Исследование изменений электронной структуры и дефектов

УДК 621.7/.9(06) Физика, химия и компьютерная разработка материалов
В.И. ГРАФУТИН3, ЗИН МИН У1, В.П. КОЛОТУШКИН2,
В.Ю. МИЛОСЕРДИН1, А.Ю. МИЩЕНКО1, В.Н. РЕЧИЦКИЙ2,
В.Т. САМОСАДНЫЙ1, Ю.В. ФУНТИКОВ3, Ю.В. ШТОЦКИЙ1
1Московский
инженерно-физический институт (государственный университет)
2Всероссийский научно-исследовательский институт
неорганических материалов им. А.А.Бочвара
3Институт теоретической и экспериментальной физики
ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗМЕНЕНИЙ
ЭЛЕКТРОННОЙ СТРУКТУРЫ
И ДЕФЕКТОВ СТРУКТУРЫ СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ NiCr
МЕТОДОМ АННИГИЛЯЦИИ ПОЗИТРОНОВ
Предложен метод измерения углового распределения аннигиляционных
фотонов (УРАФ) для исследования изменений электронной структуры и дефектов
структуры в сплавах на основе NiCr. Определены параметры электронной
структуры (энергия Ферми, число электронов проводимости, приходящихся на
один атом металла, их концентрация и др.) и характеристики дефектов
(концентрация, характерный размер и др.) для Cr, Ni и сплавов 41%Cr + 59%Ni.
Настоящая работа посвящена анализу изменений электронной
структуры и характеристик дефектов сплавов Ni-Cr. Известно, что метод
аннигиляции позитронов – наиболее чувствительный метод, применяемый
для выявления изменений характеристик электронной структуры и
свойств дефектов. Наиболее информативным методом представляется
измерения времени жизни позитронов и измерения углового
распределения аннигиляционных фотонов (УРАФ). При совместном
использовании метода УРАФ и метода измерения времени жизни
позитронов получается более точная информация об электронной
структуре материала. Метод УРАФ, основанный на измерении углового
распределения пары аннигиляционных фотонов, позволяет отдельно
исследовать свойства электронов ионного остова (связанных с атомами) и
электронов проводимости. Поскольку электронная структура в дефекте
отличается от электронной структуры в бездефектной области,
характеристики процесса аннигиляции позитронов изменяются. По
различию распределения импульсов электронов в бездефектной области и
в дефекте можно диагностировать изменения электронной структуры и
дефекты структуры исследуемого образца.
В данной работе использовался метод УРАФ. Исследовались
следующие образцы: чистый хром, чистый никель и сплав NiCr,
ISBN 5-7262-0633-9. НАУЧНАЯ СЕССИЯ МИФИ-2006. Том 9
103
УДК 621.7/.9(06) Физика, химия и компьютерная разработка материалов
содержащий 41% хрома и состаренный при температуре 400°С в течение
40000 часов. Аннигиляционные фотоны проходили через коллиматорную
щель и регистрировались детекторами на основе сцинтиллятора NaI (Tl).
Угловое Разрешение установки составило 0,5 мрад.
Обработка экспериментальных данных производилась следующим
образом. При обработке спектров УРАФ предполагалось, что возможна
аннигиляция позитронов при их взаимодействии с электронами
проводимости и ионного остова как в объеме, не содержащем дефекты,
так и в дефектах структуры. Предполагалось также, что число типов
дефектов не более двух. Распределение импульсы электронов остова и
электронов проводимости в дефектах считались не обязательно
совпадающими с импульсами тех же электронов в бездефектной области.
Эти предположения позволяют считать, что наблюдаемое угловое
распределение
аннигиляционных
фотонов
представляет
собой
суперпозицию одной или двух парабол, описывающих аннигиляцию на
электронах проводимости, и одной или двух гауссиан, отвечающих
аннигиляции позитронов на электронах остовов.
Наилучшее согласие экспериментальных данных и теоретической
модели наблюдается при обработке спектров функцией, представляющей
суперпозицию одной гауссианы и двух парабол. Это соответствует
одинаковому распределению по импульсам электронов остова в разных
областях материала и различному распределению электронов
проводимости по импульсам в тех же областях. При этом свойства
угловых распределений в сплаве и чистых металлах таковы, что угловое
распределение фотов в сплаве не есть суперпозиция угловых
распределений в чистых металлах.
Была произведена оценка концентрации дефектов в исследуемых
материалах. В хроме наблюдаются два типа дефектов: комплексы
вакансий с числом вакансий, равным трем («мелкие» комплексы) и
кластеры с числом вакансий около тридцати, в никеле – комплексы
вакансий с числом вакансий, равным четырем (также «мелкие») и
кластеры с тем же числом вакансий в хроме, а в сплаве – те же комплексы
вакансий и кластеры, что в никеле. Концентрации дефектов составили:
«мелких» комплексов в хроме – 3,24*1015 см–3, «мелких» комплексов в
никеле – 7,76*1015 см–3 и сплаве – 8,66*1015 см–3, кластеров в хроме –
7,2*1014 см–3, кластеров в никеле – 1,53*1015 см–3, кластеров в сплаве –
8,66*1014 см–3. Погрешность определения «мелких» комплексов вакансий
составила 0,4*1015 см–3, кластеров – 0,2*1015 см–3.
104
ISBN 5-7262-0633-9. НАУЧНАЯ СЕССИЯ МИФИ-2006. Том 9