Научная статья на тему 'Релаксация метастабильных состояний точечных дефектов, стимулированная слабым магнитным полем в монокристаллах NaCl'

Релаксация метастабильных состояний точечных дефектов, стимулированная слабым магнитным полем в монокристаллах NaCl Текст научной статьи по специальности «Физика»

CC BY
111
23
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Аннотация научной статьи по физике, автор научной работы — Головин Юрий Иванович, Моргунов Роман Борисович, Иванов Виталий Евгеньевич

The experimental conditions which allow determining the role of non-equilibrium states of structure defects in magnetoplastic effects in diamagnetic crystals are created. It is revealed that weak MF (with induction B=7T) can change the plastic flow rate of ionic crystals if the preliminary quenching of crystals is performed.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по физике , автор научной работы — Головин Юрий Иванович, Моргунов Роман Борисович, Иванов Виталий Евгеньевич

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

THE RELAXATION OF METASTABLE STATES OF POINT DEFECTS STIMULATED BY A WEAK MAGNETIC FIELD IN NACL SINGLE CRYSTALS

The experimental conditions which allow determining the role of non-equilibrium states of structure defects in magnetoplastic effects in diamagnetic crystals are created. It is revealed that weak MF (with induction B=7T) can change the plastic flow rate of ionic crystals if the preliminary quenching of crystals is performed.

Текст научной работы на тему «Релаксация метастабильных состояний точечных дефектов, стимулированная слабым магнитным полем в монокристаллах NaCl»

УДК 539. 4; 537. 3; 669. 046

РЕЛАКСАЦИЯ МЕТАСТАБИЛЬНЫХ СОСТОЯНИЙ ТОЧЕЧНЫХ ДЕФЕКТОВ, СТИМУЛИРОВАННАЯ СЛАБЫМ МАГНИТНЫМ ПОЛЕМ В МОНОКРИСТАЛЛАХ №С1

© Ю.И. Головин, Р.Б. Моргунов, В.Е. Иванов

Golovin Y.I., Morgunov R.B., Ivanov V.E. The Relaxation Of Metastable States Of Point Defects Stimulated By A Weak Magnetic Field In NaCI Single Crystals. The experimental conditions which allow determining the role of non-equilibrium states of structure defects in magnetoplastic effects in diamagnetic crystals are created. It is revealed that weak MF (with induction B = 7 T) can change the plastic flow rate of ionic crystals if the preliminary quenching of crystals is performed.

В [1, 2] сообщалось об изменении состояний точечных дефектов и дислокаций, вызванном экспозицией ионных кристаллов в постоянном магнитном поле (МП) с индукцией В ~ 1 Т. Энергия, сообщаемая таким полем одному парамагнитному центру А и » \хвВ < кТ < С/, где - магнетон Бора, Т = 290 К - температура, при которой проводились эксперименты, £/ — 0,1 - 1 эВ - характерная для ионных кристаллов энергия активации, необходимая для перестройки структурных дефектов. Термодинамические соображения позволяют считать, что столь слабое в энергетическом масштабе МП может повлиять лишь на кинетику релаксационных процессов, протекающих в неравновесных кристаллах и в отсутствие поля. Поэтому, хотя кристаллы, используемые в [1, 2], не подвергались перед помещением в МП какому-либо внешнему возбуждающему воздействию, можно предполагать, что они находились в долгоживущем метастабильном состоянии, зависящем от предистории кристалла, а роль МП заключалась лишь в увеличении скорости их релаксации к равновесию. Из этих общих представлений следует, что неравновесность, необходимая для проявления чувствительности пластических свойств кристаллов к МП, в принципе может быть создана путем целенаправленного возбужения структурных дефектов нагревом и последующим резким охлаждением, электрическим полем, экспозицией на свету или другими воздействиями.

Цель настоящей работы заключалась в создании таких экспериментальных условий, которые выявили бы роль неравновесного состояния структурных дефектов в чувствительности к МП процесса пластического течения ионных кристаллов.

В опытах использовали номинально чистые кристаллы №С1 размером 3x3x10 мм3. Тестирование пластических свойств производили путем одноосного сжатия кристаллов вдоль [100] линейно нарастающими со временем меха-

ническими напряжениями а = Ш. При этом с помощью индуктивного датчика смещений можно было регистрировать изменение размеров образца во времени с точностью ±0,25 мкм. Это позволяло строить диаграмму нагружения е(а), где е - относительная деформация кристаллов. Импульсы МП амплитудой В = 7 Т и длительностью 10‘2 с, направленного вдоль оси сжатия деформируемых кристаллов, создавали при помощи тиристорного генератора импульсов тока.

В первой серии опытов (контрольной) использовали образцы, выдержанные в течение нескольких лет при комнатной температуре. В процессе их деформирования многократное включение МП не вызывало изменений скорости пластического течения кристаллов в пределах точности экспериментов (рис. 1).

Во второй серии опытов перед деформированием кристаллы подвергались закаливанию, которое заключалось в их нагреве до Т = 700 К,

Рис. 1. Фрагменты зависимостей относительной деформации е кристаллов 1МаС1 от достигнутого значения внешних механических напряжений о в момент включения импульса магнитного поля: 1 - в незакаленных кристаллах 1ЧаС1; 2 - в кристаллах, предварительно подвергнутых закаливанию от 700 К. Импульс магнитного поля показан стрелкой.

Ле-10'? %

Рис. 2. Зависимость величины скачка относительной деформации Де, вызванного импульсом магнитного поля в предварительно закаленных кристаллах N30, от времени их выдержки т при Т = 700 К для скоростей закаливания 4 К/с - (1) и 0,6 К/с - (2).

выдержке при этой температуре в течение времени т = 104 с и охлаждении со средней скоростью 4 К/с до комнатной температуры. Включрние МП при деформировании закаленных таким образом кристаллов вызывало скачкообразный прирост относительной деформации Де (рис. 1). Следовательно, закаливание приводило к таким изменениям состояний дефектов в кристаллах, которые делали чувствительным процесс пластического течения к МП.

Вариирование т в диапазоне от 103 до 104 с позволило установить, что для проявления эффекта закаливания необходима выдержка кристаллов при Т = 700 К в течение времени т > т* = 5103 с. При т < т* пластические свойства кристаллов оставались нечувствительными к МП (рис. 2). Способность сенсибилизации кристаллов к МП зависела также и от средней скорости их охлаждения, при снижении которой до 0,6 К/с закаливание не приводило к появлению чувствительности кристаллов к МП (рис. 2).

Обсудим, какие изменения в кристалле могли быть инициированы закалкой. Основной причиной изменения пластических свойств кристаллов после закалки принято считать модификацию точечных дефектов, определяющих подвижность дислокаций [3]. Повышение температуры приводит к установлению в кристалле нового динамического равновесия в подсистеме структурных дефектов кристалла, время установления которого составляет около 5 103 с (рис. 2). Конечно, часть дефектов могла быть модифицирована за более короткое время (например, в [4] сообщалось о перестройке состояний примесных комплексов дефектов за 103 с, в (5) изменение состояния димеров происходили за 102 с). Как видно из рис. 2, все эти возможные процессы не сказываются на маг-

нитной чувствительности кристаллов. Поэтому полученное значение т может характеризовать именно тот тип дефектов, на кинетику релаксации которых влияет МП. В предположении, что справедлива аррениусовская зависимость т(7) = т0 ехр(-£Д7), а т0 = 1/у ~ 10'13 с, т.е. определяется частотой тепловых колебаний атомов у, энергия активации процесса термостимулированной модификации дефектов Е составляет ~ 1,1 эВ. В исследуемых кристаллах эта энергия может соответствовать процессам диссоциации примесно вакансионных диполей и квазимолекул, образованных обменным взаимодействием между парамагнитными дефектами, а также процессам ионизации и перезарядки дефектов [6].

Резкое снижение температуры приводит к “замораживанию” высокотемпературного состояния точечных дефектов. Длительность импульса МП, в течение которого в кристалле успевает происходить релаксация возбужденных состояний дефектов, составляет 10*2 с, что при комнатной температуре недостаточно для реализации диффузионных каналов релаксации и поэтому может быть объяснено каким-либо мономолекулярным процессом, стимулированным в кристалле МП. Исследование кинетики релаксационного процесса, ускоренно протекающего в кристалле после МП [7], свидетельствует о том, что в МП может происходить распад комплексных дефектов.

Отметим, что о влиянии слабого МП на скорость релаксации метастабильных состояний материалов хорошо известно из экспериментов по изучению фотопроводимости полимеров [8] и химических реакций между радикалами в жидкой фазе [9]. Как правило, время жизни метастабильных состояний и в отсутствие МП оказывается столь коротким, что эффекты влияния поля можно наблюдать только в процессе действия источника возбуждения. Аномально длительное время релаксации в наших экспериментах делает технически легко осуществимым разделение процедур возбуждения кристаллов и их релаксации в МП и, таким образом, может приводить к эффектам “запоминания” структурными дефектами факта экспозиции кристаллов в МП.

Вероятно, помимо термической обработки для возбуждения кристаллов могут быть использованы и другие процедуры. Например, введение дислокаций царапанием в [1, 2], или коротким ударом в [10] может являться возбуждающим фактором - своего рода механической “накачкой”, сенсибилизирующей кристаллы к действию МП. Кроме того, из результатов [1] следует, что в течение длительного времени в кристаллах может сохраняться биографическое метастабильное состояние.

Таким образом, полученные результаты, с одной стороны, свидетельствуют о том, что предварительное возбуждение кристаллов является необходимым условием для проявления в них магнитопластического эффекта. С другой -

позволяют сформулировать конкретный рецепт для создания в кристаллах контролируемого неравновесного состояния дефектов, релаксация которого чувствительна к наличию МП.

ЛИТЕРАТУРА

1. Головин /0.И., Моргунов Р.Б. //Письма в ЖЭТФ. 1993. Т. 58. №3. С. 189.

2. Головин Ю.И., Моргунов Р.Б., Жуликов С.Е., Головин Д.Ю. // ФТГ. 1996. Т. 38. № 10. С. 3047.

3. Смирнов Б. И. Структура и упрочнение кристаллов. Ленинград: Наука, 1981. 325 с.

4. Zaldo С., Agullo-Lopez F. // Philosophical Magazin A. 1986. V. 53. N? I. P. 51.

5. Блистпнов А.А.. Павлов A.H., Шаскольская М П. // ФТТ. 1971 Т. 13. № 7. С. 1971.

6. Закис Ю.Р., Канторович Л.Н., Котомин Е.А. и др. Модели процессов в широкощелевых твердых телах с дефектами. Рига, 1991. 382 с.

7. Головин Ю.И., Моргунов Р.Б., Жуликов С.Е., Киперман В.А., Лопатин Д. В. // ФТТ. 1997. Т. 39. № 4. С. 634.

8. Сагдеев Р.З., Салихов К.М., Молин Ю Н. // Успехи химии.

1977. Т. 46. № 4. С. 569.

9. Бучаченко А.Л., Сагдеев Р.З., Салихов К.З. Магнитные и спиновые эффекты в химических реакциях. Новосибирск,

1978. 296 с.

10. Альшиц В.И., Даринская Е. В., Петржик Е.А. // ФТТ. 1991. Т. 33. № 10. С. 3001.

Работа выполнена при финансовой поддержке Госкомитета РФ по высшему образованию (грант № 95-0-7.1-58), а также Российского Фонда Фундаментальных Исследований (фант № 97- 02-16074).

Поступила в редакцию 4 мая 1997 г.

УД1

1.

(ЭП) NaCl давни ное £ макро тах с v priori т ЭП б> тичнос ях. С ной на чем де С друг» ких ме женны) поля, о тация ( ментом давлена что в н ЭП моя постоян магнито лах поя вклада ! связаны ЭП при поля (М накладьп висимых водит к р

Цель изучении никающи вых услс перемени

2. В рг мерение I и анализ i нагружени

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.