СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ И КОНТРОЛЯ ЗА ТЯЖЕЛОФЕРМИОННЫМ СОСТОЯНИЕМ СИСТЕМ Российский патент 2009 года по МПК G01N23/00 

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 m_эф (в сотни раз превосходящие массу свободного электрона). Величину m_эф 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 I_s/I_о 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 E_f, 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 I_s/E_o 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 E_f.

Таблица 1 Относительная интенсивность в 3d-спектров в системах Се   Се   I_sI_o 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.

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 I_s/I_o не менее 0,4. Технический результат - упрощение определения тяжелофермионного состояния в системах на основе Ce. 1 табл.

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 I_s/I_o не менее 0,4.