CC BY
38
УДК 539.37, 537.221
ВЛИЯНИЕ МАГНИТНОГО ПОЛЯ НА РЕЛАКСАЦИЮ МЕТАСТАБИЛЬНЫХ СТРУКТУРНЫХ ДЕФЕКТОВ И ПЛАСТИЧНОСТЬ КРИСТАЛЛОВ
© Ю.И. Головин, Р.Б. Моргунов, С.Е. Жуликов, В.Е. Иванов,
Д.В. Лопатин, А.А. Дмитриевский, С.Ю. Ликсутин, А.А. Баскаков, М.В. Бадылевич
Россия, Тамбов, Тамбовский государственный университет им. Г. Р. Державина
Golovin Yu.I., Morgunov R.B., Zhulikov S.E., Ivanov V.E., Lopatin D.V., Dmitrievskii A.A., Liksutin S.Yu., Baskakov A.A., Badilevich M.V. Influence of magnetic field on metastable structural defects relaxation and plasticity of crystals. The experimental results presented in this work indicate that spin part of interaction between structural defects can be recognized in ionic crystals. The types of the reactions, their kinetics, the activation parameters and the times of spin evolution of nonequilibrium pairs of the defects are analyzed. The presented results could form a basis for development of a new method to study shord-lived states of the structural defects in solids
Влияние магнитного поля (МП) на пластические свойства материалов исследуется в течение нескольких десятилетий. Результаты этих исследований привели к формированию целого ряда новых физических представлений и развитию методов познания фундаментальных свойств конденсированного состояния вещества. Несмотря на значительный прогресс в этом направлении, в настоящее время далеко не все магнитопластические эффекты нашли непротиворечивое законченное объяснение. Так, например, отсутствует единая точка зрения на механизм влияния МП на пластичность нормальных металлов, в которых наблюдаются отклонения от известной теории [1], учитывающей изменение вязкости электронного газа в МП. Нет убедительных доказательств популярной гипотезы о том, что причиной изменения пластических свойств полимеров является переориентация звеньев полимерных цепей, обладающих анизотропией магнитной восприимчивости. Напротив, имеются экспериментальные данные, свидетельствующие о том, что эта наиболее вероятная причина по меньшей мере не является единственной [2]. Обнаружено и интенсивно исследуется влияние МП на пластичность ионных кристаллов [3, 4], которое, очевидно, не может быть сведено ни к одному из ранее обнаруженных МПЭ в металлах и полимерах. Основная трудность, объединяющая вышеназванные эффекты, заключается в том, что энергия, передаваемая полем с индукцией ~ 1 Т (обычно используемым в экспериментах) любому из известных объектов в кристаллах, меньше энергии термических флуктуаций при температуре опыта.
Вся эта совокупность проблем и накопленных экспериментальных данных свидетельствует о том, что имеются такие неизученные каналы действия МП на пластичность материалов, которые: 1) могут быть существенны одновременно для широкого круга материалов (диэлектриков, полупроводников, металлов, полимеров), и, следовательно, механизм влияния МП на пластичность через эти каналы может носить весьма универсальный характер; 2) характеризуются низким пороговым уровнем энергии, которую необходимо сообщить системе для существенного изменения ее
поведения; 3) могут иметь значение в ряде магнитных эффектов, не связанных непосредственно с пластичностью.
Последние экспериментальные данные и теоретические оценки показывают, что к вышеперечисленным проблемам непосредственно примыкает проблема разупрочнения, вызванного протеканием тока в металлах [5] и изменение в МП широкого спектра физикохимических свойств полупроводников [6].
Еще одной причиной, по которой может оказаться важным исследование новых МПЭ в широком спектре материалов, является их тесная взаимосвязь с огромным количеством накопленных данных о влиянии слабых электромагнитных воздействий на эволюцию биологических объектов [7]. Относительная доступность информации о механизмах МПЭ в кристаллах, по сравнению с биологическими эффектами, может стимулировать развитие легко осуществимых модельных ситуаций для прогнозирования поведения биологических объектов во внешних электромагнитных ПОЛЯХ.
В [8] представлен, на наш взгляд, наиболее полный термодинамический анализ возможных экспериментальных ситуаций, в которых можно наблюдать магнитные эффекты. Все известные магнитные эффекты можно разделить на три большие группы: 1) влияние “сильных” (В - 100-1000 Т при Т ~ 300 К) магнитных полей на парамагнитные частицы (радикалы, атомы решеточного остова или дефекты в кристаллах); 2) влияние слабых МП с В ~ 1 Т на состояние систем с большим магнитным моментом, достаточным для того, чтобы энергия системы в МП превышала среднюю энергию термических флуктуаций (в ферромагнетиках и полимерах, обладающих анизотропией диамагнитной восприимчивости); 3) влияние слабого МП с В - 1 Т на скорость релаксации систем с парамагнитными молекулами, которое успевает проявляться раньше, чем тепловая релаксация спиновой подсистемы (или какой-либо другой подсистемы с магнитными свойствами) может повлиять на эволюцию парамагнитных реагентов.
В [9] было установлено, что роль МП в изменении пластичности ионных кристаллов заключается во влиянии на скорость релаксации метастабильных структур-
ных дефектов из долгоживущего неравновесного состояния. Следовательно, МПЭ в ионных кристаллах подходит только под третью группу причин и его объяснение может заключаться в том, что МП влияет на скорость релаксации какой-либо возбужденной подсистемы на короткой промежуточной стадии релаксационного процесса. Это ставит перед исследователями ряд принципиальных вопросов: 1) На релаксацию какой подсистемы влияет МП (то есть какие объекты вовлечены в релаксационный процесс)? 2) Каков механизм возбуждения этой подсистемы в кристаллах и как это возбуждение влияет на их пластичность? 3) Каков механизм влияния МП на скорость релаксации и значения таких параметров как длительность магниточувствительной стадии реакции, время ее ожидания и др.? 4) Принимают ли в релаксации участие процессы, зависящие от спина, подобно известному из спиновой химии влиянию МП на скорость реакций между радикалами? 5) Можно ли наблюдать аналогичные по природе магнитные явления в других материалах?
На основании результатов экспериментов, проведенных нашей группой, уже сегодня на некоторые из этих вопросов можно дать ответ.
1. МП влияет на состояние парамагнитных структурных дефектов: на точечные дефекты в объеме кристалла, на состояние ядра дислокации и на процесс взаимодействия дислокаций с точечными дефектами.
2. Возбуждение точечных дефектов, необходимое для их чувствительности к МП, может быть создано с помощью термической обработки, переменных электрических полей (внешних или внутренних, которые в ионных кристаллах возникают в процессе движения заряженных дислокаций), или с помощью света оптического диапазона (в окрашенных кристаллах). Последняя ситуация сближает МПЭ в ионных кристаллах с магниточувствительными фотохимическими реакциями, в которых генерация неравновесных радикалов создается светом.
3. Результаты исследования совместного действия постоянного и радиочастотного МП показывают, что объект, подверженный действию МП в ионных кристаллах, обладает магнитным моментом, близким к магнетону Бора [14]. Это означает, что МП влияет на спиновое состояние взаимодействующих неравновесных дефектов в процессе их релаксации.
4. Слабое МП способно влиять на состояние и эволюцию дефектов в металлах, полупроводниках и полимерах. Причем это влияние может сказываться не только на пластических, но и электрических и оптических свойствах материалов. Например, нами обнаружено влияние слабого МП на электролюминесценцию монокристаллов гпБ, наиболее вероятной причиной которой является изменение в МП состояний структурных дефектов.
Полученные результаты позволяют распространить обобщенную схему, развитую в [8], для объяснения чувствительности химических реакций к слабому МП, на реакции между точечными дефектами в кристаллах, которые приводят к изменению пластичности слабомагнитных материалов (рис. 1). Начальный этап магниточувствительной реакции заключается в термоактивированном распаде комплексов метастабильных точечных дефектов и генерировании пар дефектов, распределение которых по синглетным и триплетным состоя-
Исходный мета стабильный комплекс
Gi G2
_ £ промежуточная стадия ^
Г ^
--------------
к! к*1 4_______________
Новый комплекс 1-го тпа
Рис. 1. Обобщенная схема магниточувствительной реакции в подсистеме точечных дефектов диамагнитных кристаллов. Gi и Gi - скорости генерации пар дефектов Т\ и Тг в синглетном S и триплетном Т состояниях, Аг| и кг - константы скорости превращения пар с сохранением спина в продуктах, к'1 -константа скорости распада пар без сохранения спина в продуктах, Ast - константа скорости интеркомбинационных переходов, стимулированных МП на промежуточной стадии.
ниям неравновесно. Затем в течение промежутка времени, меньшего времени спин-решеточной релаксации, происходит выбор пути реакции. Роль МП на этом этапе заключается в смешивании синглетных и три-плетных состояний пар и изменении вероятности образования тех или иных типов стабильных дефектов. Образованные после реакции дефекты различаются атомарным и электронным строением, поэтому инициированный МП перевес в пользу какого-либо одного типа дефектов приводит к изменению подвижности дислокаций. Аналогичная схема может быть использована и для описания магниточувствительного взаимодействия между парамагнитным центром на дислокации и точечными дефектами [3].
Полученные экспериментальные результаты позволяют ожидать, что исследование МПЭ в ионных и полупроводниковых кристаллах может стимулировать развитие нового подхода к исследованиям конденсированного состояния вещества в условиях слабых энергетических воздействий.
ЛИТЕРАТУРА
1 Кравченко В.И. О влиянии магнитного поля на электронное торможение дислокаций И Письма в ЖЭТФ. 1970. Т. 12. № II С. 551-554.
2 Головин Ю.И.. Моргунов Р.Б., Ликсутин С.Ю. Влияние импульса сильного магнитного поля на механические свойства полиметил-метакрилата // Высокомолекулярные соединения 1998. № 2. С. I
3. Альишц В.И., Ларинская ЕВ. Казакова О.Л. И ЖЭТФ 1997 Т. Ill №2. С. 615-626.
4 Golovin Yu.I., Morgunov R.B. Mechanochcmical reactions between defects of crystalline structure and the effect of a magnetic field on these reactions kinetic // Chemistry reviews. (Harwood Academic Publishers GmbH). 1998 V. 24 P. 1-36.
5. Спицин В.И.. Троицкий В.А. Электропластическая деформация металлов. М.: Наука, 1985. 159 с.
6. Левин М Н.. Зон Б.А Воздействие импульсных магнитных полей на кристаллы Cz-Si//ЖЭТФ. Т. 111. №4. С. 1373-1397.
7 Маре Г.. Дрансфельд К. Биомолекулы и полимеры в сильных магнитных полях // Сильные и сверхсильные магнитные поля и их применения. М.: Мир, 1988. С.180.
8 Зельдович Я.Б.. Бучаченко А.Л.. Франкевич ЕЛ. Магнито-спиновые эффекты в химии и молекулярной физике II УФН 1988. Т. 155. № 1.С. 3-36.
9. Головин Ю.И.. Моргунов Р.Б., Иванов В.И. Неравновесное состояние структурных дефектов как термодинамический фактор чувствительности ионных кристаллов к слабому МП // Изв. вузов (физика) 1998 №4 С. 117-119
Т(Т! ...Та) j
— ~Г Т к*1 кг
_______________I
Новый комплекс
2-го типа
