Quantum-mechanical approach to the tunneling effect and translational diffusion of protons in crystalline materials
Authors: Тимохин В.М. , Теджетов В.А. 
Published: March 2024

Интенсивное использование северного морского пути для перевозки грузов гражданским и военным флотом при низких температурах требует производства новых материалов. Водородные связи и трансляционная диффузия протонов, а также связанные с ними протонные образования заметно влияют на структуру и рабочие свойства кристаллических материалов, применяемых на морских судах, поэтому изучение этих параметров представляют актуальную проблему. В соответствии с этим исследование протонной электрической проводимости через структуру кристаллов при низких температурах и изучение возможности проникновения протонов через потенциальный барьер на основе квантово-механического подхода и представляет собой цель данного исследования. В статье представлены экспериментальные и теоретические исследования кристаллических материалов типа кристаллов гидросиликата магния Mg3[Si4O10][OH]2, мусковита KAl2[AlSi3O10][OH]2, флогопита KMg3[AlSi3O10][F,OH]2 и иодата лития α-LiIO3. Исследовались спектры термостимулированных токов деполяризации и температурно-частотные спектры tgδ = f(ν,T) в диапазоне температур (77…473) К, по которым рассчитаны энергия активации и концентрации релаксаторов, вызывающих появление максимумов. Определена прозрачность потенциального барьера для протонов при температурах ниже нуля. Энергия активации низкотемпературного максимума ТСТД (0.05…0.07) эВ хорошо совпадает с энергией активации протонов 0.054 эВ из ЯМР-спектров, что свидетельствует о том, что диффузия при низких температурах обусловлена переходом протонов между ионами кислорода в тетраэдрах , или октаэдрах . В итоге мы предложили механизм трансляционной диффузии протонов вдоль оси Z(С6) в направлении электрического поля, что представляется весьма перспективным для создания новых протонных проводников и протонных мембран, а также в оптоэлектронике и лазерной технике.

Intensive use of the northern sea route for cargo transportation by civil and military fleets at low temperatures requires the production of new materials. Hydrogen bonds and translational diffusion of protons, as well as related proton formations, noticeably affect the structure and working properties of crystalline materials used on marine vessels, so the study of these parameters represents an urgent problem. Accordingly, the study of proton electrical conductivity through the structure of crystals at low temperatures and the study of the possibility of proton penetration through the potential barrier on the basis of quantum mechanical approach is the aim of this study. This paper presents experimental and theoretical studies of crystalline materials such as magnesium hydrosilicate Mg3[Si4O10][OH]2, muscovite KAl2[AlSi3O10][OH]2, phlogopite KMg3[AlSi3O10][F,OH]2 and lithium iodate α-LiIO3 crystals. The spectra of the thermal-stimulated depolarization currents and temperature-frequency spectra tgδ = f(ν,T) in the temperature range (77...473) K were studied, from which the activation energy and concentrations of relaxants causing the appearance of maxima were calculated. The transparency of the potential barrier for protons at temperatures below zero was determined. The activation energy of the low-temperature maximum of TSDС (0.05...0.07) eV coincides well with the proton activation energy of 0.054 eV from NMR spectra, indicating that the diffusion at low temperatures is due to the transition of protons between oxygen ions in tetrahedra , or octahedra . As a result, we proposed a mechanism of translational diffusion of protons along the Z(C6) axis in the direction of the electric field, which seems to be very promising for the creation of new proton conductors and proton membranes, as well as in optoelectronics and laser technology.