Особенности локальной структуры квазикристаллов системы Al-Cu-Fe

Актуальность темы

.

Квазикристаллы (квазипериодические 1фисталлы) образуют новый класс твердых тел, свойства которых не укладываются в рамки классической кристаллографии. По степени и характеру упорядочения квазикристаллы занимают место между кристаллическими и аморфными материалами. Их атомная структура отвечает вращательной симметрии, запрещенной в «классической» кристаллографии (например, наблюдаются оси симметрии пятого порядка), т. е. она несовместима с периодичностью. Несмотря на отсутствие трансляционной симметрии, в квазикристаллах наблюдается дальний порядок, о чем свидетельствуют острые максимумы на дифрактограммах. Такой тип дальнего порядка получил название квазипериодического [1].

Квазикристаллы обладают микротвердостью, сравнимой с микротвердостью металлических стекол, а по своим антифрикционным свойствам сравнимы с фторопластами. Поверхностные свойства квазикристаллов уникальны среди металлических сплавов, а химическими элементами, их составляющими, являются Li, Mg, Mn, Al, Cu, Fe, Pd, Pt, Zr, редкие земли и др., что открывает широкие перспективы использования квазикристаллов как добавок, покрытий и т. д. для придания изделиям особых свойств без серьезной модификации состава.

Известные к настоящему времени квазикристаллы образованы, как правило, металлическими компонентами, но обладают рядом свойств, весьма необычных для металлических сплавов. К их числу относится: высокое удельное электросопротивление, существенно превышающее сопротивление как в кристаллическом, так и в аморфном состояниях, значительный отрицательный температурный коэффициент сопротивления, возрастание удельного сопротивления при увеличении степени структурного совершенства образцов при очень сильной чувствительности к составу, низкая теплопроводность и низкий электронный вклад в удельную теплоемкость. Это весьма необычно и требует серьезного теоретического объяснения, согласно одному из которых причина лежит во взаимодействии электронных оболочек атомов, приводящем к локализации электронов внутри кластера.

Поскольку необычность свойств квазикристаллов во многом обусловлена особенностями их локальной структуры, то исследование локальной структуры и симметрии необходимо для понимания свойств этого нового класса веществ.

В связи с вышесказанным, актуальным является исследование особенностей локальной квазикристаллической структуры на основе совместного изучения структур квазикристалла Al-Fe-Cu и его кристалла-префазы (предшественника) с помощью методов, чувствительных к изменению локального упорядочения атомов вещества. К этим методикам относится рентгеновская спектроскопия поглощения (РСП или XAFS — X-ray Absorption Fine Structure), которую разделяют на две области: околопороговую структуру РСП — XANES (X-ray Absorption Near Edge Structure) и протяженную тонкую структуру РСП — EXAFS (Extended X-ray Absorption Fine Structure).

Цель работы.

Целью работы является сравнительное исследование особенностей локальной структуры квазикристаллов и кристаллов Al-Fe-Cu одного стехио-метрического состава при помощи XAFS (EXAFS и XANES) спектроскопии с использованием синхротронного излучения для установления характера перестройки атомов при переходе из кристаллического в квазикристаллическое состояние.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

1. Проведено экспериментальное исследование серии квазикристаллических образцов Al-Cu-Fe различного химического состава и кристалла-префазы (предшественника) одного из квазикристаллов методами EXAFSи XANES-спектроскопии в широком интервале температур 10 — 300 К выше К-Cu и K-Fe краев поглощения;

2. Исследованы параметры локального окружения меди и железа в исследуемых веществах: межатомные расстояния, факторы структурного ра-зупорядочения Дебая-Валлера и координационные числа сфер ближайшего окружения атомов меди и железа;

3. Выполнен анализ изменения симметрии ближайшего окружения атомов меди и железа при переходе из кристаллического в квазикристаллическое состояние;

4. С помощью компьютерного моделирования XANES-спектров проведе, но исследование влияния размеров. кластеров вокруг атомов меди и железа на формирование особенностей формы края поглощения в квазикристалле и его кристалле-префазе;

5. Оценено влияние химического разупорядочения вокруг атомов меди и железа на формирование особенностей XANES при переходе из кристаллического в квазикристаллическое состояние.

Научная новизна работы.

1. Впервые проведено сравнительное исследование особенностей локальной структуры кристалла-префазы и системы квазикристаллов близкого стехиометрического состава в широком интервале температур;

2- Показано, что формирование квазикристаллической структуры сопровождается слабой перестройкой в медной матрице и значительным изменением локального упорядочения вокруг атомов железа;

3. Установлен различный тип симметрии локального упорядочения вокруг атомов меди и железа в квазикристалле и показано различное влияние размера кластера, используемого при XANES-моделировании выше Ккраев поглощения меди и железа на формирование особенностей структуры спектра поглощения в квазикристаллах;

4. На основании совместного анализа EXAFSи XANES-спектров предложена согласованная модель перестройки локального окружения атомов меди и железа в тройном сплаве Al-Cu-Fe, обеспечивающая формирование икосаэдрических квазикристаллов.

Автор выносит на защиту.

1. Результаты экспериментального исследования температурных зависимостей локального окружения атомов меди и железа в кристаллическом и квазикристаллическом состоянии ряда тройных сплавов Al-Fe-Cu.

2. Данные о межатомных расстояниях, факторах структурного разупорядочения Дебая-Валлера и координационных числах сфер ближайшего окружения атомов меди и железа в исследуемых веществах;

3. Результаты моделирования симметрии кластеров ближайшего окружения атомов меди и железа в квазикристаллическом состоянии;

4. Модель локальной перестройки атомов вокруг меди и железа при структурном переходе кристалл-квазикристалл.

Апробация работы.

Материалы диссертации были представлены на следующих конференциях: XTV и XV Международная Конференция по использованию Синхрот-ронного Излучения СИ-2002 и СИ-2004 (Новосибирск, 2002, 2004) — IV Национальная конференция по применению рентгеновского, синхротронного излучений, нейтронов и электронов для исследования материалов РСНЭ-2003 и РСНЭ НАНО-2005 (Москва, 2003,2005) — 12th International Conference on X-ray Absorption Fine Structure, XAFS-12 (Sweden, 2003) — Научная сессия МИФИ-2002 и МИФИ-2004 (Москва, 2002,2004) — Научная конференция ИСФТТ РНЦ «Курчатовский институт» (Москва, 2005), а также на научном семинаре ИСФТТ РНЦ «Курчатовский институт» по физике квазикристаллов (2005).

Публикации по работе.

По теме диссертации опубликовано 3 статьи и 8 тезисов докладов.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. В первой главе проведен обзор литературы по физическим свойствам квазикристаллов, особое внимание уделено влиянию локальной структуры на свойства квазикристаллов и методам исследования локальной структуры. Вторая глава посвящена описанию теоретических основ методов исследования локальной структуры — EXAFSи XANES-спектроскопии. В третьей и четвертой главах представлены результаты экспериментального исследования тройных сплавов Al-Fe-Cu в кристаллическом и квазикристаллическом состояниях методами XAFS-спектроскопии и проведен сравнительный анализ результатов EXAFSи XANES-моделирования.

6.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Целью работы являлось совместное исследование особенностей локальной структуры кристаллов и квазикристаллов Al-Fe-Cu при помощи XAFS (EXAFS и XANES) спектроскопии с использованием синхротронного излучения для установления характера перестройки атомов при переходе из кристаллического в квазикристаллическое состояние.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

1. Проведено экспериментальное исследование серии квазикристаллических образцов Al-Cu-Fe различного химического состава и кристалла-префазы (предшественника) одного из квазикристаллов методами EXAFSи XANES-спектроскопии в широком интервале температур 10 — 300 К выше К-Cu и K-Fe краев поглощения;

2. Исследованы параметры локального окружения меди и железа в исследуемых веществах: межатомные расстояния, факторы структурного ра-зупорядочения Дебая-Валлера и координационные числа сфер ближайшего окружения атомов меди и железа;

3. Выполнен анализ изменения симметрии ближайшего окружения атомов меди и железа при переходе из кристаллического в квазикристаллическое состояние;

4. С помощью компьютерного моделирования XANES-спектров проведено исследование влияния размеров кластеров вокруг меди и железа на формирование особенностей формы края поглощения (XANES) в квазикристалле и его кристалле-префазе;

5. Оценено влияние химического разупорядочения вокруг атомов меди и железа на формирование особенностей XANES при переходе из кристаллического в квазикристаллическое состояние.