Автор выражает благодарность своим научным руководителям Головину Юрию Ивановичу и Моргунову Роману Борисовичу ja умелое руководство, организацию научно-исследовательской работы и квалифицированное обсуждение полученных результатов, сотрудникам кафедры Иволгину В.И., Шибкову A.A.. Тюрину А.И., Коренкову В.В., Киперману В.А., Татарко М.А., Лопатину Д.В., Желтову М.А., Ликсутнну С.Ю. за конструктивную помощь и полезные методические советы в оргапизации экспериментов, а также всем, кто проявил живой интерес к данной работе.
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
Глава 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР
1.1. Феноменология ыагнитопластнческих эффектов в ионных кристаллах в “слабом" магнитном поле
1.2. Влияние “слабого" постоянного магнитного поля на жидкофазные и твердофазные химические реакции.
1.3. Возможность влияния “слабого” магнитного поля на спин-завнеимые процессы между структурными дефектами в ионных кристаллах
1.4. Постановка целей и задач исследования
Глава 2. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ
2.1. In situ изучение кинетики движения заряженных краевых дислокаций в магнитном поле по создаваемому ими электрическому дипольному моменту кристалла
2.2. Измерите пробеюв индивидуальных краевых дислокаций, вызванных действием внешних магнитных полей
2.3. Измерение скорости макропластичсского течения кристаллов посредством непрерывной регистрации длины образца в магнитном поле
2.4. Выводы
Глава 3. ВЛИЯНИЕ ПОСТОЯННОГО И ИМПУЛЬСНОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ НА ПЛАСТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ИОННЫХ КРИСТАЛЛОВ
3.1. Влияние постоянного магнитного поля на скорость движения и кинетику размножения индивидуальных краевых дислокаций
стр.
-6.
-15.
-15.
-25.
-39.
-51.
-52.
-53.
-58.
-63.
-67.
-68.
-69.
3
3.2. Влияние импульсного магнитного поля на кинетику макропластичсского течения
3.2.1. Изменения диаграммы нагружения, вызванные »шпульсом магнитного поля
3.2.2. Роль термообработки в чувствительности пластических свойств кристаллов к магнитному полю
3.3. Выводы
Глава 4. РЕЗОНАНСНОЕ ВЛИЯНИЕ СКРЕЩЕННЫХ ПОСТОЯННОГО И МИКРОВОЛНОВОГО МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ НА ПЛАСТИЧНОСТЬ ИОННЫХ КРИСТАЛЛОВ
4.1. Подвижность индивидуальных краевых дислокаций в условиях совместного действия постоянного и микроволнового магнитных полей
4.2. Влияние постоянного и микроволнового магнитных нолей на скорость макропластичсского течения ионных кристаллов
4.3. Характерные времена процессов в системе структурных дефектов, стимулированных действием скрещенных магнитных полей
4.4. Выводы
Глава 5. МОДЕЛИ ПРОЦЕССОВ, ВЫЗВАННЫХ МАГНИТНЫМ ПОЛЕМ В ПОДСИСТЕМЕ СТРУКТУРНЫХ ДЕФЕКТОВ ИОННЫХ КРИСТАЛЛОВ
5.1. Термодинамические и кинетические аспекты процессов разупрочнения ионных кристаллов магнитным нолем
5.1.1. Кинетика переходных процессов, вызванных магнитным
полем
-76.
-76.
-81.
-84.
-85.
-85.
-91.
-93.
-96.
-97.
-97.
-97.
4
5.1.2. Роль неравновесного состояния точечных дефектов кристалла в проявлении магнитопластических эффектов
5.1.3. Способы создания термодинамически неравновесного состояния комплексов точечных дефектов в кристаллах
5.2. Возможные модели электронных процессов в комплексах точечных дефектов, и влияние на них магнитным полем
5.2.1. Анализ спектров магнитного резонанса, детектируемого по изменению пластичности кристаллов
5.2.2. Выявление стадий процессов, протекающих в подсистеме структурных дефектов, ответственных за формирование пластических кристаллов свойств в магнитном поле
5.2.3. Схемы электронных переходов в комплексах парамагнитных дефектов в условиях резонанса. Возможные механизмы влияния магшггного поля на эволюцию комплексов точечных дефектов через изменение их мультиплетности
5.3. Выводы
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ ЛИТЕРАТУРА
- 101. - 102.
- 103.
- 103.
- 108.
- 114. -119.
- 120. -122.
5
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы Исследование влияния магнитных полей (МП) на пластичность материалов является одним из наиболее плодотворных подходов для получения информации о строении реальных твердых тел на электронном уровне рассмотрения, поскольку межатомные связи имеют электромагнитную природу. Начало исследованию пластичности '‘немагнитных” кристаллов в МП было положено работами Боброва B.C.. Большугкина Д.Н., Гришина А.М., Кравченко В .Я., Лебедева В.П., Нацика В.Д., Осипьяна Ю.А., Пустовалова В.В., Conrad H., Galligan J.M., с соавторами и др. В них исследовались магннтопластичсскнс эффекты (МПЭ) в очень чистых диамагнитных металлах при температурах, близких к температуре жидкою гелия. Эти работы были одними из первых, где рассмотрение пластичности проводилось на электронном уровне.
Неожиданным, на первый взгляд, продолжением этого направления исследований стало обнаружение в 1985 г. смещений индивидуальных дислокаций в ионных кристаллах в МП с индукцией В < 1 Тл, сделанное в группе проф. Альииша В.И. в ИК РАН (Москва). Позднее факт влияния МП на различные пластические характеристики ионных кристаллов был подтвержден в нашей лаборатории, а также Белозеровой Э.П. и Тяпунннои H.A. с соавторами. Отсутствие в ионных кристаллах не только магнитной упорядоченности, но и электронов проводимости, очевидно не позволяет перенести представления о природе маппттопластичности металлов на диэлектрические материалы. Простые оценки величины и характера ыагннтострикщюнных сил, силы Лоренца, действующей на движущиеся заряженные дислокации, и силы, связанной с возможной анизотропией магнитной восприимчивости дефектов, не позволяют непротиворечиво объяснить МПЭ.
6
В принципе, объектами, обладающими магнитным моментом и потому чувствительными к МП, могли бы быть атомные ядра или электроны, локализованные на структурных дефектах (примесных и радиационных точечных дефектах, в ядрах дислокаций и тщ.). Однако, энергия, передаваемая в “слабом” МП с В *■ 1 Тл спиновому моменту ядра, составляет gnMoB ~ 10'7 эВ, а спиновому моменту электрона - gpB ~ Ю"4 эВ (р - магнетон Бора, g - “g-фактор'* электрона, fia - ядерный магнетон, ga-“g-фактор” ядра). Последнее значение на два порядка величины меньше средней энергии термических флуктуаций кТ при комнатной температуре Т, при которой и был обнаружен МПЭ в ионных кристаллах, и на три-четыре порядка величины меньше, чем типичная высота потенциальных барьеров, образованных точечными препятствиями, которые преодолевают дислокации при движении. Здесь и далее будем называть “слабыми" МП, удовлетворяющие неравенству gpB « kT. (при Т = 300 К это МП с В £ 10 Тл). В этих условиях равновесная термодинамика предсказывает, что возможные относительные изменения макросвойств кристаллов не могут превышать cth2(guB/kT) ~ 10“\ В то же время, в экспериментах на ионных кристаллах наблюдается увеличение подвижности дислокаций в МП до 10 раз. При этом каждая дислокация многократно преодолевает стопора с высотой потенциальных барьеров U й 0.1 эВ. Трудно объяснить, как такая энергия могла быть сообщена дефектам слабым постоянным МП. Поэтому обнаруженное явление на первый взгляд находится в противоречии с простыми представлениями об эволюции дефектов и пластичности кристаллов.
Аналогичные трудности возникли около 30 лег тому назад в химической физике радикальных реакций после обнаружения целого ряда магниточувствитсльных химических превращений в диамагнитных жидкостях и твердых телах. Впервые на это
7
сходство обратили внимание в начале 90-х голов Ллышш В.И. и Молоцкий М.И., которые предложили интсрпрстироать МПЭ в ионных кристаллах на основе теории спин-завпсимых эффектов в химических реакциях [1-3], разработанной Бучаченко А.Л., Франксвичем Е.Л.. Салиховым K.M., Молиным Ю.И., Соколиком И. A., Brocklehurst В., Kaptein R.. Oosterhoß' L.J. с соавторами и другими, применяя ее к рассмотрению взаимодействия иеспаренных электронов, локализованных в дислокационных ядрах и точечных стопорах. До сих пор эти иредположеши носят характер гипотез, представляющихся весьма правдоподобными и физически обоснованными. Однако прямые экспериментальные доказательства влияния МП на пластические характеристики ионных кристаллов через спин-завнсимые степени свободы парамагнитных центров, локализованных в структурных дефектах, в настоящее время отсутствуют. Поэтому верификация этой гипотезы, принимаемой в настоящее время в качестве наиболее вероятной, могла бы привести к значительным обобщениям на стыке химии и физики.
Независимо от адекватности “спинового” подхода при объяснении МПЭ, преодоление вышеупомянутых термодинамических противоречий могло бы способствовать объяснению ряда магнитных эффектов, обнаруженных в 1970-90 г.г. в полупроводниковых и полимерных материалах и проявляющихся в виде изменения их электрических, оптических и пластических свойств под действием слабых МП. Кроме того, можно ожидать, что спип-зависнмые механизмы влияния МП на пластичность диамагнитных диэлектриков с еще большей вероятностью могут реализовываться в металлах, поскольку в них имеется большее количество объектов, обладающих магнитным моментом. В общем случае помимо информации фундаментального характера понимание природы влияния слабых МП на макросвойства материалов может привести к разработке новых энергосберегающих технологий управления
8
пластичностью и обработки материалов.
Среди большого числа возможных реакций между дефектами и внутри них, способных повлиять на макросвойства кристалла, наиболее общими и не требующими приложения внешних напряжений, наличия и движения дислокаций являются реакции между носителями спинов внутри комплексов точечных дефектов. Целесообразно выделить их из общей совокупности причин МПЭ и исследовать отдельно.
В соответствии с вышесказанным была сформулирована следующая цель работы: установление фактической роли и закономерностей спин-зависимых
процессов, протекающих в подсистеме структурных дефектов, и вклада этих процессов в формирование пластических свойств ионных кристаллов в МП и в его отсутствии.
В соответствии с поставленной целью были сформулированы задачи исследования:
1. Исследовать термодинамические особенности влияния МП на пластичность, установив, за счет какой энергии (внутренней, запасенной в кристалле до наложения МП или за счет энергии, передаваемой кристаллу МП) происходит изменение состояний структурных дефектов и пластических свойств кристаллов.
2. Выявить возможные способы формирования магниточувствителысых состояний комплексов точечных дефектов под действием внешних воздействий немагнитного характера: тепловых, механических и других.
3. С целью верификации спиновой природы МПЭ произвести измерение магнитного момента объектов, ответственных за разупрочнение кристаллов в МП, путем создания экспериментальных условий для детектирования электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) по изменению пластических свойств ионных кристаллов.
4. Установить последовательность и длительность различных процессов,
9
инициированных МП в подсистеме структурных дефектов. Выделить в них стадии, чувствительные К МП.
5. Предложить и реализовать прямые методы для разделения вклада в МПЭ процессов внутри подсистемы точечных дефектов в объеме кристалла и в парах, образованных точечным дефектом и дислокацией.
6. Предложить возможные механизмы влияния постоянного МП и его совместного действия с микроволновым полем на пластические свойства ионных кристаллов.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Разработано несколько методов детектирования ЭПР в структурных дефектах в условиях их такой концентрации, недостаточной для регистрации резонанса по поглощению электромагнитной волны. Обнаружены эффекты селективного влияния скрещенных постоянного (В ** 0-0.8 Тл) и микроволнового (у=9.5 ГГц, В| ~ 2 мкТл) МП на ряд пластических свойств ионных кристаллов (подвтгжность индивидуальных краевых дислокаций, коэффициент упрочнения на стадии легкого скольжения при одноосном сжатии) в условиях ЭПР в подсистеме структурных дефектов. Показано, что пластические характеристики кристаллов могут быть использованы в качестве индикатора спинового резонанса в нетермализованных короткоживущих комплексах парамагнитных дефектов. Получена уникальная информация о короткоживущих спиновых состояниях дефектов, в частности, о временах жизни пар носителей спинов (- 1-10 не), последовательности и длительности отдельных стадий многостадийных процессов, вызванных МП в подсистеме структурных дефектов, их зависимости от величины индукции внешнего МП, температуры и др.
2. Выявлены некоторые важные для понимания природы МПЭ
10
термодинамические и кинетические аспекты процесса пластического течения ионных кристаллов в МП. Показано, что внешнее МП способствует понижению степени неравновесное™ дефектной структуры кристалла, инициируя релаксацию механических напряжений и высвобождение энергии, запасенной дефектами в процессе выращивания и деформирования.
3. Установлено, что закаливание способствует образованию в кристалле метастабильных комплексов точечных дефектов, кинетика релаксации которых чувствительна к МП. Бншрафическая или специально созданная неравновесиость структурных дефектов является необходимым условием для эффективного влияния слабых МП на пластичность ионных кристаллов.
Научная ценность и практическая значимость работы.
1. Экспериментально доказана спиновая природа М11Э в ионных кристаллах в МП с индукцией В ~ 1 Тл.
2. Показано, что наряду с традиционно учитываемых! при описании пластичности упругим и электростатическим взаимодействием дефектов даже в диамагнитных кристаллах необходимо учитывать обменное взаимодействие парамагнитных дефектов. Намечены пути и способы такого учета в присутствии слабого МП.
3. Выделены рекордно короткие (~ 1-10 не) спин-завнсимые стадии пластического течения кристаллов, недоступные для регистрации другими современными методами. В условиях, когда продолжительность этих стадий меньше времени спин-рсшсточной релаксации, возникает возможность управления ими с помощью внешних МП. что позволяет достигать значительного изменения пластичности кристаллов.
4. Сняты основные противоречия, возникавшие ранее при попытке объяснения
11
- Київ+380960830922