Роль акустических фононов в отрицательном тепловом расширении слоистых структур и нанотрубок на их основе

Abstract

На основе проведенных на микроскопическом уровне расчетов объяснена природа отрицательного линейного теплового расширения вдоль некоторых направлений, наблюдаемого экспериментально в ряде кристаллических соединений со сложной решеткой и анизотропным взаимодействием между атома-ми. Проанализированы аномалии температурной зависимости коэффициентов линейного теплового рас-ширения вдоль различных направлений: в слоистых кристаллах, сформированных как моноатомными слоями (графит и графеновые нанопленки), так и многослойными «сэндвичами» (дихалькогениды переходных металлов); в многослойных кристаллических структурах типа высокотемпературных сверхпроводников, в которых анизотропия межатомного взаимодействия не сохраняется в дальнем порядке; в графеновых нанотрубках. Результаты теоретических расчетов сопоставлены с данными рентгеновских, нейтронографических и дилатометрических измерений.

На підставі розрахунків, які проведено на мікроскопічному рівні, пояснено природу від’ємного ліній- ного теплового розширення уздовж деяких напрямів, який спостерігається експериментально у ряді кри- сталічних сполук із складною граткою та анізотропною взаємодією між атомами. Проаналізовано анома- лії температурної залежності коефіцієнтів лінійного теплового розширення уздовж різних напрямків: в шаруватих кристалах, які сформовані як моноатомними шарами (графіт та графенові наноплівки), так і багатошаровими «сендвічами» (дихалькогеніди перехідних металів); у багатошарових кристалічних структурах типу високотемпературних надпровідників, в яких анізотропія міжатомної взаємодії не збері- гається в далекому порядку; у графенових нанотрубках. Результати теоретичних розрахунків зіставлено з даними рентгенівських, нейтронографічних та дилатометричних вимірів.

Calculations on a microscopic level are used to explain the experimentally observed negative linear thermal expansion along some directions in a number of crystalline compounds with complicated lattices and anisotropic interactions between atoms. Anomalies in the temperature dependence of the coefficient of linear thermal expansion are analyzed in layered crystals made up of monatomic layers (graphite and graphene nanofilms) and multilayer “sandwiches” (transition metal dichalcogenides), in multilayered crystal structures such as high-temperature superconductors where the anisotropy of the interatomic interactions is not conserved in the long-range order, and in graphene nanotubes. The theoretical calculations are compared with data from x-ray, neutron diffraction, and dilatometric measurements.