к внешнему МП или уменьшение ее вплоть до полного устранения.
Практическая значимость связанна с возможностью бесконтактного управления пластическими свойствами реальных тел Так, обратимое изменение пластичности в умеренных полях даст возможность восстановления технологически важных свойств материалов. Способность необратимо изменять пластические свойства во всем объеме кристалла под действием слабого МП позволит предотвратить старение составных частей приборов в процессе их эксплуатации Кроме того, созданные экспериментальные ситуации могут играть роль модельных для изучения более сложных объектов, чувствительных к МП полимерных и белковых макромолекул, а также биологических систем
Апробация работы. Полученные результаты были представлены на следующих конференциях и семинарах:
- Международная конференция “Микромеханизмы пластичности, разрушения и сопутствующих явлений" (Тамбов, 1996).
8
- IX Международная конференция "Взаимодействие дефектов и неупругие явления в твердых телах" (Тула, 1997)
- XXXIV Международный семинар "Актуальные проблемы прочности" (Тамбов, 1998).
- The VI International Symposium on "Magnetic Field and Spin Effects in Chemistry and Related Phenomena” (Switzerland, Emmetten, 1999)
1. В ионных кристаллах NaCl, KCl и молекулярных кристаллах C« наблюдаются магнитопластические эффекты в МП с индукцией до 30 Тл, заключающиеся в изменении микротвердостн (NaCl, KCl, С$о) и увеличения подвижности дислокаций (NaCl) без приложения внешней нагрузки под действием внутренних напряжений.
2. Влияние слабого MII (В<2 Тл) на точечные дефекты в ионных кристаллах имеет необратимый характер, в умеренные полях (В-30 Тл) изменения, индуцируемые МП, становятся обратимыми.
3 Восстановить чувствительность ионных кристаллов к действию МП возможно механической активацией (сколом) образца В7-06лученных кристаллах KCI, потерявших чувствительность к МП, можно сенсибилизировать точечные дефекты к действию МП путем освещения F-светом. Подавить магнитопласгическии эффект в ионных кристаллах можно путем изотермического отжига с последующим медленным охлаждением, что приводит к устранению исходной неравновесное™ точечных дефектов.
4 Магнитное поле с индукцией В до 0 5 Тл оказывает влияние на фотопроводимость в монокрис1 аллах фуллерита C«. которое не сводится к известным i ал ьва но магнитным явлениям.
ЛцЧЦОе-участне арТСЕа_в_получснни рсчулыаЮ5._лзлОЖеННЫ\ Д..ДИССед!ИЦИОНВОЙ работе В работах, написанных в соавторстве, автору принадлежит разработка, создание и отладка экспериментальных установок, проведение экспериментов, первичная обработка данных, а также участие в планировании исследований и обсуждении результатов.
9
Д несер! аииониаа_]тб01а выполнена при финансовой поддержке Госкомитета РФ по высшему образованию (грант № 95-0-7.1-58), Российского Фонда Фундаментальных Исследований (гра»гг № 97-02-16074) и программы Университеты России (грант № 381)
в [126-136].
10
ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР
Влияние МП на физические процессы в кристаллических структурах параллельно изучается в разных областях физики твердого тела. В настоящее время накоплен обширный экспериментальный материал по изменению под действием МП механических, электрических, оптических и химических свойств твердых тел с различным типом межатомной связи Данная глава представляет литературный обзор экспериментальных и теоретических работ, посвященных исследованию в МП ионных, молекулярных и полупроводниковых кристаллов.
1.1 Критерии разграничения “сильного" и “слабого”магнитных полей и их воздействия на физические процессы
Приведем критерии разграничения МП на “слабое" и “сильное" в термодинамическом отношении, используя для сравнения энергии, передаваемые частице при различных воздействиях. Количественно взаимодействие между носителями магнетизма в веществе можно охарактеризовать величиной энергии этого взаимодействия Ъы, рассчитанной на отдельную пару частиц - носителей магнитного момента Энергию Е« сопоставим с энергией частицы, имеющей магнитный момент ~Цв(цб- магнетон Бора) в некотором магнитном поле В Едг-ЦвВ. со средней энергией теплового движения частицы при некоторой температуре кТ. Для выполнения соотношения ПлгАТ при комнатной температуре величина индукции МП должна превышает 100 Тл. Для частицы, которая имеет магнитный момент порядка ядерного магнетона, значение МП возрастает до 10* Тл.
Мерой электростатической энергии является кулоноеская энергия двух электронов на расстоянии порядка размера атома а (а~10'10 м): Е£~е2/а-0.1 эВ. Мерой магнитного
11
взаимодействия является энергия двух атомных магнкгиых моментов на расстоянии а Ем~РБ2/а3~Юи эВ. Таким образом. Ее больше Ем на 3 порядка величины. Можно рассматривать Е** как малое возмущение но сравнению с
Сравним энергию магнитного поля с величиной энергии, необходимой для изменения параметров пластичности реальных кристаллов. Энергия деформации па единицу длины
сь1 . Л
краевой дислокации оценивается как =---------------1п—, где О-модуль сдвига; Ь-вектор
4л-(1 - V)
Бюргерса, у-коэффнцнент Пуассона; К-среднее расстояние между дислокациями и то-расстояние порядка постоянной решетки Для ионных кристаллов с Ел>/д-0.1 эВ, тот же порядок имеет энергия активации движения дислокаций Ела~0-1+0.5 эВ. Эквивалентное в энергетическом отношении МП при сравнении с Еои и Едет составляет 10г-103 Тл.
Все приведенные оценки показывают, что при температуре Т~300 К магнитные поля, способные влиять на свойства реальных кристаллов в условиях термодинамического равновесия, превышают 100 Тл. Такие магнитные поля принято называть "сильными”. Поля до 10 Тл называются “слабыми”, то есть не способными существенно повлиять на свойства равновесной системы Магнитные поля с индукцией от 10-50 Тл при комнатной температуре являются “умеренными" в термодинамическом отношении, поскольку для них Е« составляет 10-50 % от величины тепловой энергии кТ
1.2 Экспериментальные данные по магнитонластииеским и другим магнитным эффектам в ионных, ковалентных и молекулярных кристаллах
К настоящему времени эффекты, связанные с изменением пластических свойств под действием МП. обнаружены несколькими независимыми методами в твердых телах различной природы, немагнитных металлах [7], сплавах [8, 9), соединениях А:В6 [10], ионных кристаллах [1-5] и полимерах (полнмстилметакрнлат, полистирол) [11, 12].
12
- Київ+380960830922