Теория ориентационной релаксации в низкотемпературной фазе фуллерита C₆₀

Abstract

Предложена микроскопическая детализация широко используемой для описания низкотемпературной фазы фуллерита C₆₀ феноменологической модели двухъямных ориентационных состояний - пентагонной и гексагонной конфигураций молекул. Получены простое кинетическое уравнение и совокупность термодинамических соотношений, связывающие между собой деформацию кристаллической решетки, концентрацию ориентационных возбуждений молекул и температуру. С единых позиций описаны основные физические свойства низкотемпературной фазы: ориентационное стеклование, теплоемкость, тепловое расширение, реологические свойства и затухание упругих колебаний. Выводы теории сопоставлены с экспериментальными данными и получены эмпирические оценки для параметров двухъямных состояний и решеточно-ориентационного взаимодействия. Показано, что большая величина теплового расширения и акустического затухания выше температуры ориентационного стеклования фуллерита обусловлена интенсивным решеточно-ориентационным взаимодействием.

Запропоновано мікроскопічну деталізацію феноменологічної моделі двох’ямних оріентаційних станів (пентагонної та гексагонної конфігурацій молекул), котра знайшла широке використання для опису низькотемпературної фази фулерита C₆₀. Одержано просте кінетичне рівняння і сукупність термодинамічних співвідношень, що пов’язують між собою деформацію кристалічної гратки, концентрацію оріентаційних збуджень молекул і температуру. З єдиних позицій описано основні фізичні властивості низькотемпературної фази: орієнтаційне скловання, теплоємність, теплове розширення, реологічні властивості та поглинання пружних коливань. Висновки теорії співставлено з даними експерименту і одержано емпіричні оцінки для параметрів двох’ямних станів і гратково- оріентаційної взаємодії. Показано, що значна величина теплового розширення і акустичного поглинання вище температури оріентаційного скловання фулерита обумовлена інтенсивною гратково-орієнтаційною взаємодією.

A microscopic extension of the phenomenological model of double-well orientational states, viz., pentagonal and hexagonal configurations of molecules, which is widely used for describing the low-temperature phase of fullerite C₆₀, is proposed. A simple kinetic equation and a set of thermodynamic relations connecting the crystal lattice deformation, the concentration of orientational excitations of molecules, and temperature are derived. Basic physical properties of the low-temperature phase, including orientational glass transition, heat capacity, thermal expansion, rheological properties and damping of elastic vibrations are described on a unified basis. The conclusions of the theory are compared with the experimental data, and empirical estimates are obtained for the parameters of double-well states and the lattice–orientational interaction. It is shown that the large values of thermal expansion and acoustic damping above the orientation glass-transition temperature of fullerite are due to high-intensity lattice–orientational interaction.