Способ получения и контроля за тяжелофермионным состоянием систем
Владельцы патента RU 2372609:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования (ГОУВПО) "Удмуртский государственный университет" (RU)
Изобретение относится к способам исследования и анализа при помощи рентгеновского излучения. В способе получения и контроля за тяжелофермионным состоянием систем на основе Ce со степенью ковалентности от 0,4 до 0,6 и запрещенной зоной от 0 до 3 эВ, путем рентгеноэлектронного воздействия в магнитном поле, об изменении пространственного распределения плотности в окрестности атома судят по появлению на рентгеноэлектронном спектре наряду с основными сателлитных линий, а о наступлении тяжелофермионного состояния в системе судят по достижению отношений интенсивностей сателлитных линий к основным Is/Io не менее 0,4. Технический результат - упрощение определения тяжелофермионного состояния в системах на основе Ce. 1 табл.
Изобретение относится к способам исследования и анализа при помощи рентгеновского излучения.
Известен метод ускорения низкотемпературной реакции ядерного синтеза в тяжелофермионных системах [1], в котором вырастание активной массы электронов в десятки раз приводит к сближению ядер дейтерия и трития на расстояние, необходимое для ядерной реакции.
Известно использование тяжелофермионных материалов для термически стабилизирующихся систем [2], работающих ниже 10К, особенно для сверхпроводящих систем. Эти материалы имеют чрезвычайно высокую теплоемкость, ниже 10К, а интенсивность магнитного поля не имеет практически никакого влияния на их теплоемкость, что делает их весьма пригодными для термически стабилизирующихся сверхпроводящих обмоток электромагнита.
Класс соединений на основе f элементов (Ce) привлекает значительное внимание необычными физическими свойствами, связанными с наличием f электронов. Для таких систем характерно тяжелофермионное состояние, возникающее при определенных внешних воздействиях.
Тяжелофермионные системы имеют самые большие эффективные массы mэф (в сотни раз превосходящие массу свободного электрона). Величину mэф можно найти, зная коэффициент γ электронного вклада в теплоемкость материала при низких температурах Т (0-20К). Коэффициент γ достигает значений в 1000 раз больше значений γ в типичных металлах. При этом известно, что расстояние f-f электронов соседних атомов не менее 3,5-4,5 эВ [3]. 3,5-4,5 эВ [3].
В [4] показано, что в качестве тяжелофермионных соединений Се используются соединения со степенью ковалентности от 0,3 до 0,7 и запрещенной зоной больше нуля и меньше 3 эВ. При этом в качестве тяжелофермионных систем используются соединения Се с элементами IIIA-VIA групп Периодической системы или переходным металлом с заполненной или близкой к заполнению d оболочкой.
За прототип выбран способ определения тяжелофермионного состояния в системах на основе Ce (Ce-X, где X-элемент групп IVА-VIА Периодической системы) со степенью ковалентности от 0,4 до 0,6 и запрещенной зоной больше 0 и меньше 3 эВ [4], осуществляемый по значению коэффициента электронной теплоемкости при низких температурах от 0 до 20К.
Известен метод рентгеноэлектронной спектроскопии [5]. При этом использование рентгеноэлектронных магнитных спектрометров над электростатическими имеет преимущество в связи с возможностью получения спектров высокой контрастности.
Однако способ определения тяжелофермионного состояния в системах на основе Ce по значению коэффициента электронной теплоемкости возможен при температурах от 0 до 10К, что технически затруднено.
Указанный недостаток устранен в предлагаемом изобретении. Способ получения и контроля за тяжелофермионным состоянием систем на основе Се со степенью ковалентности от 0,4 до 0,6 и запрещенной зоной от 0 до 3 эВ путем ренгеноэлектронного воздействия в магнитном поле отличается тем, что об изменении пространственного распределения плотности в окрестности атома судят по появлению на ренгеноэлектронном спектре наряду с основными сателлитных линий, а о наступлении тяжелофермионного состояния в системе судят по достижению отношений интенсивностей сателлитных линий к основным Is/Iо не менее 0,4.
Если при внешних воздействиях наблюдается аномально сильная перестройка орбиталей, перекрытие волновых функций электронов, гибридизация электронной плотности свободных сильнолокализованных состояний с электронной плотностью делокализованных занятых состояний, это может привести к резкому повышению плотности состояний у Ef, росту в несколько сот раз эффективной массы электронов проводимости и коэффициента электронной теплоемкости, т.е. к тяжелофермионному состоянию.
Образование одной или нескольких вакансий на основных уровнях одного из атомов в веществе ведет к реорганизации волновых функций валентных электронов, связанной с изменением пространственного распределения электронной плотности в окрестности этого атома. В связи с этим рентгеноэлектронные спектры (РЭС) несут информацию о распределении в веществе электронной плотности, возмущенной полем вакансий.
В результате реорганизации валентных состояний полем вакансий в рентгеноэлектронных спектрах кроме основной линии (нерелаксированное конечное состояние) наблюдаются сателлитные линии, отражающие релаксированное конечное состояние. Причем интенсивные сателлитные линии в рентгеноэлектронных спектрах возникают в тех случаях, когда недалеко по энергии от занятых одноэлектронных состояний в веществе есть свободные состояния с той же симметрией, на которые поле вакансий действует существенно сильнее, чем на занятые. Это происходит в том случае, когда волновые функции свободных состояний пространственно локализованы на рассматриваемом ионизированном атоме сильнее, чем функции соответствующих занятых состояний. Такая ситуация может реализовываться для соединений элементов с частично заполненными и незаполненными 4 f-состояниями (Ce).
Следовательно, аномально сильная перестройка свободных сильно локализованных 4f и занятых делокализованных орбиталей влияет на появление тяжелофермионного состояния и релаксированного конечного состояния в рентгеноэлектронных спектрах.
Пример конкретного осуществления способа
Проводили рентгеноэлектронное исследование систем Ce-X, Ce-Me и Ce-Me-X (X-элемент из IIIA-VIA групп, Me - элемент с заполненной или близкой к заполнению d-оболочкой) с различной степенью ковалентности и величиной запрещенной зоны для определения связи тяжелофермионного состояния с электронной структурой, а также нахождения параметров рентгеноэлектронных спектров, связанных с появлением тяжелофермионного состояния.
Рентгеноэлектронные спектры получены на электронном магнитном спектрометре в радиусом орбиты электронов от 10 до 100 см при возбуждении электронов рентгеновским излучением AlKα (1438 эВ), позволяющим исследовать 3d-спекты Се.
Исследовались спектры 3d-уровней систем Ce (см. таблицу 1). Анализ формы исследованных спектров 3d-уровней систем Ce с различным типом химической связи показал следующее: релаксированному 1 конечному состоянию системы соответствует структура с низкоэнергетической стороны 3d-спектра Се. Эта сателлитная структура связана с процессами встряхивания с выделением энергии (shake-down).
В таблице 1 приведены значения положений shake-down сателлитов и их интенсивностей относительно значений положений и интенсивности основного спектра (нерелаксированного конечного состояния) и степень ковалентности (γ).
Как видно из таблицы, в 3d-спектрах Ce интенсивность сателлитов увеличивается по мере роста степени ковалентности (γ) в химической связи между атомами системы и имеет максимум при γ~0,4-0,5. При дальнейшем росте γ отношение Is/Eo уменьшается и минимально для чисто ковалентных систем и металлов. Положения сателлитов близки для систем с различной химической связью. Для того чтобы имел место процесс shake-down с выделением энергии, необходимо, чтобы под влиянием потенциала вакансии 4f-уровень энергетически сместился ближе к Ef.
| Таблица 1 | ||
| Относительная интенсивность в 3d-спектров в системах Се | ||
| Се | ||
| IsIo | γ | |
| СеСl | 0,5 | 0,38 |
| CeS | 0,4 | 0,60 |
| КСе(РО3)4 | 0,6 | |
| Се | 0,25 | |
| СеВr3 | 0,5 | 0,48 |
| CeN | 03 | 0,38 |
| CeSb | 0,17 | 0,87 |
| CeF | 0,1 | 0,13 |
| CeCu2Si2 | 0,5 |
Уменьшение интенсивности сателлита (релаксированного конечного состояния) при увеличении γ>0,5 связано с уменьшением f-f расстояния между атомами, сближением и перекрытием f-оболочек соседних атомов Се, т.е. делокализацией f-плотности электронных состояний. Критерием этого является f-f расстояние не менее 3,5-4 эВ [5]. Следовательно, степень ковалентности не должна превышать 0,5, при этом запрещенная зона АЕ должна быть больше 0 и менее 3 эВ.
Под действием рентгеновского излучения образуются вакансии на внутренних уровнях атома в веществе. Это приводит к реорганизации волновых функций валентных электронов. В связи с этим рентгеноэлектронные спектры несут информацию о распределении в веществе электронной плотности, возмущенной полем вакансии, что приводит к появлению сателлитных линий в спектрах.
По форме рентгеноэлектронных спектров осуществляют контроль за появлением тяжелофермионного состояния - возникновения в спектре Ce3d сателлитов shake-down, а по интенсивности shake-down сателлита судят о степени тяжелофермионного состояния.
Таким образом, метод рентгеноэлектронной спектроскопии по предлагаемому изобретению является одновременно средством получения и средством контроля за тяжелофермионным состоянием систем.
Источники информации
1. Патент RU №2145122. Метод низкотемпературной реакции ядерного синтеза в тяжелофермионных системах. МКИ G021B 1/00. 27.01.2000.
2. Патент RU №4623862. Термически стабилизированные сверхпроводники. МКИ H01F 7/22. 18.11.1986.
3. Stewart G.R. Heawy-femiions systems, Red. Mod. PHyz. vo 1.56. N 34.1984. Физика за рубежом. Исследование, сборник статей. М.: Мир, 1987.
4. Патент RU №2296185. Способ упрочнения изделий. С23С 30/00. 27.03.07 (прототип).
5. К.Зигбан, К.Нордлинг и др. Электронная спектроскопия. М.: Мир, 1971. 494 с.
Способ получения и контроля за тяжелофермионным состоянием систем на основе Ce со степенью ковалентности от 0,4 до 0,6 и запрещенной зоной от 0 до 3 эВ путем рентгеновского излучения в магнитном поле спектрометра, отличающийся тем, что об изменении пространственного распределения электронной плотности в окрестности атома судят по появлению на рентгеноэлектронном спектре наряду с основными сателлитных линий, а о наступлении тяжелофермионного состояния в системе судят по достижению отношений интенсивностей сателлитных линий к основным Is/Io не менее 0,4.
