Теоретическое изучение процессов образования вакансий и самодиффузии в кристаллах от Т = 0 К до плавления

На правах рукописиМагомедов Махач НасрутдиновичТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИЗУЧЕНИЕ ПРОЦЕССОВОБРАЗОВАНИЯ ВАКАНСИЙ И САМОДИФФУЗИИ ВКРИСТАЛЛАХ ОТ Т = 0 K ДО ПЛАВЛЕНИЯСпециальность 01.04.07 – физика конденсированного состоянияАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степенидоктора физико-математических наукМОСКВА – 20092Работа выполнена в УРАН Институт проблем геотермииДагестанского научного центра РАН, г. МахачкалаОфициальные оппоненты:доктор физико-математических наук, профессорЮрий Григорьевич РУДОЙдоктор физико-математических наук, профессорВладимир Михайлович САМСОНОВдоктор физико-математических наук, профессорВасилий Ильич ПУНЕГОВВедущая организация:Московский Государственный институт стали и сплавов(Технологический университет)Защита диссертации состоится «____»____________2010 г.

в ____ч. ___мин.назаседаниидиссертационногосоветаД501.002.01вМосковскомГосударственном Университете им. М.В. Ломоносова по адресу: 119991,Москва, Ленинские горы, МГУ, ______________С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультетаМосковского Государственного Университета.Автореферат разослан «_____»_____________20___г.Ученый секретарь диссертационного совета Д 501.002.01кандидат физико-математических наук,доцентТ.В. Лаптинская3ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность работыИзучение активационных процессов (в данном случае – возникновениявакансии и миграции атомов) актуально по той причине, что именно этимикроскопические процессы лежат в основе таких макроскопических эффектовкак плавление и сублимация, и определяют такие свойства вещества кактвердость, пластичность, жаропрочность.

Вместе с тем в настоящее времяотсутствуетединаяаналитическаяметодика,позволяющаяизучитьактивационные процессы в кристаллах от Т = 0 K и до перехода в жидкуюфазу включительно. Разработка такой методики позволяет не только выйти наприоритетные позиции в теории конденсированного состояния, но также и вомногих связанных с этим прикладными задачами материаловедения.Актуальность предлагаемой работы заключается также и в том, чтовакансионныеидиффузионныепараметрыздесьизученывихнепосредственной взаимосвязи, исходя только из потенциала межатомноговзаимодействия.

В расчетных формулах отсутствуют какие-либо подгоночныепараметры, которые могли бы привести к неоднозначности получаемыхрезультатов.Активационныепараметрыизученыкакпривысокихтемпературах, так и вблизи Т = 0 K, где проведение экспериментовзатруднительно.

Изучены активационные параметры таких веществ, у которыхизмерение этих параметров затруднено: алмаз, «серое» олово, бинарныеполупроводниковые соединения, кристаллы инертных газов, кристаллыизотопов водорода, фуллериты с различной молекулярной массой.Часть работы была выполнена при финансовой поддержке: РФФИ (гранты:№02-03-33301-а;фундаментальных09-08-96508-р_юг_а;исследований:как09-08-07014-д),ПрезидиумаиРАНпрограмм(№12.1.19):«Теплофизика и механика экстремальных энергетических воздействий ифизикасильносжатоговещества»,такиОтделенияЭнергетики,Машиностроения, Механики и Процессов Управления РАН (№ ИПГ–6–ОЭ):«Устойчивостьфазовыхтепломассопереноса».руководителем.ВосостоянийвсехгрантахикритическиеМагомедовМ.Н.режимыявлялся4Цель работыЦелью работы является разработка и апробация аналитической методики,позволяющей рассчитывать вакансионные и диффузионные параметры вразличных Р-Т-условиях, начиная от Т = 0 K и до перехода в жидкую фазу.Для реализации поставленной цели в диссертационной работе были решеныследующии задачи:1.

Вычисление температуры Дебая исходя из параметров парного потенциаламежатомного взаимодействия, массы атома, плотности и структурыкристалла.2. Самосогласованное определение всех четырех параметров межчастичногопарного потенциала взаимодействия типа Ми-Леннарда-Джонса исходя изэкспериментальных данных.3. Определение термодинамическихпараметров активационных процессов(образования вакансий и самодиффузии) в их взаимосвязи, исходя изпараметров парного потенциала межатомного взаимодействия, массы атома,структуры кристалла, его плотности и температуры.4. Обобщение методики расчета активационных параметров на случайнанокристалла с варьируемой формой поверхности и произвольнойкристаллической структуры.Научная новизнаАвтором впервые получены и выносятся на защиту следующие основныетеоретическиерезультаты,большинствоизкоторыхуженашлиэкспериментальное подтаверждение:1. Разработана новая статистическая модель простого вещества, в которойчастицы могут быть как локализованными в ячейке, образованнойближайшими соседями, так и быть делокализованными, т.е.

перемещаться повсему объему системы. Получены условия, которым должны удовлетворятькак вероятность активационного процесса, так и характеристическаятемпература системы.2. Разработана методика, позволяющая рассчитывать температуру Дебая,параметр Грюнайзена, а также все четыре параметра парного потенциаламежчастичного взаимодействия типа Ми-Леннарда-Джонса.53. Определены параметры межатомного потенциала Ми-Леннарда-Джонсапочти для всех элементов Периодической таблицы, для всех изотоповводорода, для ряда молекулярных кристаллов, для ряда бинарныхкристаллов типа АВ, для фуллеренов с молекулярной массой: от 15 до 120масс атома углерода.4.

Разработана аналитическая методика, позволяющая, исходя из потенциаламежатомного взаимодействия, рассчитывать параметры активационныхпроцессов (как вакансионные, так и диффузионные) и их взаимосвязь,начиная от Т = 0 K и до перехода в жидкую фазу включительно.5. Определены параметры образования вакансий и самодиффузии почти длявсех элементов Периодической таблицы, и изучено их изменение приизобарическом нагреве. Изучена корреляция активационных параметров сразличными свойствами вещества.6.

Разработанметодизучениязависимостисвойствнанокристаллаодноатомного вещества, как от размера, так и от его формы и структуры.Метод апробирован при расчетах удельной поверхностной энергии,температурыДебая,температурыплавленияитемпературыприизоморфномсверхпроводящего перехода для ряда веществ.7. Изученаэволюцияповерхностногодавления,какизменении размера, так и при изомерной вариации формы нанокристалла.Изучено размерное изменение активационных параметров при учетеповерхностного давления и при изомерной вариации формы нанокристалла.Научная и практическая значимость работыПредложенные в работе методы вычисления параметров образованиявакансий и самодиффузии, а также метод изучения зависимости свойств отразмера и формы нанокристалла вносят вклад в понимание процессов,происходящих в кристалле при его нагреве, сжатии, либо при изоморфномуменьшенииегоразмера,илиприизомернойдеформацииформынанокристалла.

Рассчитанные в диссертации значения поверхностной энергии,параметры образования вакансий и самодиффузии могут быть использованы (иуже используются другими авторами) для теоретического изучения свойствкристаллов в различных P-T-N-условиях.6Апробация работыПо теме диссертации автором сделано 43 докладов на международных и 21на Всесоюзных и Всероссийских конференциях, таких как:- Symposiums on Thermophysical Properties. – University of Colorado, Boulder,Colorado, (USA: XI – 1991 г.; XV – 2003 г.; XVI – 2006 г.; XVII – 2009 г.);- Российские конференции по теплофизическим свойствам веществ (1992 г. –Махачкала; 2002 г.

– Казань; 2005 г. – Санкт-Петербург; 2008 г. – Москва);- Международные конференции по химической термодинамике (XIV – 2002 г.– Санкт-Петербург; XV – 2005 г. – Москва; XVII – 2009 г. – Казань);- Международныеконференции:«Фазовыепереходы,критическиеинелинейные явления в конденсированных средах» (Махачкала – 2002 г.;2004 г.);- Международные конференции по физике электронных материалов – ФИЭМ(Калуга: I – 2002 г.; II – 2005 г.; III – 2008 г.);- Всероссийские конференции «Строение и свойства металлических ишлаковых расплавов» (Екатеринбург – 2004 г. и 2008 г.);- Всероссийский Симпозиум по термохимии и калориметрии (2004 г. –Нижний Новгород);- European Conferencies on Thermophysical Properties (17th – Bratislava – 2005 г.;18th – France – 2008 г.);- Международные конференции «Химия твердого тела и современные микрои нанотехнологии» (Кисловодск – 2005 г.; 2006 г.; 2008 г.; 2009 г.);- V и VI Международные конференции «Радиационно-термические эффектыи процессы в неорганических материалах» (Томск – 2006 г.

и 2008 г.);- Международные конференции «Кинетика и механизм кристаллизации»(Иваново – 2006 г.; 2008 г.);- 13th International Conference on Liquid and Amorphous Metals: LAM-13(Екатеринбург – 2007 г.);- Международный симпозиум «Порядок, беспорядок и свойства оксидов»:ODPO (Ростов-на-Дону, п. Лоо – 2007 г.; 2009 г.);- Международный симпозиум «Плавление и кристаллизация металлов иоксидов»: MCMO (Ростов-на-Дону, п. Лоо – 2007 г.; 2009 г.).7ПубликацииОсновное содержание диссертации опубликовано в 158 научных работах, изкоторых статей в центральных рецензируемых журналах – 93 (список в конце),тезисов и материалов конференций – 64. Статьи опубликованы в журналах:Теплофизика Высоких Температур – 32; Журнал Физической Химии – 22;Письма в Журнал Технической Физики – 11; Физика Твердого Тела – 8;Расплавы – 4; Поверхность – 3; Металлы – 3; Физика Металлов иМеталловедение – 3; Журнал Неорганической Химии – 2; Журнал ТехническойФизики – 1; Физика и Техника Полупроводников – 1; Альтернативная энергетикаи экология – 1; Журнал Структурной Химии – 1; Металлофизика – 1.Все научные работы выполнены автором единолично, т.е.