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

Физика Низких Температур: Том 42, Выпуск 5 (Май 2016), c. 513-525 ( к оглавлению , назад )

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

В.В. Еременко¹, А.Ф. Сиренко², В.А. Сиренко¹, А.В. Долбин¹, И.А. Господарев¹

Е.С. Сыркин¹, С.Б. Феодосьев¹, И.С. Бондарь¹, К.А. Минакова³

¹Физико-технический институт низких температур им. Б.И. Веркина НАН Украины пр. Науки, 47, г. Харьков, 61103, Украина
E-mail: feodosiev@ilt.kharkov.ua

²Харьковский национальный университет им. В.Н. Каразина, пл. Свободы, 4, г. Харьков, 61077, Украина

³Национальный технический университет «Харьковский политехнический институт» ул. Багалия, 21, г. Харьков, 61002, Украина

Статья поступила в редакцию 8 февраля 2016 г.

Анотация

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.

PACS: 63.20.–e Фононы в кристаллических решетках.

Ключевые слова: межатомные взаимодействия в кристаллах, фононный спектр, квазигармоническая динамика кристаллической решетки, тепловое расширение.

Oпубликована онлайн: 23 марта 2016 г.

References

1. C. Kittel , Introduction to Solid State Physics (Nauka, Moscow, 1978) (in Russian). Google Scholar

2. W. Kohn and L. J. Sham , Phys. Rev. A 140, 1133 (1965). Google Scholar

3. W. Kohn , Usp. Fiz. Nauk 172, 336 (2002). CrossRef Google Scholar

4. S. Yu. Savrasov and E. G. Maksimov , Usp. Fiz. Nauk 165, 773 (1995). CrossRef Google Scholar

5. D. P. Riley , Proc. Phys. Soc., London 57, 486 (1945). CrossRef Google Scholar

6. I. M. Lifshitz , Zh. Eksp. Teor. Fiz. 22, 475 (1952). Google Scholar

7. R. Nicklow , N. Wakabayashi , and H. G. Smith , Phys. Rev. B 5, 4951 (1972). CrossRef Google Scholar

8. G. L. Belen'kii , R. A. Suleimanov , N. A. Abdullaev , and V. Ya. Shteinshraiber , Fiz. Tverd. Tela 26, 3560 (1984). Google Scholar

9. N. Wakabayashi and H. G. Smith , âPhonons,â in Physical Properties of Solids and Liquids. Neutron Scattering Studies (Mir, Moscow, 1980) (in Russian). Google Scholar

10. A. M. Kossevich , The Crystal Lattice: Phonons, Solitons, Dislocations (Wiley-VCH Verlag, Berlin GmbH, Berlin, 1999). Google Scholar

11. S. B. Feodos'ev , A. A. Gurskas , V. P. Popov , I. A. Gospodarev , E. S. Syrkin , and N. M. Nesterenko , Fiz. Tverd. Tela 31(1), 186 (1989). Google Scholar

12. J. L. van Smaalen de Boer , C. Haas , and J. Kommadeur , Phys. Rev. B 31, 3496 (1985). CrossRef Google Scholar

13. A. Katrusiak , Phys. Rev. Lett. 77, 4366 (1996). CrossRef Google Scholar

14. E. S. Syrkin , S. B. Feodos'ev , K. V. Kravchenko , A. V. Eremenko , B. Ya. Kantor , and Yu. A. Kosevich , Fiz. Nizk. Temp. 35, 208 (2009) E. S. Syrkin , S. B. Feodos'ev , K. V. Kravchenko , A. V. Eremenko , B. Ya. Kantor , and Yu. A. Kosevich , [Low Temp. Phys. 35, 158 (2009)]. CrossRef Google Scholar

15. V. I. Peresada , âA new computational technique in the theory of harmonic oscillations of crystal lattices,â Ph.D. dissertation Phys.-Math. Sciences, Institute of Low-Temperature Physics and Technology, Ukrainian Academy of Sciences, Kharkov, 1972. Google Scholar

16. V. I. Peresada , Physics of the Condensed State (Institute of Low-Temperature Physics and Technology, Ukrainian Academy of Sciences, Kharkov, 1968) (in Russian). Google Scholar

17. V. I. Peresada , V. N. Afanas'ev , and V. S. Borovikov , Fiz. Nizk. Temp. 1, 461 (1975) V. I. Peresada , V. N. Afanas'ev , and V. S. Borovikov , [Sov. Low Temp. Phys. 1, 227 (1975)].CAS Google Scholar

18. I. A. Gospodarev , K. V. Kravchenko , E. S. Syrkin , and S. B. Feodos'ev , Fiz. Nizk. Temp. 35, 751 (2009) I. A. Gospodarev , K. V. Kravchenko , E. S. Syrkin , and S. B. Feodos'ev , [Low Temp. Phys. 35, 589 (2009)]. CrossRef Google Scholar

19. I. A. Gospodarev , V. V. Eremenko , K. V. Kravchenko , V. A. Sirenko , E. S. Syrkin , and S. B. Feodos'ev , Fiz. Nizk. Temp. 36, 436 (2010) I. A. Gospodarev , V. V. Eremenko , K. V. Kravchenko , V. A. Sirenko , E. S. Syrkin , and S. B. Feodos'ev , [Low Temp. Phys. 36, 344 (2010)]. CrossRef Google Scholar

20. A. C. Bailey and B. J. Yates , J. Appl. Phys. 41, 5088 (1970). CrossRef Google Scholar

21. I. K. Galetich , I. A. Gospodarev , V. I. Grishaev , A. V. Eremenko , K. V. Kravchenko , V. A. Sirenko , and S. B. Feodosyev , Superlattices Microstruct. 45, 564 (2009). CrossRef Google Scholar

22. R. Corcorant , P. Meesont , Y. Onuki , P. A. Probst , M. Springford , K. Takita , H. Harima , G. Y. Guo , and B. L. Gyorffy , J. Phys.: Condens. Matter 6, 4479 (1994). CrossRef Google Scholar

23. Yu. A. Kosevich and E. S. Syrkin , Fiz. Nizk. Temp. 9, 624 (1983) Yu. A. Kosevich and E. S. Syrkin , [Sov. Low Temp. Phys. 9, 317 (1983)].CAS Google Scholar

24. C.-H. Du , W. J. Lin , Y. Su , B. K. Tanner , P. D. Hatton , D. Casa , B. Keimer , J. P. Hill , C. S. Oglesby , and H. Hohl , J. Phys.: Condens. Matter 12, 5361 (2000). CrossRef Google Scholar

25. N. A. Abdullaev , T. G. Mamedov , and R. A. Suleimanov , Fiz. Nizk. Temp. 27, 915 (2001) N. A. Abdullaev , T. G. Mamedov , and R. A. Suleimanov , [Low Temp. Phys. 27, 676 (2001)]. CrossRef Google Scholar

26. M. Lei , J. L. Sarrao , W. M. Visssher , T. M. Bell , J. D. Thompson , A. Migliory , U. W. Welp , and B. W. Veal , Phys. Rev. B 47, 6154 (1993). CrossRef Google Scholar

27. E. S. Syrkin and S. B. Feodos'ev , Fiz. Nizk. Temp. 17, 1055 (1991) E. S. Syrkin and S. B. Feodos'ev , [Sov. Low Temp. Phys. 17, 549 (1991)]. Google Scholar

28. A. M. Kosevich , E. S. Syrkin , and S. B. Feodosyev , Phys. Lett. A 167, 94 (1992). CrossRef Google Scholar

29. I. A. Gospodarev , A. M. Kosevich , E. S. Syrkin , and S. B. Feodos'ev , Fiz. Nizk. Temp. 22, 593 (1996) I. A. Gospodarev , A. M. Kosevich , E. S. Syrkin , and S. B. Feodos'ev , [Low Temp. Phys. 22, 457 (1996)].CAS Google Scholar

30. S. B. Feodosyev , I. A. Gospodarev , A. M. Kosevich , and E. S. Syrkin , Phys. Low Dim. Str. 10/11, 209 (1995). Google Scholar

31. I. A. Gospodarev , A. P. Isakina , A. I. Prokhvatilov , E. S. Syrkin , and S. B. Feodos'ev , Fiz. Nizk. Temp. 16, 673 (1990) I. A. Gospodarev , A. P. Isakina , A. I. Prokhvatilov , E. S. Syrkin , and S. B. Feodos'ev , [Sov. Low Temp. Phys. 16, 397 (1990)].CAS Google Scholar

32. S. Mase , T. Yasuda , Y. Horie , M. Kusada , and T. Fukami , J. Phys. Soc. Jpn. 57, 1024 (1988). CrossRef Google Scholar

33. V. K. Fedotov , A. I. Kolesnikov , V. I. Kulakov , E. G. Ponyatovskii , I. Natkanets , Ya. Maier , and Ya. Kravchik , Fiz. Tverd. Tela 35, 310 (1993).CAS Google Scholar

34. L. Pintschovius , N. Pyka , W. Reichard , A. Yu. Rumiantsev , N. L. Mitrifanov , A. S. Ivanov , G. Golin , and A. Bourges , Physica B 174, 323 (1991). CrossRef Google Scholar

35. Y. Xu , M. J. Kramer , K. W. Dennis , H. Wu , A. O'Connor , R. W. McCallum , S. K. Malik , and W. B. Yelon , Physica C 333, 195 (2000). CrossRef Google Scholar

36. Z. Z. Zyman and A. F. Sirenko , Introduction to Radiography, X-Rays and Their Interaction With Matter (Izd-vo KhNU im. V. N. Karazin, Kharkov, 1972) (in Russian). Google Scholar

37. A. V. Dolbin , V. B. Esel'son , V. G. Gavrilko , V. G. Manzhelii , N. A. Vinnikov , S. N. Popov , and B. Sundqvist , Fiz. Nizk. Temp. 34, 860 (2008) A. V. Dolbin , V. B. Esel'son , V. G. Gavrilko , V. G. Manzhelii , N. A. Vinnikov , S. N. Popov , and B. Sundqvist , [Low Temp. Phys. 34, 678 (2008)]. CrossRef Google Scholar

38. A. V. Dolbin , V. B. Esel'son , V. G. Gavrilko , V. G. Manzhelii , N. A. Vinnikov , S. N. Popov , B. A. Danil'chenko , and N. A. Tripachko , Fiz. Nizk. Temp. 37, 744 (2011) A. V. Dolbin , V. B. Esel'son , V. G. Gavrilko , V. G. Manzhelii , N. A. Vinnikov , S. N. Popov , B. A. Danil'chenko , and N. A. Tripachko , [Low Temp. Phys. 37, 589 (2011)]. CrossRef Google Scholar

39. M. I. Bagatskii , M. S. Barabashko , and V. V. Sumarokov , Fiz. Nizk. Temp. 39, 568 (2013) M. I. Bagatskii , M. S. Barabashko , and V. V. Sumarokov , [Low Temp. Phys. 39, 441 (2013)]. CrossRef Google Scholar

40. M. I. Bagatskii , V. G. Manzhelii , V. V. Sumarokov , and M. S. Barabashko , Fiz. Nizk. Temp. 39, 801 (2013) M. I. Bagatskii , V. G. Manzhelii , V. V. Sumarokov , and M. S. Barabashko , [Low Temp. Phys. 39, 618 (2013)]. CrossRef Google Scholar

41. M. I. Bagatskii , M. S. Barabashko , and V. V. Sumarokov , Pis'ma Zh. Eksp. Teor. Fiz. 99, 532 (2014). Google Scholar

42. Carbon Nanotubes, Topics in Applied Physics Vol. 111, edited by A. Jorio , G. Dresselhaus , and M. S. Dresselhaus (Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, 2008). Google Scholar

43. L. D. Landau , Zh. Eksp. Teor. Fiz. 7, 627 (1937). Google Scholar

44. A. N. Aleksandrovskii , V. B. Esel'son , V. G. Manzhelii , B. G. Udovidchenko , A. V. Soldatov , and B. Sundqvist , Fiz. Nizk. Temp. 23, 1256 (1997) A. N. Aleksandrovskii , V. B. Esel'son , V. G. Manzhelii , B. G. Udovidchenko , A. V. Soldatov , and B. Sundqvist , [Low Temp. Phys. 23, 943 (1997)]. CrossRef Google Scholar

45. A. N. Aleksandrovskii , A. S. Bakai , A. V. Dolbin , G. E. Gadd , V. B. Esel'son , V. G. Gavrilko , V. G. Manzhelii , B. Sundqvist , and B. G. Udovidchenko , Fiz. Nizk. Temp. 29, 432 (2003) A. N. Aleksandrovskii , A. S. Bakai , A. V. Dolbin , G. E. Gadd , V. B. Esel'son , V. G. Gavrilko , V. G. Manzhelii , B. Sundqvist , and B. G. Udovidchenko , [Low Temp. Phys. 29, 324 (2003)]. CrossRef Google Scholar

46. M. A. Strzhemechny and I. V. Legchenkova , Fiz. Nizk. Temp. 36, 470 (2010) M. A. Strzhemechny and I. V. Legchenkova , [Low Temp. Phys. 36, 370 (2010)]. CrossRef Google Scholar