150278 (Зависимость поля и его градиентов двухкольцевой блочной магнитной системы от направления намагниченности в блоках), страница 2

При изучении взаимодействия водорода под давлением >100 атм и температуре выше 400⁰С с аморфными фуллеренами было установлено образование кристаллической гидридной фазы, содержащей около 4 вес% водорода (примерного состава С₂Н). Структура этой фазы по данным рентгеновской и нейтронной дифракции оказалась

Рис.4. Переход из молекулярного стекла в атомарное графитоподобной с а ≈ 2а_гр, с ≈ с_гр (аналогично интеркалатам щелочных металлов).

Фаза обладает ферромагнитными свойствами, обнаруживает линейное возрастание восприимчивости с температурой и довольно высокую коэрцитивную силу (Н_С>800 э). При этом в отличие от недавно обнаруженных ферромагнитных фаз высокого давления чистых и наводороженных фуллеренов ее структура и свойства остаются стабильными в течение, по крайней мере, 2-х лет. В то же время при взаимодействии аморфных фуллеренов с дейтерием возникает фаза с иной структурой и другими магнитными свойствами. С помощью нейтронрадиационного анализа обнаружено наличие Ni в некоторых магнитных образцах, что указывает на возможную примесную природу магнетизма.

Полученные результаты показывают, что в наноразмерных системах возможны фазовые переходы, изменение фазового состояния, фазовых границ и координации атомов отличные от превращений в кристаллических образцах.

Одним из наиболее эффективных способов модифицирования свойств материалов является их легирование. Однако его влияние на свойства сплавов ограничено, что связано с низкой растворимостью элементов в цинке. Применение сверхбыстрой закалки из расплава даёт возможность увеличить взаимную растворимость компонентов и тем самым усилить действие легирующих элементов [1]. В связи с этим представляет интерес исследовать влияние различных легирующих добавок на электрические свойства быстрозатвердевших цинковых сплавов.

Исследуемые в работе фольги получались сверхбыстрой закалкой из жидкой фазы инжектированием капли расплава (~ 0,2 г) на внутреннюю полированную поверхность быстровращающегося медного цилиндра с частотой 25 об/с. Для исследования использовались фольги толщиной от 30 до 80 мкм. Скорость охлаждения расплава, как показал расчет 2, была не менее 10⁶ К/с.

На рис.1 представлены графики зависимости дифференциальной термо-ЭДС от концентрации легирующего элемента.

Рис. 5. Зависимость термо-ЭДС фольг сплавов бинарных систем на основе цинка от концентрации легирующего элемента.

Проведенные исследования показали, что в фольгах сплавов на основе цинка в результате образования пересыщенного твердого раствора предел растворимости элементов увеличивается и достигает 1 ат.% [3]. Как видно, образование пересыщенного твердого раствора в фольгах при легировании цинка ведет к возрастанию значения в сплавах системы Zn-Cu, не изменяет его значения при легировании цинка кадмием, и вызывает уменьшение термо-ЭДС в сплавах систем Zn-Al, Zn-In, Zn-Sn и Zn-Ge.

Известно, что для металлов с валентностью 2 поверхность Ферми пересекает границы зоны Бриллюэна. Это означает, что первая зона заполнена не полностью, и у границ зоны Бриллюэна имеется область свободных состояний или дырок, а во второй зоне имеются занятые состояния у границ первой зоны [4]. В этом случае вклад в дифференциальную термо-ЭДС вносят электроны и дырки, и его значение описывается в рамках двухзонной электронной модели соотношением [5]:

(1)

, (2)

где , , , - парциальные термо-ЭДС и проводимости дырок и электронов, , - подвижность дырок и электронов, причем >0, <0.

В рамках теории функционала плотности при использовании приближения FP LMTO (full potential linear muffin-tin orbital method) с помощью оболочки M-studio ''LMTART 6.20'' [6, 7] проведены расчеты зонной структуры для Zn и сплавов Zn-Cd, Zn-Cu, Zn-Al, Zn-In, Zn-Sn, Zn-Ge в основном состоянии.

Результаты расчетов (рис.2) показали, что легирование цинка индием и алюминием, а также германием и оловом, принадлежащим к III и IV группам периодической системы элементов Д.И. Менделеева соответственно, ведет к смещению уровня Ферми (Е_F) вглубь зоны проводимости по сравнению с Е_F для чистого цинка. Данный факт означает, что вклад, вносимый электронами в термо-ЭДС, возрастает, и модуль слагаемого _nn в формуле (2) увеличивается. Это, в свою очередь, и приводит к уменьшению значения в сплавах систем Zn-Al, Zn-In, Zn-Sn, Zn-Ge. При легировании цинка медью положение уровня Ферми понижается (рис.2 б), а значит, вклад дырок в термо-ЭДС возрастает. Исходя из формулы (1), значение при этом также должно увеличиваться, что и подтверждается данными эксперимента (рис.1). Положение Е_F в сплавах системы Zn-Cd не изменяется при возрастании концентрации кадмия. При этом значение термо-ЭДС этих сплавов также не изменяется.

а) б)

в) г)

а) - Zn; б) - Zn - 5 ат.% Cu; в) - Zn - 5 ат.% In; г) - Zn - 5 ат.% Sn;

Рис.6. Зонная структура цинка и его сплавов

Таким образом, образование пересыщенного твердого раствора в фольгах не изменяет значения термо-ЭДС в сплавах системы Zn-Cd, ведет к возрастанию его значения при легировании медью. В сплавах систем Zn-Al, Zn-In, Zn-Sn и Zn-Ge наблюдается уменьшение термо-ЭДС вследствие изменения концентрации носителей заряда.

Список литературы

1. В.А. Васильев, Б.С. Митин, И.Н. Пашков, М.М. Серов, А.А. Скуридин, А.А. Лукин, В.Б. Яковлев. Высокоскоростное затвердевание расплава (теория, технология и материалы). / Под ред. Б.С. Митина. СП интермет инжиниринг, М. (1998). 400 с.

2. И.С. Мирошниченко. Закалка из жидкого состояния. Металлургия, М. (1982). 168 с.

3. В.В. Лозенко, В.Г. Шепелевич. ФХОМ 4, 67 (2006).

4. А. Крэкнелл, К. Уонг. Поверхность Ферми. Атомиздат, М. (1978).352 с.

5. В.М. Драко, В.И. Прокошин, В.Г. Шепелевич. Основы фононных и электронных процессов в кристаллах. Гомельский центр науч.-техн. инф-ции, (1999). 248 с.

6. S.Y. Savrasov, D.Y. Savrasov. Phys. Rev. В46, 864 (1992).

7. O.K. Andersen. Phys. Rev. В12, 3060 (1975).