Физика/2. Физика твердого тела
Доц. Волчок И.В.
Харьковский национальный технический
университет сельского хозяйства им. П. Василенко
ОСОБЕННОСТИ
ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ИНТЕРКАЛИРОВАННЫХ КРИСТАЛЛОВ ЙОДИСТОГО СВИНЦА
Известно, что в слоистых кристаллах силы связи между слоями, определяющие их анизотропию, в значительной степени можно изменять путем интеркалирования кристаллов органическими молекулами. Следствием изменения сил связи может быть существенное влияние на процессы взаимодействия квазичастиц в кристаллах. Однако, согласно существующим данным, влияние интеркалирования на такие физические свойства слоистых кристаллов, как кинетические характеристики, изучены недостаточно [1,2], а данные по исследованию теплопроводности таких физических объектов вообще отсутствуют.
В связи с этим целью настоящей работы было изучение влияния интеркалирования кристаллов PbI2 на температурную зависимость их теплопроводности.
Измерения
коэффициента теплопроводности 
выполнены в интервале
температур 2-20 К на специальной установке, основанной на использовании
принципа осевого теплового потока [3]. Погрешность измерений 
при всех температурах
не превышала 3% .
Интеркалирование кристаллов PbI2 пиперидином (C5H10NH) осуществлялось следующим образом. Для получения предельно интеркалированного соединения монокристаллические образцы PbI2 погружались в раствор пиперидина (рр) и выдерживались при комнатной температуре. Время пребывания кристаллов в растворе определялось из условия насыщения прироста массы образца и составляло 120 часов. В процессе интеркалирования происходило полное разрушение монокристаллов с образованием мелкодисперсного порошка. Это не позволяло проводить измерения коэффициента теплопроводности применяемым методом, и для осуществления измерения теплопроводности интеркалированных образцов PbI2 (рр) из полученного порошка путем прессования были изготовлены образцы в виде пластин размерами 3×4×20 мм3. Для корректности в сопоставлении коэффициентов теплопроводности интеркалированного и чистого образца PbI2 также изготавливали прессованные образцы из кристаллического PbI2. Пористость прессованных образцов обоих сортов определялась по формуле:
,
где 
- масса интеркалированного
кристалла;
- общий объём
кристалла;
- плотность исходного монокристалла (составляла ∼50%).
На рисунке представлены температурные
зависимости коэффициента теплопроводности 
PbI2 в различных состояниях: после прессования монокристаллического PbI2, после прессования интеркалированного
PbI2 и PbI2 (рр), а также PbI2,
частично деинтеркалированного. Из рисунка видно, что теплопроводность
прессованного образца PbI2
составляет 0,1 λ
монокристаллического образца. Такое различие связано с наличием границ
кристаллитов, реализующих процессы рассеяния, что, соответственно, резко
увеличивает теплосопротивление. Кроме того, следует отметить, что фононный
максимум теплопроводности для монокристаллического образца PbI2 проявляется при Т = 6 К, а 
прессованного образца
сдвигается в сторону более высоких температур (Т = 16 К). Полученные данные находятся в качественном соответствии
с экспериментальными данными по теплопроводности монокристаллов и прессованных
образцов данного вещества.
Рис.
Температурные зависимости
теплопроводности PbI2 в
различных состояниях (1 – монокристаллический образец PbI2;
2 – прессованный образец PbI2;
3 – прессованный интеркалированный образец PbI2(рр); 4 – частично деинтеркалированный образец PbI2(рр)).
Согласно полученным экспериментальным данным, в результате интеркалирования наблюдается резкое уменьшение теплопроводности (кривая 3). Это обусловлено тем, что поскольку при интеркалировании в пространстве между слоями PbI2 вводятся молекулы пиперидина, то можно полагать, что они являются дополнительными центрами рассеяния фононов и тем самым лимитируют процесс теплопереноса.
В настоящей работе изучалось также влияние степени интеркалирования на теплопроводность PbI2 путем деинтеркалирования PbI2(рр). Согласно полученным результатам, деинтеркалирование образца PbI2(рр) должно было привести к повышению теплопроводности и приближению значений λ к значениям чистого образца PbI2. Однако полученный нами результат для частично интеркалированного образца свидетельствует о дальнейшем понижении теплопроводности в исследуемом температурном интервале (кривая 4). Это обстоятельство может быть обусловлено повышением пористости образца при его интеркалировании, что не позволяет судить о влиянии кинетики деинтеркалирования на характер изменения теплопроводности исследуемых образцов.
Таким образом, различную степень интеркалирования для кристаллов PbI2 целесообразно задавать не путем деинтеркалирования PbI2(рр) из состояния насыщения, а путем частичного интеркалирования. Последнее может строго контролироваться по приращению массы и задаваться временем пребывания кристалла в растворе.
Литература
1. В.М. Кошкин, А.Н.
Мильнер, В.В. Куколь, Ю.Р. Забродский, Ю.Н. Дмитриев, Ф.И. Бринцев. Новые
интеркалированные кристаллы PbI2
и 
. //ФТТ.-18.-2.-С.609-611.-1976.
2. Гуревич А.М., Сухаревский Б.Я., Алапина А.В. Влияние интеркалирования на низкотемпературную теплоёмкость слоистого кристала йодистого свинца. //ФНТ.-1980.-Т.6.-№7.-С.933-938.
3. Э.Е. Андерс, И.В. Волчок, Б.Я. Сухаревский. Прецизионные исследования теплопроводности и электропроводности твердых растворов системы ниобий-цирконий при низких температурах. Сб. «Теплофизические свойства веществ и материалов».-Вып.9.-М:-1976.-С.72-99.