ИЗМЕРЕНИЕ ТЕПЛОВОГО РАСШИРЕНИЯ CuIn7Se11

Исследование теплового расширения кристаллов тройного соединения, проводили на кварцевом дилатометре в интервале 80 – 400 К, в котором тепловое расширение твердых тел измеряется относительно теплового расширения кварца. Перед измерениями установку вакуумировали и заполняли инертным газом, что препятствовало разложению образца и его окислению. Температуру измеряли хромель – алюмелевой термопарой. Схема кварцевого дилатометра представлена на рисунке 1.  Дилатометрическая ячейка состоит из кварцевой трубки (7) и кварцевого толкателя (6). Образец закрепляется между выступом на нижнем конце трубки (кварцевый столбик 10) и кварцевым толкателем (6). При изменении температуры удлинение образца передается толкателю, перемещение которого фиксируется дилатометрической головкой (8).

Рисунок 1. Схема кварцевого дилатометра

1 – вакуумный колпак, 2 – измерительная головка, 3 – направляющая кварцевая трубка, 4 – термопара, 5 – кварцевый столбик, 6 – сосуд Дьюара, 7 – кварцевый шток, 8 – нагреватель, 9 – образец, 10 – вакуумируемая кварцевая трубка, 11 – жидкий азот

Измерительная ячейка позволяет производить отсчет удлинения образца с точностью ~ 10^-4  мм, что дает возможность определять коэффициент теплового расширения (α_L) с погрешностью ± 5%.  Нагревание образцов вели со скоростью ~ 3 - 5 К/мин. Такие скорости нагрева позволяли получать воспроизводимые результаты. Измерение температурной зависимости относительного удлинения (∆l/l₀) указанных материалов проводили на образцах монокристаллов, ориентированных параллельно (α_║) и перпендикулярно (α_┴) главной оси кристалла средними размерами диаметр ~ 14-20 мм и длину ~ 40 мм.

Таблица 1

Коэффициенты теплового расширения, температуры Дебая и среднеквадратичные динамические смещения атомов CuIn₇Se₁₁

Коэффициент теплового расширения рассчитывали по соотношению:

a = ,                                                                   (1)

где l₀ – начальная длина образца, dl/dT – изменение длины образца на 1 К.

Температурные зависимости коэффициентов теплового расширения монокристаллов перпендикулярно и параллельно главной оси кристалла представлены в таблице 1 и на рисунках 2 и 3.

Температурные зависимости коэффициентов теплового расширения (КТР) представлены на рисунок 2 и 3 Видно, что для выращенных монокристаллов соединения CuIn₇Se₁₁ характерна значительная анизотропия теплового расширения. КТР вдоль оси с (a_║) меньше КТР вдоль направления а (a_⊥), причем на указанных зависимостях никаких аномалий не наблюдается. Это свидетельствует о том, что в исследованном интервале температур для соединения CuIn₇Se₁₁ фазовые превращения отсутствуют. Наиболее значительные изменения коэффициентов (a_║) и (a_⊥) характерны для интервала температур 80–250 К, после чего влияние температуры заметно снижается и выше 300 К указанные величины изменяются незначительно. Такое поведение КТР связано с изменением степени ангармонизма тепловых колебаний атомов в монокристаллах соединения CuIn₇Se₁₁.

Рисунок 2. Температурная зависимость коэффициента теплового расширения вдоль параллельной оси с (a_║) для монокристалла CuIn₇Se₁₁

Рисунок 3. Температурная зависимость коэффициента теплового расширения вдоль перпендикулярной оси с (α_┴) для монокристалла CuIn₇Se₁₁

Полученные нами значения КТР несколько отличаются от данных, приведенных в работе. Это связано с разными методами измерения. Известно, что рентгеновский и дилатометрический методы определения КТР дают разные по физической сущности результаты. Рентгеновским методом определяют КТР кристаллической структуры, а дилатометрическим непосредственно материала.

Данные расчетов указанных величин представлены в таблице 1. Видно, что с ростом температуры значения температуры Дебая уменьшаются, а среднеквадратичные динамические смещения атомов в соединении CuIn₇Se₁₁ увеличиваются. Такое поведение величин  и свидетельствует об ослаблении химической связи в соединении CuIn₇Se₁₁ с ростом температуры.

Список литературы:

1. Honle, W. Cryst. Res. Technol// W. Gonle, G. Kuhn, U. Boehnke // – 1998. – Vol. 23. – №10/11. – P. 1347. Vol. 384. – No. 1 – 2. –P.1000 – 1002.
2. Wasim, S.M. Phys. Stat. Sol./ S.M. Wasim, C Rincon, G. Marin// – 2002. –Vol. 194. – №1. – P.244.
3. Marin, G. Jpn. J. Appl. Phys./ G. Marin, R. Marguez, R. Guewara, S.M. Wasim // –2000. – Vol.39. – Suppl. 39-1 – P.44.