Проблемы высокорезистивного состояния актинидов и их сплавов

Современные технические и технологические решения в основном базируется на особых свойствах искусственно создаваемых материалов, таких как металлические сверхрешетки, манганиты, искусственные соединения металлов с металлами, полупроводниками и изоляторами. Искусственно синтезированными являются не только различные композиты, но и все следующие за ураном металлы — нептуний, плутоний, америций, кюрий, калифорний, полученные около пятидесяти лет тому назад в результате распада и эволюции урана при ядерных реакциях. Эти металлы, как и их сплавы, наряду с торием и ураном, являются уникальными и самыми перспективными источниками термальной энергии, катализаторами ядерных реакций. Поэтому фундаментальные вопросы физики искусственных металлов оказались в центре внимания многих исследований и не только в специализированных научных центрах.

По своим основным признакам, трансурановые металлы являются представителями хорошо изученного ряда переходных металлов. Но палитра аномальных свойств актинидов, даже на фоне неординарной физики переходных и редкоземельных металлов, поражают своим многообразием. Часть этих аномалий связана с множественными фазовыми переходами, другие обусловлены проявлением различных типов взаимодействий, флук-туациоиными или резонансными эффектам, с особенностям рассеяния, распада и процессами эволюции и динамики дефектов. Спектр обнаруженных в области кроссовера. С другой стороны, объяснения ряда наблюдаемых аномалий без привлечения представлений физики тяжелофермионных систем не представляется возможным.

По резистивным свойствам материалов в физике конденсированного состояния определяется или оценивается плотность числа токоносителей и проводится разделение и классификация тех или иных систем на металлы, полупроводники, диэлектрики и изоляторы. Поэтому, исторически, резистивным свойствам материалов всегда уделяется повышенное внимание. Изучение и объяснение температурных и температурно — концентрационных зависимостей электросопротивления различных систем являются неотъемлемой частью любого комплексного их исследования, в том числе и актинидов.

Измеренные значения удельного электросопротивления актинидов побили все рекорды. Так, определённые значения удельного электросопротивления относительно чистого плутония при комнатной температуре составили ~ 120 [хПст [7]. В америции, под давлением 25−30 СРа удельное электросопротивление при комнатных температурах доходит до 400 ¡-10ст при сохранении металлического типа проводимости [8]. Даже при том, что комнатные температуры для актинидов — очень высокие — порядка 3во, (во — температура Дебая), измеренные значения удельного электросопротивления рекордно огромны. Естественно, что вопросы, связанные с физикой высокорезистивного состояния этих металлов стали обсуждаемыми не менее, чем проблемы гигантских изменений объема при фазовых переходах или природы основного состояния актинидов.

Для «чистых» актинидов, с точки зрения классической теории рассеяния, ситуация является катастрофической. Даже с учетом корректирующих поправок на самооблучение, их удельное сопротивление (при комнатной температуре) 40-т- 120 ¡-лИст, [9]. При этом, например, в сплавах переходных металлов при очень высоких температурах (Т > 39о) удельное электросопротивление очень редко превышает характеристическое значение 100 цПст. Не случайно именно эта величина удельного электросопротивления стала характеристической. При ее достижении знак температурного коэффициента электросопротивления (ТКС), как правило, изменяется на противоположный или становится нулевым [10].

Интерес к проблемам резистивных свойств актинидов существенно возрос в последние 5 лет в связи с обнаружением группы соединений на основе плутония и америция, сочетающих и сверхпроводящее и высокорезистив-ные состояния [8, 11]. В чистом Ат температура сверхпроводящего перехода относительно низка (Тс ~ 0.5 -т- 2К) и сильно зависит от давления [8]. В соединении «115» (РиСоСа5) Тс значительно выше ~ 20К [И]. На сегодняшний день далеко неясно, какие электроны в этих соединений участвуют в спаривании, при том, что по всей видимости, механизм спаривания является куперовским.

Рекордные значениях удельного электросопротивления остаются одной из основных загадок физики актинидов. Физической причиной высокорези-стивного состояния актинидов с одной стороны, может являться наложение двух и более механизмов сильного взаимодействия электронов с рассеива-телями, что влечет проявление ряда аномальных зависимостей в кинетических и электронных свойствах таких систем. Другой вероятный механизм формирования высокорезистивного состояния может быть связан с кондо — подобным резонансным рассеянием, характерным для сильно коррелированных систем. Поэтому главной интригой исследований повидимому является ответ на вопрос, является ли высокорезистивное состояние актинидов следствием какого — либо особого основного состояния этих металлов или это следствие наложения двух и более механизмов сильного рассеяния электронов проводимости. При этом очевидно, что простые качественные оценки полученные в терминах кинетического уравнения Больцмана, и в том, и в другом случае, а-рпоп оказываются неприменимыми для анализа кинетических свойств высокорезистивных металлов.

Главным отличительным признаком всех переходных металлов и актинидов, с точки зрения кинетики, можно считать наличие нескольких полос проводимости (I и /), выходящих на уровень Ферми. Причем одна или две из них с? (и /) заполнены только частично. Электроны этих полос не участвуют в проводимости подобно свободным токоносителям, но сами полосы оказываются эффективными ловушками для рассеянных подвижных в (р) электронов. Именно эта пионерская гипотеза позволила Мотту в рамках теории возмущений дать количественное правильное объяснение наблюдаемым значениям удельного электросопротивления в переходных металлах и их сплавах и объяснить казалось бы парадоксальный факт, что увеличение числа электронов не приводит автоматически к увеличению числа токоносителей [12]. Предложенный Моттом механизм является универсальным и не зависит ни от типа рассеивателей (примеси, фононы, магноны и т. д.), ни от конкретного механизма рассеяния, так как вероятность перехода рассеянного электрона пропорциональна ПС на уровне Ферми в «принимающей» полосе. Если ПС в принимающей полосе велика, незаполненная полоса становится ловушкой. Обратные переходы рассеянных электронов, в силу тех же причин, маловероятны. При этом, естественно, утрачивают свой смысл классические определения длины свободного пробега электронов и транспортного времени.

Для переходных металлов и их сплавов модель Мотта достаточно хорошо обоснована как теоретически, так и экспериментально. Достоверно показано, что при высоких температурах (Т > во,) квантование спектра колебаний ионов ие играет существенной роли и удельное сопротивление оказываются пропорциональными температуре — (р ~ Т). В области температур Т в в, напротив квантовый характер спектра фононов становится существенным, что приводит к основному вкладу в удельное электросопротивление от рассеяния на оптических фононах. При этом сопротивление в переходных металлах изменяется по закону Блоха-р ~ Т5, что является следствием учета термализации (I — полосы [13]. Этот факт получил прекрасное экспериментальное обоснование — для всех чистых немагнитных переходных металлов обнаружена именно такая зависимость электросопротивления от температуры, а коэффициент пропорциональность при Т определяется величиной ПС принимающей полосы. Причем требование «чистоты» образца оказывается особо критичной при низких температурах. Так, при наличии в образцах примесей, показатель степени убывает с концентрацией примесей с 5 до 3. При этом следует отметить, что без учета термализации полос для чистых металлов модель Мотта дает неправильный результат — р ~ Т3, что противоречит эксперименту [1].

Использование модели Мотта приводит к качественно правильным результатам для сплавов немагнитных переходных металлов и позволяет объяснить наблюдаемые особенности температурноконцентрационных зависимостей электросопротивления. Например, концентрационная зависимость остаточного электросопротивления (ОС)сплавов переходных металлов только в случае изоэлектронных компонент имеет предсказанный правилом Нордгейма параболический вид [14]. В остальных же случаях максимум сопротивления всегда смещен от точки эквиатомного состава в сторону металла с большей ПС на уровне Ферми [15, 16, 17]. Этот вывод становится очевидным, если для описания ПС сплава воспользоваться простейшей моделью «средневзвешенной» ПС сплава на уровне Ферми [18] и подтвержден как детальными расчетами, выполненными для всех сплавов, образованных немагнитными переходными 3(1- 4(1- 5с1-металлами так и сопоставлением полученных выводов с экспериментом[16, 17, 19].

Модель Мотта позволяет также качественно и количественно объяснить гигантский магниторезистивный эффект, наблюдаемый в металлических сверхрешетках [20], образованных чередующимися магнитными и немагнитными металлами и в, частности, объясняет отсутствие этого эффекта в том случае, когда в качестве магнитного металла выступает чистый никель. Его подполоса ПС со спином вверх полностью заполнена и соответствующие переходы электронов проводимости оказываются запрещенными. Это и приводит к отсутствию зависимости электросопротивления от магнитного поля [21].

В силу отмеченной универсальности, следует ожидать, что и для актинидов модель Мотта также должна привести к качественно правильным результатам. Но относительно простая модель в этом случае усложняется наличием 3-х полос проводимости, выходящих на уровень Фермиз (р), в, и /. Причем обе узкие полосы (с1- и ?-) заполнены только частично и обе эти полосы могут стать эффективными ловушками для подвижных в (р) электронов. Однако ситуация не столь уж проста, как это может показаться с первого взгляда. Оказывается, что ПС на уровне Ферми с1 и / полос актинидов сопоставимы по величине как при нормальных условия [22, 23] так и под давлением [24]. Вследствие этого, возникают почти равновероятные возможности переходов в электронов проводимости и в в, и в / полосы.

Такие переходы фактически дают аддитивные вклады в сопротивление, и приближенно, для анализа электросопротивления можно было бы воспользоваться простыми соображениями, вытекающими из правил сложения вероятностей независимых событий, обычно используемыми в качественных рассуждениях. Но сопоставимые по величине ПС принимающих полос значительно усложняют картину. Равновероятными, наравне с прямыми в (I ийЧ / переходами токоносителей становятся прямые с? —" / и обратные <1 / переходы электронов, не участвующих непосредственно в переносе заряда, но модифицирующих ПС принимающих полос и тем самым оказывающих существенное влияние на резистивные свойства актинидов и их сплавов. Поэтому, прямое использование модели Мотта возможно лишь в качестве начального приближения, а сама модель требует обобщения на случай трех полос проводимости и должна быть свободна от ограничений на величину интенсивности рассеяния.

Исследования резистивных свойств переходных металлов и их сплавов проводились столь детально и последовательно, что казалось бы, что все основные закономерности уже давно обнаружены и объяснены в тех или иных теоретических моделях. Но остается множество фактов, не имеющих на сегодняшний день скольлибо внятного объяснения. Так, несмотря на обилие теоретических моделей для расчетов электросопротивления разбавленных сплавов ни одна из них не дает количественного объяснения величины наблюдаемого удельного электросопротивления. Не удается также убедительно ответить и на простейший вопрос — почему наблюдаемые значения приведенного электросопротивления в разбавленных сплавах, (в пересчете на 1% примеси) сильнейшим образом зависят от сорта примеси. По всей видимости, ответ на этот вопрос будет иметь определяющее значение при построении количественной теории растворимости и образования непрерывных твердых растворов и объяснении эмпирического правила ЮмРозери.

Принципиальное решение этой задачи имеет удивительное по эффективности обобщение на случай разбавленных сплавов актинидов и выяснения истинных причин их высокорезистивного состояния. Действительно, хорошо известно, что процессы радиоактивного распада приводят в появлению различных дефектов и, следовательно, в дополнительным вкладам в рассеивающие потенциалы и электросопротивление сплавов. Экспериментально установлено, что электросопротивление актинидов и их сплавов значительно (в 10−20 раз) возрастет со временем [25, 26, 27] Однако, задача экспериментального разделения примесного вклада в сопротивление и вклада, обусловленного рассеянием на дефектах, фактически неразрешима, так как отжиг последних крайне затруднителен. Отжигая дефекты одного типа, в условиях радиационного распада можно с легкостью генерировать дефекты другого типа, также дающих неконтролируемые вклады в электросопротивление. Выделение же чисто примесного потенциала и его влияния на электросопротивление разбавленных сплавов актинидов принципиально решает эту проблему. Сначала удается выделить чисто примесный вклад в сопротивление и проанализировать концентрационную зависимость электросопротивления идеального сплава и затем оценить вклады в сопротивление, обусловленные дефектами и оценить концентрацию дефектов. Такой подход позволяет приблизится к пониманию роли дефектов не только в формировании высокорезистивного состояния актинидов и их сплавов, но и магнитных, теплофизических и упругих свойств этих металлов.

При высоких температурах, по всей видимости, основным механизмом, отпределяющем температурный ход электросопротивления в чистых немагнитных актинидах является сильное рассеяние электронов на фононах. В пользу этого утверждения свидетельствуют как факты обнаружения среди актинидов и их соединений типичных низкотемпературных сверхпроводников так и прямые оценки интенсивности электронфононного взаимодействия, полученные из измерений теплоемкости и упругих модулей. Межполосные переходы в актинидах и их сплавах могут приводить к очень высоким значениям электросопротивления при температурах выше деба-евских. Но одними лишь s —d hs —> / переходами, принимая во внимание реальные значения ПС принимающих полос на уровне Ферми, объяснить наблюдаемые значения удельного электросопротивления не представляется возможным. Вероятно, что причиной столь больших значений электросопротивления актинидов является не только межполосный характер рассеяния, но и перенормировка эффективных масс подвижных токоносите-лей вследствие сильной s — d, d — fus — f гибридизации полос и сильного взаимодействия.

Еще более противоречивы результаты измерения электросопротивления концентрированных сплавов с участием актинидов. В этих системах картина усложняется как фазовыми переходами с изменением концентрации компонент сплавов, так и изменениями в характере поведения электронов 5/- оболочек. В области высоких температур, как и в чистых металлах, основным механизмом, отпределяющем температурный ход электросопротивления, является сильное рассеяние электронов на фононах. Однако электронфононное рассеяние в сплавах существенно отличается от рассеяния в чистых металлах. В силу случайности в чередовании ионов компонент сплавов в узлах кристаллической решетки, существенным становится рассеяние на флуктуирующих фононах, что может в ряде случаев привести к аномалиям температурной зависимости электросопротивления и отрицательному ТКС. Как будет показано ниже, отрицательный знак ТКС в сплавах возможен в системах, образованных либо металлами с близкими массами, либо металлами с сильно различающимися массами ионов, что опять же указывает на определяющую роль электрон — фононного взаимодействия в формировании температурной зависимости электросопротивления сплавов с участием актинидов.

Отмеченные выше проблемы физики высокорезистивного состояния актинидов, несомненно делают попытку последовательного описания аномальной температурной и концентрационной зависимости электросопротивления как переходных 3(1-, 4(1- и 5(1- металлов, так и актинидов и их сплавов в рамках обобщенной многополосной модели проводимости без учета ограничений на величину интенсивности взаимодействия токоносителей с рассеивателями, весьма актуальной. Усиливает актуальность и исследование природы отрицательного ТКС 5 — Ри. Здесь основной акцент ставиться на проблему общего (модельного) подхода к высокои низкотемпературной области. Основным становится построение физической модели, лишенной бремени неоправданных «сшиваний» или использования нефи-зичных параметров или без обращения к сомнительной процедуре разделения «магнитных» и «немагнитных» вкладов.

Обобщения модели проводимости Мотта на случай многополосных переходов токоносителей для разбавленных сплавов переходных металлов (в том числе магнитных) и актинидов позволит установить совершенно общий для всех разбавленных сплавов параметр, определяющий величину ОСотносительный избыточный заряд, вносимый примесным ионом в матрицу — растворитель. Именно этот параметр характеризует интенсивности электронпримесного взаимодействия в сплаве и позволяет количественно объяснить наблюдаемые значения ОС в сплавах переходных металлов. В этом случае наиболее объективным и последовательным представляется первоприпципный метод расчета относительного избыточного заряда и рассеивающего потенциала, индуцированного примесным ионом. Такое определение позволит непосредственно рассчитать «идеальное» примесное сопротивление как в разбавленных сплавов переходных металлах так и в разбавленных сплавах актинидов. Прямые расчеты примесной части сопротивления в актинидах открывает возможность выделить вклад в сопротивление, обусловленный рассеянием электронов на дефектах кристаллической решетки. В силу своей универсальности, как будет показано ниже, аналогичный подход может быть использован и для расчетов ОС ферромагнитных разбавленных сплавов переходных металлов на основе никеля и железа в «четырехтоковой» в — с1 модели проводимости, так и для концентрированных магнитных сплавов.

Научная новизна результатов и выводов, представленных в диссертационной работе.

Новизна представленных в диссертационной работе результатов и выводов заключается в следующем:

1. Многополосная модель проводимости, позволяющая получить качественное и количественное объяснение аномальных кинетических свойств трансурановых металлов и их сплавов, а также сплавов на основе переходных и ферромагнитных металлов предложена впервые.

2. Впервые показано, что характер температурной зависимости электросопротивления чистых нептуния, плутония, америция и кюрия подобен наблюдаемому в обычных переходных металлах. Высокие значения электросопротивления связаны с сильным электрон-фононным взаимодействием и переходами рассеянных я— электронов в незаполненные и/— полосы и перенормировкой эффективной массы токоносителей вследствие сильного взаимодействия и гибридизации полос.

3. Методика определения относительного избыточного заряда, характеризующего интенсивность электрон — примесного рассеяния в разбавленных сплавах и основанная на первопринципном расчете потока заряда через ячейку металла — растворителя является оригинальной.

4. В рамках метода кинетического уравнения и многополосной модели проводимости впервые получено количественное объяснение ОС всех разбавленных сплавов переходных металлов. Доказано, что ОС всех известных металлических разбавленных сплавов с участием переходных металлов определяется квадратом матричного в — с1 элемента Т— матрицы рассеяния.

5. Впервые показана возможность разделения идеального примесного электросопротивления и электросопротивления, обусловленного дефектами в разбавленных сплавах актинидов. Предложенный метод позволяет по резистивным данным выполнить оценку концентрации дефектов в разбавленных сплавах актинидов и, следовательно, возраста образцов.

6. Впервые предсказаны и объяснены значительные отклонения хода концентрационной зависимости ОС бинарных сплавов Кр-Ри, Кр-Ст, Ир-Ат, Ри-Ат, Ри-Ст, Ат-Ст от предсказываемого правилом Нордгейма. Эти отклонения обусловлены особенностями многополосного рассеяния в условиях сильного электрон — примесного взаимодействия.

7. Впервые дано объяснение наблюдаемой концентрационной зависимости ОС сплава Ре-Сг без введения дополнительного канала рассеяния и использования сомнительных параметров теории.

8. Впервые дано внутренне непротиворечивое объяснение наблюдаемой аномальной температурной зависимости удельного электросопротивления разбавленных сплавов Ри (аи дРи) и показано, что основной причиной отрицательного ТКС этих систем является интерференционны! механизм рассеяния электронов проводимости, приводящий одновременно к квадратичной зависимости сопротивления в области низких температур и отрицательному ТКС в области высоких температур. Сформулирован качественный критерий отрицательного ТКС.

9. Впервые показано, что температурные и концентрационные зависимости удельного электросопротивления концентрированных сплавов Ри-Ат определяются балансом когерентного и некогерентного рассеяния. Причем при очень высоких температурах некогерентный вклад в рассеяние подавляется.

Научная и практическая значимость работы заключается:

— в более глубоком понимании физической картины формирования аномалий резистивных свойств исследованных металлов и сплавов (часть опубликованных результатов работы использованы в обзорах [4, 5].

— в применении полученных результатов для модельного описания наблюдаемых зависимостей и объяснения природы аномалий кинетических свойств актинидов и их сплавов.

— в использовании изложенных результатов и выводов для количественных расчетов ОС разбавленных сплавов актинидов и определения возраста образов по концентрации дефектов.

— полученные модельные результаты и разработанные автором компьютерные коды могут оказаться полезными при интерпретации имеющихся экспериментальных данных, так и для прогнозирования кинетических свойств сплавов переходных металлов и актинидов, при оценки концентрации дефектов в разбавленных сплавах актинидов и определения возраста образцов.

— предложенный метод определения относительного избыточного заряда может дать количественный критерий для детального анализа эмпирического правила растворимости Юм — Розери.

Согласно базе данных научного цитирования Института научной информации ISI, основные идеи, результаты и выводы диссертации, представленные в работах [Д—2], использованы в десятках научных публикациях, касающихся исследования актинидов и различных систем с их участием.

На защиту выносятся следующие результаты:

1. Эволюция электросопротивления идеальных чистых актинидов — нептуния, плутония, америция и кюрия в feeфазе с температурой и давлением аналогична наблюдаемой для 3d- 4d и 5dпереходных металлов и при высоких температурах определяются рассеянием электронов проводимости на фононах, сопровождающимся межполосными s —у d и s (d) —У f переходами токоносителей. Величина удельного сопротивления металлов определяется не только отношением ПС на уровне Ферми /д8{Ер) но и перенормировкой эффективной массы токоносителей за счет эффектов гибридизации и сильного взаимодействия. Металлический тип температурной зависимости электросопротивления сохраняется всем исследованном диапазоне температур и давлений и для любых кристаллических фаз актинидов.

2. Основными параметрами, определяющим величину ОС разбавленных сплавов переходных металлов и актинидов являются величина относительного избыточного заряда, вносимого примесным ионом в матрицурастворитель и значение ПС на уровне Ферми в матрице растворителе.

3. Значения относительного избыточного заряда, вносимого примесью в матрицу металла растворителя определяется потоком нескомпенсирован-ного заряда через замкнутую ячейку металларастворителя.

4. Приведенное ОС всех известных разбавленных сплавов переходных (немагнитных) металлов является универсальной функцией квадрата недиагонального ев, элемента Т — матрицы рассеяния.

5. Все переходные немагнитные металлы могут быть расположены на общей универсальной шкале электроотрицательности, что позволят, используя правило аддитивности для относительного избыточного заряда, с точностью 10−15% получить наблюдаемые значения ОС не прибегая к затратным процедурам численного решения соответствующих задач.

6. Предложенная четырехтоковая модель проводимости, позволяет получить количественное описание наблюдаемых величин ОС в разбавленных сплавах железа и никеля без введения дополнительных параметров, характеризующих рассеяние в искусственно вводимом «смешанном» канале проводимости.

7. Основанный на разделении вкладов в ОС, обусловленных рассеянием на металлических примесях и дефектах, метод оценки концентрации дефектов в разбавленных сплавах актинидов, что позволяет по резистивным свойствам достаточно точно определять возраст исследуемого образца.

8. Эффектами сильного электрон-примесного рассеяния, индуцирующим интенсивные межполосные переходы электронов проводимости и изменениями ПС сплавов с концентрацией объясняются существенные отклонения ОС сплавов Ир-Ри, Ир-Ст, Мр-Ат, Ри-Ат, Ри-Ст, Ат-Ст от предсказываемого правилом Нордгейма.

9. Следствием специфического изменения с концентраций парциальных ПС и вкладов в проводимость от групп токоноситслей с различной ориентацией спина, является аномальная концентрационная зависимость ОС сплавов Ге-Сг.

10. Аномальные температурные зависимости удельного электросопротивления разбавленных сплавов РиРи) обусловлены интерференционным характером рассеяния электронов проводимости, что приводит к квадратичной зависимости сопротивления в области низких температур и отрицательному ТКС в области высоких температур. Аналогична природа отрицательного ТКС и в а-Ри, но здесь случайными рассеивателями более являются изотопы и дефекты кристаллической структуры.

11. Температурно концентрационные зависимости электросопротивления сплавов Ат — Ри при высоких температурах обусловлены балансом когерентных и некогерентных процессов рассеяния. Высокие значения удельного сопротивления обусловлены как межполосными переходами токоноситслей, так и существенной перенормировкой их эффективной массы вследствие сильного взаимодействия.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, трех частей, содержащих 9 глав, заключения, приложения, списка.

9.4. Выводы к главе 9.

1) Полученные в рамках сформулированной многополосной модели проводимости качественные результаты хорошо согласуются с эмпирическим правилом Муиджи и предсказывают отрицательный ТКС в сплавах либо очень близких по атомной массе металлов, либо в сплавах очень тяжелых и очень легких металлов.

2) Количественно и качественно показано, что характер изменения ТКС сплавов 5 — Ри в области высоких температур определяется балансом между когерентными и некогерентыми процессами рассеяния электронов проводимости на фононах. При доминировании когерентных процессов ТКС является положительно определенной слабоубывающей функцией температуры. При доминировании некогерентных процессов рассеяния ТКС сплавов может быть как положительным, так и отрицательным, при этом знак ТКС зависит от знака реальной части функции Грина с1- и /- электронов сплава и знака, А ¿-у.

3) В результате количественных и качественных расчетов впервые показано, что природа отрицательного ТКС 5 — Ри в области высоких температур и квадратичная зависимость электросопротивления от температуры в области низких температур имеют одну и ту же природу и определяется интерференцией электрон-примесного и электрон-фононного взаимодействий.

4) В результате расчетов предсказано, что ТКС разбавленных сплавов плутония с 4с1- 5с1 переходными металлами вероятнее всего будет я положительным, в то время как в сплавах с легкими и тяжелыми металлами — отрицательным. Отрицательный ТКС может наблюдаться также в изотопически неоднородных образцах актинидов.

5) «Дефект масс» является определяющим фактором возникновения отрицательного ТКС в сплавах на основе плутония. При этом отрицательный ТКС может наблюдается не только в разбавленных сплавах 6 — Ри, но и в, а — Ри [124]. Это связано с тем, что радиационные дефекты для электронов проводимости при конечных температурах, по сути, являются «блуждающими» рассеивающими потенциалами (см. раздел 3).

6) Качественное условие (9.1) отрицательного ТКС для области высоких температур (Т > 9^) является универсальным и может использоваться при анализе любых сплавов. Однако всегда следует иметь ввиду ограничения, наложенные в процессе его получения.

Заключение

.

Сюрпризы, ириподнесеиные плутонием и другими трансурановыми металлами металлами, повидимому, еще далеко не исчерпаны. В актинидах удивительно сочетаются свойства как тяжелофермиониых систем, так и свойства обычных металлов. Однако детальный анализ их резистивных свойств показывает, что рассматриваемые актиниды являются обычными, с точки зрения кинетики, представителями семейства переходных металлов и наблюдаемые аномалии — лишь следствие сильного рассеяния и необычно высокой концентрации радиационных дефектов. Последовательный же учет эволюции дефектов, их влияния на основное состояние, кинетические и магнитные свойства, является перспективной задачей будущего.

Суммируя же основные итоги диссертационного исследования выделим несколько основных результатов:

1. Впервые сформулирована многополосная модель проводимости, в которой учитывается возможность внутрии межполосных б (р) —> с1, с1 —> / и в —>¦ / переходов рассеянных электронов, применимая к анализу кинетических свойств переходных и редкоземельных металлов, а также актинидов.

2. Впервые получены системы самосогласованных уравнений ПКП, позволяющие определить сдвиг и уширение одноэлектронных уровней без ограничений на величину интенсивности взаимодействия для чистых актинидов при высоких температурах, а также для их бинарных сплавов при нуле температур и при температурах, выше температуры Дебая.

3. Впервые получены и решены кинетические уравнения для многоно-лосной модели проводимости, установлены правила «суммирования» про-водимостей при наличие нескольких каналов рассеяния, а также развита четырехтоковая модель проводимости, позволяющая анализировать рези-стивные свойства магнитных сплавов переходных металлов без использования дополнительных параметров теории.

4. Впервые сформулирован и использован при количественных расчетах остаточного электросопротивления магнитных и немагнитных разбавленных сплавов abinitio метод определения рассеивающего потенциала на базе LDA, основанный па вычислении потока избыточного заряда через ячейку, содержащую примесь.

5. Впервые дано количественное объяснение величины остаточного электросопротивления всех магнитных и немагнитных разбавленных сплавов переходных металлов и ряда сплавов на основе плутония. Введена шкала для определения рассеивающих потенциалов в различных сплавах и показана ее универсальность.

6. Впервые доказана универсальность зависимости приведенного остаточного электросопротивления от квадрата модуля рассеивающего потенциала и рассчитаны вклады в полное сопротивление для идеальных (бездефектных) разбавленных сплавов на основе актинидов и выделены вклады в сопротивление, обусловленные рассеянием на дефектах кристаллической решетки (для разбавленных сплавов плутония).

Т. Показано, что все металлы 3d-, 4dи Ыпереходных периодов могут быть расположены на общей шкале абсолютного избыточного заряда. Для любой пары металлов относительный избыточный заряд определяется как разность соответствующих абсолютных величин. Установлена аддитивность этих величин.

8. Впервые для Np, Pu, Am и Cm в LDA +U+ S0 получены ПС для всех реальных фаз металлов. Получены также Ьсси fccаппроксиманты ПС реальных фаз актинидов, позволяющие проводить качественный и количественный анализ резистивных свойств этих металлов как при нормальных условиях так и под давлением, так как кубические структуры, как показывает эксперимент, являются наиболее реалистичными приближениями для поликристаллических образцов.

9. Впервые в рамках выполненных расчетов проанализирована динамика изменения электронной ПС актинидов с ростом температуры. Показано, что при высоких температурах (1 004 700 К) за счет сильного электронфо-нонного рассеяния исходные ПС металлов размываются значительно сильнее, чем ожидается за счет кТ размытия фермиевской функции распределения. При температурах, близких к температурам плавления, исходные ПС теряют тонкую структуру металлов размываются настолько, что модель полуэллиптической ПС становится их наилучшим аппроксимантом и структуру ПС металла в основном определяет положение ионов и их смещение из положения равновесия, а не кТ размытие функции распределения Ферми.

10. Впервые показано, что температурная зависимость удельного электросопротивления чистых Np, Pu, Am и Cm хорошо описывается в рамках многополосной модели проводимости с учетом возможных переходов s электронов проводимости в частично заполненные d и / полосы. Относительно слабый рост электросопротивления рассматриваемых металлов с ростом температуры объясняется сильным размытием ПС принимающей полосы и уменьшением значений отношения ПС принимающих полос к ПС электронов проводимости. Большие значения удельного электросопротивления являются следствием перенормировки эффективных масс токоносителей и больших значений вероятностей межполосных переходов из-за больших значений отношений ПС д^(Ер)/д8(Ер).

11. Качественно показано, что характер концентрационной зависимости ОС сплавов с участием актинидов существенно отличается от предсказанного правилом Нордгейма. Характерными признаками являются смещенный из точки эквиатомного состава максимум ОС и квазилинейный участок кривой даже при одинаковых значениях плотности состояний на уровне Ферми компонент сплава. Причем отклонения от правила Нордгейма определяются не только динамикой изменения ПС на уровне Ферми сплава, но и сложным образом зависит от изменений реальной части функции Грина при изменении концентрации компонент сплавов.

12. Для объяснения наблюдаемых особенностей ОС в сплавах, образованных актинидами, необходимо привлекать данные о ПС компонент сплавов и учитывать изменения кривой ПС сплава при изменении концентрации его компонент. При этом исходные ПС сплава определялась из условия сохранения полного числа электронов в полосах проводимости сплавов.

14. Показано, что в рамках предложенной модели проводимости вполне удовлетворительно могут быть описаны имеющиеся экспериментальные данные по ОС бинарных разупорядоченных сплавов Хр-Ри, Ри-Агп. Часть полученных результатов для сплавов носит характер прогноза.

15.Предложенная четырырехтоковая модель проводимости в комбинации с ПКП успешно использована для объяснения наблюдаемой аномалии концентрационной зависимости ОС системы сплавов РеСг в широкой области концентраций.

16. Впервые показано, что природа отрицательного ТКС в области высоких температур и квадратичная зависимость электросопротивления от температуры в области низких температур в $-Ри, обусловлены интерференцией электрон — примесного и электрон-фононного взаимодействий, а знак ТКС определяется балансом когерентных и некогерентных процессов рассеяния.

16. Впервые получено аномалии электросопротивления с)-Ри для всей области температур без сомнительных «сшиваний» результатов, полученных в различных модельных подходах или с использование нереальных параметров теории. Рассмотрение особенностей температурной зависимости электросопротивления, а — Ри позволяет утверждать, что и этот «чистый» металл по сути является разбавленным сплавом, что позволяет исключить, а — Ри и (5-Ри из категории аномальных металлов.

17. Плутоний является обычным представителем семейства металлов, а большинство наблюдаемых аномалий связано с примесями и радиационными дефектами. Примеси содержащиеся в металле, изотопические и радиационные дефекты, приводят к существенным вкладам в остаточное сопротивление. Доминирование некогерентных вкладов в рассеянии, обусловленное примесями и дефектами приводит к отрицательному знаку ТКС.

18. Последовательный учет примесного рассеяния и флуктуирующей части электрон-фононного взаимодействия позволил сформулировать простой и эффективный качественный критерий отрицательного ТКС для области высоких температур (Т > в о)• Полученный критерий отрицательного ТКС является универсальным и может использоваться при анализе любых сплавов.

Разработанная методика расчетов температурной и концентрационной зависимостей электросопротивления концентрированных сплавов актинидов позволила дать объяснение некоторых особенностей, наблюдаемых в сплавах трансурановых металлов.

В целом, полученные в рамках развитой модели результаты показывают, что использование одиоэлектронного и одноузельного приближений для расчетов температурной и концентрационной зависимости электросопротивления актинидов и их сплавов дает вполне разумный результат и позволяет объяснить особенности электросопротивления рассматриваемых систем при нуле температур и при температурах, выше температуры Дебая. В тоже время, несмотря на качественно правильное описание низкотемпературных зависимостей электросопротивления актинидов и их сплавов в рамках рассматриваемых моделей, применимость одиоэлектронного приближения весьма ограничена. В этом диапазоне температур необходим детальный учет особенностей электрон-электронного взаимодействия. Не исключено, что при низких температурах весьма существенными могут оказаться вклады от рассеяния электронов на флуктуациях зарядовой и спиновой плотности, рассеяние, сопровождающиеся переходами между мультиплетами, возможны резонансные типы рассеяния. Однако экспериментально выделить вклады от того или иного типа электрон-электронного рассеяния не представляется возможным, а оценки соответствующих матичных элементов также весьма приближенны и неоднозначны. Поэтому детальный анализ низкотемпературной зависимости электросопротивления требует максимально комплексного рассмотрения электронных и магнитных свойств актинидов, и, по-видимому, является перспективной задачей будущего.

Учет особенностей основного состояния и электронной структуры металлов позволяют в рамках разработанного многополосного ПКП, отказавшись от использования упрощающих предположений о малости взаимодействий выполнить детальные расчеты температурной и концентрационной зависимостей электросопротивления не только известных сплавов, но прогнозировать температурно-концентрационные зависимости удельного электросопротивления, так как развитый в работе подход позволяет учесть индивидуальные особенности компонент сплавов через их ПС и легко параметризовать задачу.

Выполненные расчеты позволяют установить взаимосвязь относительного избыточного заряда, вносимого примесью в матрицурастворитель, и взаимной растворимостью компонентпри значениях относительного избыточного заряда меньше порогового значения 0,25 — 0,3 металлы обладают полной взаимной растворимостью, а при значениях выше пороговогонет. Этот вывод коррелирует с известным правилом Юм — Розери и дает возможность количественной оценки эмпирических правил.

Благодарности Выражаю свою признательность и благодарность коллегам и сотрудникам.

— В. И. Анисимову, В. Е. Архипову, М. А. Коротину, C.B. Верховскому (ИФМ УрО РАН, г. Екатеринбург) и В. В. Дремову (ВНИИТФ г. Сне-жинск), принимавшим самое активное участие обсуждении полученных результатов,.

— Зигфриду Хеккеру (Лос-Аламосская Национальная Лаборатория, г. Л ос Аламос (Los Alamos), США), Майку Флассу (Ливерморская Национальная Лаборатория им. Э. Лоуренса, Ливермор,(1луегтоге) США) и Л. Ф. Тимофеевой (ВНИИНМ им. Бочвара г. Москва) за поставленные проблемы, всемерную поддержку, постоянный интерес к работе и предоставленные данные по структуре трансурановых металлов и их сплавов и влиянию радиационных дефектов на резистивные и магнитные свойства аи 5- Pu.

— А. О. Шорикову и A.B. Лукоянову (ИФМ УрО РАН, г. Екатеринбург), взвалившим на себя огромный труд по проведению первопринципных расчетов.