Спосіб визначення зміни внесків структурного та температурного розупорядкування в урбахівську енергію твердого кристалічного тіла при фазовому переході першого роду

Спосіб визначення зміни внесків структурного та температурного розупорядкування в урбахівську енергію твердого кристалічного тіла при фазовому переході першого роду, який включає визначення внесків структурного та температурного розупорядкування шляхом температурних дослі джень краю оптичного поглинання твердих кристалічних тіл , який відрізняється тим, що визначають зміну урбахівської енергії ЕU при температурі фазового переходу першого роду Т=Т1 та знаходять зміни внесків температурного (ЕU)T та структурного (ЕU)X розупорядкування за експериментальним значенням ЕU та отриманими при описі температурної залежності ЕU параметрами ЕU0, ЕU1 та температурою Ейнштейна Винахід відноситься до області фізики твердого тіла, зокрема до способів дослідження фазових переходів в твердих тілах, і може бути використаний як ефективний та надійний спосіб визначення зміни внесків структурного та температурного розупорядкування в урбахівську енергію кристалічно го твердого тіла при фазовому переході першого роду. Відомо, що для багатьох твердих тіл поглинання поблизу краю оптичного поглинання зростає за експоненціальним законом, що пояснюється переходами між хвостами дозволених зон, форма H U1 exp U U0 / L U1 1 1 exp L U0 L / , 1 1 , де H U1 - значення параметра EU1 у високотемпературній фазі; L U1 - значення параметра EU1 у низькотемпературній фазі; H U0 - значення параметра EU0 у високотемпературній фазі; L U0 - значення параметра EU0 у низькотемпературній фазі; H - значення температури Ейнштейна котемпературній фазі; у висо C2 U (13) U 1, 90712 U X L U U (11) U (19) - значення температури Ейнштейна у низькотемпературній фазі; Т1 - значення температури фазового переходу першого роду. UA L 3 90712 й величина яких залежить від різних типів розупорядкування. Більше того, було встановлено, що температурна та спектральна залежність коефіцієнта поглинання описується правилом Урбаха [1]: h , 0 exp h 0 (1) , U де ЕU - урбахівська енергія, що є мірою розупорядкованості твердого тіла і характеризує ступінь розмиття краю оптичного поглинання; 0 та Е0 - координати точки збіжності урбахівського "віяла"; h - енергія кванта падаючого світла; Т - температура. Енергетична ширина урбахівського краю оптичного поглинання твердих тіл, як відомо, визначається не тільки температурним, але й структурним розупорядкуванням [2]: U u2 , U2 де К - константа, u2 (2) , та u2 - середньок вадратичні відхилення (зміщення) атомів від їх рівноважних позицій, викликані відповідно температурним та структурним розупорядкуванням кристалічної ґратки. Оскільки зміщення атомів від рівноважних позицій веде до зміни електричного потенціалу кристалічної ґратки, то формулу (2) записують як EU = k0(WT2 + W2X) = (EU)T + (ЕU)X, (3) де k0 - константа, W2T та W2X - середньоквадратичні відхилення від електричного потенціалу ідеально впорядкованої структури, викликані відповідно температурним та структурним розупорядкуванням, а внески температурного (ЕU)T та структурного (ЕU)X розупорядкування в урбахівську енергію вважаються незалежними, еквівалентними та адитивними. Температурне розупорядкування в твердих тілах виникає за рахунок теплових коливань ґратки, що веде до розмиття краю поглинання за рахунок електрон (екситон)-фононної взаємодії. Структурне розупорядкування за своєю природою може бути власним (викликаним внутрішніми дефектами структури, наприклад, вакансіями чи дислокаціями) та індукованим (викликаним такими зовнішніми чинниками, як відхилення від стехіометрії, легування, іонна імплантація, гідрогенізація і т.д.). Найбільш близьким до запропонованого способу визначення зміни внесків структурного та температурного розупорядкування в урбахівську енергію твердого кристалічного тіла при фазовому переході першого роду є метод, який полягає у визначенні внесків температурного та структурного розупорядкування шляхом температурних досліджень краю оптичного поглинання та послідуючого використання моделі Ейнштейна для опису температурної залежності ЕU [3]. Згідно цього методу урбахівська енергія ЕU в моделі Ейнштейна описується за допомогою співвідношення [4]: U U0 U1 exp 1 / 1 , (4) де ЕU0 та ЕU1 - деякі постійні величини, температура Ейнштейна, яка відповідає усередне 4 ній частоті фононних збуджень системи невзаємодіючих осциляторів. За отриманими при описі експериментальної залежності ЕU(Т) параметрами ЕU0, ЕU1 та за допомогою співвідношень (3) і (4) знаходять внески температурного (ЕU)T та структурного (ЕU)X розупорядкування в урбахівську енергію. Недоліком цього методу є те, що він був розроблений для опису твердотільних систем, в яких не відбуваються фазові переходи, і в такому вигляді не може бути застосований для опису твердотільних кристалічних об'єктів, в яких реалізуються фазові переходи першого роду, що супроводжуються відповідними структурними змінами, а також стрибкоподібними змінами таких енергетичних параметрів як ширина забороненої зони та урбахівська енергія. Завданням винаходу є створення способу визначення зміни внесків структурного та температурного розупорядкування в урбахівську енергію твердого кристалічного тіла при фазовому переході першого роду, який дозволяв би ефективно та надійно визначати зміни внесків структурного та температурного розупорядкування в урбахівську енергію твердого тіла при фазовому переході першого роду. Поставлене завдання досягається таким чином, що запропоновано спосіб визначення зміни внесків структурного та температурного розупорядкування в урбахівську енергію твердого кристалічного тіла при фазовому переході першого роду, який включає визначення внесків структурного та температурного розупорядкування шляхом температурних досліджень краю оптичного поглинання твердих кристалічних тіл, який відрізняється тим, що визначають зміну урбахівської енергії ЕU при температурі фазового переходу першого роду Т=Т1 та знаходять зміни внесків температурного (ЕU)T та структурного (ЕU)X розупорядкування за експериментальним значенням ЕU та отриманими при описі температурної залежності ЕU параметрами ЕU0, ЕU1 та температурою Ейнштейна U U X U U L U U 1, H U1 exp U / U0 L U1 1 1 exp L U0 L / , (5) 1 1 , де H1 - значення параметра EU1 у високотеU мпературній фазі; L U1 - значення параметра EU1 у низькотемпературній фазі; H U0 - значення параметра ЕU0 у високотемпературній фазі; L U0 - значення параметра ЕU0 у низькотемпературній фазі; H - значення температури Ейнштейна високотемпературній фазі; у 5 L - значення температури Ейнштейна у низькотемпературній фазі. Т1 - значення температури фазового переходу першого роду. Запропонований спосіб визначення зміни внесків структурного та температурного розупорядкування в урбахівську енергію твердого кристалічного тіла при фазовому переході першого роду, у порівнянні зі способом-прототипом, дозволяє надійно та ефективно визначати зміни внесків структурного та температурного розупорядкування в урбахівську енергію твердого кристалічного тіла при фазовому переході першого роду шляхом температурних досліджень краю оптичного поглинання. Спосіб здійснюється наступним чином: спектрометричним методом досліджують спектральні залежності коефіцієнтів поглинання кристалічного твердого тіла при різних температурах. Потім розраховують урбахівську енергію ЕU, знаходять зміну урбахівської енергії ЕU при температурі фазового переходу першого роду Т=Т1, температурну залежність урбахівської енергії апроксимують співвідношенням (4) у низькотемпературній (ТT1) фазах і за допомогою формул (5) визначають зміни внесків температурного (ЕU)T та структурного (ЕU)X розупорядкування. Приклад конкретного використання запропонованого способу. За допомогою запропонованого способу визначено зміни внесків температурного (ЕU)T та структурного (ЕU)X розупорядкування в урбахівську енергію суперіонного кристала Cu6PSe5I при фазовому переході першого роду. Спектральні залежності коефіцієнтів пропускання Т та відбивної здатності r досліджувалися за допомогою ґраткового монохроматора МДР-3, а значення коефіцієнтів поглинання розраховувалися за формулою 90712 6 1 r 1 ln d 2 1 r 2 4 4 2 2 r , (6) де d - товщина зразка. Потім розраховувалися значення урбахівської енергії, температурну залежність якої наведено на фіг. 1. Видно, що при фазовому переході першого роду, який реалізується в кристалі Cu6PSe5I при T1=263К, зазнають зміни параметри ЕU0, EU1 та , що описують температурні залежності урбахівської енергії. Так, у низькотемпературній фазі (ТТ1) H =22.2меВ, U0 H =44.1меВ, U1 H =700К. Це, у свою чергу, приводить до зміни внесків температурного (ЕU)T та структурного (ЕU)X розупорядкування в урбахівську енергію при фазовому переході першого роду, які складають (ЕU)X = 0.5меВ та (ЕU)T = -4.4меВ. Винахід може бути використаний у науководослідних лабораторіях при оптичних дослідженнях фазових переходів у твердих кристалічних тілах з метою їх використання у ролі функціональних елементів для оптоелектроніки. Джерела інформації: 1. Kurik M.V. Urbach rule (Review) // Phys. Stat. Sol. (a). - 1971. - Vol.8, №1. - P.9-30. 2. Cody G.D., Tiedje Т., Abeles В., Brooks В., Goldstein Y. Disorder and the optical-absorption edge of hydrogenated amorphus silicon // Phys. Rev. Lett. 1981. - Vol.47, №20. - P.1480-1483. 3. Yang Z., Homewood K.P., Finney M.S., Harry M.A., Reeson K.J. Optical absorption study of ion beam synthesized polycrystalline semiconducting FeSi2 // J. Appl. Phys. - 1995. - Vol.78, №3. - P. 19581963. - прототип. 7 Комп’ютерна верстка А. Крулевський 90712 8 Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601