РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК: УРАЛЬСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ. ОТЧЕТ ЗА 2014 год

антиферромагнитное поведение, а соединения Fe

7-х

с более

высоким  содeржанием  титана  (х  ≥  3)  обладают  почти  в  два  раза
большей  намагниченностью  по  сравнению  с  незамещенным
соединением  Fe

и повышенными значениями коэрцитивной силы

при низких температурах (до 24 кЭ) (рис. 5) (Институт физики
металлов УрО РАН).

Рис. 5. Полевые и концентрационные зависимости (вставка)

намагниченности соединения Fe

7-х

Предложены два новых метода управления нелинейными

волновыми  структурами:  для  солитона  нелинейного  уравнения
Шредингера и для связанных состояний в модели Гросса-Питаевского.
Результаты  могут  найти  применение  в  частности  для  подготовки
заданных состояний среды в экспериментах с магнитными пленками и
спинорными  Бозе-конденсатами  (Институт  физики  металлов  УрО
РАН).

Предложена простая модель фазовых превращений в железе и

стали,  учитывающая  решеточные  и  магнитные  степени  свободы,  а
также  диффузию  углерода.  Параметризация  модели  проводится  на
основе первопринципных расчетов обменных взаимодействий в γ- и α-
железе  и  бейновского  пути  γ-α  превращения.  Рассчитанные  линии
старта

ферритного,

бейнитного,

мартенситного

превращений

находятся в хорошем согласии с экспериментом. Моделирование
сдвиговой и диффузионной кинетики адекватно воспроизводит
типичные морфологии выделений. В результате выявляется решающая

роль магнитных степеней свободы в сценариях превращений в стали
(Институт физики металлов УрО РАН).

В результате проведенного при комнатной температуре

нейтронографического исследования полупроводниковых кристаллов с
основным структурным мотивом цинковой обманки Zn

0.9

0.1

S и

0.9

0.1

Se обнаружены и детально изучены признаки проявления

зарождающегося

предпереходного

состояния

ГЦК↔ГПУ

концентрационному фазовому переходу на базе формирующейся
согласованности

подсистеме

атомных

смещений

при

рассматриваемом уровне легирования. Полученные результаты вносят
существенный

вклад

физику

разбавленных

магнитных

полупроводников,  поскольку  обеспечивают  более  ясное  понимание
причины  низкой  растворимости  магнитоактивной  3d-примеси  в
широкозонных матрицах II-VI при отсутствии сферической симметрии
3d-электронной  оболочки  у  замещающих  ионов  (рис. 6)  (Институт
физики металлов УрО РАН).

Рис. 6. Структура полупроводниковых кристаллов Zn

0.9

0.1

S и Zn

0.9

0.1

Se.

Проведен анализ температурных зависимостей верхнего

критического

поля

для

монокристаллических

пленок

CuO

4+δ

/SrTiO

(x = 0.14 – недолегированная область; 0.15 –

оптимально легированная область) с разной степенью беспорядка.

Решетки Бравэ: ГЦК – гранецентрированная кубическая и ГПУ – гексагональная

плотноупакованная.

Показано, что наблюдаемое изменение кривизны температурных
зависимостей второго критического поля H

(T) можно объяснить на

основе  модели  двузонного/двухщелевого  сверхпроводника  в  грязном
пределе  для  разного  соотношения  коэффициентов  диффузии
электронов  и  дырок.  Работа  направлена  на  решение  проблемы
взаимовлияния  электронной  и  дырочной  подсистем  при  перестройке
поверхности Ферми (топологический переход Лифшица) с изменением
уровня легирования и нестехиометрического беспорядка в электронно-
легированных  купратных  сверхпроводниках  (рис. 7)  (Институт
физики металлов УрО РАН).

Рис. 7. Температурные

зависимости второго

критического поля для

оптимально легированных x =

0.15 (вверху) и

недолегированных x = 0.14

(внизу) соединений Nd

CuO

4+δ

. Для сравнения

представлена теоретическая

зависимость H

(T)

в рамках однозонной модели

БКШ

(красная сплошная

линия).

БКШ — теория Бардина, Купера, Шриффера.

На

основе

комплекса

рентгеноспектральных

методов

(рентгеновской  спектроскопии  резонансного  неупругого  рассеяния,
фотоэлектронной и абсорбционной спектроскопии) и расчетов зонной
структуры  и  атомных  мультиплетов  исследованы  оболочки
капсулированных в углерод наночастиц железа Fe@C и никеля Ni@C.
Продемонстрированы  возможности  спектроскопии  резонансного
неупругого рассеяния мягких рентгеновских лучей для анализа зонной
структуры валентной полосы углерода и выделения дефектов Стоуна-
Уэлса  в  нанокомпозитах.  Определены  функциональные  группы,
присоединенные  к  углеродным  оболочкам  нанокомпозитов  и  к
углеродной  оболочке,  выделенной  травлением  нанокомпозитов  Ni@C
и Fe@C (Институт физики металлов УрО РАН).

В соединениях Na

и Na

обнаружены фазовые

переходы порядок-беспорядок, которые сопровождаются резким
ускорением реориентационного движения анионов ([B

]

2−

]

2−

) и трансляционной диффузии катионов

. В

высокотемпературных

фазах

обоих

соединений

наблюдается

исключительно

высокая

ионная

проводимость.

Полученные

результаты важны для выяснения механизмов атомного движения в
перспективных ионных проводниках (рис. 8) (Институт физики
металлов УрО РАН).

Рис. 8. Температурные
зависимости скорости спин-
решеточной релаксации

Na для Na

Скачкообразные изменения
скоростей релаксации
вблизи 520 K связаны с
фазовым переходом.
Сплошными кривыми
показаны результаты
аппроксимации данных по
скорости спин-решеточной
релаксации

Н в

низкотемпературной фазе.

Разработан метод реконструкции адиабатического потенциала

ян-теллеровского  комплекса  на  основе  результатов  ультразвуковых
экспериментов.  Исследованы  температурные  и  магнитополевые
зависимости  поглощения  и  скорости  ультразвука  в  монокристаллах

GaAs  и  ZnSe,  в  которых  ян-теллеровские  комплексы  представлены  в
виде  точечных  дефектов  (3d-примесь,  вакансия).  Установлены  тип
активной  вибронной  моды,  механизмы  релаксации,  определены
величины

минимумов

седловых

точек

нижнего

листа

адиабатического потенциала, их типы и симметрийные свойства
(рис. 9) (Институт физики металлов УрО РАН).

Рис. 9. Энергетическая

поверхность адиабатического

потенциала основного состояния

Cr2+ центра в ZnSe: Cr.

Методами фотоэмиссионной спектроскопии с угловым

разрешением  (ARPES)  и  сканирующей  туннельной  микроскопии
(STM) определена атомная и электронная структура соединения BiTeI,
изучено  влияние  дефектов  и  структурного  несовершенства  на
электронные  свойства.  Впервые  обнаружен  и  изучен  «эффект
старения»  поверхности  со  временем,  связанный  с  изменением
терминации  Te/I  на  поверхности.  На  каждом  типе  поверхности
обнаружено четыре типа дефектов. Показано, что только поверхность с
атомами  йода  может  быть  изменена  остаточными  газами  или
напылением  Cs.  Методом  рамановской  спектроскопии  определены
барические  зависимости  колебательных  возбуждений  BiTeI  в  области
давлений  до  20  ГПа.  Существенное  уменьшение  затухания  Е

моды

обнаружено в области давлений 3-4 ГПа, что предположительно может
быть обусловлено электронным топологическим переходом в этой
области давлений. Методом эллипсометрии исследована дисперсия
компонент

диэлектрической

проницаемости.

Найден

ряд

низкоэнергетических межзонных переходов между расщепленными
ветвями Рашба в области энергий плазменный край – резкий порог

поглощения  0.13-0.6 eV.  Выполнены  оценки  величин  плазменной
частоты  носителей  заряда  (~  0.13 eV)  и  оптической  щели  (~  0.33 eV).
Полученные данные важны для понимания особенностей локализации
и  природы  спин-орбитального  расщепления  в  соединении  BiTeI  с
гигантским  Рашба  расщеплением  (рис. 10)  (Институт  физики
металлов УрО РАН).

Рис. 10. Интенсивность ARPES сразу после скола «in-situ»:

(a) верхняя зона от состояний теллура, нижняя – от йода; (b) через 2 ч после

скола; (c) через 4 ч; (d) через 6 ч; (e) после напыления атомов Cs.

Используя комбинацию приближения Нозьера–Шмит-Ринк и

обобщенный DMFT+Σ подход, изучена температура сверхпроводящего
перехода  Tc  в  неупорядоченной  модели  Хаббарда  с  притяжением.  Tc
рассчитана  для  широкого  интервала  значений  притягивающего
взаимодействия  U  от  предела  слабой  связи  (Tc  определяется
приближением БКШ) к области очень сильной связи (Tc определяется
Бозе-конденсацией  компактных  куперовских  пар).  Показано,  что
неупорядоченность может как снижать Tc (в области слабой связи), так
и существенно повышать ее (в области сильной связи). Однако во всех
этих  случаях  изменения  Tc  определяются  обобщенной  теоремой
Андерсона  и  связаны  с  изменением  эффективной  ширины  зоны
проводимости  (плотности  состояний),  вызванным  беспорядком  (рис.
11, 12) (Институт электрофизики УрО РАН).

Рис. 11. Зависимость критической

температуры от беспорядка для разных

значений силы хаббардовского

притяжения.

Рис. 12. Универсальная зависимость

критической температуры от силы

хаббардовского притяжения для

разных степеней беспорядка.

9. Физическое материаловедение: новые материалы и

структуры, в том числе фуллерены, нанотрубки, графены, другие
наноматериалы, а также метаматериалы.

Предложена

теория

влияния

сверхмалых

количеств

металл/углеродных нанокомпозитов на физико-механические свойства
полимерных

материалов,

основанная

на

инициировании

металл/углеродным  нанокомпозитом  цепного  процесса,  при  котором
происходит  ориентация  макромолекул  и  «самоподобная»  реализация
упорядоченной  структуры  (эффекты  близкого  и  дальнего  действия)
(Институт механики УрО РАН).

Показано, что сфокусированное излучение гелий-неонового

лазера приводит к локальному почернению полупрозрачных пленок из
детонационных

наноалмазов

(ДНА).

Почернение

пленки

сопровождается уменьшением фоновой люминесценции с широкой
спектральной

полосой

появлением

отчетливых

пиков

комбинационного  рассеяния  света,  соответствующих  структурам
наноалмаза  и  sp2-углерода.  Продемонстрирована  возможность  записи
изображений на пленках из ДНА с помощью сфокусированного пучка
маломощного  гелий-неонового  лазера  (Институт  механики  УрО
РАН).

Установлены

закономерности

процессов

формирования

специальных  наноструктурных  слоев,  обеспечивающие  повышение
энергомассовых  характеристик  фотоэлектрических  преобразователей.
Разработаны  теоретические  основы  компьютерного  моделирования

процессов получения специальных наноструктурных слоев в
эпитаксиальных структурах для фотоэлектрических преобразователей.
Разработаны алгоритмы и создан программный комплекс для
моделирования

технологических

процессов

формирования

наноструктурных

слоев

структуре

фотоэлектрических

преобразователей  методом  ионно-лучевой  эпитаксии.  Эти  результаты
являются  научно-техническим  заделом  по  технологии  формирования
кремниевых наногетероструктур со встроенными нанокристаллитами в
условиях сверхвысокого вакуума. Формирование таких систем создает
предпосылки  для  разработки  на  их  основе  электронных  устройств
следующего поколения (Институт механики УрО РАН).

Разработан высокоточный инерционный пьезоэлектрический

нанопривод вращательно-поступательного типа, предназначенный для
осуществления

контроля

дисперсности

наночастиц

методом

сканирующей

зондовой

микроскопии,

обладающий

высокой

точностью шаговых перемещений (до единиц ангстрем) и нагрузочной
способностью ≥ 150 г (рис. 13) (Институт механики УрО РАН).

Рис. 13. Шаговый привод вращательного типа:

1 – винт; 2 – гайка; 3 – крепежный элемент, жестко установленный на винте;

4 – биморфный пьезоэлемент; 5 – инерционный элемент.

Методом молекулярной динамики изучены дефекты упаковки в

12 плоскостях цементита, содержащих векторы Бюргерса [100]

[010]

. Определена энергия стабильных и нестабильных дефектов

упаковки (ДУ). Предложены реакции расщепления полных дислокаций
и оценена возможность распространения дефектов упаковки в
изученных плоскостях. Сопоставление данных моделирования с
результатами

электронно-микроскопических

исследований

показало, что деформация карбидных частиц осуществляется
движением

дефектов

упаковки

α[010](001),

характеризуемых

самыми

низкими

значениями

энергий

ДУ.

На

основе

результатов

моделирования

ДУ

цементите

проведен

кристаллографический анализ механизмов передачи деформации
через межфазную границу Fe/Fe

C в тонкопластинчатом перлите

(Институт физики металлов УрО РАН).

Установлена роль остаточного аустенита как фазовой

структурной

составляющей

легированных

сталей

сплавов

формировании

их

физико-механических

свойств.

Выявлены

режимы

получения

оптимального

количества

остаточного

аустенита

сталях

использованием

разных

обработок:  в  бейнитном  и  межкритическом  интервалах,  при
магнитной  обработке,  глубоком  охлаждении  и  пластической
деформации  с  целью  повышения  их  механических  свойств
(ударной  вязкости,  прочности,  трещиностойкости).  Результаты
исследований  представляют,  как  научный,  так  и  практический
интерес,  позволяя  сделать  правильный  выбор  термомеханической
или

термомагнитной

обработки

для

изделий

из

конструкционных и инструментальных сталей (рис. 14) (Институт
физики металлов УрО РАН).

Получено

прочное

соединение

плакирующего

слоя

из азотсодержащей аустенитной стали типа Х20Н6Г11М2АФБ
и корпусной стали типа 10Н3ХДМБФ. Сопротивление сдвигу
слоев

составило

437-520

МПа.

При

разных

условиях

плакирования

(пакет

горячая

прокатка,

продольная

наплавка + горячая прокатка, взрыв + горячая прокатка)
на

границе

плакирующего

слоя

материала

основы

обнаружено

перераспределение

легирующих

элементов

с образованием мартенситного слоя, который необходимо
учитывать

при

окончательной

термической

обработке

(рис. 15) (Институт физики металлов УрО РАН).

Рис. 14. Схема стабилизации аустенита при термообработке сталей.

Рис. 15. Структура и изменение содержания Fe, Cr, Mn и Ni в переходной зоне

термообработанной плакированной двухслойной стали, полученной

с помощью горячей прокатки двухслойного пакета.

Выявлены закономерности процессов структурообразования в

сталях  эвтектоидного  состава  на  различных  технологических  этапах
производства  высокопрочной  арматуры  большого  диаметра.
Показано,  что  причина  охрупчивания  углеродистой  стали  при
волочении   заключается   в   формировании   кристаллографически-
ориентированной

колонии

перлита

масштабе

бывшего

аустенитного  зерна.  Повышенная  деформируемость,  а  также
формирование  осевой  текстуры  природно-легированных  сталей
обусловлены  способностью  к  ротационной  моде  и  образованием

полос  локализованной  деформации  в  перлите,  цементит  которого
устойчив  к  деформационно-индуцированному  растворению  при
волочении.  Предложены  критерии  выбора  сталей  с  повышенной
технологической  пластичностью  (рис.  16)  (Институт  физики
металлов УрО РАН).

Рис. 16. Перлитные колонии в стали эвтектоидного состава, подвергнутой

патентированию и волочению в многократном прямоточном

волочильном стане RL 120/8.

Разработана технология осаждения и исследованы свойства

покрытий с алмазоподобной углеродной компонентой: нанокомпозитные
и многослойные. Многослойная система из

углеродных и

нанокомпозитных слоев с переменной концентрацией углерода
опробована

на

стоматологических

имплантатах.

Имеются

положительные результаты их тестирования на пациентах. Получены
зависимости

модуля

Юнга

композитов

пористый

титан

–

алмазоподобная  пленка  –  костная  ткань  от  времени  их  формирования.
Установлено,  что  биомеханические  свойства  пористых  титановых
имплантатов претерпевают изменения на стадии формирования в порах
компактной  костной  ткани.  Разработан  композиционный  материал  для
имплантатов,  состоящий  из  металлического  и  пористого  слоев,
модифицированных  алмазоподобным  покрытием  (рис.  17)  (Институт
физики металлов УрО РАН).
Методом ИК-спектроскопии (FTIR) показано, что  нанопорошки Y

полученные методом лазерного синтеза, помимо адсорбированной
воды содержат карбонатные и нитрогруппы, а Al

– только

нитрогруппы. Прокалка нанопорошков при температуре выше 750 °C

на воздухе приводит к полному удалению карбонатных и нитрогрупп,
однако после охлаждения до комнатной температуры нанопрошки
повторно сорбируют H

O и CO

с образованием карбонат-ионов в

случае оксида иттрия, при этом содержание углерода достигает 0,1 мг
на 1 м

поверхности нанопорошка Y

. Данный факт особенно важен

при использовании нанопорошка оксида иттрия для изготовления
оптической керамики и люминофоров, так как приводит к ухудшению
свойств полученных материалов (рис. 18) (Институт электрофизики
УрО РАН).

Рис. 17. Фотографии стоматологического имплантата, многослойного

покрытия, пористого титана и костной ткани.

На вставке показана временная зависимость модуля Юнга

композита «пористый титан – алмазоподобная пленка – костная ткань»

от времени их формирования.

4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000

500

Пропуск

ани

е, %

см

-1

750

900

1200

1400

3443

1511

1395

1631

2920

2855

1075

2927

570

Рис. 18. Характерные ИК-
спектры нанопорошков Y

полученных методом
лазерного синтеза и
прокаленных на воздухе
при температурах 750, 900,
1200 и 1400 °C.

Проведены

комплексные

исследования

механизмов

термического

деформационного

разрушения

фуллеритов.

Установлено,    что    термическое    разрушение    кристаллической
структуры    фуллерита    с  образованием  аморфного  углерода
реализуется  в  узком  температурном  интервале.  Определены
температурные    интервалы    разрушения    фуллеритов    С

, С

их смеси С

60/70

. Показано, что фуллерит С

характеризуется более

высокой термической стабильностью чем С

. Проведен анализ

кинетики  термического  распада  фуллеритов,  определена  энергия
активации  процесса  их  разрушения.  Показано,  что  высокие
деформационные  воздействия,  реализуемые  при  механоактивации
фуллеритов      С

60/70

, приводят, в отличие от термического

разрушения,  к  их  постепенной  аморфизации  с  формированием
ближнего      порядка      от      фуллерито-      до      графитоподобного
углерода.  При  этом  деформационная  стабильность  графита
существенно    ниже    фуллерита.    Показано,    что    как    термическое,
так      и        деформационно-индуцированное        разрушение      кристал-
лической

структуры

фуллерита

сопровождается

деструкцией молекулы фуллеренов (Физико-технический
институт УрО РАН).

10. Актуальные проблемы оптики и лазерной физики,

в том числе достижение предельных концентраций мощности и
энергии во времени, пространстве и спектральном диапазоне,
освоение

новых

диапазонов

спектра,

спектроскопия

сверхвысокого разрешения и стандарты частоты, прецизионные
оптические измерения, проблемы квантовой и атомной оптики,
взаимодействие излучения с веществом.

В целях повышения качества активных оптических волокон

изучено    распределение    концентрации    легирующей    примеси    по
длине    заготовок,    из    которых    изготавливают    волокна.      На
основе    измерения    интенсивности    люминесценции    предложена
и    реализована    методика    определения      однородности
распределения    легирующей    примеси    по    длине    заготовки.
Полученные результаты позволяют сделать рекомендации в изменении
технологических  режимов  для  повышения  качества  активных
оптических волокон (рис. 19, 20) (Лаборатория фотоники ПНЦ УрО
РАН).

Рис. 19. Макет установки.

Рис. 20. Распределение интенсивности люминесценции по длине заготовки.

11. Фундаментальные основы лазерных технологий,

включая обработку и модификацию материалов, оптическую
информатику, связь, навигацию и медицину.

Предложен и экспериментально продемонстрирован новый

способ  получения  изображения  с  разрешением,  превышающим
дифракционный предел микроскопа. Разрешающая способность метода
ограничена  только  размерами  используемых  наночастиц  (до  10  нм).
При  помощи  регистрации  картины  свободного  движения  наночастиц
над  поверхностью  образца  и  анализа  интенсивности  света,
рассеиваемого частицами, достигнуто разрешение 96 нм для объектива

с числовой апертурой 0,4, что превышает теоретический предел
разрешения используемого микроскопа более чем в шесть раз (рис. 21)
(Институт электрофизики УрО РАН).

Рис. 21. Получение

изображения с разрешением,

превышающим

дифракционный предел

микроскопа.

Разработана методика и синтезированы образцы Ho:YAG

керамики с пористостью 3·10

-3

об.%, размерами кристаллитов

~14  мкм    и    светопропусканием    в    инфракрасной    области    более
82%.      В      Институте      лазерной      физики        СО      РАН      на      образце
Ho:YAG  керамики,  синтезированной  в  ИЭФ  УрО  РАН,  при
внутрирезонаторной   накачке   получена   генерация   излучения   на
длине      волны      2,09  мкм      с      оптической      эффективностью      40%.
Керамика   такого   состава   и   качества,    а   также   генерация   в
ней,  получены  в  нашей  стране  впервые  (рис.  22,  23)  (Институт
электрофизики  УрО  РАН  совместно  с  Институтом  лазерной
физики СО РАН (г. Новосибирск)).

Рис. 22. Спектры пропускания и фотографии керамик Ho:YAG.

Рис. 23. Схема накачки и зависимости мощностей генерации от

поглощаемой мощности накачки.

Впервые в мире идентифицированы оптические переходы в

области волновых чисел 10565–17215 см

-1

и измерена энергия

штарковских уровней иона Nd

, расположенного в кристаллической

решетке оксида иттрия метастабильной моноклинной фазы. По
спектру пропускания моноклинного Nd

построена диаграмма

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК: УРАЛЬСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ. ОТЧЕТ ЗА 2014 год - часть 2