Upload
others
View
0
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
Radosław Przeniosło
Przejścia fazowe w
nowoczesnych materiałach –
interesujące zjawiska o ważnych
zastosowaniach
Wydział Fizyki
Uniwersytet Warszawski
Grupa
Elementy a i b należą do grupy.
Istnieje działanie ab którego wynikiem jest element c
1. Działanie jest łączne: a(bc) = (ab) c
2. Istnieje element jednostkowy e, taki że: ae = ea = a
3. Dla każdego elementu a istnieje
element odwrotny: a-1, taki że: a a-1= a-1 a = e
Cząsteczka F2SO
F1
F2
SO
Odbicie zwierciadlane
F1
F2
SO
F2
F1
SO
Przekształcenia tworzą grupę
Grupa ma dwa elementy :
-Odbicie zwierciadlane
-Tożsamość (element neutralny): e
e =
e =
= e
-1 =
Tabela mnożenia grupy (Cs)
Struktura CH2Cl2
H 1
H 2
Cl 1
Cl 2
Oś obrotu 2 (180 stopni)
H 1H 2
Cl 1
Cl 2
H 1H 2
Cl 1
Cl 2
Odbicie zwierciadlane: płaszczyzna H1-H2 tzw. równoległa
H 1H 2
Cl 1
Cl 2
H 1H 2
Cl 2
Cl 1
Odbicie zwierciadlane płaszczyzna Cl1-Cl2 tzw. prostopadła
H 1H 2
Cl 1
Cl 2
H 2H 1
Cl 1
Cl 2
Złożenie przekształceń:
H 1H 2
Cl 1
Cl 2
H 2H 1
Cl 1
Cl 2
H 2H 1
Cl 1
Cl 2
H 2H 1
Cl 2
Cl 1
2
Tabela mnożenia grupy Cv
2
2
2
2
2 2
Warunek dyfrakcji:Prawo Braggów
2
2
2d sin = n
Dyfrakcja rentgenowska
Prawo Braggów: n= 2d sin
Monochromatyczne promieniowanie X (0.3....0.7 Å)
Położenie piku 2 Stała sieci
Szerokość piku 2 Rozmiar krystalitu
Naprężenia wewnętrzne
Energia: 5 – 60 keV
Długość fali: 2.5Å – 0.2Å
http://www.nsrrc.org.tw/eng/about/lightsource-1.htmlhttp://www.nsrrc.org.tw/eng/about/lightsource-1.html
Lampa rentgenowska i synchrotron
http://sls.web.psi.ch/view.php/about/whatis/description/whatis/LightRing1.jpghttp://sls.web.psi.ch/view.php/about/whatis/description/whatis/LightTube1.jpghttp://sls.web.psi.ch/view.php/about/whatis/description/whatis/LightTube1.jpg
European Synchrotron Radiation
Facility (ESRF) Grenoble
Obwód: 844 m
Energia 6 GeV
Około 50 linii
eksperymentalnych
ESRF – hala eksperymentalna
Plan instrumentów przy synchrotronie (ESRF)
www.esrf.fr
Magnes zakrzywiający
Zakrzywienie toru elektronów w stałym polu magnetycznym
http://www.nsrrc.org.tw/eng/about/lightsource-3.htmlhttp://www.nsrrc.org.tw/eng/about/lightsource-3.html
Undulator i Wiggler
http://images.google.com/imgres?imgurl=http://www.mariomonsters.com/wiggler/Wiggler1.jpg&imgrefurl=http://www.mariomonsters.com/wiggler/&h=330&w=433&sz=27&tbnid=aANX9mNygCYJ:&tbnh=93&tbnw=123&hl=en&start=3&prev=/images%3Fq%3DWiggler%26svnum%3D10%26hl%3Den%26lr%3D
ESRF ID-31
Trzy undulatory o
długości 1.6 m każdy
Dyfraktometr
Zdjęcia: Prof. A.N. Fitch (ESRF)
Zdjęcie dyfraktometru promieniowania synchrotronowego
Monochromatyczne
promieniowanie synchrotronowe.
Długość fali 0.4 Å = 0.04 nm
Rozmiar wiązki: 1 mm 2 mm
Wiązka oświetla bardzo wiele
kryształów jednocześnie.
Linia ID-31 ESRF Grenoble
Każdej cząstce posiadającej masę przypisuje się fale materii, przy czym
długość fali materii λ, jest odwrotnie proporcjonalna do pędu cząstki p:
gdzie h - stała Plancka
Fale de Broglie'a mogą być rozpatrywane jako fale
prawdopodobieństwa, gdyż kwadrat ich amplitudy w danym punkcie
przestrzeni określa gęstość prawdopodobieństwa znalezienia w tym
punkcie cząstki.
Hipoteza de Broglie’a
L. de Broglie „Waves and Quanta” Nature 112, 540 (1923).
Metoda 2.
Neutrony jako fale materii
λ = h/p
Moderator neutronówEkin= (1/2)mV
2 = (3/2) k T
Temperatura Energia
Neutrony chłodne 10 K 1.3 meV
Neutrony termiczne 300 K 38 meV
Neutrony gorące 1000 K 155meV
Dł. Fali Prędkość
8 Å 500 m/s
1.4 Å 2600 m/s
0.7 Å 5400 m/s
Reaktor w ILL Grenoble
Widok na synchrotron (ESRF)oraz reaktor badawczy (ILL)w Grenoble, Francja
www.esrf.frwww.ill.fr
Przejście fali płaskiej przez dwie szczeliny
ciemność
jasność
G. Möllenstedt and C. Jönsson, Zeit. Für Physik, 155, 472 (1959).
C. Jönsson, Zeit. Für Physik, 161, 454 (1961).
Dyfrakcja elektronów
na szczelinach. (1959)
Elektrony:
U = 50 kV
= 0.05Å
Układ 3 szczelin:
Szerokość: 0.6 m
Odstęp: 2.2 m
A. Zelinger et al. Rev. Mod. Phys. 60, 1067 (1988)
Neutron - 2 szczeliny
(Zeilinger et al. 1988)
Neutron:
= 18.5 Å
Układ 2 szczelin:
Szerokość: 22 m
Odstęp: 100 m
Jak wykonać takie badania ?
Czas pracy instrumentów w dużych ośrodkach
badawczych (Large Scale Facilities) jest
rozdzielany w ramach konkursu projektów.
Polscy naukowcy wykonują tam eksperymenty
z wielu dziedzin nauki jak np. fizyka, chemia,
biologia, geologia itp....
Warunek dyfrakcji:Prawo Braggów
2
2
2d sin = n
Zmiana położenia piku dyfrakcyjnego w funkcji temperatury
Normalna rozszerzalność termiczna
Temperatura rośnie () odległość międzyatomowa d rośnie ()
Wtedy sin maleje () i również kąt maleje (pik przesuwa się w lewo)
210K 150K 100K 50K
sin = /2d
A.D. Fortes, E. Suard, K.S. Knight, Science 331, 742 (2011)
Struktura krystaliczna CD3OD2O
a = 4.65 Å
b = 14.05 Å
c = 4.69 Å
= = = 90
A.D. Fortes, E. Suard, K.S. Knight, Science 331, 742 (2011)
Anormalna rozszerzalność termiczna w kierunku osi a !!
A.D. Fortes, E. Suard, K.S. Knight, Science 331, 742 (2011)
A.D. Fortes, E. Suard, K.S. Knight, Science 331, 742 (2011)
Schematyczne przedstawienie regularnej komórki
elementarnej CaMn7O12Ca
Mn
O
Przykład 2 Współistnienie faz
(Promieniowanie synchrotronowe)
Niska temperatura
T < 300 K
Struktura trygonalna
90.4º
Wysoka temperatura
T > 450 K
Struktura regularna
= 90.0º
15.55 15.60 15.65 15.70 15.75
0
10000
20000
30000
40000
(202)
trygonalny (220)
trygonalny
(220) kubiczny
453 K
443 K
433 K
423 K
413 K
403 K
383 K
373 K
CaMn7O
12 ESRF Grenoble,
Instrument BM-16 = 0.71029 AN
ate
ze
nie
[je
dn
. w
zg
led
ne
]
2 theta [stopnie]
Według: R. Przeniosło, I. Sosnowska, E. Suard, A. Hewat and A.N. Fitch
J. Phys.: Condens. Matter 14, 5747 (2002).
Wniosek:
W obszarze przejścia
fazowego tj. między 400K
a 440 K obydwie fazy
współistnieją w postaci
obszarów o rozmiarach
około 150 nm.
Występuje separacja faz
krystalicznych
Schematyczne przedstawienie zjawiska separacji faz
Niska temperatura Wysoka temperatura
(duży opór właściwy) (mały opór właściwy)
Faza CO Faza CD
Według: W. Sławiński, R. Przeniosło, I. Sosnowska, M. Bieringer, I. Margiolaki, A.N. Fitch and E. Suard,
J. Solid State Chemistry, 179 (2006) 2443-2451.
M. Wuttig & N. Yamada, Nature Materials, 6, 824-832 (2007).
Szybkie chłodzenie
Zachowuje fazę amorficzną
Przykład 3. Zamiana faz materiału w zastosowaniu
do zapisu informacji (Promieniowanie synchrotronowe)
Zapis informacji –
Krótki intensywny
Impuls laserowy
Skasowanie informacji –
Dłuższy impuls
Laserowy o małym natężeniu
M. Wuttig & N. Yamada, Nature Materials, 6, 824-832 (2007).
Wolniejsze chłodzenie
Odbudowuje fazę kryztaliczną
Struktura stopu
Ge2Sb2 Te5
M. Wuttig & N. Yamada, Nature Materials, 6, 824-832 (2007).
M. Wuttig & N. Yamada, Nature Materials, 6, 824-832 (2007).
Crystal Liquid Amorphous
Stage I & II (zapis informacji)
Crystal Liquid Amorphous Crystal
Stage I & II & III (skasowanie informacji)
Czas zapisu ~ 10-8 sek.
Trwałość zapisu (30C) 10 lat
1 rok = 365.25246060 s = 3,153107 s 107 s
Wymagana jest różnica ponad 16 rzędów wielkości czasu !
Obrót kierunku momentów
magnetycznych jonów Fe3+
(badania kryształu NdFeO3 )
Niska temperatura
T < 100 K
Wysoka temperatura
T > 100 K
Według: W. Sławiński, R. Przeniosło, I. Sosnowska and E. Suard, J. Phys.: Condens. Matter 17 (2005) 4605-4614.
x
z
Przykład 4 (Neutrony)
Według: W. Sławiński, R. Przeniosło, I. Sosnowska and E. Suard, J. Phys.: Condens. Matter 17 (2005) 4605-4614.
sin = /2d
Normalna
rozszerzalność
termiczna w
kierunku osi a
Anormalna
rozszerzalność
termiczna w
kierunku osi b !!!
210K → 150K → 100K → 50K
210K → 150K → 100K → 50K
0 100 200 3000
20
40
60
80
100
0 100 200 300
0.9999
1.0000
1.0001
Angle [deg.]
Temperature [K]
Lattice parameter b/b1.5K
Według: W. Sławiński, R. Przeniosło, I. Sosnowska and E. Suard, J. Phys.: Condens. Matter 17 (2005) 4605-4614.
Widok na synchrotron (ESRF)oraz reaktor badawczy (ILL)w Grenoble, Francja
www.esrf.frwww.ill.fr
Darek Wardecki & Wojtek Sławiński (zmęczeni ale zadowoleni)
Warsztaty „Tajemnice dyfrakcji” pon. – czwartek 10 – 12 SSD
Dziękuję bardzo
za uwagę