Анотація до роботи:

Ігнатьєва Т.О. Особливості електронного спектру та їх вплив на фізичні властивості перехідних металів та сплавів на їх основі.- Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.07 - фізика твердого тіла.- Інститут електрофізики і радіаційних технологій НАН України.- Харків.- 2008.

Проведено комплексні дослідження особливостей тонкої структури електронного спектру та її впливу на фізичні властивості Мо, Rе та сплвів на їх основі. Знайдено електронно-топологічні переходи по екстремумам в залежностях температури надпровідного переходу по тиску та термоелектрорушійної сили від концентрації домішок. Знайдено енергетичні зазори між енергією Фермі та критичною – () для Мо, Rе та -урану. Експериментально виявлено виникнення надструктури в кристаличній ОЦК ґратці твердого розчину сплавів Мо_1-х-Rе_х при електронному переході. Вперше експериментально спостережено осциляції кінетичних та термодинамічних характеристик при електронно-топологічному переході, як функції зовнішніх параметрів, що змінюють відстань рівня від . Це пов’язується зі зміною динаміки руху електронів біля дна зони при утворенні нової електронної порожнини поверхні Фермі. Встановлено зв’язок зміни властивостей металів та сплавів з електронно-топологічними переходами.

В результаті комплексних досліджень електронно-топологічних переходів в Мо, Rе, a-урані та сплавах на їх основі вирішена проблема, яка поставлена в даній роботі. Встановлено зв’язок особливостей електронного спектру з особливостями фізичних властивостей цих металів та сплавів на їх основі. Уперше на одному і тому ж об’єкті проведено дослідження особливостей різних фізичних характеристик, пов’язаних з електронно-топологічними переходами під впливом зовнішніх дій - домішок, тиску, температури, із використанням різних методик досліджень.

Розвинуто уявлення про природу електронно-топологічних переходів в сплавах перехідних металів. Експериментально виявлено особливості кінетичних та термодинамічних характеристик, які не спостерігались раніше. Вони відбивають зміну динаміки руху електронів, як наслідок електронно-топологічного переходу. Результати, одержані в роботі, можна сформулювати у вигляді таких висновків:

1. Експериментально виявлено електронно-топологічний перехід – утворення нової електронної групи в Мо під дією домішок ренію. При концентрації домішки ренію ~ 10ат.% в залежності похідної температури надпровідного переходу по тиску та термоелектрорушійної сили від концентрації домішки спостерігаються екстремуми, що відповідає перетинанню рівня Фермі критичної енергії електронного спектру. Встановлено, що електронно-топологічний перехід проявляється ідентично, як в надпровідному, так і в нормальному стані сплавів Mo-Re.

Це свідчить про те, що спостереження екстремумів в залежностях та можна використовувати, як метод виявлення критичних енергій в електронному спектрі.

Це важливо для прогнозування змін всієї електрон-фононної системи металів та сплавів, які визначають особливі властивості матеріалів.

Зміни електрон-фононних взаємодій приводять до змін надпровідних та нормальних властивостей металів та сплавів. Ці зміни розповсюджуються не тільки на електронні, а і на механічні властивості, такі, як міцність та пластичність.

2. Експериментально доведена електронна природа особливостей, які спостерігаються при дослідженні потрійних систем (Mo_1-х-Re_х)_1-уNb_у, виготовлених на основі подвійної системи Mo_1-х-Re_х з концентрацією вище критичної. В таких системах під дією домішки Nb – протилежної валентності у порівнянні з Re, рівень Фермі зміщується у протилежному напрямку та спостерігається зникнення нової електронної порожнини поверхні Фермі, яка виникла в подвійній системі під впливом домішки Re.

Екстремуми та ) в подвійних та потрійних системах спостерігаються при однакових електронних концентраціях, що відповідає перетинанню рівнем Фермі однієї і тієї ж критичної енергії, але з протилежних боків по енергії.

3. Показана єдина природа впливу процесів розсіювання на електронно-топологічні переходи в нормальному та надпровідному стані. Це виявлено за результатами досліджень електронно-топологічних переходів потрійних та подвійних систем, для яких при однаковій електронній концентрації, але різних остаточних електроопорах, спостерігається зміна значень характеристик в екстремумі у відповідності з різницею остаточних електроопорів в однаковій мірі в надпровідному та нормальному станах.

4. Вперше звернено увагу на складну природу електронно-топологічних переходів в перехідних металах та їх сплавах. На експерименті показано, що це явище має дві особливості: одна – це коренева добавка до густини електронних станів, друга (на порядок менша) спостерігається уперше – це осциляції кінетичних та термодинамічних характеристик на фонї їх нелінійної залежності від зовнішніх параметрів при утворенні малих частин поверхні Фепмі внаслідок електронно-топологічного переходу. Передбачається, що це пов’язано з енергетичним станом електронів на краю зони.

Експериментально показано, що зміна топології поверхні Фермі при електронно-топологічному переході в сплавах Мо-Re супроводжується зміною енергетичного стану електронів у вузькому інтервалі енергій біля дна зони, яка відповідає новій порожнині поверхні Фермі. Це змінює динаміку руху електронів, яка значно впливає на фононну систему і, як нвслідок змінює кінетичні та термодинамічні характеристики матеріалів.

Можна припустити, що це відповідає дискретному характеру спектру (частковій локалізації електронів на краю спектру) нової малої групи на фоні суцільного спектру електронів основних груп.

5. Вперше, за допомогою прямого методу досліджень кристалічних структур –каналювання іонів гелію в кристалі, встановлено зв’язок електронних переходів з утворенням надструктури в кристалічній ОЦК структурі твердого розчину сплавів Мо_1-х-Rе_х.

При концентраціях домішки Rе вище критичної, яка відповідає електронно-топологічному переходу в сплавах Мо_1-х-Rе_х, в спектрах відбиття спостерігаються особливості, пов’язані з утворенням надструктури. В залежності інтенсивності спектру відбиття від кута між кристалографічним напрямком та пучком зарядових частинок з’являється додатковий «пічок», який відображає зміщення атомів в певному кристалографічному напрямку.

Зміщення атомів відносно вузлів рівноважного стану в межах твердого розчину Мо-Re відбувається в одному кристалографічному напрямку <110> внаслідок взаємодій нерівноважної густини електронних станів з іонним остовом кристалу. Природа виникнення нерівноважної густини електронних станів – це особливості стану електронів на краю нової зони при електронно-топологічному переході.

6. Знайдено електронно-топологічний перехід в ренії – утворення діркової порожнини поверхні Фермі, по екстремуму в залежності Т_с(С) / Р при критичній концентрації домішки Мо 2,3ат.%. Визначена критична енергія в електронному спектрі ренію нижче рівня Фермі по мінімуму похідної Т_с(С) / Р в сплавах Re-Mo. Експериментально показана кореляція перегину в залежності Т_с(С) з екстремумом в Т_с(С) / Р при концентрації домішки Мо 2,3ат.%. Це доводить зв’язок підвищення температури надпровідного переходу Re під впливом домішки Мо з електронно-топологічним переходом. Такий висновок підтверджується кількісним порівнянням експерименту з теорією.

7. Визначено кількісні параметри електронно-топологічних переходів в ренії під впливом домішок різних валентностей. Кількісно розділені зміни Т_с в сплавах Re-Mo, Re-Os, які пов’язані з топологічною добавкою до густини електронних станів та плавною складовою змін Т_с(С). Показано, що на фоні плавного зменшення Т_с позитивні топологічні додатки приводять до зростання сумарної зміни Т_с незалежно від валентності домішок. Доведено, що додавання домішок будь-якої валентності підвищує Т_с(С) Re під впливом топологічних переходів.

8. Визначено енергетичні зазори як параметри електронно-топологічних переходів в Mo, Re по результатам даної роботи, в a-U - по літературним даним. В Mo-Re , в Re-Os , в Re-Mo = -0,017 еВ, в a-U =0,003 еВ та . З теоретичних розрахунків такі значення енергетичних зазорів не визначаються, тому що точність розрахунку мала. В той же час, ці результати знаходяться в якісній відповідності з теоретичними розрахунками електронного спектру чистих металів.

Визначено типи електронних переходів: для Мо – утворення електронної порожнини під дією домішок Re; для Re – утворення діркової порожнини під дією домішок Мо та утворення електронної порожнини під дією домішок Os; для a-U утворення електронної порожнини та перемички під дією тиску. Ці результати доповнюють уявлення про тонку структуру електронного спектру цих металів.

9. Показано, що при змінах топології поверхні Фермі, необхідно враховувати не тільки зміни густини електронних станів, але і зміни динаміки руху електронів. Це пов’язано з тим, що нові частини поверхні Фермі відповідають краю спектру – вузькому інтервалу енергій біля дна, вершини або іншої особливої точки електронного спектру, де енергетичний стан електронів вілрізняється від суцільного спектру основної групи електронів. Саме такий підхід дає можливість з’ясувати з єдиної точки зору усі особливості твердих розчинів Мо-Rе, які досліджено. Ці особливості впливають на властивості матеріалів, розповсюджуючись на електронні, механічні властивості, зміну кристалічної структури, фононного спектру при визначених критичних параметрах електронно-топологічного переходу..

Одержані результати можна узагальнити для будь-яких перехідних металів зі складною електронною структурою та топологією поверхні Фермі.

10. Вирішення проблеми, поставленої в представленій роботі, відкрило нові перспективи розвитку цього напрямку – це поширення експериментальних та теоретичних досліджень природи квазідискретного спектру в металах та сплавах, де відбувається електронно-топологічний перехід.

Такі дослідження важливі для встановлення умов появлення квазідискретного спектру електронів поблизу критичної енергії та взаємодій таких електронів з фононами, а також представляють інтерес з точки зору практичного використання цих особливостей. Не виключено, що такі матеріали мають перспективи в застосуванні їх в мікроелектрониці.

Публікації автора:

1. Игнатьева Т.А., Макаров В.И., Черевань Ю.А. О влиянии примесей и давления на температуру сверхпроводящего перехода таллия V // ЖЭТФ.- 1974.- Т.67, В.3.- С.994-1005.

2. Макаров В.И., Клейнер В.З., Игнатьева Т.А. О проявлении фазовых переходов 2^1,2 рода в электронных свойствах a-урана и кадмия // ФНТ.- 1979.- Т.5, №9.- С.1022-1034.

3. Игнатьева Т.А., Черевань Ю.А. Об особенностях изменения температуры сверхпроводящего перехода под давлением для твердых растворов Мо-Re // Письма в ЖЭТФ.- 1980.- Т.31, В.7.- C.389-392.

4. Ярмошенко Ю.М., Ганин Г.В., Нармонев А.Г., Игнатьева Т.А., Черевань Ю.А., Захаров А.И., Курмаев Э.З. Рентгеновские спектры и электронная структура бинарных сплавов молибдена с рением // ФММ.- 1986.- Т.62, №5.- С.932-938.

5. Великодный А.Н., Заварицкий Н.В., Игнатьева Т.А., Юргенс А.А. Термоэдс и электронный топологический переход в системе Mo_1-x-Re_x // Письма в ЖЭТФ.- 1986.- Т.43, В.12.- С.597-599.

6. Игнатьева Т.А., Великодный А.Н., Тихоновский М.А. Вольт-амперные характеристики и тепловая неустойчивость в области резистивного состояния ВТСП керамик // Письма в ЖТФ.- 1991.- Т.17, В.2.- С.61-65.

7. Ignatyeva T.A. Velikodny А.N.. Jankovsky V.A. Peculiarities of I-V characteristics and heat instability of HTSC ceramics. Cryogenics - Supplement. ICMC.- 1992.- V.32.- Р.341-344.

8. Игнатьева Т.А., Ганн В.В., Великодный А.Н. Исследование электронно-топологического перехода в сверхпроводящих сплавах Mo-Re, Mo-Re-Nb // ФНТ.- 1994.- Т.20, №11.- С.1133-1141.

9. Игнатьева Т.А., Великодный А.Н Электронно-топологические переходы в системах Mo-Re, Mo-Re-Nb //Физика и техника высоких давлений.- 1994.- №2.- С.10-14.

10. Игнатьева Т.А., Великодный А.Н. Особенности термоэдс сплавов Mo-Re, Mo-Re-Nb и электронно-топологический переход в этих системах // ФНТ.- 2002.- Т.28, №6.- С.569-579.

11. Великодный А.Н., Игнатьева Т.А. Электро- и теплопроводность сплавов Mo_1-x-Re_x при низких температурах // Вісник Харківського університету. Серія фізична: «Ядра, частинки, поля».- 2002.- В.1 (17), №548.- С.89-92.

12. Великодный А.Н., Игнатьева Т.А. Электро- и теплосопротивление молибдена при низких температурах // Вопросы атомной науки и техники. Серия: «Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники».- 2002.- В. (12), №1.- С.47-49.

13. Игнатьева Т.А., Великодный А.Н. Электронно-топологический переход в системе Re_1-x-Mo_x // Вопросы атомной науки и техники. Серия: «Вакуум, чистые металлы, сверхпроводники».- 2003.- В.(13), №5.- C.78-81.

14. Игнатьева Т.А., Великодный А.Н. Электронно-топологический переход в сплавах Re_1-х-Mo_x и его влияние на температуру сверхпроводящего перехода // ФНТ.- 2004.- Т.30, №5.- С.523-534.

15. Игнатьева Т.А., Великодный А.Н., Саньков А.А. О температурной зависимости удельного сопротивления в сплавах Mo-Re, Mo-Re-Nb // Вопросы атомной науки и техники. Серия: «Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники».- 2004.- В.(14), №6.- C.89-92.

16. Игнатьева Т.А., Великодный А.Н. Электронно-топологические переходы в сплавах рения и их влияние на T_c // Физика и техника высоких давлений.- 2004.- Т.14, №1.- С.117-123.

17. Дикий Н.П., Игнатьева Т.А. Применение метода каналирования заряженных частиц в кристаллах для исследования сплавов Mo-Re // ФТТ.- 2006.- №1.- C.25-29.

18. Игнатьева Т.А. О локализации электронов при электронно-топологическом переходе // ФТТ.- 2007.- В.3.- C.389-397.

19. Игнатьева Т.А. Особенности электронного спектра и температурная зависимость удельного сопротивления молибдена // Вісник Харківського університету. Серія фізична: «Ядра, частинки, поля».- 2007.- В.1/33, №763.- С.81-87.

20. Игнатьева Т.А., Великодный А.Н. Особенности электронного спектра сплавов с электронно-топологическим переходом и их влияние на физические свойства. // Известия РАН. Серия физическая.- 2007.- Т.71, №8.- С.1104-1107.

21. Лифшиц И.М., Брандт Н.Б., Гинзбург Н.И., Понамарев Е.Г., Лазарев Б.Г., Лазарева Л.С., Макаров В.И., Игнатьева Т.А., Ицкевич Е.С., Вороновский А.И. Явление электронно-топологических фазовых переходов металлов при упругих деформациях. Открытие. Диплом №238. Заявка от 2 января 1978г. Официальный бюллетень Государственного комитета СССР по Делам изобретений и открытий, «Открытия, изобретения, промышленные образцы, товарные знаки». 1981.

22. Игнатьева Т.А., Великодный А.Н. Авторское свидетельство №1628787 зарегистрировано в Государственном реестре изобретений СССР 15 октября 1990 по заявке №4602733 от 17 октября 1988.

23. Макаров В.И., Клейнер В.З., Игнатьева Т.А. О влиянии фазовых переходов 2^1/2 рода на электронные свойствах -урана // Материалы 20-го Всесоюзного совещания по физике низких температур, НТ-20, Часть 1, секция: «Электронные свойства при низких температурах», Москва, Черноголовка, январь.- 1978.- С.254-255.

24. Игнатьева Т.А Черевань Ю.А., Саньков А.А. О проявлении изменения топологии поверхности Ферми молибдена под действием примеси рения и давления // Материалы 20-го Всесоюзного совещания по физике низких температур, НТ 20, Часть 111, секция: Сверхпроводимость, Москва, Черноголовка, январь .-1978.- С.171-172.

25. Игнатьева Т.А., Черевань Ю.А. Об особенностях изменения температуры сверхпроводящего перехода под давлением для твердых растворов Мо - Re. ХХ1Всесоюзное совещание по физике низких темпера тур. Тезисы докладов Часть 1.”Сверхпроводимость”. Харьков, сентябрь.- 1980.- С.86-87.

26. Игнатьева Т.А, Черевань Ю.А. О частичной локализации энергетического спектра в системе Мо-Re // Материалы 2-го научного семинара «Металлофизика сверхпроводников». Киев, октябрь.- 1983.- C.210-211.

27. Великодный А.Н., Заварицкий Н.В., Игнатьева Т.А., Юргенс А.А. Термоэдс и электронный топологический переход в системе Mo_1-x-Re_x Труды 24 Всесоюзного совещания по физике низких температур «Электронные явления при низких температурах». Тбилиси.- 1986.- С.166-167.

28. Игнатьева Т.А., Курмаев Э.З., Ярмошенко Ю.М., Ганин Г.В. Особенности в плотности электронных состояний в сплавах Мо-Re // Тезисы конференции «Металлофизика сверхпроводников», часть 111. Киев, март.- 1986.- C.381-382.

29. Ignat’eva T. Velikodny A. Electron spectrum singularities in superconduction characteristics of unordered ystems under pressure// Proc. International Conf. «High pressure science and technology» (XI th АIRAPT) - Kiev: Naukova dumka. 1989.- V.3.- P.187-189.

30. Игнатьева Т.А. Ганн В.В, Великодный А.Н. Электронно-топологический переход в системах Mo-Re, Mo-Re-Nb и его влияние на зависимость // Труды 30 совещания по физике низких температур «Фундаментальные вопросы сверхпроводимости, включая ВТСП».- Дубна.- 1994.- С.127-128.

31. Игнатьева Т.А., Великодный А.Н., Янковский В.А., Еленский В.А. Влияние тонкой структуры электронного спектра Re на температуру сверхпроводящего перехода его сплавов Re-Mo, Re-Оs // Труды 30 совещания по физике низких температур. «Сверхпроводимость».- Дубна.- 1994.- С.129-130.

32. Великодный А.Н., Игнатьева Т.А. Кинетические характеристики сплавов Mo_1-х-Re_х при температурах Т<10К // Труды 8 Международного симпозиума «Высокочистые металлические и полупроводниковые материалы». Харьков.- 2002.- С.199-202.

33. Дикий Н.П., Игнатьева Т.А. Особенности ориентационной зависимости упруго рассеянных ионов гелия в сплавах Mo-Re и электронно-топологический переход // Тезисы докладов 3-й конференции по физике высоких энергий, ядерной физике и ускорителям. 29 февраля-4 марта, Харьков.- 2005.- С.71.

34. Дикий Н.П., Игнатьева Т.А. Особенности каналирования заряженных частиц в сплавах Mo-Re и электронно-топологический переход // Труды Международной конференции «Современное материаловедение: достижения и проблемы», ММS-2005, 26-30 сентября, Киев, Украина.- 2005.- С.825-826.