CC BY
23
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
