Інтегральна багатокристальна рентгенівська дифрактометрія монокристалів з дефектами кулонівського типу для жорсткого та м'якого випромінювань

Размещено на http://www.allbest.ru/

Інститут металофізики ім. Г. В. Курдюмова НАН України

УДК 539.26:548.4

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук

ІНТЕГРАЛЬНА БАГАТОКРИСТАЛЬНА РЕНТГЕНІВСЬКА ДИФРАКТОМЕТРІЯ МОНОКРИСТАЛІВ З ДЕФЕКТАМИ КУЛОНІВСЬКОГО ТИПУ ДЛЯ ЖОРСТКОГО ТА М`ЯКОГО ВИПРОМІНЮВАНЬ

01.04.07--фізика твердого тіла

Первак Катерина Вадимівна

Київ--2000

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Інституті металофізики ім. Г. В. Курдюмова Національної академії наук України

Науковий керівник:

доктор фізико-математичних наук, професор, академік НАН України

Немошкаленко Володимир Володимирович

директор Інституту металофізики ім. Г. В. Курдюмова НАН України.

Офіційні опоненти:

доктор фізико-математичних наук, професор

Даценко Леонід Іванович

провідний науковий співробітник Інституту фізики напівпровідників НАН України;

доктор фізико-математичних наук

Рябошапка Карл Петрович

провідний науковий співробітник Інституту металофізики ім. Г. В. Курдюмова НАН України.

Провідна установа:

Чернівецький державний університет ім. Ю. Федьковича

Захист відбудеться “19” квітня 2000 р. о 14⁰⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.168.02 Інституту металофізики ім. Г. В. Курдюмова НАН України (03680, МСП, Київ-142, бул. Академіка Вернадського, 36; т. 444-10-05).

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту металофізики ім. Г. В. Курдюмова.

Автореферат розісланий “17” березня 2000 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

кандидат фізико-математичних наук Т.Л. Сизова

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

кристал дефект розсіяння екстинкція

Актуальність теми полягає у викладеному нижче.

Сьогодні стало загальновизнаним, що властивості матеріалів визначаються не стільки початковою будовою і параметрами їх ідеальних кристалічних граток, що можуть бути надійно визначеними методами класичної кристалографії, скільки характером наведеної в них цілеспрямовано сучасними технологіями дефектної структури. Тому діагностичний контроль для управління такою структурою і, відповідно, якістю матеріалів (їх сертифікація не лише за елементним складом, але і за характером дефектної структури) стає найважливішою та багато складнішою задачею, яка вже не може бути вирішеною у рамках класичної кристалографії.

Основою для діагностики характеристик дефектної структури кристалів є кінематична теорія випромінювання у таких кристалах. Таку теорію було побудовано М. О. Кривоглазом і його учнями та на цій основі ним було проведено класифікацію дефектів за їх впливом на картину розсіяння, тобто за їх впливом на характер розподілу дифрагованої інтенсивності у просторі оберненої гратки. Ці теорія та класифікація визнані та широко використовуються вже десятки років у всьому світі.

Однак і кінематична теорія також виявилась не всесильною. Найбільш найсучасніші технології, так звані субмікронні та нанотехнології, вимагають спочатку виведення дефектів з кристалів, тобто створення початково максимально досконалих монокристалів, та наступної інженерії на атомному рівні з метою конструювання спеціальної прецизійної дефектної структури, що необхідна для вирішення різного роду технічних проблем.

Мова йде про такі функціональні матеріали, як монокристали з профільованими поверхнями, модифікованими поверхневими шарами, надгратки, багатошарові композиційні структури та інші монокристалічні вироби.

У таких досконалих матеріалах розміри областей когерентного розсіяння перевищують довжину екстинкції, і тому взаємодія випромінювання з кристалами стає сильною і, відповідно, у таких матеріалах суттєвими стають процеси багатократного розсіяння, а кінематична теорія, яка має наближення однократного розсіяння, стає непридатною принципово. Класифікація дефектів Кривоглаза тут докорінно змінюється. Картина розсіяння перестає бути прямим Фур`є-зображенням структури кристала. Діагностика у цих випадках можлива лише на основі більш загальної та строгої, але суттєво більш складної динамічної теорії розсіяння, що для кристалів з статистично розподіленими дефектами також була побудована вперше в Інституті металофізики НАН України В. Б. Молодкіним і сьогодні широко відома та використовується в усьому світі.

При цьому найбільш важливим виявляється те, що у рамках побудованої динамічної теорії вказаними співробітниками ІМФ НАНУ передбачено цілий ряд нових ефектів та явищ, які обумовлені багатократністю перш за все дифузного розсіяння. До числа таких нових динамічних ефектів дифузного розсіяння відносяться: ефект екстинкції, що обумовлений розсіянням на дефектах дифузної та бреггівської інтенсивностей; ефект аномального проходження дифузно розсіяного випромінювання, порушення закону збереження повної інтегральної відбивної здатності монокристала та інші. Ці ефекти виявились унікально чутливими до дефектів кристалів, але у кінематичній теорії вони принципово відсутні. На основі цих передбачених динамічних ефектів розроблено нові рентгенодифрактометричні методи і прилади нового покоління та спільними зусиллями ІМФ, ІФН НАНУ, Чернівецького і Київського державних університетів створено оригінальну українську експериментальну базу діагностики дефектів, що демонструє рекордні показники інформативності, чутливості і експресності та не має аналогів у світі.

Але на момент початку роботи над цією дисертацією вказані діагностичні можливості та області можливого коректного використання розробленої динамічної теорії та нових діагностичних методів були частково обмежені, по-перше, тим, що побудована на той час статистична теорія розсіяння обмежувалась розглядом випадків, коли розміри дефектів кулонівського типу повинні були бути на багато меншими у порівнянні з довжиною екстинкції, і крім того випадків, коли екстинкція, що обумовлена розсіянням на дефектах, достатньо слабка, тобто _dst1, де _ds -- коефіцієнт вказаної екстинкції, а t -- товщина кристалу, а по-друге, тим, що вказана загальна теорія ще не була адаптованою до деяких, в тому числі запропонованих в цій дисертаційній роботі, нових найбільш ефективних методів рентгенівської багатокристальної дифрактометрії, тобто на основі загальної теорії ще не було отримано конкретних аналітичних виразів для величин, що спостерігаються у запропонованих нових методах, з урахуванням інструментальних факторів та особливостей рентгено-оптичних схем. Саме те, що дисертаційна робота присвячена розв`язанню вказаних задач, доводить актуальність вибраної теми дисертації.

Зв`язок роботи з науковими програмами, планами, темами забезпечено тим, що ця дисертаційна робота виконувалась в Інституті металофізики ім. Г. В. Курдюмова НАНУ і була складовою частиною НДР по темі “Ефекти багаторазовості бреггівського і дифузного розсіяння у діагностиці кристалів з дефектами з урахуванням їх неоднорідного розподілу і комбінованих типів спотворень.” (затверджена Рішенням Бюро ВФА НАНУ № 10 від 24.12.96 р. № держреєстрації 01997V004426), входила до проекту ДНТП 5.2/01971 Міннауки (Договір 2\753-97) “Створення системи діагностики нових металевих матеріалів” та до гранту СRDF UP-1 № 336.

Мета і задачі дослідження.

Основною метою роботи було виконання ряду узагальнень статиcтичної теорії розсіяння випромінювання у кристалах з дефектами, які б дозволили суттєво розширити області її використання як теоретичної основи діагностики, та проведення адаптації цієї теорії шляхом урахування експериментальних умов конкретних (вказаних нижче) трьох найбільш інформативних і чутливих рентгенодифрактометричних методів нового покоління, що використовують динамічні ефекти дифузного розсіяння.

Таким чином, робота присвячена розвитку теоретичних та експериментальних основ і суттєвому розширенню діагностичних можливостей трьох нових рекордно чутливих рентгенодифрактометричних методів: кривих відбиття, повної інтегральної відбивної здатності та інтегральної трикристальної дифрактометрії.

Для досягнення поставленої мети розв`язувались наступні задачі:

Створити узагальнену статистичну динамічну теорію розсіяння випромінювання у кристалах з хаотично розподіленими дефектами, яка б на відміну від створених раніше виходила б за рамки однохвильового наближення для дифузних хвиль при визначенні коефіцієнтів екстинкції, що обумовлена розсіянням на дефектах.

Забезпечити цим можливість коректного описання розсіяння в тому числі і на дефектах, розміри яких досягають та перевищують значення довжини екстинкції.

Узагальнити цю теорію також на випадки, коли у кристалах присутні одночасно декілька різних типів дефектів.

Виконати додатково узагальнення цієї теорії, яке б дозволило на відміну від існуючих теорій коректно описувати випадки сильних ефектів екстинкції (_ds1), що обумовлена розсіянням на дефектах.

З метою адаптації створеної узагальненої статистичної динамічної теорії до конкретних експериментальних умов рентгенівської дифрактометрії методами кривих відбиття, повної інтегральної відбивної здатності та інтегральної трикристальної дифрактометрії, отримати на основі цієї теорії конкретні аналітичні вирази для величин, що експериментально спостерігаються при реалізації цих методів, з урахуванням інструментальних факторів та особливостей рентгено-оптичних схем.

Виконати експериментальну перевірку діагностичних можливостей цих методів, на основі розробленої теорії виконати їх необхідне удосконалення.

Наукова новизна одержаних результатів.

Вперше побудовано узагальнену статистичну динамічну теорію розсіяння випромінювання у кристалах з хаотично розподіленими дефектами кулонівського типу. Суть цього узагальнення полягає у розробці наступних трьох нових аспектів теорії:

-- Вперше вказану теорію побудовано з урахуванням динамічного характеру дифузного розсіяння при визначенні в аналітичному вигляді інтегральних характеристик динамічного розсіяння, що експериментально досліджуються, таких, як коефіцієнти екстинкції, що обумовлена розсіянням на дефектах, дифузна і бреггівська компоненти кривої відбиття, повна інтегральна відбивна здатність кристалів.

-- Вперше проведено узагальнення теорії на випадки присутності у кристалах декількох типів дефектів одночасно.

-- Вперше отримано аналітичні формули, які зв`язують характеристики дефектів з коефіцієнтами екстинкції, що обумовлена розсіянням на дефектах, справедливі в тому числі і у випадках не малих ефектів екстинкції (_ds1), тобто без обмежень, як раніше, таких, що _dst1.

Вперше виконано адаптацію розробленої теорії до конкретних експериментальних умов рентгенівської дифрактометрії методами кривих відбиття, повної інтегральної відбивної здатності та інтегральної трикристальної дифрактометрії з урахуванням інструментальних факторів та особливостей відповідних рентгено-оптичних схем.

На цій основі вперше запропоновано та теоретично і експериментально обгрунтовано оригінальні інформативні та високо чутливі методи дифрактометрії: узагальнений метод повних кривих відбиття; комбінований метод повних інтегральних відбивних здатностей та метод енергодисперсійної інтегральної трикристальної рентгенівської дифрактометрії.

Практичне значення одержаних результатів.

Побудована в дисертації узагальнена статистична динамічна теорія розсіяння випромінювання у кристалах з хаотично розподіленими дефектами кулонівського типу може бути використана як теоретична основа для розробки нових методів діагностики нового покоління, які базуються на динамічних ефектах дифузного розсіяння і тому є найбільш інформативними і високо чутливими.

Для неруйнівної кількісної діагностики типів і характеристик дефектів можуть бути використані вже розроблені в роботі нові методи: узагальнений метод кривих відбиття; комбінований метод повних інтегральних відбивних здатностей та метод енергодисперсійної інтегральної трикристальної рентгенівської дифрактометрії. Ці методи найбільш ефективні і перспективні при використанні джерел синхротронного випромінювання.

Достовірність отриманих результатів забезпечується тим, що розроблена теорія побудована у рамках найбільш загального, строгого і адекватного для опису розсіяння у кристалах з дефектами динамічного підходу, а також тим, що всі передбачені теорією ефекти та залежності знайшли експериментальне підтвердження у рамках цієї дисертаційної роботи, а також не мають протиріччя з іншими літературними даними.

Особистий внесок здобувача.

Здобувачем особисто одержані слідуючі результати:

У роботах [1] і [5] здобувачем виконано узагальнення статистичної динамічної теорії, яке полягало в урахуванні динамічного характеру дифузного розсіяння при визначенні в аналітичному вигляді інтегральних характеристик динамічного розсіяння, а також експериментальне вимірювання повних кривих відбиття та їх аналіз на основі розробленої теорії.

У роботі [2] здобувачем виконано експериментальні вимірювання роздільно дифузної і бреггівської складових повної інтегральної відбивної здатності та їх товщинних залежностей, розроблено процедуру сепарації їх істиних значень на основі порівняння теоретичних і експериментальних даних.

У роботі [3] здобувачем проведено узагальнення динамічної теорії на випадок не малих ефектів екстинкції, що обумовлена розсіянням на дефектах, виконано експериментальне вимірювання дифузної і бреггівської компонент повної відбивної здатності та їх енергодисперсійних залежностей, а також проведено діагностику дефектів на основі порівняння теоретичних і експериментальних даних.

У роботах [4] і [6] здобувачем узагальнено динамічну теорію інтегральних інтенсивностей на випадок декількох типів дефектів у кристалі, виконано експериментальне вимірювання товщинних , азимутальних та енергодисперсійних залежностей повної інтегральної відбивної здатності у геометріях Лауе і Брегга та проведено діагностику дефектів у кристалі на основі порівняння отриманих теоретичних і експериментальних залежностей.

Здобувач приймав участь в обговорені і аналізі отриманих результатів та написанні текстів статей.

Апробація результатів дисертації.

Результати роботи доповідались і обговорювались на Міжнародному меморіальному симпозіумі, присв"яченому 70-й річниці члена-кореспондента НАН України М. О. Кривоглаза "Нові діагностичні методи, що базуються на пучках синхротронного випромінювання", Алушта, Україна, 1999 р.; "Национальной конференции по применению рентгеновского, синхротронного излучения, нейтронов и электронов для исследования материалов (РСНЭ-99)", Москва, Росія, 1999 р.; Робочій нараді "Синхротронный источник ОИЯИ", Дубна, Росія, 1999 р.

Публікації.

Основний зміст дисертації відображено в 6 друкованих працях.

Структура та об`єм дисертації.

Дисертація складається з вступу, 3 оригінальних розділів, кожен з яких містить огляд літератури, нове теоретичне обгрунтування, експериментальні дослідження та іх обговорення, висновків та списку використаних джерел (116 найменувань). Повний об`єм дисертації складає 135 сторінок, в тому числі 21 малюнок.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовано актуальність теми, що розглядається, сформульовано мету і основні задачі дослідження, наукову новизну і практичну цінність здобутих результатів та обгрунтовано їх достовірність.

Перший розділ присвячений розробці нового узагальненого методу кривих відбиття. У цьому розділі виконано головне узагальнення динамічної теорії розсіяння випромінювань у кристалах з хаотично розподіленими дефектами кулонівського типу. Це узагальнення полягає в тому, що у дисертації виконано модифікацію системи рівнянь для двох сильних бреггівських хвиль з урахуванням впливу на них дифузного розсіяння. Цей вплив зводиться до появи у рівняннях доданків до їх коефіцієнтів, які у цій роботі вперше знайдено не в однохвильовому наближенні для дифузного розсіяння, як у всіх попередніх роботах, а з урахуванням динамічного характеру дифузного розсіяння, що дозволяє коректно описувати також випадки, коли розміри дефектів досягають або перевищують довжину екстинкції.

На основі використання цих результатів у першому розділі дисертації з метою адаптації теорії до конкретних умов експерименту одержані оригінальні вирази для виміряної на двокристальному дифрактометрі (ДКД) повної кривої відбиття та для її бреггівської та дифузної складових. Величина виміряної на ДКД інтенсивності залежить від відхилення () падаючого на кристал проміня від точного бреггівського положення та є експериментально проінтегрованою по кутам виходу (`) широко відкритим вікном детектора.

Тому з метою одержання аналітичних виразів для відповідної інтегральної величини у першому розділі виконано аналітично інтегрування загальних виразів для диференційної інтенсивності дифузного розсіяння, що залежить від і `, по сфері Евальда (інтеграл по `) .

При цьому одержано вираз для напівнескінченного (товстого) кристала, який містить два динамічних множники, що описують характерний перерозподіл інтенсивності дифузного розсіяння, обумовлений екстинкцією сильних хвиль, та екстинкційну провалину в області повного відбиття.

У першому розділі представлені також результати експериментальної реалізації запропонованого методу кривих відбиття.

Виміри цієї кривої проводились у випадку дифракції Брегга на ДКД. Для вимірювань використовувався зразок кремнію, у якому містилися мікродефекти декількох типів: несферичні кластери та дислокаційні петлі. Виміри проводились для симетричних відбиттів (111) і (333) випромінювання CuK?

В результаті розроблено узагальнений метод повної кривої відбиття для діагностики на основі аналізу і інтерпретації цієї кривої у рамках узагальненої динамічної теорії розсіяння, адаптованої вказаним вище способом у цьому розділі дисертації.

Звичайний метод кривих відбиття Ларсона заснований на вимірюванні кривих відбиття для зразка, вимірюванні кривих відбиття для еталона, який вважається ідеальним кристалом, та на відніманні від першої кривої другої, а також на наступному аналізі у рамках кінематичної теорії розсіяння отриманої таким чином приблизно дифузної складової кривої відбиття.

Таким чином, узагальнення методу Ларсона , яке виконано у цій роботі полягає у тому що:

-- по-перше, метод узагальнено на випадок великих дефектів, розміри яких порівнянні або перевищують довжину екстинкції (десятки мікрон). У цьому випадку дифузне розсіяння зосереджено в узькій області поблизу бреггівського піка, де принципово суттєві динамічні ефекти. Це призвело до необхідності наступних узагальнень, які виконано у даній роботі:

-- таким чином, по-друге, з указаної причини вперше інтерпретація кривої відбиття виконана у рамках динамічної теорії з урахуванням її узагальнення, що виконане у цій роботі, тому що кінематичний розгляд поблизу бреггівського піка вже не може бути придатним;

-- по-третє, у цьому випадку використання еталонного зразка також не може бути коректним у зв`язку із значною відміною бреггівських складових для неідеального та ідеального кристалів саме у динамічній області, що призводить до суттєвих помилок при визначенні величини дифузної складової повної кривої відбиття. Тому у роботі виконано безпосереднє порівняння виміряної експериментально кривої відбиття зразка із одержаною теоретично кривою для суми бреггівської та дифузної її складових у рамках узагальненої динамічної теорії розсіяння випромінювання у кристалах з дефектами; тобто без використання еталонного зразка;

-- і в-четвертих, з указаних вище причин у цьому розділі роботи принципово змінено техніку вимірювань кривої відбиття, які здійснено у цій роботі вперше з кроком у одну десяту кутових секунд, завдяки використанню торсіонних гоніометрів, тому, що у динамічному випадку ширина бреггівського піка складає лише декілька секунд, а для його опису неохідно мінімум декілька десятків точок.

У другому розділі дисертації проведено узагальнення динамічної теорії інтегральних інтенсивностей на випадок присутності у кристалі одночасно декількох типів дефектів, яке необхідне для здійснення діагностики у випадках таких комплексних спотворень у кристалах, та створено новий комбінований метод повної інтегральної відбивної здатності (ПІВЗ), який поєднує для підвищення інформативності при діагностиці декількох типів дефектів результати вимірів у випадках геометрій дифракції Лауе і Брегга, а також жорсткого і м`якого випромінювань (тонкий і товстий кристали).

Традиційні методи ПІВЗ засновані на використанні вимірів ПІВЗ, яка виявилась унікально чутливою, завдяки порушенню закона збереження ПІВЗ при врахуванні багатократності динамічного розсіяння.

При цьому на відміну від кінематичної теорії крім статичного фактора Дебая--Валлера Е--= е^L у динамічній теорії з`являються ще два структурно чутливих параметра -- це інтегральні коефіцієнти екстинкції, що обумовлена розсіянням на дефектах, для бреггівської <sub>ds</sub> та для дифузної * компонент ПІВЗ. Це дає унікальну можливість, використовуючи виміри ПІВЗ, визначити параметри дефектів тому, що у роботі для вказаних параметрів одержано конкретні найбільш загальні формули, які пов`язують величини L, _ds , * з характеристиками дефектів у кристалі.

Новизна комбінованого методу ПІВЗ, що пропонується та розроблено у другому розділі роботи, полягає у тому, що для підвищення інформативності методу у процесі діагностики виконується спільна обробка результатів вимірів залежностей ПІВЗ у випадках дифракції Лауе і Брегга, а також жорсткого і м`якого рентгенівських випромінювань.

Для цього було проведено виміри залежностей ПІВЗ від азимутального кута для обох геометрій дифракції. У випадку Лауе це забезпечувало зміну довжини шляху променя у кристалі, а у випадку Брегга -- зміну довжини екстинкції.

Крім того використовувалось жорстке (MoK, AgK) та м`яке (CuK) випромінювання для рефлексів (220), (440), (333) та (660) на ДКД.

Виконано теоретичний аналіз залежностей кривих ПІВЗ для всіх розглянутих експериментально випадків від параметрів L, m_ds,--m*, а також від характеристик дефектів у кристалі,який продемонстрував унікальну чутливість ПІВЗ до цих трьох структурно чутливих параметрів, а також до типу і характеристик дефектів. При цьому показана значна селективність чутливості ПІВЗ до цих параметрів, типів і характеристик дефектів. Ця селективність виявилась різною для різних геометрій та граничних випадків дифракціі.

Це дозволило вперше визначити всі три структурно чутливі параметри динамічної теоріі (L, m_ds,--m*), а також здійснити діагностику у рамках узагальненої моделі, яка вперше враховує наявність у кристалі одночасно декількох типів мікродефектів, коли, незважаючи на унікально високу чутливість кривих ПІВЗ до характеристик дефектів, виникає проблема неоднозначності при їх визначенні.

При цьому у випадку декількох типів дефектів, концентрація яких завжди мала і тому їх вплив стає адитивним, структурно чутливі параметри представляються у вигляді:

L =--S_i L_i, m_ds =--S_i mⁱ_ds, m*--=--S_i m_i*,

де L_i, mⁱ_ds, m_i* -- парціальні внески від дефектів типу і, а і =_--(1, ..., n), де n -- число типів дефектів.

На основі цієї моделі розроблено комплекс програм, який дозволив здійснити спільне фітування всього набору кривих ПІВЗ методом найменших квадратів для різних можливих моделей характеристик дефектів декількох типів.

Розроблено спосіб вирішення вказаної проблеми неоднозначності діагностики у випадках комбінованих типів дефектів. Цей спосіб полягає у максимально можливому розширенні набору спільно обробляємих залежностей ПІВЗ та у додатковому використанні даних незалежних експериментів та результатів робіт з теорії виникнення та росту дефектів у кристалах, які подібні тим зразкам, що досліджуються.

Висновки цього розділу роботи ілюструються теоретично обробленими експериментальними результатами дисертації, які представлені на чотирьох рисунках (1, а; 1, б; 1, в; 1, г).



Рис. 1, а

Рис. 1, б



Рис. 1, в

Рис. 1, г

На цих рисунках 1(а, б, в, г) зображено експериментальні (маркери) та теоретичні (лінії) товщинні (а, б, в) і азимутально-дисперсійні (г) залежності відношення ПІВЗ досліджуваного кристала до ПІВЗ ідеального кристала та відповідні аналогічні залежності окремо для вкладів від кожного з п`яти типів дефектів, що присутні у кристалі, а характеристики форми, розмірів (радіусів R) і конценцентрацій (c) яких визначені в роботі та наведені нижче:

1. Дисковидні кластери, R_cl = 0.45 mkm, h =--116 A, c_cl = 2.2410^-14.

2. Великі дислокаційні петлі з b= a/2 (b -- вектор Бюргерса, a -- параметр гратки), R_{big loops} =--= 0.45 mkm, c_{big loops} = 5.210^-15.

3. Малі дислокаційні петлі з b = a/2, R_{small loops} = 300 Е, c_{small loops} =--1,5610^-10.

4. Надвеликі дислокаційні петлі з b = a/2, R_{super big loops} = 10 mkm, c_{super big loops} = 2,410^-19.

5. Порушений поверхневий шар товщиною t = 1,3 mkm.

Порівняльний аналіз Рис. 1, а і 1, б та Рис. 1, в демонструє у повній відповідності до теоретичних передбачень роботи та описаних теоретично різних механізмів впливу дефектів у різних граничних випадках зміну не лише величини, а навіть знака впливу дефектів при переході від випадків Лауе дифракції у товстому кристалі (Рис. 1, а і 1, б), які показують суттєве (у декілька разів) зменшення ПІВЗ, до випадку Лауе у тонкому кристалі (Рис. 1, в), де ПІВЗ суттєво (у декілька разів) зростає, як і у випадку дифракції Брегга (Рис. 1, г). Слід зауважити, що ці суттєві збільшення або зменшення ПІВЗ спостерігаються при надзвичайно слабких рівнях спотворень у кристалі, як випливає із надзвичайно низьких значень концентрацій і інших наведених вище параметрів п`яти типів дефектів, і цим демонструють унікальну чутливість ПІВЗ до характеристик дефектів. Крім того наведені рисунки демонструють встановлений в роботі і важливий для розуміння і вирішення проблеми однозначності діагностики ефект зміни визначаючого типу дефектів при переході від одних до інших умов дифракції. Цей ефект обумовлений відповідною зміною визначаючих механізмів дифракції у повній відповідності з тим, як це описано і детально проаналізовано в роботі, але може помилково сприйматись, як протиріччя або неоднозначність різних методів або умов діагностичних досліджень. При цьому у першому випадку (Рис. 1, а) визначаючим типом дефектів є кластери, у другому випадку (Рис. 1, б) з ростом чутливості при переході від рефлексу (220) до рефлексу (440) істотно відчутними стають також внески від надвеликих та в меншій мірі від малих дислокаційних петель, а у третьому випадку (Рис. 1, в) відбувається принципова зміна, і роль найбільш чутливого параметру замість _ds починає відігравати L, і тому визначаючим типом дефектів стають вже малі дислокаційні петлі, як і у четвертому випадку (Рис. 1, г), де помітним стає також вклад від порушеного поверхневого шару. Все це обгрунтовує необхідність спільної обробки всіх наведених експериментальних кривих ПІВЗ для підвищення інформативності діагностики у складних випадках декількох типів дефектів у кристалах.

Таким чином, результати цього розділу становлять собою основу розуміння і вирішення проблеми неоднозначності діагностики типів дефектів рентгенодифрактометричними методами.

Третій розділ роботи присвячено розробці нових інтегральних методів трикристальної рентгенівської дифрактометрії. Тут досягнуто найбільш ефективне підвищення чутливості методів дифрактометрії шляхом роздільного виміру дифузної і бреггівської складових ПІВЗ при використанні трикристального дифрактометра.

З цією метою у третьому розділі одержано з урахуванням інструментальних факторів та особливостей оригінальних рентгено-оптичних схем приладів аналітичні вирази для роздільно вимірюваних на трикристальному рентгенівському дифрактометрі дифузної та бреггівської складових ПІВЗ. Тут ці вирази з урахуванням зверток трьох кристалів вперше одержані для випадку дифракції Лауе у узагальненому вигляді, тобто без використання, як раніше, їх розкладу за малим параметром (_dst1).

Таким чином, узагальнення теорії розширює області її використання, як на випадки великих товщин зразків, так і на випадки сильних ефектів екстинкції, що обумовлена розсіянням на дефектах.

Показано, що фізична причина вказаної можливості підвищення чутливості методів ПІВЗ при використанні трикристальних рентгенівських дифрактометрів полягає у наступному: у випадках найбільш досконалих монокристалів чутливість методів ПІВЗ може виявитись недостатьою з причин взаємної компенсації змін з ростом спотворень її складових. Це обумовлено тим, що збільшення дефектності зменшує бреггівську, але збільшує дифузну складові ПІВЗ, тобто знак впливу дефектів на ці складові різний. Така компенсація суттєво знижує чутливість ПІВЗ до характеристик дефектів. У такому випадку суттєво підвищити чутливість можливо лише шляхом додаткового виміру однієї з компонент ПІВЗ, що дозволяє здійснити трикристальна рентгенівська дифрактометрія. Така можливість вперше була здійснена спільними зусиллями співробітників Інституту металофізики НАНУ та колишнього Ленінградського фізико-технічного інституту. Такий метод отримав назву інтегральної трикристальної дифрактометрії.

У третьому розділі роботи запропоновано новий метод енергодисперсійної трикристальної рентгенівської дифрактометрії. Тут вперше експериментально реалізовані на трикристальному дифрактометрі комбіновані виміри залежностей від довжини хвилі випромінювання та товщини кристала ПІВЗ та її бреггівської та дифузної компонент.

Виміри для різних довжин хвиль дозволяють додатково підвищити чутливість методу тому, що при переході до більш жорсткого випромінювання внесок дифузної компоненти при незмінному ступені досконалості кристалу росте і збільшує чутливість до дефектів.

Крім того у третьому розділі запропоновано оригінальну схему експериментального розділення ПІВЗ на складові, що базується на використанні ефекту екстинкції в умовах дифракції Брегга на кристалі-аналізаторі, а не на монохроматорі, як раніше. Це дозволяє одночасно вимірювати обидві складові, а не лише дифузну, як раніше, і тим самим їх суму у єдиній схемі, що забезпечує можливість коректного введення нормалізованих величин і, відповідно, ліквідує негативний вплив екпериментальних факторів, що важко контролюються.

Вперше розроблено процедуру сепарації з виміряних компонент ПІВЗ їх істиних, бреггівської та дифузної складових. Необхідність її введення пов`язана з тим, що запропоновані методи розділу на складові виявилися достатньо умовними, тобто розділ не є абсолютним, а обидві складові містять у собі певні долі як бреггівської, так і дифузної компонент.

Це особливо суттєво для великих дефектів. Тому і було використано процедуру, яка дозволила точно визначити істинні долі бреггівської і дифузної компонент ПІВЗ, виходячи з виміряних умовно дифузної та умовно бреггівської компонент.

При цьому, як показано у дисертації, залежності істинних бреггівських і дифузних компонент ПІВЗ, що знайдені за допомогою запропонованої у роботі процедури їх сепарації, значно відрізняються від експериментально виміряних умовно бреггівської та умовно дифузної складових. Це означає, що без вказаної процедури сепарації коректна діагностика монокристалів цим методом неможлива.

Експериментальні результати також підтверджують висновок про збільшення внеску дифузної складової при переході до більш жорсткого випромінювання і відповідно про збільшення чутливості методу.

ВИСНОВКИ

Виконано ряд узагальнень статистичної динамічної теорії розсіяння випромінювання у кристалах з хаотично розподіленими дефектами кулонівського типу. Ці узагальнення дозволили суттєво розширити області її використання як теоретичної основи діагностики.

Головне узагальнення полягає в урахуванні вперше динамічного характеру дифузного розсіяння при одержанні в аналітичному вигляді інтегральних характеристик динамічного розсіяння, що експериментально досліджуються, таких, як коефіцієнти екстинкціі, яка обумовлена розсіянням на дефектах, дифузна і бреггівська складові кривої відбиття, повна інтегральна відбивна здатність та її брегівська і дифузна складові.

Це забезпечило можливість коректного описання розсіяння в тому числі і на дефектах, розміри яких досягають і перевищують значення довжини екстинкції.

Вперше проведено узагальнення цієї теорії також на випадок присутності у кристалах одночасно декількох типів дефектів.

Вперше отримано аналітичні формули для коефіцієнтів екстинкції, що обумовлена розсіянням на дефектах, які зв`язують її з характеристиками дефектів, в тому числі у випадках не малих ефектів екстинкції, коли можливо, що _dst1.

Вперше розроблену теорію адаптовано до конкретних експериментальних умов нових рентгенодифрактометричних методів нового покоління, що використовують динамічні ефекти дифузного розсіяння, з урахуванням інструментальних факторів та особливостей рентгено-оптичних схем методів кривих відбиття, повної інтегральної відбивної здатності та інтегральної трикристальної дифрактометрії.

На цій основі вперше запропоновано та теоретично і експериментально обгрунтовано оригінальні інформативні та високочутливі методи рентгенівської дифрактометрії з суттєво підвищеними діагностичними можливостями такі, як узагальнений метод повних кривих відбиття; комбінований метод повних інтегральних відбивних здатностей та метод енергодисперсійної трикристальної рентгенівської дифрактометрії.

На основі отриманих результатів у роботі при використанні зразка з відомими типами дефектів проведено атестацію та порівняльний аналіз діагностичних можливостей розроблених трьох нових рентгенодифрактометричних методів.При цьому показано, що:

1. Найбільш інформативним, взагалі, є узагальнений метод повних кривих відбиття, тому що наявний вигляд всієї кривої відбиття містить більше інформації, ніж тільки одне значення площі (інтеграла) цієї кривої. Однак, з другого боку, вклад дуже слабких недосконалостей у диференційне значення інтенсивності може ще бути невідчутним, але їх внесок у інтегральну величину ПІВЗ може стати досить значним. З цих причин звичайний метод ПІВЗ є менш інформативним, але більш чутливим у порівнянні з методом кривих відбиття.

2. Враховуючи, що виміри ПІВЗ найбільш прості і експресні і дозволяють легко отримати цілий набір експериментальних кривих ПІВЗ для різних рефлексів, геометрій дифракції, жорсткого і м`якого випромінювань, можна суттєво підвищити інформативність методу шляхом переходу до запропонованого в роботі комбінованого методу ПІВЗ, в якому діагностика навіть у складних випадках декількох типів дефектів здійснюється шляхом спільної обробки всього набору різних залежностей ПІВЗ. При відомому наборі навіть декількох типів дефектів метод дозволяє надійно визначити їх кількісні характеристики.

3. Методи інтегральної трикристальної дифрактометрії дозволяють додатково підвищити чутливість методів ПІВЗ, тому що вимірюють роздільно бреггівську і дифузну компоненти ПІВЗ та їх енергодисперсійні залежності.

4. Найбільшу інформативність та чутливість діагностики можна досягти лише шляхом комплексного використання взаємно доповнюючих переваг кожного з розроблених трьох методів. Необхідність такого комплексного використання методів обгрунтована одержаними в дисертації результатими та висновками про те, що кожна конкретна експериментальна ситуація, що визначається вибором методу та дифракційними умовами експерименту, дає залежності, які мають різну селективність з точки зору визначаючого внеску в них різних типів дефектів кристала, який містить одночасно декілька їх типів. Це, у свою чергу, як показано у дисертації, обумовлено тим, що в різних з проаналізованих випадках експерименту визначаючими стають різні фізичні процеси, і тому експериментальні криві відбірково чутливі або до L, або до ?_ds??або до??* -- в залежності від того, який з цих параметрів визначає вказані процеси. При цьому визначаючий тип дефектів для кожного з цих трьох параметрів, в свою чергу, також може ставати різним, як про це свідчать одержані в роботі відповідні формули.

5. В особо складних випадках, коли в кристалі містяться одночасно три та більше типів дефектів, крім запропонованого комплексного підходу необхідно для вирішення виникаючої проблеми неоднозначності діагностики додатково використовувати дані робіт з теорії створення та росту дефектів у зразках , що аналогічні досліджуваним, а також використовувати результати незалежних експериментальних досліджень цих зразків іншими в тому числі і традиційними методами діагностики.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. V. B. Molodkin, S. I. Olikhovs`ky, Ye. M. Kislovs`ky, V. P. Krivits`ky, A. V. Los`, K. V. Pervak, J. E. Ice, and B. C. Larson. Interpretation of Reflection Curves for Single Crystals with Microdefects in the Case of the Bragg Dynamic Diffraction of X-Rays // Metal Physics and Advanced Technologies. -- 1999. -- Vol . 17, No. 12. -- P. 1383--1398.

2. В. В. Немошкаленко, В. Б. Молодкин, Е. Н. Кисловский, С. И. Олиховский, Т. А. Грищенко, М. Т. Когут, Е. В. Первак. Интегральная трёхкристальная рентгеновская дифрактометрия монокристаллов с микродефектами // Металлофизика и новейшие технологии. -- 2000. -- т. 22, №2. -- с. 42--50.

3. В. В. Немошкаленко, В. Б. Молодкин, Е. Н. Кисловский, С. И. Олиховский, М. Т. Когут, Л. М. Шелудченко, Е. В. Первак. Энергодисперсионная дифрактометрия тонких несовершенных кристаллов в условиях Лауэ-дифракции // Металлофизика и новейшие технологии. - 2000. - т. 22,

4. В. Б. Молодкин, В. В. Немошкаленко, А. И. Низкова, С. И. Олиховский, Е. В. Первак, А. И. Гранкина, Дж. Е. Айс, В. Ларсон. Комбинированные методы интегральной рентгеновской дифрактометрии для диагностики несовершенных монокристаллов // Металлофизика и новейшие технологии. -- 2000. -- т. 22, №3. -- с. 3--16.

5. В. В. Немошкаленко, В. Б. Молодкин, С. И. Олиховский, Е. Н. Кисловский, В. П. Кривицкий, Е. Г. Лень, Е. В. Первак, Дж. Е. Айс, В. Ларсон. Динамическая интерпретация полной кривой отражения в случае рентгеновской дифракции по Брэггу монокристаллами с микродефектами // Препринт UNSC 2.1998.

6. В. Б. Молодкин, В. В. Немошкаленко, А. И. Низкова, С. И. Олиховский, Е. В. Первак. Интегральная рентгеновская дифрактометрия несовершенных монокристаллов при совместном использовании дифракции по Лауэ и Брэггу, а также жёсткого и мягкого рентгеновских излучений // Препринт UNSC

Первак К. В. Інтегральна багатокристальна рентгенівська дифрактометрія монокристалів з дефектами кулонівського типу для жорсткого та м'якого випромінювань. -- Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.07--фізика твердого тіла. -- Інститут металофізики ім. Г. В. Курдюмова НАН України, Київ, 2000.

Побудовано узагальнену динамічну теорію розсіяння рентгенівських променів у кристалах з хаотично розподіленими дефектами кулонівського типу, в якій на відміну від існуючих вперше враховано вплив динамічного характеру дифузного розсіяння на коефіціенти екстинкції, що обумовлена розсіянням на дефектах. Теорія також вперше враховує вплив одночасно декількох типів дефектів та вперше вільна від припущення про малість ефектів екстинкції, які обумовлені розсіянням на дефектах. Узагальнену теорію адаптовано до конкретних експериментальних умов дифрактометрії методами нового покоління, які використовують динамічні ефекти дифузного розсіяння. На цій основі запропоновано та теоретично і експериментально обгрунтовано оригінальні інформативні та високо чутливі методи дифрактометрії: узагальнений метод повних кривих відбиття, комбінований метод повної інтегральної відбивної здатності та метод енергодисперсійної інтегральної трикристальної дифрактометрії.

Ключові слова: статистична динамічна теорія розсіяння, рентгенівська дифрактометрія, монокристали, дефекти, криві відбиття, інтегральні інтенсивності, трикристальні дифрактометри.

Pervak K. V. Integral Multicrуstal X-Ray Diffractometry of Single Crystals with Coloumb-Type Defects for Hard and Soft Radiations. -- Manuscript.

Thesis to search for the scientific degree of the candidate (physics-mathematics) in the speciality 01.04.07--Solid State Physics. -- G. V. Kurdyumov Institute for Metal Physic, N.A.S. of the Ukraine, Kyiv, 2000.

The generalized dynamical theory of X-ray scattering by crystals with chaotically distributed Coloumb-type defects has been developed. This theory, in distinct from other existing theories, firstly accounts for the influence of the dynamical character of diffuse scattering on the extinction coefficient caused by the scattering on defect. The theory also firstly accounts for the simultaneous influence of various-type defects, and firstly is free from the assumption of the smallness of extinction effects caused by the scattering on defects. The generalized theory has been adapted for the specific experimental conditions of the diffractometry by the novel methods, which make use of dynamical effects in diffuse scattering. On this base, the original, informatively rich and highly sensitive methods of diffractometry have been proposed, namely, the generalized method of total rocking curves, the combined method of total integrated reflection power, and the method of energy-dispersive integral triple-crystal diffractometry.

Key words: statistical dynamical scattering theory, X-ray diffractometry, single crystals, rocking curves, integrated intensities, triple-crystal diffractometers.

Первак Е. В. Интегральная многокристальная рентгеновская дифрактометрия монокристаллов с дефектами кулоновского типа для жесткого и мягкого излучений. -- Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.07--физика твердого тела. -- Институт металлофизики им. Г. В. Курдюмова НАН Украины, Киев, 2000.

Построена обобщенная статистическая динамическая теория рассеяния рентгеновских лучей в кристаллах с хаотически распределенными дефектами кулоновского типа, в которой в отличие от уже существующих теорий впервые учтено влияние динамического характера диффузного рассеяния на формулы для коэффициентов экстинкции, которая обусловлена рассеянием на дефектах. Эти формулы связывают аналитически коэффициенты экстинкции, а также их интегральные значения для диффузной и брэгговской компонент интегральных интенсивностей дифракции с характеристиками дефектов разного типа. Это, в частности, позволяет расширить область применения теории и на случаи больших дефектов, размеры которых могут быть соизмеримы и превышать значения длины экстинкции. Теория также впервые учитывает влияние на картину динамического рассеяния одновременно нескольких типов дефектов, а также впервые теория свободна от ограничений случаями малых эффектов экстинкции из-за рассеяния на дефектах. Выполнена адаптация обобщенной динамической теории к экспериментальным условиям дифрактометрии для ряда конкретных методов нового поколения, которые используют динамические эффекты диффузного рассеяния. Это -- методы кривых отражения, полной интегральной отражательной способности и интегральные методы трехкристальной рентгеновской дифратометрии. В результате впервые предложены, а также теоретически и экспериментально обоснованы три оригинальных метода дифрактометрии с существенно повышенными показателями информативности и чувствительности диагностики. Это, во-первых -- обобщенный метод полных кривых отражения, в котором без использования эталонного образца выполняется интерпретация на основе развитой динамической теории непосредственно полной кривой отражения, т. е. суммы ее диффузной и брэгговской компонент. Во-вторых, это -- комбинированный метод полной интегральной отражательной способности, в котором с целью повышения его информативности осуществляется на основе развитой теории комбинированная обработка совместно различных экспериментальных зависимостей ПИОС, измеренных для разных геометрий дифракции (Лауэ и Брэгга), различных отражений, а также для жесткого и мягкого излучений. И наконец, это -- энергодисперсионная интегральная трехкристальная дифрактометрия, чувствительность которой дополнительно повышена использованием оригинальной схемы и разработанной процедуры сепарации раздельно энергодисперсионных зависимостей диффузной и брэгговской компонент ПИОС.

Ключевые слова: статистическая динамическая теория рассеяния, рентгеновская дифрактометрия, монокристаллы, дефекты, кривые отражения, интегральные интенсивности, трёхкристальные дифрактометры.

Размещено на Allbest.ru

...