О комплексиях в твердых растворах инертных газов

Abstract

Показана возможность образования в слабых твердых растворах инертных газов, состоящих из двух сортов атомов с существенно различными радиусами, комплексий — равновесных нанокластеров из примесных атомов, термодинамическая устойчивость которых обусловлена релаксацией избыточной упругой энергии при объединении примесных атомов в кластер. Комплексии могут быть двух типов — вакансионные (ВК) и кластерные (КК). В случае ВК примесные атомы связываются в первой координационной сфере вакансии. При этом ВК являются отдельными образованиями и их равновесная концентрация может значительно превышать концентрацию изолированных вакансий. В случае КК образуются кластеры из n атомов примеси, объем которых близок к объему, занимаемому n + 1 (при объединении n атомов меньшего радиуса) или n - 1 (при объединении n атомов большего радиуса) атомами матрицы. Рассмотрение проведено на примере слабого раствора ⁴He в ³He, у которого вследствие различия масс ³He и ⁴He различаются эффективные радиусы атомов в кристалле, что приводит к возникновению упругих напряжений вокруг примеси ⁴He в кристалле.

Показано можливість утворення у слабких твердих розчинах iнертних газiв, що складаються з двох сортiв атомiв з суттєво рiзними радiусами, комплексій — рівноважних нанокластерів із домішкових атомів, термодинамiчна стабiльнiсть яких обумовлена релаксацiею надлишкової пружної енергії при об’єднаннi домiшкових атомiв у кластер. Комплексії можуть бути двох типів – вакансійні (ВК) та кластерні (КК). У випадку ВК домішкові атоми зв’язуються в першій координаційній сфері вакансії. При цьому ВК є окремими утвореннями і їх рівноважна концентрація може значно перевищувати концентрацію ізольованих вакансій. У випадку КК утворюються кластери з n домішкових атомів, об’ем яких наближається до об’ему, який займають n + 1 (при об’єднанні n атомів меншого радіуса) або n - 1 (при об’єднанні n атомів більшого радіуса) атомами матриці. Розгляд проведено на прикладі слабкого розчину ⁴He в ³He, у якого внаслідок різниці мас ³He та ⁴He різняться ефективні радіуси атомів у кристалі, що призводить до виникнення пружних натягів навколо домішку ⁴He в кристалі.

It is shown that in dilute rare-gas solid solution consisting of two types of atoms of essentially different radii there exists a possibility of forming complexes that are thermodynamic equilibrium nanoclusters of impurities atoms. The thermodynamic equilibrium of the complexes is caused by the relaxation of the excess elastic energy of the impurity atoms which is released when the atoms form a cluster. It is found that the complexes of two types can be formed in the solution: vacancy complexes (VC) and cluster complexes (CC). In the case of VC the impurity atoms are bounded in the first coordination sphere of a vacancy. The VCs are individual formations, and their equilibrium concentration may far exceed the concentration of the isolated vacancies. In the case of CC, if a cluster is composed of n impurity atoms, its total volume is equal to the volume occupied by n + 1 (when smaller atoms are clustered) or n - 1 (when larger atoms are clustered) matrix atoms. In the present study we consider, as an example, the formation of the complexes in ⁴He –³He solid solutions. Due to the difference in masses of ³He and ⁴He atoms, their effective radii in the crystal are also different, resulting in elastic strains around the impurity atoms.