Особливості динаміки атомів у нанорозмірній поверхневій області стопів на основі феромагнетних 3d-металів

Abstract

Дану оглядову роботу присвячено 70-річчю Інституту металофізики ім. Г. В. Курдюмова Національної академії наук України (1945–2015 рр.). В огляді містяться результати досліджень динамічних характеристик поверхні феромагнетних монокристалічних стопів систем Fe–Ni і Cо–Nі відділу атомної структури і динаміки поверхні. Інтерес до вивчення динамічних властивостей поверхні металів і стопів обумовлено тим, що пояснення багатьох фізичних, хемічних і механічних властивостей поверхні матеріялів та їх макроскопічної поведінки прямо чи посередньо пов’язується з розгляданням коливального руху поверхневих атомів. Розроблена нова метода комплексної неруйнівної пошарової аналізи з моношаровим розділенням дозволяє вивчати атомову структуру й фізико-хемічні властивості поверхні, такі як елементний склад і динамічні характеристики (Дебайову температуру, середньоквадратичне зміщення атомів, коефіцієнт термічного розширення та силових констант). Встановлено зміну сил міжатомової взаємодії, що відбувається за фазових перетворень у поверхневих шарах феромагнетних стопів. Магнетне впорядкування спричинює значні зміни, як гармонічної, так і ангармонічної компоненти сил міжатомової взаємодії. У свою чергу це приводить до змін коефіцієнта термічного розширення у межах феромагнетної температури Кюрі, а також появи внеску у величини динамічних характеристик, визначених гармонічною складовою. Очевидно, що для поверхні подібні зміни відрізняться від об’ємних, внаслідок специфіки розподілу сил міжатомової взаємодії у поверхневих шарах.

Данная обзорная работа посвящена 70-летию Института металлофизики им. Г. В. Курдюмова Национальной академии наук Украины (1945–2015 гг.). В обзоре содержатся результаты исследований динамических характеристик поверхности ферромагнитных монокристаллических сплавов систем Fe–Ni и Cо–N отдела атомной структуры и динамики поверхности. Интерес к изучению динамических свойств поверхности металлов и сплавов вызван тем, что объяснение многих физических, химических и механических свойств поверхности материалов и их макроскопического поведения прямо или косвенно связывается с рассмотрением колебательного движения поверхностных атомов. Разработанный новый метод комплексного неразрушающего послойного анализа с монослойных разрешением позволяет изучать атомную структуру, элементный состав и динамические характеристики (температуру Дебая, среднеквадратичные смещения атомов, коэффициент термического расширения и силовые константы). Установлено изменение сил межатомного взаимодействия, которые происходят при фазовых превращениях в поверхностных слоях ферромагнитных сплавах. Магнитное упорядочение вызывает значительные изменения как гармоничной, так и ангармоничной компонент сил межатомного взаимодействия. В свою очередь это приводит к изменениям коэффициента термического расширения в пределах ферромагнитной температуры Кюри, а также появления вклада в величины динамических характеристик. Очевидно, что для поверхности подобные изменения отличатся от объемных в силу специфики распределения сил межатомного взаимодействия в поверхностных слоях.

This review work is dedicated to the 70th anniversary of the G. V. Kurdyumov Institute for Metal Physics of National Academy of Sciences of Ukraine (1945–2015). The review reports on the results of investigations of dynamic characteristics of the surface of ferromagnetic single-crystal Fe–Ni and Co–Ni alloys obtained in department of the surface atomic structure and dynamics. Interest in the study of the surface dynamic properties of the metals and alloys is caused by the fact that the explanation of many physical, chemical, and mechanical properties of the surface materials and their macroscopic behaviour is directly or indirectly associated with the consideration of the vibrational motion of the surface atoms. The developed new method for complex non-destructive layer-by-layer analysis with monolayer resolution allows studying the atomic structure, element composition, and dynamic characteristics (Debye temperature, mean-square displacements of atoms, the coefficient of thermal expansion and the force constants). The change of the interatomic forces occurring during the phase transformations in surface region of the ferromagnetic alloys it determined. Magnetic ordering causes significant changes of both harmonic and anharmonic components of interatomic interaction forces. In turn, this leads to changes of thermal expansion coefficient within the range of ferromagnetic Curie temperature and also to the appearance of a contribution to the dynamic characteristics. It is obvious that these changes in the surface differ from the crystal bulk due to the specific distribution of the interatomic interaction forces in the surface layers.