Термодинамика атомарного монослоя с двухатомными примесями замещения

Abstract

Теоретически исследована низкотемпературная термодинамика двумерной одноатомной кристаллич еской матрицы, содержащей примеси двухатомных молекул. Типичными примерами систем такого рода являются моноатомные слои инеpтных газов (Ne, Ar, Kr, Xe), включающие молекулы типа N₂, O₂ . Еще одним примером служат пленки водорода, представляющие собой смесь орто- и паракомпонентов. Получены выражения, описывающие кристаллическое поле для двухатомной примеси, учитывающие как вклад атомов 2D матрицы, так и поле, создаваемое атомами подложки. Таким образом, эффективное кристаллическое поле оказывается сложной функцией ориентации примеси-ротатора. В частности, равновесная ориентация ротатора существенно зависит от соотношения между амплитудами полей матрицы и подложки. Так, если притяжение со стороны подложки является преобладающим, то в состоянии равновесия ротатор ориентирован перпендикулярно слою, в противном случае равновесная ориентация ротатора соответствует одному из его положений в плоскости слоя. В указанных двух случаях спектры вращательных состояний двухатомных примесей и,следовательно,термодинамические характеристики системы оказываются существенно различными.В темпеpатуpной зависимости примесной теплоемкости системы наблюдается низкотемпературный пик, положение которого отвечает температурам T ~ B/2 (B - вращательная постоянная примеси) для ротаторов, лежащих в плоскости слоя, и T ~ √KB (K - амплитуда кристаллического поля) для ротаторов, перпендикулярных слою. Такое поведение системы в принципе доступно для экспериментального обнаружения.

The low-temperature thermodynamics of a two-dimensional monatomic crystalline matrix containing a diatomic molecular impurity is investigated theoretically. Typical examples of this type of system are monatomic layers of rare gases (Ne, Ar, Kr, Xe) with included molecules of the type N₂ and O₂. Another example is a hydrogen film, which is a mixture of ortho and para components. Expressions are obtained which describe the crystalline field for a diatomic impurity with allowance for both the contribution of the atoms of the 2D matrix and the field created by the atoms of the substrate. Thus the effective crystalline field is a complicated function of the orientation of the diatomic rotator. In particular, the equilibrium orientation of the rotator depends substantially on the relative amplitudes of the crystalline fields of the matrix and substrate. For example, if the attraction exerted by the substrate is dominant, then the rotator in the equilibrium state will be oriented perpendicular to the layer, and in the opposite case the equilibrium orientation of the rotator will correspond to one of its positions in the plane of the layer. In these two cases the spectra of rotational states of the diatomic impurities and, hence, the thermodynamic characteristics of the system are substantially different. The temperature dependence of the impurity specific heat of the system exhibits a low-temperature peak, the position of which corresponds to temperatures T~B/2 (B is the rotational constant of the impurity) for rotators lying in the plane of the layer, and T~√KB (K is the amplitude of the crystalline field) for rotators perpendicular to the layer. Such behavior of the system is in principle amenable to experimental observation.