ФИЗИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА

Образцы монокристаллов получены выращиванием из разработанного расплава-растворителя Li6Gd(BO_3)_3+Gd2O3+Eu2O3 на затравку кристаллика C-Gd2O3 при температуре 1145oС. Наноструктурированый порошковый образец был получен золь-гель методом из водных растворов Gd(NO_3)3 и Eu(NO)3 с осадителем Na(OH) при дисперсном распылении этих прекурсоров. Полученные образцы C-Gd2O3 : Eu3+ исследованы методом рентгеновской дифрактометрии для подтверждения образования кубической фазы C-Gd2O3, для определения размеров нанокристаллитов (59 nm) и их деформационных напряжений (0.06%). Сравнительный анализ спектров фотолюминесценции и диффузного отражения монокристаллического и нанокристаллического образцов показал, что при изменении энергии возбуждения фотолюминесценции (ФЛ) по ряду 250, 280 и 300 nm низкоэнергетические полосы ФЛ 620 и 710 nm уменьшаются по интенсивности относительно основной полосы ФЛ 611 nm для обоих видов образцов. Для низкоэнергетической линии возбуждения ФЛ 300 nm высокоэнергетические полосы ФЛ 595, 550, 480, 470 и 420 nm монокристалла увеличиваются по интенсивности относительно полосы 611 nm. Исследование спектров диффузного отражения показало, что переносы зарядов через энергетическую щель при формировании ФЛ непрямые и осуществляются с участием фононов энергией 0.29 eV для объемной части монокристалла при Eg0=3.97 eV и для его нарушенного поверхностного слоя 0.26 eV при Eg0=3.59 eV. Еще большая энергия фононов 0.49 eV наблюдается для нанокристаллического образца прн Eg0=2.00 eV, что связано с большой удельной площадью границ раздела кристаллитов для нанокристаллического образца.

Цель работы состояла в прямом наблюдении и дальнейшем анализе дефектов (микротрещин), развивающихся в объеме образца природного гетерогенного материала под действием одноосной сжимающей нагрузки. Для детектирования дефектов в объеме использовалась рентгеновская компьютерная микротомография. Особенность экспериментов состоит в том, что выполнялась томографическая съемка образца, находящегося под действием нагрузки. На основе анализа томографических сечений были построены трехмерные модели дефектной структуры и вычислена фрактальная размерность системы микротрещин. С помощью модели дискретных элементов проведены численные эксперименты по разрушению образцов гетерогенных материалов. Исследовано изменение фрактальной размерности очагов разрушения в процессе их роста. Установлено хорошее согласие результатов компьютерного моделирования и лабораторных экспериментов, что позволяет говорить об адекватности предложенной модели.

Проведены измерения поляризации квазиупругого рассеяния света в представителях нового семейства кристаллов антимонитов лантаноидов R3Sb5O12 (R = Gd, Pr, Nd, Er). Установлена связь между степенью деполяризации рассеянного излучения и несовершенствами структуры, новых соединений кубической группы симметрии. Доля деполяризованного излучения непосредственно связана с величиной акустической добротности кристаллов. Найден закон обратной экспоненциальной зависимости между степенью деполяризации рассеянного под прямым углом излучения и добротностью пьезорезонаторов на основе Pr3Sb5O12 и Nb3Sb5O12.

Проведены исследования электрических свойств островковых пленок. Измерены зависимости удельной дифференциальной проводимости пленок и зависимости удельной дифференциальной емкости пленок от температуры и частоты внешнего электрического поля. Исследования электрофизических свойств пленок позволили установить процессы, которые определяют возникновение отрицательной емкости в островковых пленках. Эти процессы с одной стороны определяются ростом концентрации избыточных носителей заряда в пленке под действием электрического поля, с другой стороны инерционностью изменения тока в пленке относительно внешнего переменного электрического поля. Инерционность изменения тока связана с темпами генерации и рекомбинации концентрации избыточных заряженных островков.

Образцы β-NaGd1-xEuxF4, где 0≤ x≤1, впервые синтезированы гидротермальным методом. Полученные материалы охарактеризованы методами рентгенофазового анализа, электронной микроскопии, ИК- и КРС-спектроскопии. Впервые во всем интервале концентраций европия проведены исследования спектров люминесценции и спектров возбуждения люминесценции β-NaGd1-xEuxF4. Обнаружено отсутствие полного гашения люминесценции системы β-NaGd1-xEuxF4 и показано, что возбуждение люминесценции данной системы посредством возбуждения ионов донора (Gd3+) приводит к высокому квантовому выходу люминесценции.

Получены трехкомпонентные электродные материалы на основе композита полианилина с многостенными углеродными нанотрубками и технического углерода, перспективные для электродов суперконденсаторов. Предложенный в работе метод позволяет достичь равномерного распределения полианилина по поверхности частиц технического углерода в виде слоев толщиной ~ 5 nm, что обеспечивает высокую пористость и удельную площадь поверхности. Показано, что наличие технического углерода в составе материала приводит к снижению степени дефектности структуры полимера. С ростом доли технического углерода повышаются электрохимические характеристики электродных материалов: скоростная способность электродов (до 81%) и их циклическая стабильность (92%) по сравнению с композитом, не содержащим технический углерод (25 и 78%, соответственно).

Объектом исследования являются тонкие пленки (~10-15 nm) монооксида германия, полученные методом термического испарения в вакууме композитных слоев GeO2, содержащих нанокластеры Ge, и осаждения паров GeO на холодную подложку. По данным рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии установлено, что структуру ближнего порядка пленок монооксида германия можно описать моделью неупорядоченной случайной сетки. Стехиометрический параметр x в пленках GeOx составил 1.07±0.05. Данные спектроскопии комбинационного рассеяния света и инфракрасной спектроскопии свидетельствуют о разной глубине протекания процесса диспропорционирования GeO при отжиге от 5 до 30 min и температуре 200-400oC в вакууме. Отжиги продолжительностью 45 min и более при тех же температурах приводили к частичному окислению аморфных кластеров Ge в матрице оксида.

Для изучения электронного состояния атомов железа при их легировании в германии, в условиях сверхвысокого вакуума формировалась двойная пленочная система Fe-Ge, получаемая отжигом пленки Fe, нанесенной на пленку Ge, осажденной на поверхности кристалла Мо(110). Полученные результаты на основе использования сочетания методов спектроскопии обратного рассеяния ионов низкой энергии (СОРИНЭ), электронной Оже-спектроскопии (ЭОС), дифракции медленных электронов (ДМЭ), измерения работы выхода в варианте Андерсона указывают на то, что сформированная таким образом двойная пленка Fe-Ge характеризуется равномерным распределением атомов Fe и Ge по объему пленки. Показано, что изменение относительного содержания атомов Fe приводит к существенному изменению их электронного состояния. Впервые проведенные измерения величины абсолютного заряда атомов Fe, приобретаемого ими при их легировании в германии, свидетельствуют о том, что по мере роста содержания Fe величина заряда планомерно уменьшается от значения 0.34е для одиночного атома до 0.07е для одинакового соотношения Fe и Ge. Это сопровождается изменением длины межатомной связи Fe^+-Ge- в пределах от 0.141 nm до 0.118 nm. Последнее, являясь свидетельством структурных превращений Ge, характеризуемых изменением длин и углов связей решетки, может быть использовано для идентификации структурных единиц легированного германия при различных концентрациях легирующего компонента.

Методом инфракрасной Фурье-спектроскопии исследованы полиморфные превращения тетракозана C24H50 при нагревании. Выявлено нарушение регулярности цепей в сердцевинах ламелей на основании температурных изменений прогрессий маятниковых колебаний CH2-групп и валентных (скелетных) колебаний C-C-связей. Обнаружено возникновение концевых гош-дефектов, число которых возрастает на каждом переходе между промежуточными ротационными фазами (RI, RII, RV). Предложен механизм структурных перестроений в тетракозане.

Предложена генерализация модели взаимодействующих мод на случай диффузного рассеяния (ДР). Это исследование подтверждает применимость ранее созданной модели взаимодействующих мод для анализа ДР в PbZr0.976Ti0.024O3 (PZT2.4). Модель, ранее применявшаяся для описания неупругого рассеяния в отдельных точках обратного пространства, теперь может быть применена для непрерывного описания изменения интенсивности диффузного рассеяния вдоль произвольного направления в обратном пространстве. Разработанный подход фононного разложения ДР при наличии межмодового взаимодействия значительно расширяет возможности исследования критической динамики перовскитов.

Представлено исследование температурной зависимости диэлектрической проницаемости ε(T) квантовых сегнетоэлектриков KTaO3 и SrTiO3 и твердого раствора на их основе (SrTiO3)0.85-(KTaO3)0.15 при температурах от 5 до 300 K, для описания которой применена экспоненциальная функция с вероятностным фактором Больцмана и самосогласованным предэкспоненциальным множителем. Показано, что такой подход в низкотемпературном квантовом пределе согласуется с формулой Барретта, а в высокотемпературном - с законом Кюри-Вейсса. Исходя из этого, определены энергии активации процессов, протекающие на трех выделенных температурных участках (5-30; 30-80; 80-300 K), где зависимость ε(T) имеет экспоненциальный вид. Предполагается, что для KTaO3 и SrTiO3 такие активационные процессы обусловлены температурным возбуждением фононов при приближении к температуре Дебая. Для (SrTiO3)0.85-(KTaO3)0.15 отклонение зависимости ε(T) при T=30-80 K от экспоненциальной объясняется фонон-фононными взаимодействия нормальных мод колебаний кристалла.

На основе результатов исследований температурных зависимостей диэлектрической проницаемости, поляризации и коэрцитивного поля определены точки Кюри и род фазового перехода для трехслойных сегнетоэлектрических структур титанат бария - титанат стронция SrTiO_3/BaTiO_3/SrTiO3 и титанат свинца - титанат стронция SrTiO_3/PbTiO_3/SrTiO3. Показано, что в многослойных сегнетоэлектрических материалах с титанатом бария наблюдается значительное (порядка 200oC) повышение температуры Кюри создаваемой структуры по сравнению с монослойным титанатом бария, а род сегнетоэлектрического фазового перехода меняется с первого рода на второй. В многослойке с титанатом свинца точка Кюри и род перехода практически не меняются в сравнении с однородным титанатом свинца, что связывается в первую очередь с практическим совпадением размеров ячеек титаната свинца и титаната стронция в плоскости соприкосновения.

Методом дугового испарения получены бикомпонентные наночастицы CuO-CuFe2O4 с содержанием CuFe2O4 порядка 20%. Рентгеновское исследование показало, что в образцах содержатся только наночастицы CuO размером 54 nm и CuFe2O4 размером 32 nm. Температурные зависимости намагниченности наночастиц M(T) имеют вид, характерный для суперпарамагнитного состояния с температурой блокировки выше 400 K при H=100 Oe. Полевые зависимости намагниченности M(H) показывают высокие значения намагниченности насыщения при всех исследованных температурах. В малых полях зависимости M(H) имеют гистерезисный характер, и при низкой температуре петля имеет особенности, связанные с разными вкладами в намагниченность от центральной части бикомпонентной частицы (CuFe2O4) и от периферийной части, примыкающей к CuO. Использованный метод синтеза с использованием дугового разряда позволяет эффективно получать бикомпонентные частицы, близкие по размеру и с высокими значениями намагниченности вплоть до температуры 400 K.

Рассмотрено формирование методом импульсного лазерного осаждения в вакууме GaAs-структур с дельта-легирующим слоем Fe. Структуры с дельта-легирующим слоем Fe, нанесенным в течение 25 и 35 s, могут быть охарактеризованы как ферромагнитный полупроводник с собственным (intrinsic) ферромагнетизмом и температурой Кюри 70-80 K. В структурах с дельта-легирующим слоем Fe, нанесенным в течение 45 s, наблюдается формирование некой второй ферромагнитной интерметаллической фазы с температурой Кюри 100-120 K.

В настоящей работе предложены конфигурации магнонного микроволновода с двумерным массивом магнитных элементов, расположенных на поверхности микроволновода. Методом микромагнитного моделирования на основе численного решения уравнения Ландау-Лифшица-Гильберта показана возможность управления характеристиками распространения спиновых волн (СВ) в структуре c полимерными планарными упорядоченными микрорезервуарами на основе пленки железо-иттриевого граната (ЖИГ) на подложке из галий гадолиниевого граната (ГГГ) путем изменения конфигурации структуры, вариации направления поля подмагничивания и изменения величины намагниченности магнитного материала внутри микрорезервуара. Показано, что предложенные конфигурации магнонных структур позволяют реализовывать методы управления спин-волновыми сигналами, что может найти применение в устройствах магнонной логики и сенсорики биоактивных материалов.

Исследована анизотропия электромеханических параметров акустических волн (объемных, поверхностных SH волн и волн Лэмба) в иттриевых и гольмиевых алюмоборатах, которые являются представителями семейства монокристаллов RM3(BO_3)4 (где R=Y, La-Lu; M=Fe, Al, Cr, Ga, Sc) с уникальными свойствами магнитоэлектриков и мультиферроиков при наличии магнитного иона в структуре. Анализ параметров акустических волн основан на экспериментально измеренных электромеханических постоянных Cijkl, eijk, dijk и εij.

Путем дельта-легирования висмутом слоёв арсенида галлия в процессе низкотемпературной молекулярно-лучевой эпитаксии с последующим отжигом получены квазидвумерные слои наночастиц висмута в матрице эпитаксиального арсенида галлия. Низкая температура эпитаксии обеспечивает формирование в объеме материала высокой концентрации дефектов нестехиометрии, в первую очередь антиструктурных дефектов [AsGa] и вакансий галлия. Миграция этих дефектов в процессе отжига приводит к формированию как мелких преципитатов в слоях низкотемпературного GaAs, так и более крупных нановключений, обогащенных висмутом и расположенных на дельта-слоях Bi.

Исследована электронно-стимулированная десорбция атомов Na с поверхности 2D-интерметаллида CsAu при напылении на нее атомов Na. Показано, что до толщины покрытия 0.35 монослоя атомов Na электронно-стимулированная десорбция атомов Na связана с возбуждением остовных уровней адсорбата Cs 5s и Au 5p3/2 и с возбуждением остовного уровня адсорбента Na 2p, а при покрытиях более 0.4 монослоя Na электронно-стимулированная десорбция атомов Na связана только с возбуждением остовных уровней адсорбата Au 5p3/2. В распределении по кинетическим энергиям десорбирующихся атомов Na обнаружено два пика, положение которых и интенсивность зависят от покрытия атомами Na. Предложена модель электронно-стимулированной десорбции атомов Na связанная с возбуждением остовных уровней Cs 5s, и Au 5p3/2 и Na 2p.

Впервые синтезированы образцы дисульфида молибдена, интеркалированного атомами железа с различной концентрацией по разработанной технологии, и представлены результаты оригинальных исследований электрических и магнитных свойств интеркалированных железосодержащих материалов в зависимости от состава и температуры. Полученные данные демонстрируют активационный характер проводимости в системе интеркалированных фаз FexMoS2 с возможным изменением механизма проводимости, связанной с ростом концентрации железа в образцах. Показана возможность реализации антиферромагнитного состояния в соединениях с различным содержанием железа, основанная на характере температурных зависимостей магнитной восприимчивости, отрицательных значениях парамагнитной температуры Кюри и виде температурных зависимостей эффективных магнитных моментов.

Гранулярные высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП) характеризуются сосуществованием и взаимодействием двух сверхпроводящих подсистем: ВТСП-гранулами и межгранульными границами (джозефсоновской средой). В зависимости от термомагнитной предыстории, магнитный поток может захватываться как обеими подсистемами вместе, так и по раздельности, либо только в слабой подсистеме межгранульных границ. В работе экспериментально определены условия реализации всех указанных случаев для иттриевой ВТСП-системы, и основное внимание уделено случаю, когда магнитный поток захвачен только джозефсоновской средой, а в ВТСП-гранулах реализуется мейсснеровское состояние. Обнаружена ранее не выявленная закономерность в температурной эволюции остаточной намагниченности Mr(T) в случае захвата потока только подсистемой межгранульных границ. А именно, температурная зависимость нормированной остаточной намагниченности mr(T)=Mr(T)/Mr(T=0) идентична для разных значений максимального приложенного поля, несмотря на существенное различие в величинах Mr(T=0). При этом в широком диапазоне температур от 4.2 до ~ 80 K (температура перехода подсистемы межгранульных границ TCGB~ 90 K) функциональная зависимость mr(T) следует степенному закону propto (1 - T/TCGB)0.5.

Исследовано влияние тонкого защитного слоя нитрида скандия (ScN) на сверхпроводящие свойства тонких пленок нитрида ниобия (NbN), полученных методом реактивного магнетронного осаждения. Представлен комплексный анализ морфологических, микроструктурных и электрофизических характеристик тонких пленок, прошедших процесс высокотемпературного отжига в атмосфере кислорода. Установлена зависимость критической температуры перехода тонкой пленки NbN от температуры отжига образцов в кислородной среде, как с покрытием ScN, так и без него. Из исследований рентгеновской рефлектометрии выяснилось, что пленка ScN выполняет функцию защитного слоя даже при температурах отжига около 450oC, не влияя на плотность и толщину слоя NbN. Показано, что тонкая пленка NbN, покрытая пленкой ScN, более устойчива к агрессивной среде, чем пленка, не покрытая ScN. Ключевые слова: сверхпроводимость, защитные покрытия, нитрид ниобия, нитрид скандия, тонкие пленки.

Предложена модифицированная модель акустопластического эффекта. В ее рамках рассмотрены процессы упругой и пластической деформации материалов. Проанализированы условия, при которых модель приводит к широко используемым эмпирическим моделям для зависимости напряжения от деформации (модели типа Джонсона-Кука, Воса и Холломона). Выявлены особенности использования указанных эмпирических моделей. Определена связь констант, используемых в этих эмпирических моделях, с такими параметрами материала, как напряжение внутреннего трения, активационный объем дефектов, время их релаксации и их равновесная концентрация, а также с параметром, характеризующим степень взаимодействия дефектов. Ключевые слова: деформация, механические напряжения, поликристаллические структуры, активационный механизм, дефекты.

Проведены исследования методом фотоэлектронной спектроскопии in situ в сверхвысоком вакууме электронной структуры наночастиц Au, напыленных на поверхность W с естественным окислом, до и после адсорбции атомов Na. Проведен анализ спектров фотоэмиссии из остовных уровней Au 4f, Na 2s и Na 2p при синхротронном возбуждении в диапазоне энергий фотонов 80-600 eV. Показано, что прогрев пленки наночастиц Au приводит к увеличению фотоэмиссии из уровня Au 4f, что связано с увеличением размеров наночастиц золота. Напыление атомов Na приводит к образованию адсорбированного слоя Na и диффузии атомов Na вглубь золотой пленки с образованием интерметаллида NaxAuy. Обнаружены два состояния: Na0 и Na+, которые связаны с адсорбированным слоем Na и интерметаллидом NaxAuy соответственно. Ключевые слова: адсорбция, натрий, золото, реконструкция поверхности, фотоэмиссия.

Показано, что твердофазное смачивание при распаде сплавов определяется теми же самыми энергиями межатомных взаимодействий, которые ответственны за распад, и следовательно, должно учитываться при анализе превращений в многокомпонентных сплавах. Более того, моделирование методом кинетического Монте-Карло автоматически учитывает этот эффект, тогда как феноменологические модели диффузии часто пренебрегают им. Сформулированы условия полного и частичного твердофазного смачивания. Исследуются условия стабилизации дисперсных состояний сплава при наличии смачивания. Ключевые слова: трехкомпонентный сплав, спинодальный распад, дисперсные состояния, моделирование методом Монте-Карло.

Предложены выражения для функций, аппроксимирующих экспериментальные данные по температурным зависимостям теплопроводностей и удельных сопротивлений 17 металлов из главных подгрупп Ia-Va Периодической системы Д.И. Менделеева. Они позволяют не только рассчитать указанные свойства металлов, но и спрогнозировать, в частности, пик теплопроводности кальция в окрестности абсолютного нуля. Математическая модель не описывает нелинейное поведение удельного электросопротивления бария, поэтому для его описания предложена отдельная функция. Показано, что закон Видемана-Франца-Лоренца не выполняется даже приближенно при температурах ниже температуры Дебая для каждого металла. На интервале от температуры Дебая до температуры плавления металла он выполняется при равенстве безразмерного числа Лоренца приблизительно единице. Ключевые слова: теплопроводность, удельное электросопротивление, аппроксимация, металл, главная подгруппа.