научная статья по теме САМОСОГЛАСОВАННОЕ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКОГО НЕФЕРРОМАГНИТНОГО ТВЕРДОГО ТЕЛА НА ПРИМЕРЕ КРЕМНИЯ Физика

Текст научной статьи на тему «САМОСОГЛАСОВАННОЕ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКОГО НЕФЕРРОМАГНИТНОГО ТВЕРДОГО ТЕЛА НА ПРИМЕРЕ КРЕМНИЯ»

ТЕПЛОФИЗИКА ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР, 2004, том 42, № 4, с. 563-571

УДК :539.32.001:669.715

САМОСОГЛАСОВАННОЕ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКОГО НЕФЕРРОМАГНИТНОГО ТВЕРДОГО ТЕЛА

НА ПРИМЕРЕ КРЕМНИЯ

© 2004 г. В. Ю. Бодряков, А. А. Повзнер

Уральский государственный технический университет (УПИ), Екатеринбург Поступила в редакцию 16.12.2002 г.

Разработан алгоритм построения самосогласованной термодинамической модели дебаевского типа для описания температурных зависимостей одновременно всего комплекса базовых теплофизичес-ких свойств неферромагнитного неметаллического изотропного твердого тела. На примере кремния показано, что даже в рамках упрощенных модельных предположений о значениях термодинамических параметров возможно весьма удовлетворительное взаимосогласованное описание термодинамических величин твердого тела в широком интервале температур, исчисляемом многими сотнями градусов Кельвина.

ВВЕДЕНИЕ

Известно, что свойства реальных твердых тел недостаточно удовлетворительно описываются в рамках традиционной модельной теории Дебая-Грюнейзена, которая в настоящее время является по сути единственной общепринятой термодинамической моделью неферромагнитного твердого тела [1, 2]. Одна из причин этого заключается в чрезмерной упрощенности и внутренней противоречивости модели Дебая. В частности, одно из важнейших понятий теории Дебая - характеристическая температура Дебая б, которая согласно классическим представлением является константой вещества и не зависит от температуры. Величина б определяется видом спектра фононных колебаний и представляет собой усредненную характеристику фононного спектра, поскольку тот предполагается квадратичным по частоте и ограниченным сверху дебаевской частотой, а этой предельной частоте соответствует характеристическая температура твердого тела б.

Характеристическая температура Дебая определяется через упругие модули и плотность (молярный объем). Поэтому в противоречие исходным предположениям температура Дебая является явной функцией температуры, в частности, в силу соответствующей температурной зависимости молярного объема, которая обусловлена тепловым расширением [3]. Упругие модули, как следует из термодинамики твердого тела, также являются явными функциями температуры. Калориметрические данные подтверждают наличие температурной зависимости б(Т) (см., например, [4-10]). Наблюдаемая температурная зависимость характеристической температуры - прямое отражение неидеальности фононного спектра

(фононного ангармонизма) и причина ряда особенностей в поведении твердых тел, которые не могут быть объяснены в рамках традиционного подхода [6-15]. В частности, отклонение фактического хода температурной зависимости теплоемкости твердого тела С(Т) от классического закона Дюлонга и Пти не находит объяснения в классической дебаевкой теории и требует допущения зависимости б(Т). Кроме того, имеются отличия в ходе температурной зависимости изобарного коэффициента объемного расширения а(Т) от классического дебаевского поведения, согласно которому а(Т) с повышением температуры должен асимптотически приближаться к постоянной величине [3].

Другим основополагающим параметром теории Дебая-Грюнейзена является постоянная Грю-нейзена, определяемая как изотермическая логарифмическая производная температуры Дебая

Г = -

(д!п б ^ (дЫУ) Т

(1)

Для большинства твердых тел параметр Грю-нейзена положителен и принимает значения порядка единицы. В традиционном подходе Г считается не зависящим от температуры, что плохо соответствует реальному поведению, особенно в области низких температур [3]. Более того, в ряде случаев температурная зависимость Г(Т) столь сильна, что параметр Г в некотором температурном интервале изменяет знак на противоположный. Именно со сменой знака Г связывается наблюдающееся для некоторых объектов, в частности для и ве, явление отрицательного коэффициента теплового расширения ("инварный" эффект), ко-

563

5*

а, отн. ед.

0.40 г

0.35 - О 1

• 2

0.30 -

0.25 -

0.20 - & о о о 8 ^ о о о 8 о 8

0.15 -

0.10 -

0.05 1 1 1 1 | 1

0 100 200 300 400 500 600

T, K

Рис. 1. Коэффициент Пуассона а германия - 1 и кремния - 2 при разных температурах [20].

ТЕОРИЯ

Температура Дебая и обобщенные параметры Грюнейзена. С целью удобства изложения приведем в этом разделе ряд известных соотношений для температуры Дебая и параметра Грюнейзена и осуществим необходимые в дальнейшем преобразования этих соотношений.

Как уже указывалось, характеристическая температура Дебая является усредненной характеристикой фононного спектра твердого тела и может быть найдена в результате дебаевского усреднения "парциальных" температур Дебая

6 =

1/0 3 + 2/6 3

1/3

(2)

"Продольная" температура Дебая 0/ соответствует продольной моде акустических колебаний в твердом теле

торое до сих пор не получило убедительного термодинамического обоснования.

Далее, если на корреляцию температурных зависимостей теплоемкости С(Т) и коэффициента теплового расширения а(Т) прямо указывается в теории, то другой установленный экспериментальный факт корреляции температурных зависимостей теплоемкости и упругих модулей теоретически почти не изучен (см. в этой связи [16]).

Указанные противоречия и ряд других так и не получили детального объяснения, что делает актуальным продолжение исследований в направлении построения самосогласованной термодинамической модели твердого тела. Модель позволила бы в рамках единого подхода описать и спрогнозировать поведение температурных зависимостей всего комплекса базовых термодинамических функций твердого тела, таких как молярная энтропия и теплоемкость, плотность (молярный объем) и коэффициент объемного расширения, модули упругости, температура Дебая, параметр Грюнейзена и др. Попытки решения такой задачи были, к сожалению, малорезультативными (см., например, [17]).

Целью настоящей работы является развитие модельных представлений теории Дебая-Грю-нейзена и построение основ самосогласованного термодинамического подхода к описанию температурных зависимостей комплекса взаимно увязанных термодинамических функций неферромагнитного изотропного твердого тела. Адекватность развитого подхода продемонстрирована на примере кремния, для которого имеется достаточная для анализа справочная экспериментальная информация (см., в частности [3-5, 10, 18-26]).

6 - йС 6' = kB I

^ ^ 2Л7 ч 1/3

h (6 п N A

V

4

+ 3 G

(3)

а "поперечная" температура Дебая - поперечной моде акустических колебаний

h (6п2Na\ 1/3 G

6t - kBl—J Vp-

(4)

В (3), (4) h, kB, Na - постоянные Планка, Больц-мана и Авогадро, V - молярный объем, p = M/V -плотность, K и G - упругие модули всестороннего сжатия (МВС) и сдвига, M - молярная масса. Входящие в выражения (3), (4) упругие модули удобно выразить через модуль всестороннего сжатия K и коэффициент Пуассона а [27]

4 1 - а K + i-G - -K - 3ЕK, 3 1 + а

G - 31- 1/2 а K - 3 Е K. 1 + а t

В (5), (6) использованы обозначения

Е 1 - а

Е - 1 + а'

1 -1/2 а

ut

1 + а

(5)

(6)

(7)

(8)

для зависящих только от коэффициента Пуассона "продольной" 5/ и "поперечной" 5гфункций твердого тела.

Для многих твердых тел коэффициент Пуассона близок к 1/4 и слабо изменяется с температу-

рой. Это следует из рис. 1, где при разных температурах приведен коэффициент Пуассона для германия, имеющего достаточно представительные данные [20] по величине а по сравнению с Термодинамические свойства германия близки к

рассматриваемому в настоящей работе в качестве модельного объекта. В дальнейшем пренебрежем зависимостью коэффициента Пуассона а от температуры, полагая, что если такая зависимость и существует, то является слабой и может быть "учтена" через посредство К(Т) и У(Т) с точностью, вполне достаточной для решения практических задач.

Таким образом, поведение функции б(Т) определяется температурными зависимостями модуля всестороннего сжатия К и молярного объема У, а зависимость температуры Дебая от объема определяется помимо самого объема У соответствующими зависимостями МВС К и коэффициента Пуассона а.

С учетом сказанного температуру Дебая твердого тела удобно представить в следующем компактном виде:

б = А (6 п2 N А )1/3 Д н1/2К1/2У1/6, (9)

где усредненная по Дебаю функция н(а)

1/н3/2 + 2/н3/2

2/3

(10)

Уб =

У ГЭб

б\ЭУу Тр

(11)

Г (1). Необходимость во введении обобщенных параметров Грюнейзена у; твердого тела диктуется единством и удобством дальнейшего изложения материала.

Нетрудно убедиться в справедливости следующих далее соотношений:

Ун

3/2 3/2

У г/ н / + 2 Уг/ н 3 1 /н3/2 + 2/н 3/2 '

(13)

2 3/2 2 3/2

= 5 2 5 У г/ н з + 2У г,/н з + ТН 2Тн 2 1/н3/2 + 2/н 3/2

у*/н3/2 + 2у*,/ н3

+

3/2

(14)

3/2

1/ЕГ + 2/н,

3/2

В свою очередь для обобщенных параметров Грюнейзена первого и второго порядков для продольной (нг) и поперечной (н,) "составляющих" н-функции соответственно имеем

Тн, =

(1-а)( 1 + а)

3

Уа.

а

Ун' а

"Уа>

(15)

(16)

- а (1 + а)

несет информацию о способе усреднения вкладов различных мод акустических колебаний в твердом теле.

Необходимые в дальнейшем безразмерные объемные производные температуры Дебая в условиях постоянства температуры и давления (обобщенные параметры Грюнейзена уе твердого тела) определим как

У *, -

2 а

(1- а) ( 1 + а)2

3

2ауа - (1 + а)у* ], (17)

а

у * = -

' а

-[ 2ау а - (1 + а)у* ]. (18)

- а (1 + а)2

С учетом полученных выше результатов для обобщенных параметров Грюнейзена первого и второго порядков от температуры Дебая б можно записать

* = т ®

(12)

ТР

Аналогичным образом запишем обобщенные параметры Грюнейзена у; твердого тела первого (у)

и второго (у *) порядков для других термодинамических величин, где переменная ; принимает значения ; = б, а, н, К и др. Легко видеть, что параметр уе с точностью до обращения знака совпадает с традиционным параметром Грюнейзена твердого тела

1 1 1

Уб = 2 Тн + 2 у К +1/6б>

У* = У2 -

1 2 1 2 1

.2 * н + 2 У К + 6,

+

1У* + 1У*

(19)

(20)

Выражения для обобщенных параметров Грюнейзена уе будут уточнены вместе с определением выражений для параметров Грюнейзена уК первого и второго порядк

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком