Дислокационные термоэлектрические и термомагнитные эффекты в щелочногалоидных кристаллах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

^ На правах рукописи

3 «0«

СТРУЛЕВА Елена Вячеславовна

ДИСЛОКАЦИОННЫЕ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И ТЕРМОМАГНИТНЫЕ ЭФФЕКТЫ В ЩЕЛ ОЧНО ГАЛОИДНЫХ КРИСТАЛЛАХ

01.04.10 - физика полупроводников и диэлектриков

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Саратов 1998

Работа выполнена на кафедре "Прикладная физика" Саратовского государственного технического университета

Научный руководитель:

доктор технических наук профессор Сальников А.Н. Научный консультант:

кандидат физико-математических наук доцент Гестрин С.Г. Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук профессор Роках А.Г. доктор физико-математических наук профессор Зюрюкин Ю.А.

Ведущая организация: Саратовский филиал института радиотехники и электроники Российской Академии н'аук-

сертационного совета Д063.74.01 в Саратовском государственном университете (410026, г.Саратов, ул.Астраханская, 83)

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке СГУ

Защита состоится

на заседании дис-

Автореферат разослан /-с^сиг^о-Р г.

Ученый секретарь диссертационного сове1 кандидат физико-математических наук

Актуальность работы. В последние годы достигнуты значительные успехи в исследовании заряженных дислокаций в ЩГ'К и связанных с ними эффектов. Среди исследователей, внесших заметный вклад в развитие теории заряженных дислокаций,следует отметить работы Урусовской A.A., Тяпуниной H.A., Белозеровой Э.Н., Мотаре Г., Осипьяна ТО А., ШикинаВ.Б.

Экспериментальные исследования по заряженным дислокациям в ЩГК посвящены таким проблемам, как возникновение разности потенциалов между различными точками образца при приложении механической нагрузки (Коломийцев А.И., Wliitworth R.W., Головин Ю.И., Галусташвили М.В.), дислокационной деформации в ЩГК при приложении электрического поля (Загоруйко Н.В., Швидковский Е.Г., Kataora Т., Yamada Т.), влиянию электрического и магнитных полей на механические свойства ЩГК (Светашев A.A., Зуев Л.Б., Громов В.Е., Сергеев В.П., Куличенко А.Ы., Смирнов Б.И., Альшиц В.И.), совместному влиянию электрического поля и механической нагрузки.

Диссертация посвящена изучению термомагнитных явлений в щелочиогалоидных кристаллах (ЩГК). Многие важные свойства ионных кристаллов связаны с наличием в них заряженных краевых дислокаций и точечных дефектов, которые могут взаимодействовать при приложении к кристаллу внешних механических нагрузок или полей. Среди эффектов, обусловленных взаимодействием заряженной дислокации и окружающего ее зарядового облака точечных дефектов, важное место занимает прямой и обратный дислокационный пьезоэффекты (Tanibayashi М., Tsuda М. J.Phys.Soc.Japan.-1981,v.51,N6), дислокационный аналог

эффекта Холла в 1ЦГК (С.Г.Гестрин, Физ.низк.темп.-1991-т.17-N9.).

Большой интерес, проявляемый к такого рода эффектам, во многом связан с широким использованием 1ЦГК в лазерной технике для производства лазерных окон, поэтому представляется интересным и практически важным исследование эффектов, возникающих в ЩГК, содержащих заряженные дислокации при наличии в кристалле градиента температуры и внешнего магнитного поля. Данные эффекты сопровождаются поляризацией кристалла и возникновением между гранями кристалла разности потенциалов. Полученные в работе значения дипольного момента и разности потенциалов можно зарегистрировать в ходе эксперимента. Рассмотренные в работе явления могут быть использованы с целью сознательного изменения свойств твердого тела в необходимом для технических задач направлении, а также для изучения внутренней структуры кристалла.

Цель работы заключается в том, чтобы, используя ЩГК как модельный материал, изучить эффекты, обусловленные взаимодействием заряженных дислокаций с облаками точечных дефектов при одновременном и раздельном воздействии на кристалл градиента температуры и внешнего магнитного поля.

Для достижения цели работы были рассмотрены две группы задач:

I .Поведение системы "неподвижная дислокация - подвижные дефекты" при наличии градиента температуры и магнитного ноля, что реализует аналог классического поперечного эффекта Нернста-Эттингсхаузена.

2.Поведение системы "подвижная дислокация - облако точечных дефектов" при наличии внешнего магнитного поля.

Для достижения указанной цели были изучены следующие явления:

1)поляризация ионного кристалла, содержащего заряженные дислокации, при наличии в кристалле градиента температуры;

2) дислокационный аналог поперечного эффекта Нернста-Эттингсхаузена в ионных кристаллах;

3) дислокационный аналог эффекта Эттингсхаузена в ЩГК;

4) поляризация кристалла при взаимодействии движущихся заряженных дислокаций с облаками точечных дефектов в ЩГК во внешнем магнитном поле.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Созданный в ЩГК, содержащем заряженные дислокации, градиент температуры перпендикулярно оси дислокации приводит к возникновению поляризации кристалла. Получено аналитическое выражение для возникающей в данном случае разности потенциалов при наличии в кристалле одного и двух типов подвижных точечных дефектов.

2. Во внешнем магнитном поле, перпендикулярном оси дислокации, за счет воздействия магнитной силы на точечные дефекты, движущиеся вдоль дислокации под действием создан; ного в кристалле градиента температуры, возникает дислокационный аналог поперечного эффекта Нернста-Эттингсхаузена. Получены аналитические выражения для ди-польного момента системы дислокация-облако при наличии в

кристалле одного и двух типов подвижных точечных дефектов. ■ 3. В результате совместного воздействия на ионный кристалл, содержащий заряженные дислокации, внешнего магнитного поля, параллельного оси дислокации, и механического напряжения перпендикулярного к ней, между гранями кристалла, параллельными оси дислокации, возникает разность потен- -циалов, которая оказывается лрямопропорциональной скорости движения дислокации и величине внешнего магнитного

ПОЛЯ. V 1

Научная новизна работы заключается в следующем:

- впервые проведен анализ влияния градиента темперазуры на облака точечных дефектов, окружающих заряженные дислокации в ЩГК; !

- впервые исследован дислокационный аналог поперечного эффекта Нернста-Эттингсхаузена в ионных кристаллах;

- впервые получены выражения для дипольного момента кристалла и разности потенциалов, возникающих вследствие влияния внешнего магнитного поля и механического напряжения;

- полученные аналитические выражения дают возможность численно оценить разность потенциалов, возникающую между гранями кристалла;

- впервые получено соотношение для поперечной разности температур, возникающей при дислокационном аналоге эффекта Эггингсхаузена в ионных кристаллах.

Научпо-прлктнческое значение результатов работы.

Настоящая работа является частью систематических исследований, проводимых на кафедре "Прикладная физика" СГТУ.

Результаты, полученные в данной работе, позволяют эффективно учитывать влияние заряженных дислокаций на электрические свойства ЩГК, что необходимо для прогнозирования поведения материалов при различных условиях, а также в.связи с широким использованием ЩГК в лазерной технике.

Рассмотренные в работе явления позволяют но величине возникающего напряжения судить о внутренней структуре кристалла и скорости дислокаций.

Материалы диссертации использовались при чтении спецкурса студентам специализации ВМТ.

Достоверность научных выводов работы обеспечивается физически верной постановкой задачи и корректностью математических вычислений. Положенная п основу расчетов модель дислокации в виде "заряженной нити" обеспечивала результаты, находящиеся в хорошем'согласии с экспериментом при решении подобных задач (дислокационный пьезозффект).

Личный вклад автора.

Автору работы принадлежит: - теоретическое описание эффекта поляризации ионного кристалла, содержащего заряженные дислокации, при наличии в кристалле градиента температуры, перпендикулярного к оси дислокации;

- теоретическое описание дислокационного аналога поперечного эффекта Нернста-Этгингсхаузена в ЩГК;

- теоретическое описание эффекта поляризации ионного кристалла, возникающего при совместном воздействии на кристалл механического напряжения и внешнего магнитного поля;

- получено соотношение для поперечной разности температур, возникающей при дислокационном аналоге эффекта Эттингс-хаузена в ЩГК.

Апробация работы и публикации.

Основные результаты работы докладывались на XIV Международной конференции по физике прочности и пластичности материалов (Самара, 1995), Международном семинаре "Релаксационные явления в твердых телах" (Воронеж,1995), Международной конференции "Проблемы и перспективы прецизионной механики и управления в машиностроении" (Саратов, 1997).

Результаты диссертационной работы обсуждались на научных семинарах кафедры прикладной физики СГТУ, научных конференциях,проводимых в СГТУ.

По теме диссертации в центральной печати опубликовано 7 работ (4 статьи и тезисы 3-х докладов).

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованной литературы. Диссертация изложена на 126 страницах машинописного текста, содержите рисунков и список использованной литературы из 121 наименования.

Содержание работы.

Возведении обоснована актуальность темы и дана общая характеристика работы.

В первой главе представлен авторизованный обзор литературы, касающийся проблемы заряженных дислокаций в ЩГК.

В подразделе 1.1 рассматриваются структура и свойства заряженных дислокаций. Рассмотрено влияние электрического поля на напряжение течения в ЩГК при механическом нагружешш (электропластический эффект), что позволяет дать количественную оценку заряда на дислокации.

Для объяснения экспериментальной зависимости заряда па дислокации от скорости ее движения предложена модель диффузионного переноса заряда движущейся дислокацией. Зарядовое облако, окружающее заряженную дислокацию, формируется в результате диффузии заряженных частиц в электрическом поле дислокации.

В подразделе 1.2 рассматривались модели заряженных дислокаций. Первой теоретической моделью дислокации явилась модель "заряженной нити". Дислокация рассматривалась как длинная заряженная нить, окруженная непрерывно распределенным зарядовым облаком точечных дефектов. Для нахождения потенциала зарядового облака использовалось уравнение Пуассона.

Модель Уитворта, учитывающая тонкую структуру дислокации и более общую форму зарядового облака, оказалась применимой не только к ЩГК, но и к полупроводникам.

Подраздел 1.3. посвящен эффектам, связанным с заряженными дислокациями. Показано, что пластическая деформация

ионных кристаллов сопровождается электрическими эффектами, которые связывают с движением заряженных дислокаций.

Также рассмотрены эффекты, связанные с взаимодействием < заряженных дислокаций и точечных дефектов в ЩГК.

В разделе также дается обоснование выбранной физической модели дислокации для решения задач, возникающих при рассмотрении этих эффектов.

Под влиянием внешних механических или электрических сил, приложенных к кристаллу, происходит смещение дислокации относительно облака, в результате чего возникает прямой или обратный пьезоэлектрический эффекты. Вычисление дипольного момента системы дислокация u облако проводилось с использованием модели дислокаций в виде "заряженной нити". Полученные авторами выражения для пьезоэлектрического модуля находятся в хорошем согласии с экспериментальными результатами [Robinson W.H. Phil.mag. 1972, v.25, p.355] для кристаллов KCl.

Влияние внешнего магнитного поля перпендикулярного к оси дислокации^ка облако тЬчечных дефектов ^окружающее движущуюся под действием механического напряжения заряженную дислокацию в ионном кристалле, приводит к явлению^ аналогичному эффекту Холла. Авторы провели исследование формы облака, формирующегося около дислокации , а также вычислили разность потенциалов, возникающую между гранями кристалла.

В настоящее время большое внимание уделяется изучению магнитопластического эффекта в ЩГК. Установлено, что магнитное поле вызывает перемещение дислокаций в ЩГК, увеличивает подвижность дислокаций при импульсном механическом нагру-жении, изменяет скорость пластического течения. Вопрос о меха-

низмах действия магнитного поля на дислокационную структуру

В подразделе 1.4 сформулирована постановка задачи и цели исследования.

Глава 2 диссертации посвящена изучению термомагнитных эффектов в ЩГК, содержащих заряженные дислокации.

Влияние градиента температуры^ перпендикулярного к оси дислокации;приводит к смещению облака точечных дефектов относительно линии заряженной дислокации и к возникновению поляризации кристалла и появлению между гранями кристалла разности потенциалов.

Расчет дипольного момента системы дислокация-облако и разности потенциалов проводился с помощью, решения системы уравнений, состоящей из диффузионного уравнения движения точечных дефектов, уравнения Пуассона и уравнения теплопроводности методом последовательных приближений.

Были рассмотрены случаи наличия в кристалле одного и двух типов подвижных точечных дефектов, участвующих в образовании облака, окружающего дислокацию.

Из полученных выражений для дипольного момента кристалла в случаях одного и двух типов подвижных точечных дефектов видно, что он оказывается пропорциональным градиенту температуры

ЩГК продолжает оставаться дискуссионным.

Р>

екво аг (41и 2-1)

¡024яп0е? <Лх (1 - 41п 2) аЫ

1 -

256 па Ц

(I - 41п 2) N<7

256 По Ц

где N - плотность дислокации, а- линейная плотность заряда дислокации, По - равновесная концентрация точечных дефектов вдали от линии заряженной дислокации, д - заряд точечного де-фекга.

Данные выражения были получены в предположении, что все носители заряда участвуют в образовании облака вокруг дислокации.

Разность потенциалов

4ш1 Р

и-

где V- объём кристалла, с/ - толщина кристалла. Совместное влияние градиента температуры, параллельного к оси дислокации и магнитного поля, перпендикулярного к линии дислокации приводит к появлению эффекта аналогичного поперечному эффекту Нернста - Этгингсхаузена. Получены выражения для дипольного момента кристалла и возникающей между гранями кристалла разности потенциалов в случаях наличия в кристалле одного и двух типов подвижных точечных дефектов.

Рассматривался ионный кристалл, помещенный в магнитное поле В, направленное вдоль оси У (рис.1), краевая дислокация с линейной плотностью заряда^асположена вдоль оси 2 и окружена компенсирующим зарядовым облаком, состоящим из одного (двух) типов подвижных точечных дефектов, распределенных с концентрацией о„ в областях, удаленных от дислокации. В целом кристалл является электрически нейтральным. В кристалле поддерживается постоянный градиент температуры вдоль оси 2, который вызывает появление потока точечных дефектов вдоль дислокации. Под действием магнитной силы зарядовое облако смещается относительно дислокации, что приводит к поляризации кристалла.

Для решения данной задачи использовалась аналогичная предыдущей система уравнений. При получении выражения для диффузионного потока подвижных точечных дефектов было учтено действие силы Лоренца.

Выражение для дипольного момента кристалла с двумя типами подвижных точеных дефектов было получено при 1>>т+,т~ (т± =1Ю± ко3 , ко2 = 4тос^/екТ в то время как выражение для дипольного момента кристалла при наличии одного типа подвижных точечных дефектов было получено при г "<г< т .

Глава 3. Посвящена изучению эффектов, связанных с движением заряженных дислокаций в ЩГК.

Было рассмотрено совместное влияние внешнего магнитного поля, параллельного оси дислокации и механического напряжения на облако точечных дефектов, окружающее заряженную дислокацию. Магнитная сила, действующая на увлекаемые дислокацией точечные дефекты, приводит к смещеншо облака отно-

сительно дислокации и, следовательно,к появлению поляризации кристаллов. Были гтолучены формулы для вычисления дипольно-го и квадрупольного моментов системы дислокация облако и разности потенциалов, возникающей между гранями кристалла.

Показано, что дипольный момент кристалла линейным образом зависит от скорости движения дислокации и приложенного магнитного поля.

Следует отметить, что для реализации описываемого в работе движения, при котором облако успевает за дислокацией, необходимо, чтобы диффузионная скорость дефектов превосходила « скорость движения дислокации.

* 'vi - '

Из проведенного в главе анализа следует, что рассматриваемая теория применима при комнатных температурах к кри- i . сталлам с низкой энергией активации положительных ионных вакансий: LiBr, LiCl, LH, а к кристаллам с высокой энергией активации - NaCl и KCl - только при высоких температурах. (~ 800 К).

Аналогичные рассуждения проведены для кристалла, содержащего два типа подвижных точечных дефектов.

В данной главе также был исследован дислокационный аналог эффекта Эттингсхаузена в ионных кристаллах. Влияние внешнего магнитного поля на облако точечных дефектов, окружающее движущуюся под действием механического напряжения дислокацию, приводи т к появлению градиента температуры вдоль оси дислокации. Если краевых дислокаций одного механического знака больше; чем другого (кристалл изогнут), то возникающий между гранями кристалла градиент температуры имеет вид: AT NAN'Tbo d q К

где ЛИ - разпоеть плотностей дислокаций различных механических знаков, к - коэффициент теплопроводности.

В главе 4 проведена классификация дислокационных эффектов по величине возникающей вследствие их разности потенциалов. Отмечено, что в основе всех описанных в работе дислокационных эффектов лежит диффузионный механизм переноса заряда. Ряд дислокационных эффектов наблюдается лишь в изогнутых кристаллах (при наличие в кристалле избыточного содержания дислокаций одного механического знака). Также в главе проведено сравнение параметров различных дислокационных эффектов с результатами работы [ТащЬауаэЫ, Т8пс1а], подтвер-жде н ны м и эксперим ет п алы ю.

Установлено, что облака точечных дефектов вблизи заряженной дислокации формируются медленнее под действием внешних сил, по сравнению с облаками на большом удалении от дислокации. •

Основные результаты и выводы. '

1. Установлено, что наличие в ионном кристалле, содержащем заряженные дислокации, градиента температуры приводит к возникновению поляризации кристалла.

.2. Получены,, расчетные аналитические 'формулы, позво- ' ляющие численно оценить значение разности потенциалов, возникающей между гранями кристалла, при наличии в кристалле градиента температуры и магнитного поля.

Разность потенциалов

и, =

кцЪВ Л СИ

поде <к

аЫ

поЧ

в случае наличия в кристалле одного типа подвижных точечных дефектов,

(41п 2 + I) ква (Ь*+Ь.) В ¿11 \]2 =--- х

256 под с (к

1 -

(41п2+ 1)аМ

256 под

(4 1п2 + 1) Ыа

1 + ■

256 щц

N

в случае наличия в кристалле двух типов подвижных точечных дефектов.

Полученные значения и~1&4В легко могут быть зарегистрированы в эксперименте.

3. Дипольный момент кристалла, возникающий вследствие влияния магнитного поля, параллельного к оси дислокации, на облако точечных дефектов, окружающее движущуюся под действием механического напряжения дислокацию, оказывается пропорциональным скорости движения дислокации и величине приложенного магнитного поля.

Возникающая разность потенциалов при наличии в кристалле одного типа подвижных точечных дефектов оказывается равной

и,

aBv

2поЦС

ЛЫ

оАК

1 +

2поЧ

а при наличии в кристалле двух типов подвижных точечных дефектов

' (4 !п 1/2- 1 )ЬаТ 0,-0.\'В

и, ------(Ь,-Ь_)----— х

1024я по с! 0,0 с

I

1 +

(41п 1/2 -1) акп Т (0,.-П.)(Ь,-Ь)&N

25бщф,11

4. В результате влияния внешнего магнитного поля перпендикулярного к оси дислокации на облако точечных дефектов, окружающее движущуюся заряженную дислокацию, на-ряду с поперечной, разностью, .потенциалов - дислокационный аналог эффекта Холла, возникает поперечная разность температур - дислокационный аналог Этпшгсхаузена в ионных кристаллах.

Список опубликованных работ по теме диссертации.

1. Гестрии С.Г., Сальников А.Н., Струлева Е.В. Поперечный дислокационный аналог эффекта Нернста - Эттингсхаузена в ионных кристаллах// Изв. вузов, Сер. Физика, 1996. N1. С. 80-82.

2. Гестрин С.Г., Сальников АН., Струлева Е.В. Дислокационный аналог поперечного эффекта Нернста - Эттингсхаузена в ион-пых кристаллах при наличии двух типов подвижных точечных дефектов//Изв. Зузов, Сер. Физика, 1996. N10. С. 41-45.

3. Гестрин С.Г., Сальников А.Н., Струлева Е.В. Взаимодействие движущихся заряженных дислокаций с облаками точечных дефектов в ионных кристаллах во внешнем магнитном поле // Кристаллография, 1997. Т. 42, N1. С. 1-4.

4. Гестрин С.Г., Сальников А.Н., Струлева Е.В. Дислокационный аналог поперечного эффекта Нернста - Эттингсхаузена // Физика прочности и пластичности материалов. Тез. докл. Самара, 1995, С. 190-191.

5. Гестрин С.Г., Сальников А.Н., Струлева Е.В. Дислокационный аналог поперечного эффекта Нернста - Эттингсхаузена в ионных кристаллах при наличии двух типов подвижных точечных дефектов // Релаксационные явления в твердых телах. Тез. докл. Воронеж, 1995, С. 32.

6. Струлева Е.В. Поляризация ионного кристалла, содержащего заряженные дислокации, при налитии в кристалле градиента температуры. // Деп. в ВИНИТИ N 1540 - В97

7. Гестрин С.Г., Сальников А.Н., Струлева Е.В. Определение плотности ' линейных дефектов в 1ЦГК // Проблемы и перспективы прецизионной механики и управления в машиностроении. -Тез.докл. Саратов, 1997!, с.219.

СТРУЛЕВА Елена Вячеславовна

ДИСЛОКАЦИОННЫЕ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И ТЕРМОМАП1ИТНЫЕ ЭФФЕКТЫ В ЩЕЛОЧНОГАЛОИДНЫХ КРИСТАЛЛАХ.

Автореферат Ответственный за выпуск к.ф.-м.н. Е.И.Дмитриева Корректор Л.А.Скворцова

Лицензия ЛР № 020271 от 15.11.96

Подписано в печать JO. //. Формат 60x84. 1/16

Бум. оберт. Усл. — п&чл. Л ^ё'/х г^ ) Уч.-и.зд.л. Л.1 Тираж Хосу экз. Заказ 345 Бесплатно

Саратовский государственный технический университет 410054 г.Саратов, ул. Политехническая, 77 Ротапринт СГТУ, 410054 г.Саратов, ул. Политехническая, 77

САРАТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

СТРУЛЕВА ЕЛЕНА ВЯЧЕСЛАВОВНА

ДИСЛОКАЦИОННЫЕ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И ТЕРМОМАГНИТНЫЕ ЭФФЕКТЫ В ЩЕЛОЧНОГАЛОИДНЫХ КРИСТАЛЛАХ

01.04.10-физика полупроводников и диэлектриков

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Сальников А.Н.

Научный консультант: кандидат физико-математических наук, доцент Гестрин С.Г.

САРАТОВ-1998

СОДЕРЖАНИЕ

Введение........................................................................... 4

Глава 1. Заряженные дислокации в ЩГК................................... 9

1.1 Структура и свойства заряженных дислокаций............... 9

1.2 Модели заряженных дислокаций................................. 9

1.3 Эффекты, связанные с заряженными дислокациями.

1.4 Постановка, цели и задачи исследования.

Глава 2. Термомагнитные эффекты в ЩГК................................. 43

2.1 Поляризация ионного кристалла, содержащего заряжен-... 43 ные дислокации,под действием градиента температуры при наличии в кристалле одного типа подвижных точечных дефектов.

2.2 Поляризация ионного кристалла, содержащего заряжен-... 55

ные дислокациидюд действием градиента температуры при наличии в кристалле двух типов подвижных точечных дефектов.

2.3 Дислокационный аналог поперечного эффекта Нернста-... 61 Эттингсхаузена в ЩГК при наличии в кристалле одного типа

подвижных точечных дефектов.

2.4 Дислокационный аналог поперечного эффекта Нернста-... 72 Эттингсхаузена в ЩГК при наличии в кристалле двух типов подвижных точечных дефектов.

Глава 3. Эффекты, связанные с движением заряженных дисло-......... 80

каций в ЩГК.

3.1 Взаимодействие движущихся заряженных дислокаций с .. 80 облаками точечных дефектов в ЩГК во внешнем магнитном

поле при наличии в кристалле одного типа подвижных точечных дефектов.

3.2 Взаимодействие движущихся заряженных дислокаций ... 91 с облаками точечных дефектов ЩГК во внешнем магнитном поле при наличии в кристалле двух типов подвижных точеч-

ных дефектов.

3.3 Дислокационный аналог эффекта Эттингсхаузена в....................98

ионных кристаллах

Глава 4. Оценки и сравнения. Выводы..................................................................................................103

4.1 Диффузионная модель дислокационных эффектов........................103

в ЩГК.

4.2 Классификация дислокационных эффектов................................................106

4.3 Особенности дислокационных эффектов........................................................109

4.4 Сравнение характерных параметров дислокационных ..........111

эффектов.

Заключение..........................................................................................................................................................................................116

Литература..........................................................................................................................................................................................118

з

Введение

Диссертация посвящена изучению термомагнитных явлений в ще-лочногалоидных кристаллах (ЩГК). Многие важные свойства ионных кристаллов связаны с наличием в них заряженных краевых дислокаций и точечных дефектов, которые могут взаимодействовать при приложении к кристаллу внешних механических нагрузок или полей. Среди эффектов, обусловленных взаимодействием заряженной дислокации и окружающего ее зарядового облака точечных дефектов важное место занимает прямой и обратный дислокационный пьезоэффекты (ТашЬауазЫ М., Твида М. 1РЬу8.8ос.1арап.-1981,у.51,Ы6), дислокационный аналог эффекта Холла в ЩГК (С.Г.Гестрин, Физ.низк.темп.-1991-т.17-№.).

Большой интерес, проявляемый, к такого рода эффектам, во многом связан с широким использованием ЩГК в лазерной технике для производства лазерных окон, поэтому представляется интересным и практически важным исследование эффектов, возникающих в ЩГК, содержащих заряженные дислокации при наличии в кристалле градиента температуры и внешнего магнитного поля. Данные эффекты сопровождаются поляризацией кристалла и возникновением между гранями кристалла разности потенциалов. Полученные в работе значения дипольного момента и разности потенциалов можно зарегистрировать в ходе эксперимента. Рассмотренные в работе явления могут быть использованы с целью сознательного изменения свойств твердого тела в необходимом для технических задач направлении, а также для изучения внутренней структуры кристалла.

Цель работы заключается в том, чтобы используя ЩГК как модельный материал, изучить эффекты, обусловленные взаимодействием заряженных дислокаций с облаками точечных дефектов при одновременном и раздельном воздействии на кристалл градиента температуры и внешнего магнитного поля.

Для достижения цели работы были рассмотрены две группы задач:

¡.Поведение системы "неподвижная дислокация - подвижные дефекты" при наличии градиента температуры и магнитного поля, что реализует аналог классического поперечного эффекта Нернста-Эттингсхаузена.

2.Поведение системы "подвижная дислокация - облако точечных дефектов" при наличии внешнего магнитного поля.

Для достижения указанной цели были изучены следующие явления:

1.поляризация ионного кристалла, содержащего заряженные дислокации, при наличии в кристалле градиента температуры;

2. дислокационный аналог поперечного эффекта Нернста-Эттингсхаузена в ионных кристаллах;

3. дислокационный аналог эффекта Эттингсхаузена в ЩГК;

4. поляризация кристалла при взаимодействии движущихся заряженных дислокаций с облаками точечных дефектов в ЩГК во внешнем магнитном поле.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Созданный в ЩГК, содержащем заряженные дислокации, градиент температуры перпендикулярно оси дислокации приводит к возникновению поляризации кристалла. Получено аналитическое выражение для возникающей в данном случае разности потенциалов при наличии в кристалле одного и двух типов подвижных точечных дефектов.

2. Во внешнем магнитном поле, перпендикулярном оси дислокации, за счет воздействия магнитной силы на точечные дефекты, движущиеся вдоль дислокации под действием созданного в кристалле градиента температуры, возникает дислокационный аналог поперечного эффекта Нернста-Эттингсхаузена. Получены аналитические выражения для ди-польного момента системы дислокация-облако при наличии в кристалле одного и двух типов подвижных точечных дефектов.

3. В результате совместного воздействия на ионный кристалл, содержащий заряженные дислокации, внешнего магнитного поля, параллельного оси дислокации, и механического напряжения перпендикулярного к ней, между гранями кристалла, параллельными оси дислокации, возникает разность потенциалов, которая оказывается прямо пропорциональной скорости движения дислокации и величине внешнего магнитного поля.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- впервые проведен анализ влияния градиента температуры на облака точечных дефектов, окружающих заряженные дислокации в ЩГК.

- впервые исследован дислокационный аналог поперечного эффекта Нернста-Эттингсхаузена в ионных кристаллах;

- впервые получены выражения для дипольного момента кристалла и разности потенциалов, возникающих вследствие влияния внешнего магнитного поля и механического напряжения;

- полученные аналитические выражения дают возможность численно оценить разность потенциалов, возникающую между гранями кристалла.

- впервые получено соотношение для поперечной разности температур, возникающей при дислокационном аналоге эффекта Эттингсхаузена в ионных кристаллах.

Научно-практическое значение результатов работы.

Настоящая работа является частью систематических исследований, проводимых на кафедре "Прикладная физика" СГТУ.

Результаты, полученные в данной работе, позволяют эффективно учитывать влияние заряженных дислокаций на электрические свойства ЩГК, что необходимо для прогнозирования поведения материалов при различных условиях, а также в связи с широким использованием ЩГК в лазерной технике.

Рассмотренные .в работе явления позволяют по величине возникающего напряжения судить о внутренней структуре кристалла и скорости дислокаций.

Материалы диссертации использовались при чтении спецкурса студентам специализации ВМТ.

Апробация работы и публикации.

Основные результаты работы докладывались на XIV Международной конференции по физике прочности и пластичности материалов (Самара 1995), международном семинаре "Релаксационные явления в твердых телах" (Воронеж 1995), международной конференции: "Проблемы и перспективы прецизионной механики и управления в машиностроении" (Саратов 1997).

Результаты диссертационной работы обсуждались на научных семинарах кафедры прикладной физики СГТУ, научных конференциях проводимых в СГТУ.

По теме диссертации в центральной печати опубликовано 7 работ (четыре статьи и тезисы трех докладов).

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованной литературы. Диссертация изложена на страницах машинописного текста, содержит рисунков и список использованной литературы из 121 наименований.

Глава 1. Заряженные дислокации в ЩГК.

1.1.Структура и свойства заряженных дислокаций.

В кристаллах с гетерополярной связью, к которым относятся и кристаллы щелочных галоидов (ЩГК), дефекты, в том числе и дислокации, несут электрический заряд [1]. Заряд на краевой дислокации переносится при ее движении.

Плоскостями легкого скольжения в ЩГК являются плоскости {110}, а в полупроводниках - {111}.

Рис.1. Системы легкого скольжения в ЩГК(а) и полупроводниках(б)

Направление краевой дислокации задается единичным вектором А1[100], ее вектор Бюргерса Ъ = (а / 2) [110] {а - период решетки) (рис.2).

Ионная решетка образована совокупностью плоскостей (110). Видны две полуплоскости (110) с помощью которых образована дислокация. Плоскость спайности (001) перпендикулярна дислокации.

Рассмотрим тонкую структуру дислокаций в ЩГК. На линии дислокации существуют особые точки. Они возникают при ее переходе из одной канавки рельефа Пайерлса в соседнюю. Если соседняя канавка принадлежит плоскости скольжения дислокации, то особая точка называется перегибом. Точка перехода дислокации из одной плоскости скольжения в со-

а

б

седнюю называется ступенькой. Перегибы и ступеньки являются элементами тонкой структуры линии дислокации.

Рис.2. Краевая дислокация с ЛI ==[001] и Ъ = (а/2) [110] в кристалле NaCl.

Границы лишних полуплоскостей, из которых составлена дислокация в ЩГК, представляют собой цепочку диполей, если чередование зарядов в цепочке не нарушается, дислокация не заряжена. Нарушение периодичности может быть обусловлено ступеньками [2]. Существует два типа ступенек. Первый тип отвечает излому на обеих полуплоскостях, с помощью которых представлена дислокация. Высота такой ступеньки равна ал/2 / 2. Поскольку такая ступенька, называемая полной ступенькой, производит две инверсии зарядов противоположного знака, она оказывается нейтральной. Второй тип соответствует излому только на одной полуплоскости и называется полуступенькой, ее высота равна a.V 2/4. Заряд полуступеньки равен ±е/ 2{ е- заряд электрона).

Ступеньки на краевых дислокациях в ЩГК могут возникать за счет термической активации или при пересечении дислокаций. Избыток полуступенек одного знака делает дислокацию заряженной. Как показали в своей работе Бассани и Томсон [3], заряд на краевой дислокации в ЩГК может быть обусловлен также излишком вакансий одного

знака в ее ядре, что имеет место при введении в кристалл атомов двухвалентных примесей. Атомы двухвалентных металлов занимают катионные узлы решетки, и для сохранения нейтральности необходимо создание одной катионной вакансии на каждый примесный ион. Заряд краевой дислокации определяется избытком катионных вакансий в ее ядре.

Тонкая структура края экстраплоскости краевой дислокации определяется "дефектами" на дислокации (рис.3). Это полная, незаряженная ступенька С, положительная и отрицательная ступеньки Н+ и Н_, анионная вакансия £)+, несущая положительный заряд, и катионная вакансия В., заряженная отрицательно. Здесь же представлены дефекты вдали от дислокации: М'+ - ион двухвалентной примеси, У+ и V. - анионная и катионная вакансии. Сплошные кружки - ионы, расположенные в плоскости бумаги, штриховые - лежащие на Ы2 ниже этой плоскости. Представлены также дефекты в объеме, окружающем дислокацию.

Т [по] г.

г+

Ш6Ф68

8

ёеёеёеёее©

.... ееёеё

м*

Ш

ее

£9

С

Н+

н.

Рис.3 Тонкая структура края экстраплоскости (110) краевой дислокации с

вектором Бюргерса Ь - (а/2) [110].

Дислокации в полупроводниковых кристаллах также оказываются электрически заряженными. Заряд может доходить до одного электронного на межатомное расстояние длины дислокации [4-6].

Согласно [7] вдоль дислокации существуют оборванные связи, которые могут проявлять либо акцепторные, либо донорные свойства.

Введение дислокаций в полупроводники «-типа ведет к уменьшению средней плотности свободных носителей, то есть, дислокации в полупроводниках п-типа играют роль акцепторов. В полупроводниках /ьтипа дислокации проявляют акцепторно-донорное действие.

Линейную дислокацию можно приближенно рассматривать как заряженную нить. Если проявляются акцепторные свойства дислокации, то в материале «-типа она будет заряжена отрицательно, и вследствие отталкивания от нее электронов проводимости, будет окружена цилиндрическим слоем индуцированного положительного заряда.

В работах Рида [8,9] были введены понятия дислокационных электронных уровней, дислокационного коэффициента заполнения, ридовского цилиндра, окружающего каждую заряженную дислокацию и экранирующую линейный заряд, локализованный на дислокации. Многочисленные экспериментальные результаты, демонстрирующие акцепторное действие дислокаций в полупроводниках я-типа трактуются в представлении теории Рида, в основе которой лежит представление о дислокационной линии, как цепочки атомов с одной оборванной химической связью на атом. Каждый из таких атомов может присоединить к себе электрон из зоны проводимости, и в результате такого акцепторного действия дислокационная линия оказывается заряженной. Этот заряд экранируется в некоем цилиндрическом объеме ( цилиндр Рида). Согласно модели Рида, краевые дислокации образуют трубку пространственного заряда (рис.4).

Дальнейшее развитие данная проблема получила в работах [10-13]. Дислокации в кристаллах движутся за счет приложенного к кристаллу механического напряжения, в результате чего кристалл деформируется. Сила ^ действующая на дислокацию, определяется как производная работы, со-

вершаемой приложенным напряжением при движении дислокаций, по координате дислокации.

Внутреннее ядро ~100А

Слой инверсии, ~10"5см

Трубка пространственного заряда ~10"3-10"4см

Рис.4 Модель дислокационной трубки пространственного заряда. 1- свободные электроны, 2- свободные дырки.

Силы, действующие на дислокацию. Согласно формуле Пича - Келера сила, действующая на единицу длины дислокации,

Р = [(т,Ь)АТ], (1.3)

где т -тензор напряжений.

На дислокации в ЩГК и полупроводниках действуют также и электрические силы. В электрическом поле напряженностью Е на дислокацию в ее плоскости скольжения действует сила

Р = ([аА1,Ё]п)[А1,п], (1.4)

где п- единичный вектор нормали к плоскости скольжения.

Действие поля не адекватно влиянию механической нагрузки, так как оно воздействует не только на дислокацию, но и на окружающее ее зарядовое облако и заряженные центры закрепления, вызывая их переориентацию и изменяя их связь с дислокацией [14].

Для создания механического напряжения близкого к напряжению течения в ЩГК требуются электрические поля напряженностью в несколько десятков МВ-м1. Для"проведения исследований часто прибегают к изучению совместного воздействия механической нагрузки и электрического поля. В работе Уитворта [15] рассматривались заряженные дислокации в кристалле, к которому приложено электрическое поле Е и механическая нагрузка. Сила, действующая на дислокации разных механических знаков

¥ = Ьт ±—-—, (1.5)

у 2

где Ъ- вектор Бюргерса, т - эффективная нагрузка, а - заряд на единицу длины дислокации.

Скорость термически активируемого движения дислокации можно

оценить по формуле (1.6):

0(¥)

у(Р) ~ехр(--—-), (1.6)

къТ

где С( F ^ - значение термодинамического потенциала , связанное с преодолением препятствия.

В присутствии электрического поля т=т0 + Ат, . (1.7)

то - стартовое напряжение при действии только механической нагрузки, Лт - изменение напряжения в электрическом поле. Сила, необходимая для начала поступательного движения дислокации в отсутствии поля, есть

Fо = b т о , (1.8)

Вводится m* - контролируемый параметр.

Fo

m = — v0

dv

v dF у po

Fo G' (F0) kT

(1.9)

Скорость дислокаций разных механических знаков

v = v0 ехр

*

m стЕ

(ЪАт± ——)

(1.10)

Ьт0 V2

vo~ скорость в отсутствии поля. Скорость дислокаций является функцией лишь одного контролируемого параметра т*.

* л/2

Также было показано, что при малых полях Е «Ьт0 ;