Физическая энциклопедия

ТВЁРДЫЕ РАСТВОРЫ

- твердотельные двух- или многокомпонентные однородные системы переменного состава (напр., типа АxB1-x),в к-рых атомы или ионы компонентов, смешиваясь в разл. соотношениях (0<=х<=1), образуют общую кристаллич. решётку, характерную для одного из компонентов. Системы, в состав к-рых -входят изоструктурные компоненты, как правило, образуют из-за неогранич. растворимости непрерывный ряд Т. р. Величинахв этом случае не лимитирована (непрерывные, или неограниченные, Т. р.). Область существования т. н. ограниченных Т. р. (растворимость ограничена) на диаграмме состояния имеет пределы по концентрации, зависящие от темп-рыТ.


Рис. 1. Схемы расположения атомов в твёрдыхрастворах:а -чистый элемент А;б -твёрдыйраствор замещения элемента В в элементе А;в-химическое соединение АВ;г- твёрдый раствор замещения химического соединения АС в химическом соединении АВ;д -твёрдый раствор внедрения элемента D в элементе А;е -твёрдый раствор вычитания на базе химического соединения АВ, -А; -В; -С; -D.

Различают Т.р. замещения, внедрения и вычитания (рис. 1). В Т. р. з а м е щ е н и я на основе кристаллич. решётки хим. элемента (металла) А атомы элемента В замещают часть атомов сорта А; в Т. р. замещения соединения АС в соединении АВ атомы или ионы сорта С замещают атомы или ионы сорта В (замещение происходит в В-подрешётке кристаллич. решётки). При образовании Т. р. замещения число атомов или ионов в элементарной ячейке остаётся постоянным.

В Т. р. в н е д р е н и я атомы сорта D располагаются в междоузлиях кристаллич. решётки металла А, при этом число атомов в элементарной ячейке увеличивается. Для образования Т. р. внедрения необходимо, чтобы различие атомных размеров компонентов было достаточно велико.

В Т. р. в ы ч и т а н и я на основе соединения АВ часть атомов или ионов сорта В отсутствует (возникают вакансии в В-подрешётке), число атомов в элементарной ячейке меньше, чем у исходного соединения стехиометрич. состава. Возможно одновременное сочетание 2 видов Т. р. (напр., Т. р. внедрения атомов D в Т. р. замещения атомов В в кристаллич. решётке, образованной атомами А). Линейная зависимость межатомных расстояний отxв Т. р. (з а к о н В е г а р д а, L. Vegard) выполняется в немногих случаях; отклонения от закона Вегарда связаны с отличиями упругих, электронных, магнитных и др. свойств компонентов Т. р.

В Т. р. возможно разл. упорядочение в расположении атомов или ионов; в неупорядоченных Т. р. замещения атомы разного сорта произвольно распределены в узлах кристаллич. решётки, т. е. отсутствуетдальний и ближний порядок.В Т. р. замещения с ближним порядком есть корреляция в расположении атомов разного сорта в области с конечным радиусом. В Т. р. внедрения атомы одного компонента С образуют регулярную кристаллич. решётку, атомы др. сорта беспорядочно распределены в междоузлиях этой решётки. В упорядоченном Т. р. атомы компонентов образуют несколько вставленных друг в друга кристаллич. подрешёток.

Для двухкомпонентных Т. р. замещения параметр дальнего порядка


гдер -доля атомов или ионов сорта А, занимающих "свои" позиции в кристаллич. решётке;q -доля тех же атомов или ионов в "чужих" позициях. Параметром ближнего порядка в неупорядоченных Т. р. служит величина


гдеNABi- число атомов или ионов сорта В наi-й коор-динац. сфере атома сорта A,Ni-общее число атомов наi-й координац. сфере,сB- концентрация (атомная доля) атомов сорта В в Т. р. При таком определении aiдля разноимённых ближайших соседей ai<0 (ближнее упорядочение), для одноимённых - ai>0 (локальное расслоение Т. р., или с е г р е г а ц и я); знаки aiдля последующих координац. сфер сложным образом зависят от характера упорядочения. При полном отсутствии ближнего порядка все ai= 0.

В нек-рых случаях - при закалке ограниченных Т. р. от высоких темп-р, при бездиффузионных полиморфных превращениях в Т. р. (см.Полиморфизм),при облучении и т. п.- образуется п е р е с ы щ е н н ы й Т. р. Его распад происходит путём образования зародышей выделяющейся из Т. р. фазы или путём бездиффузионного образования двух Т. р. разл. состава (с п и н о д а л ь н ы й р а с п а д), при к-ром возникает т. н. м о д у л и р о в а н н а я с т р у к т у р а. Установлено протекание фазовых переходов 2-го рода при упорядочении твёрдых растворов стехиометрич. составов (напр., в системах Сu-Ag, Сu-Zn и др.).

Физ. свойства Т. р. зависят от их состава и характера упорядочения. Для неупорядоченных металлич. Т. р. внедрения сопротивление р и коэф. теплопроводности к меняются с составом монотонно (при невысоких концентрациях 2-го компонента справедливоМаттиссена правило).В упорядоченных Т. р. на зависимостях r иxот концентрациихкомпонентов наблюдаются особенности при составах АВ, АВ2, АВ3и т. п., соответствующих определ. типам упорядоченного расположения атомов -сверхструктурам(рис. 2). Изменение сечения рассеяния электронов при установлении или разрушении ближнего порядка приводит к изменениям температурных зависимостей сопротивления,магнетосопротивленияи т. п. В большом числе металлических, оксидных и др. Т. р, реализуется сверхпроводимость, почти все они являются сверхпроводниками 2-го рода.


Рис. 2. Зависимость удельного сопротивления r твёрдыхрастворов замещения Аu - Сu от содержания Аu длянеупорядоченных (1) и упорядоченных (2) твёрдых растворов.(ат.)

В разбавленных Т. р. переходных и редкоземельных металлов (Mn, Fe, Cr, Co, Y и др.) в Au, Ag, Си при низких темп-pax наблюдается минимум на зависимостях r(Т),обусловленныйкосвенным обменным взаимодействиеммежду спинами примесных атомов через электроны проводимости Au, Ag, Сu.

Взаимодействие спинов хаотически распределённых магн. атомов приводит к образованию состояния, называемогоспиновым стеклом.Для спиновых стёкол характерны отсутствие спонтанной намагниченности, максимум магн. восприимчивости при темп-ре замерзанияTf, м а гн и т н а я в я з к о с т ь (аномально большое время установления магн. равновесия), линейная зависимость теплоёмкости от темп-ры приT<f.В состоянии спинового стекла могут находиться не только металлические, но и диэлектрические Т. р. На рис. 3 представлена магн.х-T-диаграмма состояния системы ферримагн. оксидов Li0,5Fe2,5-xGaxO4,на к-рой в широком диапазоне концентраций (х)и темп-р реализуются области существования парамагнитного (ПМ), ферримагнитного (ФМ) состояний, а также области существования спинового стекла (СС) и ферримагн. спинового стекла (ФСС). В Т. р. реализуются ферро-, антиферро- и ферримагн. состояния с разл. магн. структурами; макроскопич. магн. свойства Т. р. изменяются в широких пределах.

Рис. 3. Диаграмма магнитных состояний твёрдых растворов замещения в системе Li0,5Fe2,5-xGaxO4(l,5<x<2,0): 1- линия точек Кюри (ТC);2, 3- линииТf,4 - линия фазовых переходов спиновое стекло-ферримагнитное спиновое стекло.



Свойства Т. р. на основе собств.полупроводниковчувствительны к характеру и концентрации примесей замещения. При введении примесей с валентностью, большей валентности осн. атомов решётки (доноров), концентрация электронов превышает концентрацию дырок и полупроводник имеет проводимостьn-типа (напр., Т. p. As в Ge). В противоположном случае введения акцепторов полупроводник имеет проводимостьp-типа (Т. p. Al в Si).

Отличие механич. свойств Т. р. от свойств чистых металлов заключается в повышении прочности в результате изменения дислокационной структуры и включения разл. механизмов взаимодействия дислокаций с растворёнными атомами (см.Дислокация).Возможны 2 механизма взаимодействия дислокаций с примесными атомами: закрепление (блокирование) неподвижных дислокаций и возникновение трения при движении дислокаций. Изменение механич. свойств имеет место при отрыве движущихся дислокаций от атмосферы примесей (см.Сплавы).Наличие дальнего и ближнего порядка в Т. р. приводит к дополнит. упрочнению.

Лит.:Сивертсен Д. М., Никольcон М. Е., Структура и свойства твердых растворов, пер. с англ., М., 1964; Физическое металловедение, пер. с англ., 3 изд., т. 1-3, М., 1987; Хачатурян А. Г., Теория фазовых превращений и структура твердых растворов, М., 1974; Иверонова В. И., Кацнельсон А. А., Ближний порядок в твердых растворах, М., 1977; Уман-ский Я. С., Скаков Ю. А., Физика металлов, М., 1978; Эрен-рейх Г., Шварц Л., Электронная структура сплавов, пер. с англ., М., 1979; Пасынков В. В., Сорокин В. С., Материалы электронной техники, 2 изд., М., 1986; Финкель В. А., Структура сверхпроводящих соединений, М., 1983; Ефимова Н. Н., Попков Ю. А., Ткаченко Н. В., Фазовый переход парамагнетик - спиновое стекло в разбавленных ферримагнитных окислах, "ЖЭТФ", 1990, т. 97, в. 4, с. 1208.В. А. Финкель.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия.Главный редактор А. М. Прохоров.1988.


  1. твёрдые растворы—тврдые фазы См. Фазапеременного состава в которых атомы раз личных элементов смешаны в известных пределах или неограниченно в общей кристаллической рештке См. Кристалличе...Большая Советская энциклопедия II
  2. твёрдые растворы—однородные кристаллич. вва состоящие из двух или большего числа компонентов и сохраняющие однородность при изменении соотношений между компонентами в определ. интервале к...Большой энциклопедический политехнический словарь
  3. твердые растворы—однородные твердые вещества состоящие из несколькихкомпонентов концентрации которых могут быть изменены в некоторых пределахпри данных температуре давлении и т. п. без на...Большой энциклопедический словарь II
  4. твердые растворы—ТВЕРДЫЕ РАСТВОРЫ однородные твердые вещества состоящие из нескольких компонентов концентрации которых могут быть изменены в некоторых пределах при данных температуре давл...Большой энциклопедический словарь III
  5. твердые растворы—ТВЕРДЫЕ РАСТВОРЫ однородные твердые вещества состоящие из нескольких компонентов концентрации которых могут быть изменены в некоторых пределах при данных температуре дав...Большой Энциклопедический словарь V
  6. твёрдые растворы—однородные тврдые вва состоящие из неск. компонентов концентрации крых могут быть изменены в некрых пределах при данных темпре давлении и т. п. без нарушения однородности...Естествознание. Энциклопедический словарь
  7. твердые растворы—ТВЕРДЫЕ РАСТВОРЫ однородные твердые вещества состоящие из нескольких компонентов концентрации которых могут быть изменены в некоторых пределах при данных температуре давл...Современный энциклопедический словарь
  8. твердые растворы—однородные гомогенные кристаллич. фазы переменного состава образуются в двойных или многокомпонентных системах. Если компоненты системы неограниченно рримы друг в друге о...Химическая энциклопедия
  9. твердые растворы—Твердые растворы см. Сплавы....Энциклопедический словарь
  10. твердые растворы—ТВЕРДЫЕ РАСТВОРЫ однородные твердые вещества состоящие из нескольких компонентов концентрации которых могут быть изменены в некоторых пределах при данных температуре дав...Энциклопедический словарь естествознания
  11. твёрдые растворы—однородные кристаллические веществ фазы состоящие из двух или большего числа компонентов и сохраняющие однородность при изменении соотношений между компонентами в определ...Энциклопедический словарь по металлургии
  12. твердые растворы—[solid solutions] однородные твердые однофазные вещества состоящие из нескольких компонентов концентрация которых может быть изменена без нарушения однородности. Понятие...Энциклопедический словарь по металлургии
  13. твердые растворы—Istrongсм. Сплавы.дополнение к статьесм. также Сталь....Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона
  14. твёрдые растворы—Твердые вещества которые состоят из двух или нескольких основных компонентов не образующих друг с другом химических соединений. Аналогия компонентов в химическом строении...Энциклопедия Большой научной библиотеки