Przejścia fazowe w nowoczesnych materiałach – interesujące ... › wo › lsf › tl_files ›...

Radosław Przeniosło

Przejścia fazowe w

nowoczesnych materiałach –

interesujące zjawiska o ważnych

zastosowaniach

Wydział Fizyki

Uniwersytet Warszawski

Grupa

Elementy a i b należą do grupy.

Istnieje działanie ab którego wynikiem jest element c

1. Działanie jest łączne: a(bc) = (ab) c

2. Istnieje element jednostkowy e, taki że: ae = ea = a

3. Dla każdego elementu a istnieje

element odwrotny: a-1, taki że: a a-1= a-1 a = e

Cząsteczka F2SO

F1

F2

SO

Odbicie zwierciadlane

F1

F2

SO

F2

F1

SO

Przekształcenia tworzą grupę

Grupa ma dwa elementy :

-Odbicie zwierciadlane

-Tożsamość (element neutralny): e

e =

e =

= e

-1 =

Tabela mnożenia grupy (Cs)

Struktura CH2Cl2

H 1

H 2

Cl 1

Cl 2

Oś obrotu 2 (180 stopni)

H 1H 2

Cl 1

Cl 2

H 1H 2

Cl 1

Cl 2

Odbicie zwierciadlane: płaszczyzna H1-H2 tzw. równoległa

H 1H 2

Cl 1

Cl 2

H 1H 2

Cl 2

Cl 1

Odbicie zwierciadlane płaszczyzna Cl1-Cl2 tzw. prostopadła

H 1H 2

Cl 1

Cl 2

H 2H 1

Cl 1

Cl 2

Złożenie przekształceń:

H 1H 2

Cl 1

Cl 2

H 2H 1

Cl 1

Cl 2

H 2H 1

Cl 1

Cl 2

H 2H 1

Cl 2

Cl 1

2

Tabela mnożenia grupy Cv

2

2

2

2

2 2

Warunek dyfrakcji:Prawo Braggów

2

2

2d sin = n

Dyfrakcja rentgenowska

Prawo Braggów: n= 2d sin

Monochromatyczne promieniowanie X (0.3....0.7 Å)

Położenie piku 2 Stała sieci

Szerokość piku 2 Rozmiar krystalitu

Naprężenia wewnętrzne

Energia: 5 – 60 keV

Długość fali: 2.5Å – 0.2Å

http://www.nsrrc.org.tw/eng/about/lightsource-1.htmlhttp://www.nsrrc.org.tw/eng/about/lightsource-1.html

Lampa rentgenowska i synchrotron

http://sls.web.psi.ch/view.php/about/whatis/description/whatis/LightRing1.jpghttp://sls.web.psi.ch/view.php/about/whatis/description/whatis/LightTube1.jpghttp://sls.web.psi.ch/view.php/about/whatis/description/whatis/LightTube1.jpg

European Synchrotron Radiation

Facility (ESRF) Grenoble

Obwód: 844 m

Energia 6 GeV

Około 50 linii

eksperymentalnych

ESRF – hala eksperymentalna

Plan instrumentów przy synchrotronie (ESRF)

www.esrf.fr

Magnes zakrzywiający

Zakrzywienie toru elektronów w stałym polu magnetycznym

http://www.nsrrc.org.tw/eng/about/lightsource-3.htmlhttp://www.nsrrc.org.tw/eng/about/lightsource-3.html

Undulator i Wiggler

http://images.google.com/imgres?imgurl=http://www.mariomonsters.com/wiggler/Wiggler1.jpg&imgrefurl=http://www.mariomonsters.com/wiggler/&h=330&w=433&sz=27&tbnid=aANX9mNygCYJ:&tbnh=93&tbnw=123&hl=en&start=3&prev=/images%3Fq%3DWiggler%26svnum%3D10%26hl%3Den%26lr%3D

ESRF ID-31

Trzy undulatory o

długości 1.6 m każdy

Dyfraktometr

Zdjęcia: Prof. A.N. Fitch (ESRF)

Zdjęcie dyfraktometru promieniowania synchrotronowego

Monochromatyczne

promieniowanie synchrotronowe.

Długość fali 0.4 Å = 0.04 nm

Rozmiar wiązki: 1 mm 2 mm

Wiązka oświetla bardzo wiele

kryształów jednocześnie.

Linia ID-31 ESRF Grenoble

Każdej cząstce posiadającej masę przypisuje się fale materii, przy czym

długość fali materii λ, jest odwrotnie proporcjonalna do pędu cząstki p:

gdzie h - stała Plancka

Fale de Broglie'a mogą być rozpatrywane jako fale

prawdopodobieństwa, gdyż kwadrat ich amplitudy w danym punkcie

przestrzeni określa gęstość prawdopodobieństwa znalezienia w tym

punkcie cząstki.

Hipoteza de Broglie’a

L. de Broglie „Waves and Quanta” Nature 112, 540 (1923).

Metoda 2.

Neutrony jako fale materii

λ = h/p

Moderator neutronówEkin= (1/2)mV

2 = (3/2) k T

Temperatura Energia

Neutrony chłodne 10 K 1.3 meV

Neutrony termiczne 300 K 38 meV

Neutrony gorące 1000 K 155meV

Dł. Fali Prędkość

8 Å 500 m/s

1.4 Å 2600 m/s

0.7 Å 5400 m/s

Reaktor w ILL Grenoble

Widok na synchrotron (ESRF)oraz reaktor badawczy (ILL)w Grenoble, Francja

www.esrf.frwww.ill.fr

Przejście fali płaskiej przez dwie szczeliny

ciemność

jasność

G. Möllenstedt and C. Jönsson, Zeit. Für Physik, 155, 472 (1959).

C. Jönsson, Zeit. Für Physik, 161, 454 (1961).

Dyfrakcja elektronów

na szczelinach. (1959)

Elektrony:

U = 50 kV

= 0.05Å

Układ 3 szczelin:

Szerokość: 0.6 m

Odstęp: 2.2 m

A. Zelinger et al. Rev. Mod. Phys. 60, 1067 (1988)

Neutron - 2 szczeliny

(Zeilinger et al. 1988)

Neutron:

= 18.5 Å

Układ 2 szczelin:

Szerokość: 22 m

Odstęp: 100 m

Jak wykonać takie badania ?

Czas pracy instrumentów w dużych ośrodkach

badawczych (Large Scale Facilities) jest

rozdzielany w ramach konkursu projektów.

Polscy naukowcy wykonują tam eksperymenty

z wielu dziedzin nauki jak np. fizyka, chemia,

biologia, geologia itp....

Warunek dyfrakcji:Prawo Braggów

2

2

2d sin = n

Zmiana położenia piku dyfrakcyjnego w funkcji temperatury

Normalna rozszerzalność termiczna

Temperatura rośnie () odległość międzyatomowa d rośnie ()

Wtedy sin maleje () i również kąt maleje (pik przesuwa się w lewo)

210K 150K 100K 50K

sin = /2d

A.D. Fortes, E. Suard, K.S. Knight, Science 331, 742 (2011)

Struktura krystaliczna CD3OD2O

a = 4.65 Å

b = 14.05 Å

c = 4.69 Å

= = = 90


Anormalna rozszerzalność termiczna w kierunku osi a !!

Schematyczne przedstawienie regularnej komórki

elementarnej CaMn7O12Ca

Mn

O

Przykład 2 Współistnienie faz

(Promieniowanie synchrotronowe)

Niska temperatura

T < 300 K

Struktura trygonalna

90.4º

Wysoka temperatura

T > 450 K

Struktura regularna

= 90.0º

15.55 15.60 15.65 15.70 15.75

0

10000

20000

30000

40000

(202)

trygonalny (220)

trygonalny

(220) kubiczny

453 K

443 K

433 K

423 K

413 K

403 K

383 K

373 K

CaMn7O

12 ESRF Grenoble,

Instrument BM-16 = 0.71029 AN

ate

ze

nie

[je

dn

. w

zg

led

ne

]

2 theta [stopnie]

Według: R. Przeniosło, I. Sosnowska, E. Suard, A. Hewat and A.N. Fitch

J. Phys.: Condens. Matter 14, 5747 (2002).

Wniosek:

W obszarze przejścia

fazowego tj. między 400K

a 440 K obydwie fazy

współistnieją w postaci

obszarów o rozmiarach

około 150 nm.

Występuje separacja faz

krystalicznych

Schematyczne przedstawienie zjawiska separacji faz

Niska temperatura Wysoka temperatura

(duży opór właściwy) (mały opór właściwy)

Faza CO Faza CD

Według: W. Sławiński, R. Przeniosło, I. Sosnowska, M. Bieringer, I. Margiolaki, A.N. Fitch and E. Suard,

J. Solid State Chemistry, 179 (2006) 2443-2451.

M. Wuttig & N. Yamada, Nature Materials, 6, 824-832 (2007).

Szybkie chłodzenie

Zachowuje fazę amorficzną

Przykład 3. Zamiana faz materiału w zastosowaniu

do zapisu informacji (Promieniowanie synchrotronowe)

Zapis informacji –

Krótki intensywny

Impuls laserowy

Skasowanie informacji –

Dłuższy impuls

Laserowy o małym natężeniu


Wolniejsze chłodzenie

Odbudowuje fazę kryztaliczną

Struktura stopu

Ge2Sb2 Te5



Crystal Liquid Amorphous

Stage I & II (zapis informacji)

Crystal Liquid Amorphous Crystal

Stage I & II & III (skasowanie informacji)

Czas zapisu ~ 10-8 sek.

Trwałość zapisu (30C) 10 lat

1 rok = 365.25246060 s = 3,153107 s 107 s

Wymagana jest różnica ponad 16 rzędów wielkości czasu !

Obrót kierunku momentów

magnetycznych jonów Fe3+

(badania kryształu NdFeO3 )

Niska temperatura

T < 100 K

Wysoka temperatura

T > 100 K

Według: W. Sławiński, R. Przeniosło, I. Sosnowska and E. Suard, J. Phys.: Condens. Matter 17 (2005) 4605-4614.

x

z

Przykład 4 (Neutrony)

sin = /2d

Normalna

rozszerzalność

termiczna w

kierunku osi a

Anormalna

rozszerzalność

termiczna w

kierunku osi b !!!

210K → 150K → 100K → 50K

210K → 150K → 100K → 50K

0 100 200 3000

20

40

60

80

100

0 100 200 300

0.9999

1.0000

1.0001

Angle [deg.]

Temperature [K]

Lattice parameter b/b1.5K


Widok na synchrotron (ESRF)oraz reaktor badawczy (ILL)w Grenoble, Francja

www.esrf.frwww.ill.fr

Darek Wardecki & Wojtek Sławiński (zmęczeni ale zadowoleni)

Warsztaty „Tajemnice dyfrakcji” pon. – czwartek 10 – 12 SSD

Dziękuję bardzo

za uwagę

Przejścia fazowe w nowoczesnych materiałach – interesujące ... › wo › lsf › tl_files ›...

Documents

Transcript of Przejścia fazowe w nowoczesnych materiałach – interesujące ... › wo › lsf › tl_files ›...