Особенности локальной структуры квазикристаллов системы Al-Cu-Fe тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.07, кандидат физико-математических наук Ракшун, Яков Валерьевич

• Ракшун, Яков Валерьевич
• кандидат физико-математических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Ракшун, Яков Валерьевич

1. Введение.

2. Литературный обзор.

2.1. Типы квазикристаллических структур.

2.2. Физические свойства квазикристаллов.

2.3. Моделирование квазикристаллического порядка.

2.3.1. Метод проекций.

2.3.2. Метод упаковки.

2.3.3. Метод приближений.

2.4. Дефекты в квазикристаллах.

2.5. Методы исследования структуры квазикристаллов.

2.5.1. Исследование поверхности квазикристаллов.

2.5.2. Объемные дифракционные исследования.

2.5.3. Локальные методики в объеме.

2.6. Квазикристалл AlCuFe.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Особенности локальной структуры квазикристаллов системы Al-Cu-Fe»

Актуальность темы.

Квазикристаллы (квазипериодические 1фисталлы) образуют новый класс твердых тел, свойства которых не укладываются в рамки классической кристаллографии. По степени и характеру упорядочения квазикристаллы занимают место между кристаллическими и аморфными материалами. Их атомная структура отвечает вращательной симметрии, запрещенной в "классической" кристаллографии (например, наблюдаются оси симметрии пятого порядка), т.е. она несовместима с периодичностью. Несмотря на отсутствие трансляционной симметрии, в квазикристаллах наблюдается дальний порядок, о чем свидетельствуют острые максимумы на дифрактограммах. Такой тип дальнего порядка получил название квазипериодического [1].

Квазикристаллы обладают микротвердостью, сравнимой с микротвердостью металлических стекол, а по своим антифрикционным свойствам сравнимы с фторопластами. Поверхностные свойства квазикристаллов уникальны среди металлических сплавов, а химическими элементами, их составляющими, являются Li, Mg, Mn, Al, Cu, Fe, Pd, Pt, Zr, редкие земли и др., что открывает широкие перспективы использования квазикристаллов как добавок, покрытий и т.д. для придания изделиям особых свойств без серьезной модификации состава.

Известные к настоящему времени квазикристаллы образованы, как правило, металлическими компонентами, но обладают рядом свойств, весьма необычных для металлических сплавов. К их числу относится: высокое удельное электросопротивление, существенно превышающее сопротивление как в кристаллическом, так и в аморфном состояниях, значительный отрицательный температурный коэффициент сопротивления, возрастание удельного сопротивления при увеличении степени структурного совершенства образцов при очень сильной чувствительности к составу, низкая теплопроводность и низкий электронный вклад в удельную теплоемкость. Это весьма необычно и требует серьезного теоретического объяснения, согласно одному из которых причина лежит во взаимодействии электронных оболочек атомов, приводящем к локализации электронов внутри кластера.

Поскольку необычность свойств квазикристаллов во многом обусловлена особенностями их локальной структуры, то исследование локальной структуры и симметрии необходимо для понимания свойств этого нового класса веществ.

В связи с вышесказанным, актуальным является исследование особенностей локальной квазикристаллической структуры на основе совместного изучения структур квазикристалла Al-Fe-Cu и его кристалла-префазы (предшественника) с помощью методов, чувствительных к изменению локального упорядочения атомов вещества. К этим методикам относится рентгеновская спектроскопия поглощения (РСП или XAFS — X-ray Absorption Fine Structure), которую разделяют на две области: околопороговую структуру РСП — XANES (X-ray Absorption Near Edge Structure) и протяженную тонкую структуру РСП — EXAFS (Extended X-ray Absorption Fine Structure).

Цель работы.

Целью работы является сравнительное исследование особенностей локальной структуры квазикристаллов и кристаллов Al-Fe-Cu одного стехио-метрического состава при помощи XAFS (EXAFS и XANES) спектроскопии с использованием синхротронного излучения для установления характера перестройки атомов при переходе из кристаллического в квазикристаллическое состояние.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

1. Проведено экспериментальное исследование серии квазикристаллических образцов Al-Cu-Fe различного химического состава и кристалла-префазы (предшественника) одного из квазикристаллов методами EXAFS- и XANES-спектроскопии в широком интервале температур 10 — 300 К выше К-Cu и K-Fe краев поглощения;

2. Исследованы параметры локального окружения меди и железа в исследуемых веществах: межатомные расстояния, факторы структурного ра-зупорядочения Дебая-Валлера и координационные числа сфер ближайшего окружения атомов меди и железа;

3. Выполнен анализ изменения симметрии ближайшего окружения атомов меди и железа при переходе из кристаллического в квазикристаллическое состояние;

4. С помощью компьютерного моделирования XANES-спектров проведе но исследование влияния размеров.кластеров вокруг атомов меди и железа на формирование особенностей формы края поглощения в квазикристалле и его кристалле-префазе;

5. Оценено влияние химического разупорядочения вокруг атомов меди и железа на формирование особенностей XANES при переходе из кристаллического в квазикристаллическое состояние.

Научная новизна работы.

1. Впервые проведено сравнительное исследование особенностей локальной структуры кристалла-префазы и системы квазикристаллов близкого стехиометрического состава в широком интервале температур;

2; Показано, что формирование квазикристаллической структуры сопровождается слабой перестройкой в медной матрице и значительным изменением локального упорядочения вокруг атомов железа;

3. Установлен различный тип симметрии локального упорядочения вокруг атомов меди и железа в квазикристалле и показано различное влияние размера кластера, используемого при XANES-моделировании выше К- краев поглощения меди и железа на формирование особенностей структуры спектра поглощения в квазикристаллах;

4. На основании совместного анализа EXAFS- и XANES-спектров предложена согласованная модель перестройки локального окружения атомов меди и железа в тройном сплаве Al-Cu-Fe, обеспечивающая формирование икосаэдрических квазикристаллов.

Автор выносит на защиту.

1. Результаты экспериментального исследования температурных зависимостей локального окружения атомов меди и железа в кристаллическом и квазикристаллическом состоянии ряда тройных сплавов Al-Fe-Cu

2. Данные о межатомных расстояниях, факторах структурного разупорядочения Дебая-Валлера и координационных числах сфер ближайшего окружения атомов меди и железа в исследуемых веществах;

3. Результаты моделирования симметрии кластеров ближайшего окружения атомов меди и железа в квазикристаллическом состоянии;

4. Модель локальной перестройки атомов вокруг меди и железа при структурном переходе кристалл-квазикристалл.

Апробация работы.

Материалы диссертации были представлены на следующих конференциях: XTV и XV Международная Конференция по использованию Синхрот-ронного Излучения СИ-2002 и СИ-2004 (Новосибирск, 2002, 2004); IV Национальная конференция по применению рентгеновского, синхротронного излучений, нейтронов и электронов для исследования материалов РСНЭ-2003 и РСНЭ НАНО-2005 (Москва, 2003,2005); 12th International Conference on X-ray Absorption Fine Structure, XAFS-12 (Sweden, 2003); Научная сессия МИФИ-2002 и МИФИ-2004 (Москва, 2002,2004); Научная конференция ИСФТТ РНЦ "Курчатовский институт" (Москва, 2005), а также на научном семинаре ИСФТТ РНЦ "Курчатовский институт" по физике квазикристаллов (2005).

Публикации по работе

По теме диссертации опубликовано 3 статьи и 8 тезисов докладов.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. В первой главе проведен обзор литературы по физическим свойствам квазикристаллов, особое внимание уделено влиянию локальной структуры на свойства квазикристаллов и методам исследования локальной структуры. Вторая глава посвящена описанию теоретических основ методов исследования локальной структуры — EXAFS- и XANES-спектроскопии. В третьей и четвертой главах представлены результаты экспериментального исследования тройных сплавов Al-Fe-Cu в кристаллическом и квазикристаллическом состояниях методами XAFS-спектроскопии и проведен сравнительный анализ результатов EXAFS- и XANES-моделирования.

Заключение диссертации по теме «Физика конденсированного состояния», Ракшун, Яков Валерьевич

6. ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Целью работы являлось совместное исследование особенностей локальной структуры кристаллов и квазикристаллов Al-Fe-Cu при помощи XAFS (EXAFS и XANES) спектроскопии с использованием синхротронного излучения для установления характера перестройки атомов при переходе из кристаллического в квазикристаллическое состояние.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

1. Проведено экспериментальное исследование серии квазикристаллических образцов Al-Cu-Fe различного химического состава и кристалла-префазы (предшественника) одного из квазикристаллов методами EXAFS- и XANES-спектроскопии в широком интервале температур 10 — 300 К выше К-Cu и K-Fe краев поглощения;

2. Исследованы параметры локального окружения меди и железа в исследуемых веществах: межатомные расстояния, факторы структурного ра-зупорядочения Дебая-Валлера и координационные числа сфер ближайшего окружения атомов меди и железа;

3. Выполнен анализ изменения симметрии ближайшего окружения атомов меди и железа при переходе из кристаллического в квазикристаллическое состояние;

4. С помощью компьютерного моделирования XANES-спектров проведено исследование влияния размеров кластеров вокруг меди и железа на формирование особенностей формы края поглощения (XANES) в квазикристалле и его кристалле-префазе;

5. Оценено влияние химического разупорядочения вокруг атомов меди и железа на формирование особенностей XANES при переходе из кристаллического в квазикристаллическое состояние.