Теплопроводность поликристаллов соединений А2В6 и сульфидов редкоземельных элементов

Лугуева, Наталия Васильевна

Теплопроводность поликристаллов соединений А2В6 и сульфидов редкоземельных элементов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

Лугуева, Наталия Васильевна АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Махачкала МЕСТО ЗАЩИТЫ

2006 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.07 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Теплопроводность поликристаллов соединений А2В6 и сульфидов редкоземельных элементов»

Автореферат диссертации на тему "Теплопроводность поликристаллов соединений А2В6 и сульфидов редкоземельных элементов"

На правах рукописи

ЛУГУЕВА НАТАЛИЯ ВАСИЛЬЕВНА

ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ ПОЛИКРИСТАЛЛОВ СОЕДИНЕНИЙ А2В6 И СУЛЬФИДОВ РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Специальность 01.04.07. - физика конденсированного состояния

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Махачкала 2006

Работа выполнена в Институте физики Дагестанского научного центра Российской академии наук

Научный руководитель: Член-корреспондент РАН

Камилов Ибрагимхан Камилович

Официальные оппоненты: Доктор физико-математических наук

Гаджиалисв Магомед Магомедович, ИФ ДагНЦ РАН

Кандидат физико-математических наук, доцент

Шадричев Евгений Викторинович, СЗТУ (г. Санкт-Петербург)

Ведущая организация: Физико-технический институт

им. А.Ф. Иоффе РАН

Защита состоится 26 декабря 2006 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 002 095 01 при Институте физики ДагНЦ РАН по адресу: 367003, Махачкала, пр. Шамиля, 39а.

Отзывы на автореферат диссертации высылать по адресу: 367003, Махачкала, ул. М. Ярагского, 94, Институт физики ДагНЦ РАН, ученому секретарю диссертационного совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института физики ДагНЦ РАН.

Автореферат разослан 24 ноября 2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета д.ф.-м.н.

А.Б. Батдалов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Совокупность физико-химических свойств обеспечивает полупроводниковым материалам группы А2Вб широкое применение в технике. Развитие тепловидения, лазерной техники инфракрасного диапазона, томографии, дозиметрии сделало эти материалы чрезвычайно привлекательными для пракпгческого применения. Современные приборы наведения и ночного видения требуют наличия материалов, прозрачных в ИК-области спектра. Материалы, используемые в авиации и ракетной технике, подвержены суровым окружающим условиям, в частности, аэродинамическому нагреву, тепловому удару, дождевой эрозии. Чтобы выдерживать такие условия, материалы окон оборудования должны обладать оптимальным сочетанием оптических, тепловых и механических свойств. Материалы, используемые в ИК-технике, должны сочетать высокий коэффициент оптического пропускания в широкой ИК-области, что характерно для материалов со слабой химической связью и большим атомным весом, и хорошие тепловые и механические свойства (высокая температура плавления, низкий коэффициент теплового расширения, высокая прочность и твердость, высокий коэффициент теплопроводности), для чего необходимы сильная химическая связь и малый атомный вес. Указанная альтернатива устанавливает ограничения на выбор материалов, пригодных для использования в инфракрасном оптическом приборостроении. К материалам, соответствующим таким требованиям, относятся Се (для области температур ниже 100°С), ZnS, гпБе, СсГГе. В последнее время к ним стали относить и перспективные соединения халько-генидов редкоземельных элементов.

Коэффициент теплопроводности является параметром, определяющим функциональные возможности используемых материалов, и информация о нем необходима при проведении технологических и конструкторских работ. В тоже время, исследование теплопроводности является чувствительным, а иногда и единственным методом получения информации о динамике кристаллической решетки, процессах взаимодействия фононов, о наличии в веществе дефектов и их природе, о роли акустических и оптических фононных ветвей в теплопереносе.

В последнее время повышенное внимание уделяется материалам поликристаллической структуры с зернами микронных и наноразмеров, и они становятся привлекательными для новых технических применений. В зависимости от способа получения в материале преобладают те или иные типы дефектов. Сравнение экспериментальных данных о коэффициенте теплопроводности монокристаллов и поликристаллов с различной технологической предысторией позволяет определить в реальных кристаллах

характер влияния на теплоперенос размеров зерен, состояния межзерен-ных границ, пористости, текстуры и дислокаций.

Оптимизация оптических, теплофизических и механических свойств материалов для оптического приборостроения осуществляется путем использования различных методов их получения. Одним из основных критериев выбора метода синтеза является получение материала с высокой теплопроводностью. Наиболее пригодны для технического применения материалы, полученные горячим прессованием и осаждением из паровой фазы, а также полученные осаждением из паровой фазы, затем подвергнутые деформации и рекристаллизации. Физические свойства соединений, полученных этими методами, изучены недостаточно и почти нет данных об их теплофизических свойствах. Поэтому исследования теплофизических свойств поликристаллов соединений А2В6 2пБе, СсГГе) и сульфидов редкоземельных элементов (ЬагБз, вс^з, Еи5), полученных различными методами, являются актуальными не только для характеристики свойств образцов, но и для оптимизации режимов нагрева и изотермических выдержек при получении оптических материалов на их основе.

Фундаментальный характер исследований, направленных на изучение особенностей переноса тепла в технически важных для оптического приборостроения реальных кристаллах, и определение механизмов рассеяния в них фононов, включая рассеяние протяженными дефектами и дефектами вблизи межзеренных границ, обусловливает актуальность темы диссертационной работы, как с научной, так и с практической точек зрения.

Цель работы. Целью настоящей работы является изучение механизмов переноса тепла в оптических поликристаллических материалах на основе соединений А2В6 и сульфидов редкоземельных элементов, исследование влияния структурных дефектов на теплопроводность этих материалов, изучение влияния особенностей фононного спектра на величину и температурную зависимость их коэффициента теплопроводности.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

Задачи исследования

1. Исследование в широком диапазоне температур коэффициента теплопроводности поликристаллов ZnSe, СсГГе, полученных методами горячего прессования, осаждения из паровой фазы и полученных из паровой фазы, а затем подвергнутых деформации и рекристаллизации.

2. Определение механизмов теплопереноса в поликристаллических соединениях А2Вб и установление характера влияния параметров их фоне иных спектров на коэффициент теплопроводности.

3. Выявление характерных особенностей в поведении коэффициента теплопроводности поликристаллов гпБ, гпБе, Сс1Те в зависимости от способа получения и появляющихся в результате их технологической пре-

дыстории дефектов структуры (поры, дислокации, межзеренные границы) и от размеров зерен.

4. Исследование в диапазоне температур 80-400 К коэффициента теплопроводности кристаллов Ьа283 и всЬвз; изучение влияния избыточного редкоземельного металла на теплопроводность стехиометрических составов ЬагБз, Сс^Бз.

5. Изучение влияния пористости на теплопроводность Ьа2В3.

6. Исследование теплопроводности поликристаллов ЕиБ в области температур 4-400 К, включая область магнитного фазового перехода.

Научная новизна

1. Впервые выполнены экспериментальные исследования теплопроводности оптических поликристаллов гпБе, СсГГе, Ьа25з, СсЬЗз в области температур 80-400 К, а поликристаллов и ЕиБ в диапазоне 4-400 К.

2. Определены механизмы теплопроводности в поликристаллах гпБе, СсГГе, Ьа253, Gd2Sз, ЕиБ и установлены закономерности изменения величины и температурной зависимости их коэффициентов теплопроводности, связанные с рассеянием фононов дефекталш структуры.

3. Обнаружены характерные изломы на температурных зависимостях теплового сопротивления поликристаллов ¿пБ, 2пБе, СсГГе, обусловленные особенностями фононных спектров этих кристаллов и влиянием акустических и оптических фононов и процессов их взаимодействия на теплоперенос.

4. Обнаружено значительное снижение коэффициента теплопроводности поликристаллов с микронными размерами зерен по сравнению с монокристаллическими образцами тех же соединений вследствие рассеяния фононов дефектами в приграничных слоях зерен, а при Т<130 К также из-за размерного эффекта.

5. Впервые исследована теплопроводность пористых поликристаллов ЬагБз; установлена корреляции между теплопроводностью и плотностью образцов.

6. В поликристаллах Ьа28з, СсЬБз в области температур Т>200 К экспериментально обнаружено участие в теплопереносе электромагнитного излучения, вклад которого снижается с ростом пористости материала.

7. В текстурированных поликристаллах ZnS, ZnSe, СсЗТе и в поликристаллах этих соединений, подвергнутых деформации и рекристаллизации, впервые обнаружена анизотропия коэффициента теплопроводности относительно направления роста кристаллитов, обусловленная рассеянием фононов ориентированными дислокациями.

Практическая значимость работы. Проведенные исследования позволили получить сведения, которые способствуют дальнейшему развитию представлений о роли ветвей фононного спектра и их взаимодейст-

вия, а также дефектов различной природы в процессах теплопереноса в реальных кристаллах.

Данные о коэффициенте теплопроводности важных для практического применения поликристаллических материалов на основе ZnS, ZnSe, CdTe и новых для оптического приборостроения материалов на основе халькогенидов редкоземельных металлов необходимы для оптимизации технологических режимов их получения, а также для проведения технических расчетов при конструировании оптических устройств.

Полученные экспериментальные результаты дали ценную информацию о существовании в материалах, полученных осаждением из паровой фазы, в области температур Т<300 К анизотропии коэффициента теплопроводности, что необходимо учитывать при расчетах технических устройств, в которых используются эти материалы.

Результаты части проведенных исследований использованы в научно-исследовательском и технологическом институте оптического материаловедения ВНЦ "ГОИ им. С.И. Вавилова", что подтверждено пятью техническими актами внедрения. Данные о коэффициенте теплопроводности оптических материалов на основе ZnS, ZnSe включены в технические условия отраслевых стандартов: "Керамика оптическая КО-2. Технические условия. ОСТ 3-1652-86", "Материал оптический поликристаллический марки ПО-4. Технические условия. ОСТ 3-6307-87".

Основные положения, выносимые на защиту

1. Результаты экспериментальных исследований теплопроводности поликристаллов соединений А2Вб и сульфидов редкоземельных элементов в зависимости от температуры, дефектов структуры, текстуры, размеров зерен и относительной плотности образцов.

2. Установление корреляции коэффициентов теплопроводности поликристаллов соединений А2В6 с их фононными спектрами.

Достоверность и обоснованность экспериментальных результатов работы обеспечены высоким качеством кристаллов, полученных различными методами в НИТИОМ ВНЦ "ГОИ им. С.И. Вавилова" (г. Санкт-Петербург) и в ИНХ СО РАН (г. Новосибирск), апробированными абсолютными стационарными методами исследования теплопроводности при низких и средних температурах, согласием результатов эксперимента и расчетов с данными, имеющимися в литературе.

Апробации работы. Основные результаты работы были доложены на VIII Всесоюзной конференции по теплофизическим свойствам веществ (Ташкент, 1982), III Всесоюзной конференции по физике и химии редкоземельных полупроводников (Тбилиси, 1983), IV Всесоюзной конференции по физике и химии редкоземельных полупроводников (Новосибирск, 1987), Всесоюзной конференции МОТФИ (Хабаровск, 1989), VIII Всесоюзном совещании "Кристаллические оптические материалы" (Ленинград,

1989), Республиканской научно-технической конференции по теплофизи-ческим свойствам веществ (Баку, 1992), IV Всероссийском совещании "Физика широкозонных полупроводников" (Махачкала, 1993), V Международном семинаре "Термоэлектрики и их применения" (С.-Петербург,

1999), XIV Симпозиуме по теплофизическим свойствам (Боулдер, США,

2000), Международной конференции "Прикладная оптика-2002" (С.-Петербург, 2002), Всероссийской конференции по теплофизическим свойствам веществ (Казань, 2002), Европейской конференции по теплофизическим свойствам ЕСТР-2005 (Братислава, 2005), Международной конференции "Прикладная оптика-2006" (С.-Петербург, 2006).

Публикации. По результатам, представленным в диссертации, опубликовано более 30 научных работ, включая 12 статей в рецензируемых журналах. Список статей, в которых опу бликованы основные результаты диссертационной работы, приведен в конце автореферата.

Личный вклад автора заключался в непосредственном участии в выполнении эксперимента, выборе объектов исследований, анализе и обработке полученных данных, написании научных работ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и списка литературы, включающего 149 наименований. Работа изложена на 134 страницах машинописного текста, включая 43 рисунка и 4 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулированы цели и задачи работы, указаны научная новизна и практическая значимость проведенного исследования, приведено краткое содержание работы и основные защищаемые положения. Заканчивается введение сведениями об апробации работы и списком публикаций автора, в которых изложены основные результаты диссертации.

В первой главе рассмотрены механизмы теплопереноса в твердых телах, имеющие отношение к дальнейшему изложению содержания работы. Главное внимание уделяется теплопроводности кристаллической решетки и влиянию на нее различного рода дефектов. Обсуждаются теории Дебая и Пайерлса. Рассматриваются механизмы рассеяния фононов. Более подробно обсуждается рассеяние фононов в пористых и мелкокристаллических материалах, а также рассеяние фононов дислокациями.

В последнем параграфе первой главы рассматривается механизм передачи тепла электромагнитным излучением.

Во второй главе приводятся сведения об исследованных образцах и методике эксперимента. В первом параграфе второй главы приводится краткий обзор физико-химических свойств исследованных материалов.

Дано краткое описание технологий получения поликристаллов: методом рекристаллизационного прессования (гпБ, ЬагЗз, ЕиБ) и методом осаждения из паровой фазы (ЕпБ, СсГГе). Приведена таблица, в которой представлены физико-химические свойства этих соединений. Поликристаллы, полученные методом горячего прессования, состояли из зерен микронных размеров, а образцы, полученные осаждением из паровой фазы, состояли из кристаллитов, вытянутых в направлении роста, со средними размерами 2-5 мм. Указывается, что тепловые свойства поликристаллов, полученных горячим прессованием, мало изучены, а исследования теплопроводности поликристаллов, полученных осаждением из паровой фазы, ранее не проводились. Несмотря на то, что фононные спектры ZnSe, СсГГе хорошо изучены, не была исследована роль ветвей фотонных спектров в теплопроводности этих соединений.

Во втором параграфе второй главы дан краткий обзор существующих методов измерения теплопроводности твердых тел, при этом особое внимание уделено стационарным методам и способам устранения ошибок, влияющих на точность измерений. Обоснован выбор методики измерения коэффициента теплопроводности.

В этой же главе дается описание экспериментальных установок, использованных в настоящей работе. В интервале температур 80-400 К измерения коэффициента теплопроводности проводились на экспериментальной установке, основанной на создании стационарного теплового режима в измерительной ячейке. Для исключения погрешностей, связанных с конвективным теплообменом, в приборе создавался вакуум ~10~5 мм рт. ст. Потери тепла излучением с боковых поверхностей образцов учитывались при расчетах коэффициента теплопроводности. Проведен анализ погрешностей измерения и показано, что погрешность измерения теплопроводности на этой установке составляет 2-4% в зависимости от интервала температур. Калибровка установки проводилась по плавленому кварцу, фарфору и нержавеющей стали 1Х18Н9Т. Расхождение полученных результатов с рекомендованными для этих материалов данными меньше ошибки измерений.

В четвертом параграфе приведены краткие сведения о двух других экспериментальных установках, использованных в настоящей работе. На некоторых образцах были выполнены измерения коэффициента теплопроводности в области температур 4-100 К используя прибор, также основанный на создании стационарного теплового потока через исследу емый образец. Измерения коэффициента теплопроводности при всестороннем сжатии проводились абсолютным компенсационным методом при стационарном тепловом режиме. Измерения осуществлялись на этой установке как в изобарических условиях в температурном интервале 273-420 К, так и в изотермических условиях под давлением до 0.35 вРа.

В третьей главе приведены результаты экспериментального исследования теплопроводности оптических материалов на основе ¿пБе, СсГГе. Основное внимание уделено изучению влияния на теплопроводность способа получения образцов и обусловленных этим различных дефектов: пористости, размера зерен, текстуры, дислокаций.

В первом параграфе этой главы представлены результаты исследования теплопроводности поликристаллов 2пБ, гпБе, СсГГе максимальной плотности, полученных осаждением из паровой фазы. Показано, что теплопроводность поликристаллов закономерно снижается в ряду гпБе, СсГГе ввиду уменьшения температуры Дебая, роста ангармонизма колебаний кристаллической решетки при увеличении среднего атомного веса и межатомного расстояния от к СсГГе. Дана оценка возможных механизмов теплопереноса в исследованных материалах. Эти материалы имеют высокое электросопротивление, и вклад электронной компоненты в теплопроводность пренебрежимо мал. Поскольку гпБ, гп8е, СсГГе прозрачны в ИК-области, рассмотрена возможность участия в теплопереносе электромагнитного излучения. Как экспериментально полученные температурные зависимости коэффициента теплопроводности, так и проведенные расчеты показали, что фотонная компонента в исследованном температурном интервале не вносит заметного вклада в перенос тепла. Величина и температурная зависимость теплопроводности ¿пБ, ¿пБе, СсГГе в области температур 80-400 К определяется фононами.

Во втором параграфе рассмотрено влияние способа получения и среднего размера зерен на теплопроводность Теплопроводность поликристаллов 2п8, полученных осаждением из паровой фазы, близка по абсолютной величине и температурной зависимости к теплопроводности монокристаллов Теплопроводность керамики ¿пБ при 300 К на 30%, а при 80 К в четыре раза ниже теплопроводности монокристалла. Поскольку плотность керамики 7п8 составляла 99.8% от плотности монокристалла ZnS, то столь значительное снижение ее теплопроводности не может быть объяснено влиянием пористости образцов и рассеянием фо-нонов на границах зерен. В поликристаллах, помимо точечных дефектов и дислокаций, перенос тепла ограничен также рассеянием дефектами в области межкристаллитных границ. Эти границы и приповерхностные слои кристаллитов содержат большое количество дефектов, которые деформируют решетку и эффективно рассеивают фононы, повышая тепловое сопротивление. В керамике ввиду малости размеров зерен концентрация таких дефектов больше, что вызывает значительное снижение теплопроводности. Для анализа механизмов, ограничивающих перенос тепла и снижающих теплопроводность на основе экспериментальных данных проведена оценка средней длины свободного пробега фононов, а также длин свободного пробега, связанных с фонон-фононными, фонон-дефектными

и фонон-гран ичными процессами рассеяния. Сопоставление этих величин показало, что в поликристалле с размерами зерен 1 мкм уже при 130 К вклады фонон-фононных и фонон-граничных процессов рассеяния в ограничении средней длины свободного пробега фононов сопоставимы по величине. Расчеты длины свободного пробега показывают, что рассеяние фононов дефектами вносит в тепловое сопротивление возрастающий вклад в ряду монокристалл, поликристалл, керамика. Показано, что величина дополнительного теплового сопротивления керамики относительно монокристалла и поликристалла, полученного осаждением из паровой фазы, в температурном интервале 150-400 К от температуры не зависит. При дальнейшем снижении температуры увеличивается относительный вклад процессов рассеяния фононов на границах зерен. Этим обусловлено наблюдаемое в эксперименте отклонение температурной зависимости коэффициента теплопроводности керамики от —Т^1 при Т<130 К (дополнительный рост теплового сопротивления). Малые размеры кристаллитов в поликристаллах ZnS обуславливает сдвиг низкотемпературного максимума теплопроводности в область высоких температур (температуры низкотемпературного максимума теплопроводности: 20 К, 30 К и 60 К у монокристалла, поликристалла с размерами кристаллитов 2-5 мм и поликристалла с размерами зерен 1-2 мкм, соответсвенно) и значительное снижение высоты этого максимума.

В третьем параграфе рассматривается теплоперенос в поликристаллах гпБе и СсГГе, полученных осаждением из паровой фазы. Поскольку эти материалы имели ярко выраженную столбчатую структуру (составляющие их кристаллы геометрически вытянуты в направлении оси роста образцов), было проведено исследование влияния текстуры на теплопроводность поликристаллов 2пБе, СсГГе. Образцы вырезались из заготовок таким образом, чтобы направление теплового потока совпадало с направлением роста поликристалла, а в другом случае было ему перпендикулярно. Это позволило измерить коэффициент теплопроводности в направлении оси роста поликристаллов (кп) и перпендикулярно (лгх). В низкотемпературной области измерений обнаружена анизотропия коэффициента теплопроводности текстурированных образцов относительно направления роста кристаллов: при 80 К величина кц была выше к± на 14% у 2пБе и на 16% у СсГГе. Это явление невозможно объяснить ни анизотропией упругих свойств, поскольку исследованные кристаллы 7п5с и СсГГе имели кубическую структуру, ни рассеянием фононов границами зерен, размер которых значительно больше длины свободного пробега фононов. Наличие анизотропии коэффициента теплопроводности достаточно хорошо объясняется рассеянием фононов дислокациями, возникающими в этих кристаллах в процессе синтеза и имеющими преимущественную ориентацию в направлении роста кристаллов. Было рассчитано тепловое сопротивление, обу-

словленное дислокациями, которое оказалось постоянным в интервале температур 80-400 К, что согласуется с теорией рассеяния фононов дислокациями. С повышением температуры и ростом фонон-фононного рассеяния относительная роль рассеяния фононов дислокациями снижается и при Т > 300 К анизотропия теплопроводности не обнаруживается.

Исследована теплопроводность ZnSe и CdTe, полученных осаждением из паровой фазы и подвергнутых деформации под давлением и рекристаллизации. После деформации и рекристаллизации эти образцы состояли из более мелких кристаллитов, не имеющих определенной направленности. В них происходило общее снижение теплопроводности, поскольку в результате деформации в образцах образуются дополнительные дефекты (дислокации, границы зерен), но анизотропия коэффициента теплопроводности сохранялась, что позволило сделать вывод о сохранении преимущественной ориентации дислокаций и после деформации и рекристаллизации.

В четвертом параграфе изложены результаты исследования влияния высокотемпературного отжига в вакууме на теплопроводность. Из анализа температурной зависимости коэффициента электропроводности при Т = 300-850 К было выявлено, что прогрев в вакууме до 500 К не изменяет электрических свойств CdTe. При прогреве до 850 К ход температурной зависимости коэффициента электропроводности а заметно отличаются при нагреве и охлаждении. После цикла измерений в интервале 300-850 К электропроводность при 300 К возросла в 40 раз и произошло изменение наклона зависимости lga (10Vi) в области примесной проводимости, как следствие смены преимущественного типа дефектов при отжиге и сублимации CdTe. Исследование коэффициента теплопроводности образца CdTe с возросшей после отжига электропроводностью не выявило заметных изменений.

В четвертой главе исследуется влияние особенностей фононных спектров ZnS, ZnSe и CdTe на характер температурной зависимости их тепловых сопротивлений.

В первом параграфе главы рассмотрены литературные данные о фононных спектрах, температурах Дебая и параметрах Грюнайзена ZnS, ZnSe, CdTe, необходимые для установления закономерностей изменения температурной зависимости теплового сопротивления решетки этих соединений.

В втором параграфе рассмотрены температурные зависимости теплового сопротивления ZnS, ZnSe и CdTe и устанавливается связь между тепловым сопротивлением и параметрами их фононных спектров. Зависимость теплового сопротивления решетки реальных кристаллов, как известно, может быть представлена в виде: W= ВТ + С, т.е. имеет линейный характер. На зависимости W (Т) ZnS, ZnSe и CdTe обнаружены изломы

(изменение коэффициента В). При температурах выше и ниже излома зависимость (Т) носит линейный характер. Величина ВТ - это тепловое сопротивление бездефектного кристалла. Коэффициент В, определяющий наклон зависимости (Т) и характеризующий соединение, одинаков для образцов гп8 в каждой температурной области независимо от их технологической предыстории. Судя по значениям температур Дебая для различных фононных ветвей, излом на зависимости \¥ (Т) у образцов наблюдается в области температур, где полностью возбуждены поперечные акустические (ТА) фононные ветви и возрастает относительный вклад продольной акустической (ЬА) ветви. Как следует из существующей теории, В ~ у2/03 ( у - параметр Грюнайзена, 0 - температура Дебая). Расчеты у2/е3 для ТА и ЬА фононных ветвей показали, что в для ТА фононов эта величина в три раза ниже, чем для ЬА фононов. Таким образом возбуждение ЬА фононов и их участие в теплопереносе приводит к увеличению В и появлению излома на зависимости (Т) для сульфида цинка.

Судя по параметрам фононного спектра для ¿пБе возрастание вклада ЬА фононов происходит в области 100-250 К. Однако, наклон зависимости \У (Т) у образцов гпБе в этой области температур не меняется, поскольку величина у2/03 для ТА и ЬА отличается незначительно. Возрастание числа ЬА не изменяет наклона зависимости (Т). Излом происходит при Т > 270 К, когда начинают возбуждаться оптические фононы, которые ввиду малой дисперсии тепло не переносят, но рассеивают акустические фононы, приводя к увеличению теплового сопротивления и изменению наклона зависимости XV (Т). Аналогично объясняется и излом на (Т) в Сс!Те. В этом соединении вклад ЬА и ТА фононов в теплоперенос не меняется при Т > 80 К, но при Т > 200 К возбуждаются рассеивающие тепло оптические фононы.

В этой же главе приведены экспериментальные результаты исследования теплопроводности сульфида цинка при всестороннем сжатии. Проведенные исследования позволили рассчитать коэффициент Бриджмена и на основе этих расчетов сделать вывод о росте вклада в теплоперенос продольных акустических фононов с ростом температуры.

В петой главе приводятся результаты исследования теплопроводности Ьа28з, вс^з в области 80-400 К и ЕиБ в диапазоне температур 4-400 К. Исследовались кристаллы ЬагБз, вс^Бз стехиометрического состава и кристаллы, отклоненные от стехиометрии в сторону увеличения содержания редкоземельного металла, а также поликристаллы ЕиБ и ЬагЗз различной плотности.

В первом параграфе рассмотрена теплопроводность монокристаллов ЬагБз и СсЬБз. стехиометрического состава. В низкотемпературной области измерений температурная зависимость коэффициента теплопроводности в этих кристаллах подчиняется закону ~ Т-1, что характерно для тем-

пературной области, в которой основной вклад в тепловое сопротивление вносят трехфононные процессы рассеяния, а вклад фонон-дефектного рассеяния постоянен. В высокотемпературной области измерений наблюдается отклонение от этой зависимости в сторону роста теплопроводности. Поскольку кристаллы Ьа283 и СсЬБз прозрачны в ИК-области спектра, вклад в теплопроводность может дать фотонная компонента. Разница Ак между экспериментальными значениями теплопроводности кристаллов и значениями Кр, полученными из экстраполяции зависимости кр ~ Т^1, имеет температурную зависимость, характерную для фотонной теплопроводности. Оценка же абсолютной величины фотонной теплопроводности для этих кристаллов, проведенная по формуле Генцеля, показала, что она близка по значению к величине Ак, полученной в эксперименте.

Отклонение состава от стехиометрии Ьа28з и в(128з в сторону увеличения содержания редкоземельного элемента приводит к заметному снижению коэффициента теплопроводности. Этот результат кажется необычным на первый взгляд, поскольку стехиометрический состав содержит большее число катионных вакансий, а увеличение концентрации редкоземельного элемента приводит к их заполнению. На основании анализа возможных причин снижения коэффициента теплопроводности в отклоненных от стехиометрии составах сделан вывод, что коэффициент теплопроводности может снижаться, как в результате появления новых дефектов (термических вакансий, вакансий, появляющихся при распаде бивакансий, атомов в междоузлиях), так и в результате возрастания ионности химической связи (рост числа ионных связей Ьп-Б с одновременным снижением ковалентных связей Б-Б).

С повышением температуры и ростом роли фонон-фононных процессов по сравнению с фонон-дефектными снижение теплопроводности из-за новых дефектов при отклонении от стехиометрии Ьп2$з становится слабее. Поэтому в области температур Т>200 К уменьшение теплопроводности при отклонении состава от стехиометрии не так значительно, как при более низких температурах.

В третьем параграфе приведены результаты исследования коэффициента теплопроводности поликристаллов Ьа28з различной плотности. Установлено, что коэффициент теплопроводности всех исследованных поликристаллов Ьа283 ниже, чем у монокристалла; при снижении температуры это различие увеличивается. Оценка длины свободного пробега фо-нонов, определяемая фонон-фононным рассеянием, показывает, что в исследованных образцах Ьа28з даже в области азотных температур длина свободного пробега фононов значительно меньше среднего размера зерен, и рассеяние фононов на границах не вносит заметного вклада в снижение теплопроводности. В то же время, как уже отмечалось, в поликристаллах поверхности зерен и межзеренные границы содержат большое количество

дефектов, которые играют важную роль в ограничении теплопроводности, особенно с понижением температуры. Дополнительный вклад в тепловое сопротивление вносят также вакуумированные поры в объеме образцов. Уменьшение теплопроводности за счет этих механизмов достигает 40-50% при комнатной температуре и возрастает до двух-трех раз при 80 К в зависимости от плотности ЬагБз.

На основе экспериментальных данных теплопроводности монокристалла и поликристаллов Ьаг8з выделено тепловое сопротивление, обусловленное дефектами, присущими поликристаллам. Оно для каждого поликристалла оказалось постоянным по абсолютной величине во всем исследованном температурном интервале. В работе приведены экспериментальные зависимости коэффициента теплопроводности горячепрессован-ных образцов Ьа^Зз от их пористости при 80 К и 200 К. Они носят линейный характер, что согласуется с теорией для керамик с зернами произвольной формы и ориентации.

Как и в монокристалле ЬагБз в большинстве поликристаллов ЬагВз обнаруживается вклад в теплоперенос фотонной компоненты. Температура, при которой вклад фотонной компоненты в теплоперенос становится заметен, возрастает с ростом пористости, а в образце с максимальной пористостью во всем исследованном интервале температур вклад электромагнитного излучения в теплоперенос отсутствует. Это легко объясняется, если учесть, что коэффициент пропускания керамик Ьа283 заметно снижается с ростом пористости.

Проведены расчеты коэффициента теплопроводности поликристаллов ЬагЗз по формуле Клеменса для теплопроводности диэлектриков с дефектами: к = А/(Та+Т) + ЛТ3. Параметры расчета А, Та и Я определялись по методу наименьших квадратов из экспериментальных данных. Для всех образцов Ьа23з коэффициент А, характеризующий вещество, оказался равным 438, а коэффициент Та, зависящий от длины свободного пробега фононов и характеризующий дефектность образца, возрастает от 222 до 380 с ростом пористости образцов. Коэффициент Я, определяющий радиационный перенос тепла, снижается с ростом пористости.

В этой главе также приведены результаты исследования теплопроводности поликристалла ЕиБ в области 4-400 К, с охватом области магнитного фазового перехода (16.5 К). При Т < 5.5 К коэффициент теплопроводности пропорционален Т2, что характерно как для фононной теплопроводности при сильном фонон-дислокационном рассеянии, так и для магнонной теплопроводности при преобладании рассеяния магнонов границами. Выше 5.5 К температурная зависимость к ~ Т15 и в области магнитного фазового перехода не претерпевает заметных изменений. Можно предположить, что влияние на теплопроводность магнонов маскируется

фонон-дислокационным рассеянием. В области выше максимума теплопроводности до 280 К коэффициент теплопроводности ~ Т4.

Основные результаты и выводы

1. Впервые исследована в интервале температур 4-400 К теплопроводность поликристаллов ZnS, полученных осаждением из паровой фазы, и поликристаллов ZnS, полученных рекристаллизационным прессованием:

■ показано, что в этой области температур перенос тепла осуществляется колебаниями кристаллической решетки; значительный вклад в ограничение теплопереноса вносит, наряду с фонон-фононными процессами, и рассеяние фононов дефектами, включая дефекты в приграничном слое зерен;

■ установлено, что в поликристалле с размером зерен 1 мкм уже при 130К наблюдается рассеяние фононов границами, что приводит к значительному снижению величины низкотемперату рного пика теплопроводности и сдвигу его в сторону высоких температур.

2. Показано, что с увеличением всестороннего давления коэффициент теплопроводности ZnS возрастает. Из экспериментальных данных барической зависимости коэффициента теплопроводности определен коэффициент Бриджмена, увеличение которого с ростом температуры свидетельствует об усилении роли продольных акустических фононов в тепло-переносе.

3. Исследован в интервале температур 80-400 К коэффициент теплопроводности полученных осаждением из паровой фазы поликристаллов ZnSe и CdTe, а также этих поликристаллов после деформации и рекристаллизации:

■ при Т < 300 К обнаружена анизотропия коэффициента теплопроводности, относительно направления роста поликристаллов, которая обусловлена дислокациями с преимущественной ориентацией в направлении роста кристалла;

■ показано, что деформация и рекристаллизация снижают коэффициент теплопроводности кристаллов независимо от направления теплового потока относительно деформирующего напряжения; анизотропия коэффициента теплопроводности относительно направления роста поликристаллов сохраняется и после деформации и рекристаллизации;

■ установлено, что в исследованном температурном интервале тсп-лоперенос осуществляется акустическими фононами, а оптические фоно-ны, возбуждаясь в области температу р выше 200 К в CdTe и выше 270 К в ZnSe, рассеивают акустические фононы, что приводит к появлению дополнительного теплового сопротивления.

4. Впервые в интервале температур 80-400 К исследована теплопроводность кристаллов стехиометрических составов La?S3, Gd2S3, а также

Ьа^Бз и 0(128з, отклоненных от стехиометрии в сторону увеличения содержания редкоземельного металла:

■ показано, что в стехиометрических составах Ьа283 и Сс^з тепло переносится фононами, а при Т > 200 К перенос тепла в них осуществляется также электромагнитным излучением;

■ избыточное содержание редкоземельного металла в ЬагБз и вс^з приводит к существенному снижению теплопроводности, что отражает изменение дефектности кристалла и ослабление химической связи при изменении состава; с повышением температуры снижение теплопроводности при отклонении состава от стехиометрии ЬпгЗз становится менее заметным ввиду ослабления роли фонон-дефектных процессов.

5. Впервые выполнены в диапазоне температур 80-400 К исследования теплопроводности в зависимости от пористости поликристаллов ЬагЗз, полученных методом рекристаллизационного прессования (плотность исследованных поликристаллов изменялась в пределах от 99.4% до 75% от плотности монокристалла):

■ величина коэффициента теплопроводности образцов ЬагБз даже с максимальной плотностью значительно ниже, чем у монокристалла, вследствие рассеяния фононов дефектами в приграничных слоях зерен и межзерен ных границах; зависимость коэффициента теплопроводности от пористости носит линейный характер;

■ обнаружен вклад в теплоперенос фотонной компоненты, который зависит от пористости поликристалла; в поликристалле с плотностью 0,75 от плотности монокристалла фотонный вклад в теплоперенос не наблюдается.

■ на основе экспериментальных данных рассчитаны параметры в формуле Клеменса для коэффициента теплопроводности диэлектриков с дефектами, что позволяет оценивать коэффициент теплопроводности в области температур выше исследованной.

6. Исследован коэффициент теплопроводности поликристалла из моносульфида европия с относительной плотностью, близкой к единице, в интервале температур 4-400 К. Показано, что в исследованном температурном интервале теплоперенос осуществляется колебаниями кристаллической решетки. Установлено, что в области магнитного фазового перехода коэффициент теплопроводности не претерпевает заметных изменений.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах

1. Лугуева Н.В., Дронова Г.Н., Лугуев С.М. Теплопроводность оптической керамики КО-2 // ОМП ,1983, № 10. С. 30-31.

2. Лугуев С.М., Лугуева Н.В., Соколов В.В., Маловицкий Ю.Н. Теплопроводность у-модификации La2S3 // Неорган, матер., 1985, т. 21, № 5. С. 878-880.

3. Лугуева Н.В., Дронова Г.Н., Лугуев С.М., Батдалов А.Б. Теплопроводность оптической керамики из моносульфида европия // ОМП, 1985, № 11. С. 26-28.

4. Лугуев С.М., Лугуева Н.В., Соколов В.В. Теплопроводность Gd2S3 и Dy2S3 // ФТТ, 1988, т. 30, № 3. С. 873-875.

5. Лугуев С.М., Лугуева Н.В. Механизмы теплопереноса и тепловое сопротивление мелкодисперсных сульфидов лантана // В сб. Актуальные вопросы физики и химии редкоземельных полупроводников. - Махачкала,

1988. С. 45-48.

6. Лугуева Н.В., Дронова Г.Н., Лугуев С.М. Теплопроводность сульфида лантана, полученного горячим прессованием // Неорган, матер.,

1989, т. 25, №6. С. 929-932.

7. Лугуева Н.В., Лугуев С.М., Батдалов А.Б. Теплопроводность EuS при низких температурах с охватом области магнитного упорядочения. // В сб. Физика и химия редкоземельных полупроводников. - Новосибирск: Наука, 1990. С. 117-120.

8. Лугуев С.М., Лугуева Н.В., Соколов В.В. Исследование влияния дисперсности на теплопроводность сульфида лантана // Термоэлектрики и их применения: Доклады V Межгосударственного семинара. - СПб.: ФТИ им. Иоффе, 1999. С. 141-144.

9. Лугуев С.М., Лугуева Н.В., Соколов В.В. Теплопроводность Gd2S3 с избыточным содержанием гадолиния // ФТТ, 2000, т. 42, № 6. С. 10131016.

10. Лугуева Н.В., Крамынина Н.Л., Лугуев С..М. Теплопроводность поликристаллического ZnS при всестороннем сжатии // ФТТ, 2001, т. 43., № 2. С. 222-225.

11. Лугуева Н.В., Лугуев С.М. Влияние особенностей структуры на теплопроводность поликристаллического сульфида цинка // ФТТ, 2002, т. 44, №2 С. 251-256.

12. Лугуева Н.В., Лугуев С.М. Исследование влияния дефектов на теплопроводность поликристаллических образцов ZnS, ZnSe, CdTc // Книжное приложение журнала "Химия и компьютерное моделирование. Бутлеровские сообщения". Спецвыпуск. 2002, № 10. С. 200-203.

13. Лугуева Н.В., Лугуев С.М. Теплопроводность поликристаллических оптических материалов ПО-6 и КО-61. // Прикладная оптика. Сб. докладов Международной конференции. - СПб., 2002. С. 120-124.

14. Лугуева Н.В., Лугуев С.М., Дунаев A.A. Теплопроводность поликристаллического селенида цинка // ФТТ, 2003, т. 45, № 3. С. 424-428.

15. Лугуева Н.В., Лугуев С.М. Влияние дефектов структуры на теплопроводность поликристаллов ZnS, ZnSe, CdTe. // ТВТ, 2004, т. 42, № 1. С. 58-63.

16. Лугуева Н.В., Лугуев С.М., Гусейнов A.A. Теплопроводность текстурированного поликристаллического CdTe И Неорган.матер., 2004, т. 40, №2. С. 166-171.

Формат 60x84.1/16. Печать ризографная. Бумага № 1. Гарнитура Тайме. Усл. печ. л. -1,25 изд. печ. л. -1,25. Заказ - 266 - 06. Тираж 100 экз. Отпечатано в «Деловой мир» Махачкала, ул. Коркмасова, 35а

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата физико-математических наук, Лугуева, Наталия Васильевна

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I. КРАТКИЙ ОБЗОР ТЕОРИИ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ.

§ 1. Механизмы теплопереноса в твердых телах.

§ 2. Теплопроводность кристаллической решетки.

§ 3. Фотонная теплопроводность.

ГЛАВА 2. ОБРАЗЦЫ И МЕТОДИКИ ЭКСПЕРИМЕНТА.

§ 1. Краткие сведения об исследованных образцах.

§ 2. Общие сведения о существующих методах измерения теплопроводности.

§ 3. Установка для измерения коэффициента теплопроводности в интервале температур 80-450 К.

§ 4. Краткие сведения о других использованных экспериментальных установках.

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ПОЛИКРИСТАЛЛОВ СОЕДИНЕНИЙ А2В6.

§ 1. Теплопроводность ZnS, ZnSe, CdTe и возможные в них механизмы теплопереноса.

§ 2. Влияние структурных дефектов на теплопроводность поликристаллов ZnS.

§ 3. Исследование влияния протяженных дефектов на теплопроводность поликристаллов ZnSe, CdTe.

§ 4. Транспортные свойства CdTe, подвергнутого высокотемпературному отжигу.

ГЛАВА 4. КОРРЕЛЯЦИЯ РЕШЕТОЧНОЙ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ

КРИСТАЛЛОВ СРЕДИНЕНИЙ А2В6 С ПАРАМЕТРАМИ ИХ ФОНОННЫХ СПЕКТРОВ.

§ 1. Фононные спектры и характеристические температуры соединений ZnS, ZnSe, CdTe.

§ 2. Особенности температурных зависимостей тепловых сопротивлений ZnS, ZnSe, CdTe и их взаимосвязь с параметрами фононных спектров.

§ 3. Теплопроводность сульфида цинка при всестороннем сжатии.

ГЛАВА 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ КРИСТАЛЛОВ СУЛЬФИДОВ РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ.

§ 1. Теплопроводность La2S3 и Gd2S3.

§ 2. Теплопроводность La2S3, Gd2S3 с избыточным содержанием редкоземельных металлов.

§ 3. Теплопроводность пористых поликристаллов La2S3.

§ 4. Теплопроводность EuS.

ОСНОВНЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

Введение диссертация по физике, на тему "Теплопроводность поликристаллов соединений А2В6 и сульфидов редкоземельных элементов"

Актуальность темы. Совокупность физико-химических свойств

2 6 обеспечивает полупроводниковым материалам группы А В широкое применение в технике. Развитие тепловидения, лазерной техники инфракрасного диапазона, томографии, дозиметрии сделало эти материалы чрезвычайно привлекательными для практического применения. Современные приборы наведения и ночного видения требуют наличия материалов, прозрачных в ИК-области спектра. Материалы, используемые в авиации и ракетной технике, подвержены суровым окружающим условиям, в частности, аэродинамическому нагреву, тепловому удару, дождевой эрозии. Чтобы выдерживать такие условия, материалы окон оборудования должны обладать оптимальным сочетанием оптических, тепловых и механических свойств. Материалы, используемые в Ж-технике, должны сочетать высокий коэффициент оптического пропускания в широкой ИК-области, что характерно для материалов со слабой химической связью и большим атомным весом, и хорошие тепловые и механические свойства (высокая температура плавления, низкий коэффициент теплового расширения, высокая прочность и твердость, высокий коэффициент теплопроводности), для чего необходимы сильная химическая связь и малый атомный вес. Указанная альтернатива устанавливает ограничения на выбор материалов, пригодных для использования в инфракрасном оптическом приборостроении. К материалам, соответствующим таким требованиям, относятся Ge (для области температур ниже 100 °С), ZnS, ZnSe, CdTe. В последнее время к ним стали относить и перспективные соединения халькогенидов редкоземельных элементов.

В тоже время, исследование теплопроводности является чувствительным, а иногда и единственным методом получения информации о динамике кристаллической решетки, процессах взаимодействия фононов, о наличии в веществе дефектов и их природе, о роли акустических и оптических фононных ветвей в теплопереносе.

Оптимизация оптических, теплофизических и механических свойств материалов для оптического приборостроения осуществляется путем использования различных методов их получения. Одним из основных критериев выбора метода синтеза является получение материала с высокой теплопроводностью. Для технического применения широко используются материалы, полученные горячим прессованием и осаждением из паровой фазы, а также полученные осаждением из паровой фазы, затем подвергнутые деформации и рекристаллизации. Физические свойства соединений, полученных этими методами, изучены недостаточно и почти нет данных об их теплофизических свойствах. Поэтому исследования теплофизических г, s свойств поликристаллов соединении А В (ZnS, ZnSe, CdTe) и сульфидов редкоземельных элементов (La2S3, Gd2S3, EuS), полученных различными методами, являются актуальными не только для характеристики свойств образцов, но и для оптимизации режимов нагрева и изотермических выдержек при получении оптических материалов на их основе.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

Задачи исследования

1. Исследование в широком диапазоне температур коэффициента теплопроводности поликристаллов ZnS, ZnSe, CdTe, полученных методами горячего прессования, осаждения из паровой фазы и полученных из паровой фазы, а затем подвергнутых деформации и рекристаллизации.

2. Определение механизмов теплопереноса в поликристаллических

2 6 соединениях А В и установление характера влияния параметров их фононных спектров на коэффициент теплопроводности.

3. Выявление характерных особенностей в поведении коэффициента теплопроводности поликристаллов ZnS, ZnSe, CdTe в зависимости от способа получения и появляющихся в результате их технологической предыстории дефектов структуры (поры, дислокации, межзеренные границы) и от размеров зерен.

4. Исследование в диапазоне температур 80-400 К коэффициента теплопроводности кристаллов La2S3 и Gd2S3; изучение влияния избыточного редкоземельного металла на теплопроводность стехиометрических составов La2S3, Gd2S3.

5. Изучение влияния пористости на теплопроводность La2S3.

6. Исследование теплопроводности поликристаллов EuS в области температур 4-400 К, включая область магнитного фазового перехода.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. В первой главе приводятся основные теоретические положения о механизмах переноса тепла в диэлектриках, необходимые для интерпретации полученных экспериментальных результатов. В кратком обзоре теории теплопроводности показано, что существующие теории развиты для процессов фонон-фононного взаимодействия и взаимодействия фононов с дефектами. Сопоставление теоретических расчетов и эксперимента дает качественную картину для монокристаллов. Малоизученными остаются процессы, происходящие в реальных материалах, особенно в поликристаллах с микронными и наноразмерными зернами. В литературе недостаточно данных о влиянии на теплопроводность размеров зерен, состояния межзеренных границ, дислокаций, текстуры, пористости.

Заключение диссертации по теме "Физика конденсированного состояния"

ОСНОВНЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

• показано, что в этой области температур перенос тепла осуществляется колебаниями кристаллической решетки; значительный вклад в ограничение теплопереноса вносит, наряду с фонон-фононными процессами, и рассеяние фононов дефектами, включая дефекты в приграничном слое зерен;

• установлено, что в поликристалле с размером зерен 1 мкм уже при 130К наблюдается рассеяние фононов границами, что приводит к значительному снижению величины низкотемпературного пика теплопроводности и сдвигу его в сторону высоких температур.

• при Т < 300 К обнаружена анизотропия коэффициента теплопроводности, относительно направления роста поликристаллов, которая обусловлена дислокациями с преимущественной ориентацией в направлении роста кристалла;

• показано, что деформация и рекристаллизация снижают коэффициент теплопроводности кристаллов независимо от направления теплового потока относительно деформирующего напряжения; анизотропия коэффициента теплопроводности относительно направления роста поликристаллов сохраняется и после деформации и рекристаллизации;

• установлено, что в исследованном температурном интервале теплоперенос осуществляется акустическими фононами, а оптические фононы, возбуждаясь в области температур выше 200 К в CdTe и выше 270 К в ZnSe, рассеивают акустические фононы, что приводит к появлению дополнительного теплового сопротивления.

4. Впервые в интервале температур 80-400 К исследована теплопроводность кристаллов стехиометрических составов La2S3, Gd2S3, а также La2S3 и Gd2S3, отклоненных от стехиометрии в сторону увеличения содержания редкоземельного металла:

• показано, что в стехиометрических составах La2S3 и Gd2S3 тепло переносится фононами, а при Т > 200 К перенос тепла в них осуществляется также электромагнитным излучением;

• избыточное содержание редкоземельного металла в La2S3 и Gd2S3 приводит к существенному снижению теплопроводности, что отражает изменение дефектности кристалла и ослабление химической связи при изменении состава; с повышением температуры снижение теплопроводности при отклонении состава от стехиометрии Ln2S3 становится менее заметным ввиду ослабления роли фонон-дефектных процессов.

5. Впервые выполнены в диапазоне температур 80-400 К исследования теплопроводности в зависимости от пористости поликристаллов La2S3, полученных методом рекристаллизационного прессования (плотность исследованных поликристаллов изменялась в пределах от 99.4% до 75% от плотности монокристалла):

• величина коэффициента теплопроводности образцов La2S3 даже с максимальной плотностью значительно ниже, чем у монокристалла, вследствие рассеяния фононов дефектами в приграничных слоях зерен и межзеренных границах; зависимость коэффициента теплопроводности от пористости носит линейный характер;

• обнаружен вклад в теплоперенос фотонной компоненты, который зависит от пористости поликристалла; в поликристалле с плотностью 0,75 от плотности монокристалла фотонный вклад в теплоперенос не наблюдается.

• на основе экспериментальных данных рассчитаны параметры в формуле Клеменса для коэффициента теплопроводности диэлектриков с дефектами, что позволяет оценивать коэффициент теплопроводности в области температур выше исследованной.

В заключение выражаю свою благодарность научному руководителю члену - корреспонденту РАН, доктору физико-математических наук, профессору И.К. Камилову за постоянное внимание и интерес к данной работе.

Считаю своим долгом выразить искреннюю признательность С.М. Лугуеву, работая совместно с которым и под его руководством в течение достаточно длительного времени, мне представилась возможность пройти школу высокой требовательности к обоснованию результатов проводимых исследований.

Благодарю А.Б. Батдалова, H.JI. Крамынину и А.А. Гусейнова, совместно с которыми выполнена часть экспериментов.

Выражаю свою благодарность Г.Н Дроновой, А.А. Дунаеву из НИТИОМ ВНЦ ГОИ им. С.И. Вавилова (г. Санкт-Петербург), В.В. Соколову из ИНХ СО РАН (г. Новосибирск) и их сотрудников за огромный труд по проведению технологических работ для получения, паспортизации кристаллов и предоставление образцов для выполнения теплофизических исследований.

Выражаю свою признательность и благодарность всем сотрудникам лаборатории теплофизики и термоэлектричества за помощь и поддержку.

Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Лугуева, Наталия Васильевна, Махачкала

1. Оскотский B.C., Смирнов И. А. Дефекты в кристаллах и теплопроводность. - Л.: Наука, 1972. - 160 с.

2. Берман Р. Теплопроводность твердых тел. М.: Мир, 1979. - 286с.

3. Займан Дж. Электроны и фононы. М.: ИЛ, 1962. - 488 с.

4. Смирнов И.А., Тамарченко В.И. Электронная теплопроводность в металлах и полупроводниках. Л.: Наука, 1977. - 180 с.

5. Драбл Дж., Голдсмид Г. Теплопроводность полупроводников. М.: ИЛ, 1963.-266 с.

6. Могилевский Б.М., Чудновский А.Ф. Теплопроводность полупроводников. М.: Наука, 1972. - 536 с.

7. Slack G.A. The Thermal Conductivity of Nonmetallic Crystals // Solid State Physics. 1979. - V. 34. - P. 1-71.

8. Пикус Г.Е. Термо- и гальваномагнитные эффекты в полупроводниках при учете изменения концентрации носителей тока. // ЖТФ. 1956. -Т. 26, N1.-С. 36-50.

9. Ахиезер А.И., Барьяхтар В.Г., Пелетминский С.В. Спиновые волны. -М.: Наука, 1967.-368 с.

10. Debye P. Vortrage uber die Kinetische Theorie der Materie und der Elektrizitat. Leipzig und Berlin: Gottinger Wolfkehlvortrage, Teubner B.G. - 1914.

11. Peierls R. Zur kinetischen Theories der Warmeleitung in Kristalles // Ann. Physik. 1929. - V. 3, N 5. - S. 1055-1101.

12. Ансельм А.И. Введение в теорию полупроводников. М.: Наука, 1978. -615с.

13. Callaway J. Model for Lattice Thermal Conductivity at Low Temperature // Phys. Rev. 1959. - V.l 13, N 4. - P. 1046-1051.14.