CC BY
60
Секция «Перспективные материалы и технологии»
УДК 539.21:537.86
А. М. Харьков Научный руководитель - С. С. Аплеснин Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Красноярск
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТВЕРДЫХ РАСТВОРОВ 8шхМп1-х8
Проведено исследование проводимости твердых растворов БтхМп1-хБ в интервале температур 90К < Т < 400 К для состава х = 0,1. Обнаружен металлический тип проводимости с наибольшей величиной роста сопротивления в области температуры Т1и 120К.
Вещества, обладающие сильной взаимосвязью между электрическими и магнитными свойствами, представляют практический интерес для элементарной базы микроэлектроники. С точки зрения фундаментальных исследований особого внимания заслуживают соединения, содержащие элементы с переменной валентностью, обладающие фазовыми переходами типа металл-диэлектрик. К числу таких соединений относятся Мп8 и 8ш8.
Замещение катионов марганца редкоземельными элементами в сульфидах Мп8 может индуцировать ряд фазовых переходов: магнитных и электрических, а также переход металл-диэлектрик. Редкоземельные ионы, в зависимости от типа валентности Яе3+ или Яе2+ могут располагаться в валентной зоне или вблизи уровня Ферми, что определяет электронные свойства, влияющие на люминесценцию и проводимость соединений [1]. Ширина щели между валентной зоной и зоной проводимости в 8ш8 немного меньше, чем в Мп8. Сульфиды самария и марганца имеют кристаллическую решетку типа №С1.
Сульфид самария также может быть отнесен к числу полупроводниковых веществ, свойства которого подробно изучены в пределах области гомогенности. Монокристаллический скол сульфида самария имеет темный цвет с металлическим блеском. При полировке цвет 8ш8 переходит в золотисто-желтый. Предполагается, что такое изменение цвета связано с появлением на поверхности трехвалентных ионов самария. Известно, что соединения Мп8 являются широкозонными магнитными полупроводниками, которые имеют гранецентрированную кубическую (ГЦК) кристаллическую структуру типа №С1 в устойчивой б-модификации. Ширина запрещенной зоны Eg этих соединений превышает 2.0 еУ. В указанных соединениях ниже комнатной температуры реализуется антиферромагнитное упорядочение магнитных моментов ионов Мп+2. Замещение катионов марганца ионами переходных металлов способствует проявлению в твердых растворах новых физических свойств, отсутствовавших в исходных соединениях [2].
Цель работы - исследование электрических свойств соединений 8шхМп1-х8 и фазового перехода полупроводник - металл по концентрации.
Изучение кристаллической структуры полученных образцов проведено при комнатной темпера-
туре в монохроматическом СиКа-излучении на рентгеновской установке ДРОН-3. Измерения удельного электросопротивления проведены стандартным четырехзондовым компенсационным методом на постоянном токе [3].
60
Е р
О 30
300
400
т,к
500
76 Е 72
О
*
Е
О 68
о.
64-1
100 200 300 400
т,к
б
Температурная зависимость удельного электросопротивления для МпБ (а), для 8шхМп1.х8 с составом х = 0,1 (б).
Согласно результатам рентгеноструктурного анализа образцы системы 8шхМп1-х8 с концентрацией х=0,1 имеют гранецентрированную кубическую (ГЦК) решетку типа №С1, характерную для а-Мп8. Температурная зависимость удельного электросопротивления Мп8 изображена на рис. а, для 8шхМп1-х8 на рис. б. Сопротивление растет с ростом температуры и соответствует металлическому типу проводимости. Наблюдается максимум в ёс/ёТ при Т1 и 120 К.
Возможно, изменение температурной зависимости сопротивления по величине и качественному виду объясняется формированием узкой примесной зоны в запрещенной зоне, которая расположена в
0
а
Актуальные проблемы авиации и космонавтики. Технические науки
окрестности химпотенциала для х = 0,1. Изменение электронной структуры ионов самария с ростом температуры приводит к изменению степени заполнения зоны и соответственно к изменению величины сопротивления.
Итак, в твердом растворе 8шхМп1-х8 с х = 0,1 наблюдается металлический ход проводимости. При замещении Мп на 8ш найден фазовый переход полупроводник-металл.
Библиографические ссылки
1. Suryanarayanan R., Smirnov I. A., Brun G., Shul'man S. G. //Journal de Phys. 37. 1976. Р. 4-271.
2. Киттель Ч. Элементарная физика твердого тела. 1965. 368.
3. Аплеснин С. С., Рябинкина Л. И., Романова О. Б. [и др.] // ФТТ. 51. 661. 2009.
© Харьков А. М., Аплеснин С. С., 2010
УДК 621.3.049.77
П. А. Чванов, Э. В. Васильевский Научный руководитель - Ю. Ф. Пугачев Ульяновское высшее авиационное училище гражданской авиации (институт), Ульяновск
НАНОМАТЕРИАЛЫ И АВИАЦИЯ
Возможности применения нанотехнологии и наноматериалов в авиации и космонавтике обусловлены особыми требованиями (термостойкость, сопротивление так называемому тепловому удару, высокая термоизоляционная способность и т. д.) при разработке летательных аппаратов.
Нанотехнология имеет особое значение в методах разработки и изготовления совершенно новых конструкторских материалов. Наиболее известным и полезным является алмазная или графеновая «бумага» - новый вид материалов на основе углерода. Ее можно свернуть в рулон, гнуть и трансформировать как обычный лист картона. Но при этом ее прочность приближается к алмазу. А также повышенная термостойкость (1000... 1600 °С), хорошая электропроводимость дает возможность утверждать, что этот материал способен произвести революцию в авиастроении [2].
Графен, слой атомов углерода, соединенных в гексагональную (шестигранную) кристаллическую решетку, по большому счету можно считать двумерной копией трехмерного графита. Его можно представить как одну плоскость (единичный слой) графита, отделенную от объемного кристалла. Или же, как еще часто говорят, графеновые пленки — это как бы раскатанные в одной плоскости миллионы углеродных нанотрубок, сцепленных друг с другом на очень большом «листе» атомарной толщи-ны.«Графен располагает очень высокой термостойкостью, прочностью, а также имеет хорошие электрические свойства [1; 2]. У графена уникальные оптические, электрические, термические и механические свойства. Материалы на основе графена будут исключительно прочными и долговечными, уступая, возможно, лишь алмазу. При увеличении температуры их прочность не только не падает, а, наоборот, растет. Эта особенность позволяет применять их для разработки лопаток для авиационных двигателей. В будущем же, возможно, будут созданы двигатели внутреннего сгорания, целиком состоящие из углеродных волокон. Создаются поршни и валы. И по общему признанию, первым на очереди окажется роторно-поршневой двигатель Ванкеля. Его конструкция наиболее подходит для работы с
углеродом. Ну а далее обязательно инженеры возьмутся и за реактивные двигатели» [2].
«Пока же графеновая «бумага» будет полезна, в первую очередь, для изготовления облегченных обшивок и в качестве термоизоляторов. Помимо высокой прочности она обладает и хорошей электрической проводимостью, что позволяет минимизировать ущерб при ударах молнии в самолет. Заряд распределяется по всему корпусу, и лайнер остается без серьезных повреждений. Сейчас же доля угле-родосодержащих материалов в авиации достигает примерно 50 %. К примеру, европейский самолет-гигант А380 сконструирован в таком соотношении. Ныне разрабатываемый американцами Boeing Dreamliner тоже наполовину будет из композитов, что из-за снижения веса, естественно, отразится на пассажировместимости и топливной экономичности. Графен позволит еще больше увеличить эту долю» [3].
До сих пор углеродосодержащие материалы обладали главным недостатком - это неравномерное сопротивление нагрузкам. Так, если на разрыв и на сжатие они работают намного лучше, чем сталь, то на сдвиг значительно проигрывают ей. Углеродные волокна, связанные, словно клеем, различными наполнителями и смолами, могут смещаться относительно друг друга. В итоге инженерам приходится для каждого определенного участка самолета или ракеты проектировать свой лист из композитных материалов, в котором волокна расположены таким образом, чтобы сопротивляться нагрузкам только строго определенной стороной.
В графеновой «бумаге», напротив, слои переплетаются между собой хаотично, поэтому нагрузка может распределяться равномерно по всей структуре, делая ее невероятно прочной. «Обшивки, уплотнители и прокладки из графена будут практически вечными. — Перепады высоких температур и
