Домішкові ефекти у низькотемпературній теплопровідності кріокристалів - Автореферат

Однак залишилося невивченими або маловивченими, як ряд механізмів розсіювання фононів, так і деталі, повязані з властивостями кристалу, що впливають на теплопровідність. Ця обставина дозволяє з даних по теплопровідності одержувати інформацію про вплив деяких параметрів домішкових молекул (маса, симетрія, енергія звязку, обертальні ступені свободи й ін.) на характер і інтенсивність розсіювання фононів. Крім фундаментального інтересу, дослідження процесів переносу тепла в діелектриках з домішками мають важливе прикладне значення, оскільки одним з основних способів одержання матеріалів з новими необхідними властивостями є введення домішки до кристалу. З іншого боку, вони дозволяють одержувати і досліджувати кристал з домішками, як заданої властивості, так і заданої кількості, в одному пристрої. При перерозподілі енергії фононів у кристалі N-процеси в залежності від їхньої інтенсивності приводять до оригінальних ефектів у теплопровідності.Подібне систематичне дослідження теплопровідності, коли її поведінка в основному визначається впливом домішкових часток, проведено вперше. Достовірність отриманих даних була забезпечена застосуванням апробованих експериментальних методів, коректного обрахунку помилок виміру, обробкою отриманих даних за допомогою відомих теоретичних підходів. У цілому як проміжні, так і основні результати дозволяють затверджувати, що: · Уперше була експериментально визначена інтенсивність нормальних фонон-фононних процесів (N-процесів) для твердих водню й дейтерію. · Було показано, що інтенсивність N-процесів в кріокристалах при низьких температурах може бути описана єдиним способом через термодинамічні параметри кристалів. Це дало можливість розрахувати інтенсивність N-процесів для ряду найпростіших кріокристалів, для яких необхідні експериментальні дані були відсутні.

кріокристал теплопровідність відтворювальний

У роботі узагальнені експериментальні й теоретичні результати дослідження низькотемпературної фононної теплопровідності квантових і класичних кріокристалів і вплив на неї різного сорту домішок (атомарні й такі, що мають обертальні ступені свободи). Подібне систематичне дослідження теплопровідності, коли її поведінка в основному визначається впливом домішкових часток, проведено вперше.

Достовірність отриманих даних була забезпечена застосуванням апробованих експериментальних методів, коректного обрахунку помилок виміру, обробкою отриманих даних за допомогою відомих теоретичних підходів. До того ж, результати, що отримані на границях температурного інтервалу досліджень, узгоджуються з даними отриманими іншими авторами.

У цілому як проміжні, так і основні результати дозволяють затверджувати, що: · Уперше була експериментально визначена інтенсивність нормальних фонон-фононних процесів (N-процесів) для твердих водню й дейтерію. Було проведено аналіз впливу N-процесів на теплопровідність досліджених кристалів. Порівняно наявні в літературі інтенсивності N-процесів для неону й ізотопів гелію й водню, отримані з вимірів теплопровідності.

· Було показано, що інтенсивність N-процесів в кріокристалах при низьких температурах може бути описана єдиним способом через термодинамічні параметри кристалів. Це дало можливість розрахувати інтенсивність N-процесів для ряду найпростіших кріокристалів, для яких необхідні експериментальні дані були відсутні. Виявлені закономірності дозволили зробити висновок, що інтенсивність N-процесів для квантових кристалів істотно вище, ніж для класичних кристалів з тими ж термодинамічними параметрами.

· Виявлено сильну анізотропію теплопровідності ГЩУ кристала параводню. Показано, що цей ефект обумовлено особливостями фононного спектру водню.

· Виявлено значне збільшення домішкового розсіювання фононів в ізотопічних розчинах ортодейтерію в параводню в порівнянні із чисто масовим ефектом. Обчислено зміну силових констант і дисторсію гратки в околиці домішкових молекул, що обумовлені квантовими ефектами.

· Було знайдено розходження в поведінці чистих і домішкових кристалів, що зазнали термоудару на прикладі параводню й параводню з домішкою ортодейтерію. У випадку бездомішкового кристала результатом впливу напружень є генерація великої кількості індивідуальних дислокацій, у випадку кристала з домішкою - росте густина малокутових границь.

· Виявлено надзвичайно сильний вплив квазіізотопічної домішки неону на величину теплопровідності твердого параводню поблизу максимуму теплопровідності й відсутність лінійної концентраційної залежності домішкового теплоопору при дуже низьких концентраціях неону (1-100 ppm). Отримані результати були пояснені інтерференцією N-процесів з резистивними процесами розсіювання.

· Знайдено новий тип розсіювання фононів неізотопічною домішкою із центральною взаємодією (важка домішка з “жорстким звязком”). Ефект було виявлено у розчинах аргону в параводню. Незважаючи на значно більше розходження в масі, аргон значно слабше розсіює фонони, ніж неон. Ефект описано виразом для фононного розсіювання неізотопічною важкою домішкою із центральною взаємодією (з потенціалом взаємодії значно перевищуючим потенціал матричних часток), в якому високочастотні фонони виключені з процесу розсіювання.

· Виявлено незвичайна поведінка теплопровідності твердих розчинів неону і аргону в параводню, що полягає в збільшенні теплопровідності розчинів зі збільшенням концентрації домішкових атомів. Показано, що це повязано з початковою стадією розпаду твердого пересиченого розчину. Показано також, що гранична рівноважна розчинність близька до 5·10-6 для аргону и 1·10-4 для неону.

· Отримано параметри часів релаксації основних процесів розсіювання фононів, що формують теплопровідність чистих кристалів криптону й аргону.

· Виявлено, що температурна залежність додаткового теплоопору, обумовленого домішкою азоту в кристалічному аргоні, характерна для орієнтаційного скла, що може бути обумовлено виникненням полів напружень навколо домішкових молекул.

· Виявлено, що основний внесок у домішкове розсіювання фононів у твердому криптоні з домішкою метану вносить розсіювання на збудженнях обертового руху молекул метану спин-ядерної модифікації Т. Поведінка теплопровідності для температур нижче 6 К обумовлена відмінністю концентрацій спин-ядерних модифікацій Т и Е від рівноважних.

· Показано, що пружна взаємодія фононів з обертовим рухом молекул є основним процесом розсіювання фононів, який визначає теплопровідність метану в низькотемпературній фазі.

· Виявлено, що вплив домішки криптону на теплопровідність твердого метану має резонансний характер при температурах близьких до 12 К и деформує спектр молекул, що вільно обертаються, ефективно знижуючи енергетичні рівні, у результаті порушення симетрії октуполь-октупольної взаємодії молекул метану.

· Показано, що у всіх випадках розсіювання фононів домішкою з обертальними ступенями свободи, ефект описується резонансним механізмом розсіювання.

1. Городилов Б.Я., Королюк О.А., Н.Н. Жолонко Н.Н., Толкачев А.М., Ежовски А., Беляев Е.Ю. Теплопроводность твердого параводорода с примесью неона // ФНТ.- 1991.- т. 17.- № 2.- с.266-268.

2. Анцыгина Т.Н., Городилов Б.Я., Жолонко Н.Н., Кривчиков А.И., Манжелий В.Г., Слюсарев В.А. Перенос тепла в твердых слабых растворах неона в параводороде // ФНТ.- 1992.- т. 18, № 4.- с. 417-423.

3. Королюк О.А., Городилов Б.Я., Кривчиков А.И., Дудкин В.В. Роль нормальных процессов в теплопроводности твердого дейтерия // ФНТ.- 2000.- т. 26, № 4.- с. 323-329.

4. Жолонко Н.Н., Городилов Б.Я. , Кривчиков А.И. Перенос тепла в твердом параводороде. Возможность наблюдения пуазейлевского течения фононов // Письма в ЖЭТФ.- 1992.- т. 55, № 3.- с.174-176.

5. Korolyuk O.A., Gorodilov B.Y., Krivchikov A.I., Pirogov A.S., Dudkin V.V. Anisotropy of the Thermal Conductivity of Parahydrogen Crystals // JLTP.- 1998.- v. 111, № 3/4.- p.515-520.

6. Korolyuk O.A., Gorodilov B.Y., Krivchikov A.I., and Manzhelii V.G. Influence of an orthodeuterium impurity on the thermal conductivity of solid parahydrogen // ФНТ.- 1999.- т. 25, № 8/9.- с.944-949.

Размещено на .ru