Закономірності взаємозв’язку анізотропії та неоднорідностей реальної будови алмазів різного походження з тонкою структурою ліній Кікучі і Косселя

Рис. 1. Профілі інтенсивності ліній Косселя алмазів різного походження (а) та їх анізотропія у еквівалентних кристалографічних напрямках (б) для кристалу, отриманого у системі Ni-Mn-C+бор. Орієнтація поверхні кристалів [111], CuK
Рис.2. Модельний спектр розсіяння Х-променів досконалим монокристалом алмазу а) та різниця інтенсивностей відбивної здатності для алмазів, отриманого у системі Ni-Mn-C та природним (досконалим) кристалом алмазу б)

Таким чином, при визначенні коефіцієнтів пружності у монокристалах алмазу, окрім енергії взаємодії атомів, слід також враховувати вихідну енергію пружної деформації реального кристалу, запасену під час його росту. Апроксимація ліній Косселя гауссіанами дозволила виділити когерентну симетричну та асиметричну скдадові, а також некогерентну (дифузну складову) розсіяння.

Публікації по розділу: 1-3, 6, 14, 32, 34, 35, 40-42, 44.

У четверому розділі на основі розвинених методів числового розв'язку системи диференціальних рівнянь, що описують розсіяння Х-променів (рівнянь Такагі), проведено дослідження механізмів та закономірностей формування розподілів інтенсивності у дво- і багатохвильових областях дифракції широкорозбіжного пучка Х-променів у кристалах алмазу, що містять одновимірні деформаційні поля.

Основна проблема при розрахунку розподілів інтенсивностей у дво- та багатохвильових областях дифракції, як випливає з експериментальних топограм на рис. 3 полягає у правильному виборі характеру зміни деформаційного поля з урахуванням його можливої анізотропії, зумовленої селективним поглинанням домішок у процесі синтезу кристалів, що призводить до уширення та роздвоєння К₁ і К₂-ліній, як, наприклад, при дифракції від площин типу та ).



а) б)

Рис. 3: а) косселеграма синтезованого (Ni-Mn-C+бор) алмазу, t 1мм, FeK_1,2-випромінювання. Вхідна поверхня - (001). Стрілками вказано роздвоєння K₁ і K₂ ліній для відбивань і . Частина зображення перетину ліній і , показана у збільшеному масштабі. б) розщеплений профіль для лінії показано у порівнянні з профілем для 202 лінії

Для синтезованих алмазів Ib-типу характерна наявність дефектів С-типу (одиничний атом азоту заміщення в парамагнітному стані з концентрацією до 410¹⁹ ат/см³), присутність включень металу-каталізатора, а також наявність пластинчатих утворення у вигляді зон чи пірамід росту, зумовлених нерівномірним захопленням домішки азоту чи бору під час росту кристалу. Така структура впливає на пружно-деформований стан гратки, спостерігається на катодолюмінесцентних топограмах алмазу у вигляді полос різного контрасту. Лінійні розміри зон можуть бути менші 1 мкм, а напруження на границі двох зон досягають 0,5 ГПа.

У процесі досліджень удосконалено створений раніше фотометричний пристрій, який дозволяє не тільки більш точно визначати відстані між перетинами двохвильових ліній одного типу, наприклад {220} (рис. 3 б), але й отримувати в цифровому форматі розподіли інтенсивності в дво- і багатохвильових областях дифракції. Це значно полегшує співставлення експериментальних та розрахованих даних на основі теорії дво- і багатохвильового розсіяння Х-променів у разі дифракції широкорозбіжного пучка в кристалах з неоднорідною будовою.

З аналізу змін тонкої структури поперечного профілю інтенсивності дво-хвильової лінії Косселя розглянуто наступні моделі можливого одновимірного розподілу деформацій у синтезованих кристалах алмазу: за синусоїдальним законом, за експоненційним законом (розподіл Гаусса), комбіновані деформації (синусоїдальний плюс експоненційний закони), аперіодичний.

За допомогою методів чисельного розв'язку системи рівнянь Такагі розраховано двомірні розподіли інтенсивності (рис. 4) в кутових областях падіння пучка Х-променів, яка охоплює трихвильові області дифракції. Для даної конфігурації характерний так званий багатохвильовий ефект модального підсилення, тобто в досконалому кристалі трихвильова область є суперпозицією інтенсивностей двохвильових дифракцій.

Наявність у кристалі деформацій, спрямованих певним чином, призводить до трансформації як дво- так і трихвильових областей дифракції. Кожний із розглянутих видів деформацій по-своєму впливає на їх зміну. Загальним є те, що спостерігається звуження, або розширення та зсув трихвильових областей, більш швидке асиметричне подавлення двохвильових областей розсіяння. Крім того, для всіх розглянутих видів одновимірних періодичних деформацій в області слабких зміщень атомів спостерігається ефект підсилення трихвильового аномального проходження Х- променів як для заломленої, так і для дифрагованих хвиль.

Розглянуто різні випадки співвідношення товщини деформованого шару b і екстинкційної глибини L, а також переважної орієнтації вектора по відношенню до векторів дифракції для трихвильової області . При цьому враховувалась розбіжність пучка Х-променів по і (~ 5 кут. с) та вважалось, що структурний фактор відбивань не змінюється при деформації.

У випадку періодичної деформації, коли на екстинкційній глибині вміщується ціле число деформованих шарів (L = nb, n>1), а , (і=ш), спостерігається не тільки зміщення відповідної дифракційної лінії у брегівському напрямку, а й поява додаткових (сателітних) ліній Косселя, паралельних до основної двохвильової лінії (). Кутова відстань між основною і найближчою найсильніше вираженою сателітною лінією зростає із збільшенням періоду синусоїдального поля деформацій і практично не залежить від його амплітуди. Величина зміщення та уширення основної лінії двохвильової дифракції визначаються амплітудою деформації і слабо залежать від періоду поля. Зміна за рахунок деформації (наприклад, P=910^-5) екстинкційної глибини, викликає зміну напрямку розповсюдження дифрагованих хвиль. Цей ефект проявляється в уширенні дифракційних ліній Косселя. У випадку значення максимуму інтенсивності основної лінії приблизно у два рази менше, ніж в ідеальному кристалі. По мірі зменшення періоду ( і ) максимальне значення інтенсивності зростає. Підсилення проходження Х-променів спостерігається не лише для двохвильової лінії, а також й у трихвильовій області.

а)	б)	с)
Рис. 4. Розраховані розподіли інтенсивності I(,) і поперечні перетини лінії для дифракції FeK1- випромінювання у кристалі алмазу (t=3, t1мм) для періодичного розподілу поля, , P=9.010-5: а) (312 шарів); б) (468 шари); в) (624 шари). Товщина кожного шару і період деформації однакові. По осях Х, Y вказано кутові секунди

У випадку моделювання одновимірних періодичних деформацій розподілом Гаусса в межах кожного періоду, кутова відстань між основною і найближчою сателітною лінією слабо залежить від товщини шару і практично така сама, як і у випадку синусоїдального розподілу, проте зміщення основної дифракційної лінії майже вдвічі менші. Для періодичних деформацій зі змінною амплітудою спостерігається уширення і різке зменшення інтенсивності як двохвильової лінії , так і трихвильової області. Для аперіодичних деформацій двохвильова лінія значно послаблюється, а інтенсивність трихвильової області практично не змінюється (шари мають однакову товщину і максимальну деформацію, відстань між ними різна, кількість шарів як у попередніх випадках).

У роботі вивчалися області багатохвильових перетинів ліній Косселя кристалів алмазу, синтезованих при різних умовах. На час виконання даної роботи існувала тільки одна робота Ланга, в якій виконано дослідження тонкої структури (розглянуто багатохвильові перетини ліній Косселя) бездислокаційного не парамагнітного алмазу типу Іа ювелірної якості. Нажаль якість кристалу, дослідженого Лангом, не характерна для синтезованих алмазів. Для більшості природних, а тим більше синтезованих монокристалів алмазу притаманна складна зонально-секторіальна будова, густина дислокацій може становити до 10⁹ см-³.

На рис. 5 а приведено характерний вигляд трихвильових перетинів для алмазів одержаних у системі Ni-Mn-C, а на рис. 5 б подано вигляд трихвильових перетинів досконалого монокристалу германію. При великому збільшенні (рис. 5 б) у місці перетину ліній Косселя спостерігається тонка структура - розмиття та роздвоєння трихвильової дифракції і її витягнутість перпендикулярно до вектора дифракції зв'язуючого відбивання трихвильової дифракції.

Рис. 5. Вигляд трьохвильових перетинів: а) алмазу, б) германію

Рис. 6. Теоретичний вигляд трихвильового перетину алмазу при наявності періодичної деформації гратки



Рис. 7. Вигляд трихвильового перетину монокристалу системи Ni-Mn-C

У кристалах алмазу для трихвильових дифракцій рис. 6, що утворюються в результаті перетину двохвильових () та () рефлексів, а також на рис. 7 для () та () рефлексів, зв'язуючим є відбивання від () площин, яке не є забороненим структурою. Теоретичне представлення (рис. 6) та експериментальні результати (рис. 7) якісно співпадають між собою, свідчать про достовірність отриманих у даній роботі результатів при дослідженні алмазів. Багатохвильова область у досконалих кристалах має характерний (з двома максимумами) розподіл інтенсивності (рис. 6 а, б). Інтенсивність перетину ліній багатохвильової області дифракції не є простою сумою інтенсивностей окремих ліній Косселя, оскільки ця область формується в результаті суперпозиції амплітуд з відповідними фазовими співвідношеннями і, при цьому є надзвичайно чутливою до характеру спотворень у кристалі, зумовлених неоднорідним розподілом домішок. Якісне співпадання на експериментальній (рис. 7) та теоретичній (рис. 6) косселеграмах розподілу інтенсивності в області перетину двохвильових ліній (трихвильовій області дифракції), у випадку наявності у кристалі періодичного розподілу деформацій за товщиною, свідчить про чутливість багатохвильової області дифракції до характеру розподілу деформацій в реальних кристалах алмазу (рис. 7) та коректному виборі моделі для осмислення результатів експерименту.

Оскільки ефект розділення трихвильової області дифракції добре проявляється для синтетичних алмазів, то можна припустити, що основною причиною утворення квазіперіодичних деформацій у монокристалах алмазу є домішки азоту, що входять в його гратку у вигляді ізоморфних атомів заміщення, утворюючи надгратку з періодичним розподілом залишкових деформацій, про що говорилося вище.

У роботі наведено теоретичні результати, що описують розсіяння Х-променів у наближенні кінематичної та динамічної теорій. У кінематичному наближенні контраст ліній Косселя можна записати у вигляді:

,

де І_(hkl) та І інтенсивність лінії поглинання довільної (hkl)-площини та інтенсивність фону відповідно, - лінійний коефіцієнт поглинання характеристичної довжини хвилі у алмазі, ' - коефіцієнт поглинання характеристичного випромінювання, збільшений за рахунок вторинної екстинкції. Необхідність врахування взаємодії падаючої та розсіяної хвиль у динамічній теорії призводить до зміни фазової швидкості результуючої хвилі. Профіль лінії описується суперпозицією симетричного та асиметричного термів. При цьому, суперпозиція двох термів високоенергетичного крила К₁-лінії Косселя являється найбільш чутливою до деформаційних спотворень кристалу; по інформативності її можна співставити із рентгенівськими інтерференційними методами.

Отже, проведені розрахунки, експериментальні дані дали змогу встановити закономірності впливу параметрів періодичного поля, сформованого домішковою надграткою, на зміщення (роздвоєння), уширення та інші характеристики профілю інтенсивності ліній Косселя, при цьому, очевидно, технологічні умови в процесі синтезу алмазів і створення тонких легованих шарів сприяють виникненню квазіперіодичних полів деформацій, період і форма яких впливає на кутовий зсув сателітної лінії Косселя по відношенню до основної лінії. Багатохвильові області дифракції, що є результатом перетину двохвильових ліній Косселя являються досить чутливими до характеру спотворень у кристалі, зумовлених неоднорідним розподілом домішок. Якісне співпадання розподілів інтенсивності на експериментальних та теоретичних косселеграмах свідчить про те, що основною причиною формування залишкових деформацій у кристалах алмазу являються домішки азоту, що входять в його гратку у вигляді ізоморфних атомів заміщення, утворюючи надгратку з квазіперіодичним розподілом деформацій.

Публікації по розділу: 17-19, 21, 45, 47.

У п'ятому розділі дисертаційної роботи проведено аналіз впливу зовнішніх чинників: опромінення, тиску та охолодження на зміну профілю ліній Косселя. На основі підходів розділів 3 та 4 представлено поведінку когерентної та дифузної складової при зміні впливу зовнішніх чинників.

Експериментальні дослідження структурної досконалості монокристалів алмазу отриманих у різних системах (розділ 3) показали, що незалежно від умов одержання усі кристали алмазу, без винятку, характеризуються залишковим полем деформацій. Величина та орієнтація поля деформацій гратки залежать від умов росту алмазу та його домішкового складу. У реальних монокристалах алмазу поле залишкових деформацій не являється сферично-симетричним (максимальна величина може сягати 1 ГПа), викликає зміну міжплощинних відстаней у еквівалентних напрямках, характеризує деформацію гратки та анізотропію кристалів, впливає на зміну інтенсивності ліній Косселя в еквівалентних напрямках (рис. 1 б).

Про наявність пружних деформацій у алмазі свідчать також дані катодної люмінесценції (рис. 8). Максимум лінії 503,2 нм (м'який центр) для зони росту 1 зміщений по відношенню до реперной лінії з максимумом 484 нм (Ni у положенні заміщення). Зсув лінії склав 1,2 нм.



Рис. 8. Фрагменти спектрів катодолюмінесценції алмазу від сусідніх зон росту товщини: 1 - 20 мкм; 2 - 7 мкм

Причиною такого зміщення можуть бути локальні залишкові напруження у досліджуваних зонах росту. Використовуючи значення коефіцієнту м'якості (для алмазу - 4,9.10-12 Па-1), знаходимо, що внутрішні залишкові напруження у локальних ділянках синтезованих алмазів (наприклад, зона 2) можуть досягати

0,5 ГПа. Це узгоджується з величиною залишкових напружень, отриманих із використанням методу Косселя.

Під дією одновісного тиску профілі К_1,2-ліній досліджених алмазів розширюються, при навантаженні більше 1 ГПа трансформуються у розмиту смугу. Із збільшенням тиску до 2,5 ГПа лінії К₁ та К₂ стають чіткими, знову розділяються, тобто спостерігається релаксація внутрішніх напружень гратки (рис. 9 а). Для кристалу, стисненого зусиллям 1,95 ГПа протягом 13 годин дифракційна складова профілю інтенсивності К_1,2-ліній уширюється, екстинкційна складова профілю залишається без змін (рис. 9 б). Після зняття тиску профіль інтенсивності ліній Косселя не відновлює вихідну форму, що вказує на зміну структури кристалів внаслідок пластичної деформації.



Рис. 9 а. Зміна профілю інтенсивності ліній Косселя алмазу (Ni-Mn-C) при одновісному навантаженні.

Рис. 9 б. Зміна профілю інтенсивності ліній Косселя вихідного алмазу, при навантаженні до 1,95 ГПа та витримці впродовж 13 годин.

При охолодженні кристалів алмазу у температурному діапазоні 300-170 К спостерігається аномальне розсіяння рентгенівського випромінювання, що проявляється у зменшенні інтенсивності лінії та збільшення її півширини рис. 10. Подальше зменшення температури викликає збільшення пікової інтенсивності ліній та зменшення їх півширини (рис. 10 б).

Аномальне розсіяння проявляється більш ефективно для синтетичних алмазів (крива 2, рис. 11), тобто для кристалів з переважним дефектом у вигляді С-центу (одиничний атом азоту у положенні заміщення) та дрібних вкраплень металу-розчинника. Для монокристалів природного алмазу Ia типу, де головними дефектами гратки є N-центр (два атоми азоту у сусідніх вузлах гратки), В₁-центр (сферичне скупчення вакансій, декорованих азотом) та В₂-центр (пластинчаті сегрегації азоту у площині куба) мінімум на кривій проявляється слабо (крива 3, рис. 11). Зміна профілів ліній для монокристалів, отриманих методом температурного градієнту близька до залежності природних алмазів.

Рис. 10. Зміна профілю інтенсивності ліній екстинкції (111) при охолодженні алмазу (система росту Ni-Mn-C): а) 300К; - - - - 220К; 170К; б) . 170К; 80К

Рис. 11. Залежність відносних ін-тенсивностей рефлексу (111).

1 - розрахована по Дебаю-Валлеру; 2, 3 - експериментальні залежності для алмазів отриманого у системі Ni-Mn-C та природного відповідно

Отже, встановлено зв'язок між трансформаціями тонкої структури двохвильових ліній і багатохвильових областей дифракції на картинах Косселя з особливостями будови алмазів різного походження, виявлено вплив технологічних умов росту, високого тиску, іонізуючого опромінення та температурного охолодження на структурні зміни та пружно-деформований стан гратки. Отримані результати дозволяють виробити рекомендації для керованої оптимізації фiзико-механiчних властивостей синтезованих кристалів алмазу їх більш ефективного використання у промисловості. Можна також припустити, що аномальне розсіяння випромінювання при охолодженні алмазів до температури 170 К обумовлене особливостю дефектної будови алмазів, яка спричиняє різний вклад дифузної та когерентної брегівської складової спектральної лінії у вказаному діапазоні температур.

Публікації по розділу: 1, 3 - 7, 15, 16, 28, 30, 31, 43.

У шостому розділі наведено результати досліджень синтезованих кристалів алмазу, алмазних плівок та інших матеріалів методом Кікучі. За допомогою сканівного електронного мікроскопу фірми «Zeiss» EVO-50XVP з використанням CCD - детектора ( Oxford Instruments) досліджено алмази синтезовані спонтанним способом. Пучок електронів падає на поверхню кристалу під кутом 70 є.

На рис. 12 представлена катодолюмінісцентна топограма та типова картина ліній Кікучі від поверхні синтезованого алмазу. Точність визначення періоду гратки залежить від точності визначення геометричних параметрів, наприклад, координат полюсів (вузлів) - областей перетину дифракційних ліній на картинах Кікучі. Використання кореляційного методу і його програмної реалізації при виконанні роботи дозволили автоматизувати процес визначення координат полюсів (вузлів - перетинів ліній) на картинах Кікучі з точністю 1 пікселя і мінімізувати суб'єктивні чинники, а оптимальний вибір ядра кореляції забезпечив високу точність визначення зсувів деталей зображень.



а) б)

Рис. 12. Алмаз № 1: а) Катодолюмінісцентна топограма фрагменту (3,02,0 мм²) поверхні (00), цифрами вказані області № 1-9, в яких отримані картини Кікучі; б) картина Кікучі, отримана від області № 1; маркерами «+» відмічені вузли V1-V9 перетинів ліній Кікучі

Запропонований підхід дозволив коректно визначати структурні характеристики монокристалів, наприклад зміни відносних деформацій в певному напрямку (рис. 13) у локальних ділянках зразка. Разом з тим, аналіз профілів інтенсивності ліній Кікучі (рис. 14 б), змін місцеположень їх перетинів (вузлів) дозволяє уточнювати причини, що викликають зміни періоду гратки, встановлювати кореляцію між кристалічною структурою і напрямом переважного росту та значно підвищити інформативність методу Кікучі-ліній. Відносні зміни профілів інтенсивності окремих ліній на картинах Кікучі на рис. 14 б залежать від локальної структурної досконалості досліджуваної області кристала.

Рис. 13. Алмаз № 1. Середні значення Дd/d, визначені з різниці відстаней між вузлами на картинах Кікучі, отримані в точках на рис. 12 а

а) б)

Рис. 14. Алмаз № 1. Профілі інтенсивності для ліній Кікучі у напрямку [001]: крива з точками - область № 1, 3; суцільна лінія - № 3; б) ширина лінії між вузлами V2-V4 для області № 1 (рис. 12 а)

У цілому використання дифракції електронів (методу Кікучі) дозволяє отримувати інформацію про механізми формування реальної структури алмазів у процесі синтезу та визначати її вплив, у залежності від внутрішньої будови, ступеня однорідності і досконалості, на властивості алмазу.

Можливості методу Кікучі-дифракції продемонстровано при досліджені зразків полікристалічних алмазних плівок товщиною до 500 мкм, отриманих в надвисокочастотній (НВЧ) плазмі при різних технологічних умовах, зокрема при їх легуванні бором (табл. 2). Плівки, відокремлені від підкладки Si, механічно поліровані з двох сторін. За допомогою методу Кікучі вивчена картина розподілу кутових розорієнтацій між окремими кристалітами синтезованих плівок.

Таблиця 2. Умови отримання алмазних полікристалічних плівок із газової суміші. P - тиск у камері росту, T_s - температура підкладки, Дн - ширина Раманівської лінії алмазу: GS - ростова сторона

№ зразка	Колір	Товщина, мкм	H2/CH4/O2 %	P, Torr	Ts, °C	Дн (GS), cm-1
1	Прозорий	360	98.5/1.5/0	87	820	2.2
2	Блакитний	340	98/2/0	100	690	2.2
3	Чорний	500	89/10/1	92	940	2.7
4	Прозорий	450	98.8/1.2/0	90	820	-

Досліджені зразки відрізняються не тільки розмірами зерна, але і картиною кутових розорієнтацій, яка міняється з товщиною плівки у міру її росту. Орієнтація кристалітів плівки 1 хаотична, локалізація центрів напружень характерна як у центрі, так і на границях зерен. Для зразка 2 (легованого бором) розміри зерен зменшилися майже у два рази, спостерігається текстурування у площині росту {110}. Разом з тим інтенсивність та кількість центрів, що характеризують напруження, зросла. В основному вони розміщені на міжзеренних границях, що обумовлено домішкою бору. Зразок 3 характеризується низькими напруженнями на міжзеренних границях та текстурою у напрямку [100], що обумовлено наявністю а-СН дефектного прошарку та (sp²-фази вуглецю) на міжзеренних границях.

З метою апробації методики, у дисертаційній роботі також приведено дослідженню зразків гарячекатаної листової сталі (дані Кікучі-дифракції по сталям відомі у літературі). Отримані результати дозволили розв'язати питання розміру зерен по товщині прокату, про що свідчить отримання акту впровадження результатів досліджень у виробництво та патенту (Додатки 2 і 2 А). Досліджувалися також зразки твердих сплавів та кераміки на основі кубічного нітриду бору.

Таким чином, використання дифракції електронів дозволяє отримувати інформацію про механізми формування реальної структури в процесі синтезу, вивчати вплив на властивості алмазу його внутрішньої будови, ступеня однорідності і досконалості. Розроблене при виконанні роботи методичне та програмне забезпечення дозволило покращити чутливість методу, дозволяє отримати відносну зміну параметрів гратки у сусідніх зонах росту одного кристалу з похибкою 5^.10⁶ нм.

Публікації по розділу: 8-11, 22-27, 33, 36-39, 48-50.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1. Розроблено експериментальне обладнання, удосконалено методичне та програмне забезпечення для автоматизованої обробки картин Кікучі і Косселя, аналізу відповідних профілів ліній інтенсивності, отриманих експериментально від алмазів різного походження, а також кількісної оцінки з картин Косселя та Кікучі структурної неоднорідності та ступеню недосконалості синтезованих алмазів. Методи цифрової обробки топографічних зображень ліній Косселя та Кікучі значно підвищують інформативність, ефективність, достовірність експериментальних досліджень, оскільки зростає їх роздільна здатність і, відповідно, ступінь порівняння з теоретично розрахованими.

2. Для виявлення особливостей будови гратки кристалів алмазу різного походження на рентгенограмах аналізується взаємне розміщення ліній Косселя та досліджується зміна профілів інтенсивності ліній {111}- та {220}-форм (півширина профілю інтенсивності змінюється від 0,02 до 0,07 кут. с. у залежності від способу отримання алмазів). Встановлено, що значення міжплощинних відстаней (d_{hkl}) для еквівалентних кристалографічних напрямків можуть відрізнятися між собою у третьому знаку. Це обумовлено селективним захопленням ізоморфних домішок під час наростання пірамід простих форм, та виникненням, при цьому, домішкової надгратки, яка формує після синтезу алмазу анізотропне поле залишкових деформацій.

3. Вперше для визначення статичних коефіцієнтів пружності синтезованих алмазів використано значення міжплощинних відстаней у восьми незалежних кристалографічних напрямках при двох послідовних стисненнях кристалу. Отримано значення коефіцієнтів пружності алмазів синтезованих у різних системах, а також їх значення для пірамід росту простих форм одного і того ж кристалу системи Ni-Mn-C+бор. Значення С₁₁ та С₄₄ близькі до відповідних значень, монокристалів природного алмазу хорошої якості. Величини С₁₂ займають проміжні значення у порівнянню з літературними даними, отриманими динамічним методом.

4. При дослідженні впливу системи росту на особливості пружно-деформованого стану гратки монокристалів алмазу різного походження (природний, отриманих у системах Ni-Mn-C, Ni-Mn-C+бор та методом температурного градієнту) встановлено межі застосування кінематичної та динамічної теорій розсіяння. При визначенні статичного фактору Дебая-Валлера, який характеризує ступінь дефектності монокристалів алмазу, для екстинкційної складової профілю К₂-лінії Косселя у низькоенергетичній області, правомірно використання кінематичної теорії розсіяння рентгенівського випромінювання. Складова лінії екстинкції та дифракції високоенергетичного крила К₁-лінії Косселя, яка характеризує пружно-деформований стан гратки алмазу, описується співвідношеннями динамічної теорії розсіяння.

5. Досліджено динаміку зміни профілю інтенсивності ліній Косселя при зміні пружно-деформованого стану реальних монокристалів алмазу в результаті впливу на кристали алмазу зовнішніх чинників: іонізаційного опромінення, одновісного механічного стиснення та температурного циклювання у інтервалі температур 300-80 К. Встановлено зміну інтенсивності дифракційної складової профілю інтенсивності К_1,2-ліній кристалу алмаза, стисненого зусиллям 1,95 ГПа протягом 13 год, що свідчить про наявність пластичної течії у алмазах при кімнатних температурах та зміну його дислокаційної будови. Показано, що аномальне розсіяння рентгенівського випромінювання, виявлене вперше в області температур 300-170 К, яке проявляється у зменшенні пікової інтенсивності та у зростанні півширини лінії Косселя, зумовлене перерозподілом інтенсивності когерентної бреггівської та дифузної складових спектру.

6. На основі розвинених методів чисельного розв'язку системи рівнянь Такагі проведено дослідження механізмів та закономірностей формування профілів розподілу інтенсивності у дво- та багатохвильових областях дифракції широкорозбіжного пучка Х-променів у кристалах алмазу. З використанням експериментальних даних та теоретичних розрахунків показано, що деформації, зумовлені пластинчатим розподілом домішок азоту або наявністю тонких легованих шарів для синтезованих при різних умовах кристалів алмазу, є квазіперіодичними. Співставлення експериментальних і теоретичних косселеграм, дозволяє стверджувати, що поява сателітних ліній Косселя зумовлена генерацією нових хвильових полів у результаті їх інтерференційної взаємодії. Кутова відстань між основною і найближчою найбільш інтенсивною лінією сателіта росте із збільшенням періоду деформацій, і практично не залежить від його амплітуди. Величина зсуву, а також розширення основної двохвильової лінії дифракції визначаються, в основному, амплітудою деформації і слабо залежать від виду і періоду деформаційного поля.

7. Вперше проведено співставлення даних теоретичного моделювання трихвильового розсіяння рентгенівського випромінювання граткою реальних монокристалів з даними експериментальних досліджень структурних особливостей будови кристалів синтетичного алмазу. Встановлено, що поле залишкових деформацій у монокристалах алмазу носить періодичний характер, обумовлене наявністю ізоморфних домішок у його гратці, не являється простою сумою інтенсивностей окремих ліній, впливає на інтерференцію у трихвильових областях розсіяння (області перетину ліній Косселя на рентгенограмах). Аномальне проходження випромінювання у трихвильових областях може бути використано для дослідження пружно-деформованого стану алмазів після їх синтезу.

8. Проведено апробацію методу Косселя при визначенні структури порушеного шару напівпровідникових пластин, що використовуються у мікроелектроніці. Експериментальні результати узгоджуються з даними по визначенню порушеного шару методом розсіяння електронів. Отримані результати демонструють можливості методу по визначенню дислокаційних прошарків у порушеному шарі без пошкодження зразка.

9. Комплексний аналіз профілів інтенсивності ліній Кікучі, змін місцеположень їх перетинів (вузлів), дозволяє уточнювати причини, що спричиняють зміни періодів гратки синтезованих кристалів у еквівалентних напрямках, дають змогу підвищити інформативність методу Кікучі-ліній та дозволяють визначити кореляцію між структурою і напрямом переважного росту алмазів та кристалітів в алмазних плівках. Використання кореляційного методу і його програмної реалізації дають змогу автоматизувати процес точного визначення координат полюсів (вузлів - перетинів ліній) на картинах Кікучі з точністю до 1 пікселя і мінімізувати суб'єктивні чинники, а оптимальний вибір ядра кореляції забезпечує високу точність визначення зміщень деталей зображень.

10. Відносні зміни профілів інтенсивності окремих ліній на картинах Кікучі залежать від локальної структурної досконалості досліджуваної області кристала. Характерні розподіли інтенсивності окремих перетинів Кікучі-ліній вказують на анізотропію будови даних зразків у різних кристалографічних напрямах.

Показано, що використання дифракції електронів (методу Кікучі) дозволяє отримувати інформацію про механізми формування реальної структури монокристалів у процесі синтезу, виявляти вплив його внутрішньої будови, ступеня однорідності і досконалості на властивості алмазу.

багатохвильовий дифракція кристал алмаз

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗДОБУВАЧА ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Ткач В. Н. Исследование монокристаллов алмаза различного происхождения методом Косселя / В. Н. Ткач, А. С. Вишневский / Сверхтвердые материалы. Получение и применение. Монография в 6 томах под общей ред. академика НАН Украины Н. В. Новикова. - Київ: ИСМ им. В.Н. Бакуля, ИПЦ “АЛКОН” НАНУ, 2004. Том. 2. Структура и свойства СТМ. Методы исследования. С. 256-287.

2. Новиков Н. В. Упругие характеристики монокристаллов синтетического алмаза / Н. В. Новиков, А. С. Вишневский, В. Н. Ткач // Доклады АН СССР. 1988. т. 302, № 6. C. 1368-1371.

3. Tkach V. N. Precision studies of synthetic diamonds using Kossel's method / V. N. Tkach // Diamond and Related Materials. - 1993. Vol. 3. P. 112-115.

4. Gontar A. G. Cathodoluminescent microtopography and spectroscopy of diamond produced by CVD and other methods / A. G. Gontar, V. N. Tkach and L. A. Romanko //J. of Chemical Vapor Deposition. 1995. Vol. 4, N 1. P.70-84.

5. Новиков Н. В. Проявление структуры в облученном электронами алмазе типа Ia / Н. В. Новиков, Т. Д. Осетинская, В. Н. Ткач // Доповіді НАН України. 1998. № 3. С.121-127.

6. Ткач В. М. Визначення структурної досконалості синтезованих кристалів алмазу / В. М. Ткач, М. Д. Раранський, І. М. Фодчук, М. Д. Борча, І. В. Міхальов, Д. О. Штемплюк // Науковий вісник Чернівецького університету: Збірник наук. праць. Фізика. - Чернівці: ЧДУ. 1998. Вип. 30. С.104-108.

7. Ткач В. Н. Вплив зовнішнього навантаження на залишкові деформації гратки алмазу // Науковий вісник Чернівецького університету: Збірник наук. праць. Фізика. Електроніка. - Чернівці: ЧДУ. 1999. Вип. 66. С. 35-38.

8. Osetinskaya T. D. Radiation-activated development of defective structure in type Ia diamond / T. D. Osetinskaya, V. N. Tkach // Diamond and Related materials. 1999. - Vol. 8. P. 897-902.

9. Osetinskaya T. D. The effect of structure development in electron-irradiated type Ia diamond / T. D. Osetinskaya, V. N. Tkach // J. of Material Science. 1999. Vol. 34. P. 2891-2897.

10. Novikov N. V. Protective diamond-like coatings for optical materials and electronic devises / N. V. Novikov, A. G, Gontar, S. I. Khandozhko,

A. M. Kutzay, V. N. Tkach, V. Yu. Gorokhov, G. M. Belitsky, A. V. Vasin // Diamond and Related materials. 2000. Vol. 9. P. 792-795.

11. Kutsay O. M. Diamond-like carbon films in multilayered interference coatings for IR optical elements / O. M. Kutsay, A. G. Gontar, N. V. Novikov, S. N. Dub, V. N. Tkach, B. A. Gorshtein, O. M. Mozkova // Diamond and Related Materials. 2001. Vol. 10. P. 1846-1849.

12. Tkach V. N. Divergent-beam X-ray structural studies of a disturbed surface layer in silicon plates / V. N. Tkach // Semiconductor Physics, Quantum Electronics & Optoelectronics. - 2002. Vol. 5, N. 1. - P. 36-38.

13. Ткач В. Н. Исследование нарушенного слоя кремниевых пластин методом псевдо-Косселя / В. Н. Ткач // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2002. Том 68, № 8. С. 30-31.

14. Tkach V. N. Structure of diamond single crystals of different origins studies by Kossel's method / V. N. Tkach, A. G. Gontar // Diamond and Related materials. - 2002. - V 11. P. 882-885.

15. Ткач В. Н. Рассеяние рентгеновского излучения решеткой монокристаллов алмаза / В. Н. Ткач // Металлофизика и новейшие технологии. - 2002. - Т. 24, № 7. С. 949-955.

16. Ткач В. Н. Рассеяние рентгеновского излучения решеткой алмаза в области температур 300-80 К / В. Н. Ткач // Металлофизика и новейшие технологии. - 2002. - Т. 24, № 8. - С. 1083-1088.

17. Борча М. Д. Вплив дефектної структури алмазу на розщеплення ліній Косселя / М. Д. Борча, О. С. Кшевецький, В. М. Ткач, О. О. Ткач, І. М. Фодчук // Науковий вісник Чернівецького університету: Збірник наук. праць. Фізика. Електроніка. - Чернівці: ЧДУ, - 2004. Вип. 201. - С. 5-11.

18. Борча М. Д. Формирование профиля интенсивности линии Косселя в кристаллах с периодическим распределением деформации / М. Д. Борча,

19. О. С. Кшевецький, В. Н. Ткач., И. М. Фодчук // Металлофизика и новейшие технологии. - 2004. -T. 26, № 2. - С. 229-239.

20. Borcha M. D. Three-beam X-ray diffraction in crystals with thin strain layers / M. D. Borcha, O. S. Kshevetsky, V. M. Tkach // Proc. SPIE. Bellingham. 2004. - Vol. 5477. - P. 448-455.

21. Borcha M. X-ray multiple diffraction in synthesized diamond with a multi-layered structure / M. Borcha, I. Fodchuk, V. Tkach // J. Phys. D.: Appl. Physics. - 2005. -Vol. 38. - P. A227-A231.

22. Tkach V. N. The effect of the field of residual strains on the n-beam X-Ray diffraction on diamond / V. N. Tkach, M. D. Borcha, I. M. Fodchuk, O. O. Tkach, O. S. Kshevetsky // NATO Science Series book Innovative Superhard Materials and Sustainable Coatings for Advanced Manufacturing. Ed. By J. Lee and N. Novikov. Dordrecht: Springer, 2005. P. 327-333.

23. Kucheev S. I. Hydrocarbon Film Obtained by Electron Beam for Micropatterning in Liquid Crystal Diffraction Grating. ECE Dept, Hong Kong University of Science and Technology, Hong Kong, China / S. I. Kucheev, V. N. Tkach,V. G. Chigrinov // Preceding of Asia Display 2007 Vol. 2. - P. 2131-2136.

24. Lysenko O. Fabracation and characterization of single crystal semiconductive diamond tip for combined scanning tunneling microscopy / O. Lysenko, N. Novikov, V. Gruchko, A. Scherbakov, A. Katrucha, S. Ivakhnenko, V. Tkach, A. Gontar // Diamond and Related Materials. - 2008. - Vol. 17. - P. 1316-1319.

25. Борча М. Д. Определение структурной неоднородности кристаллов искусственных алмазов методом Кикучи-дифракции / М. Д. Борча, С. В. Баловсяк, Я. Д. Гарабажив, В. Н. Ткач, И. М. Фодчук // Металлофизика и новейшие технологии. - 2009. - Т. 31, № 7. - С. 911-925.

25. Ткач В. М. Визначення структурної неоднорідності синтезованих алмазів та розорієнтації кристалітів/зерен полікристалічних матеріалів методом Кікучі-дифракції / В. М. Ткач, І. М. Фодчук, М. Д. Борча, Я. Д. Гарабажів, С. Д. Баловсяк, В. Г. Ральченко, С. В. Ткач // Науковий вісник Чернівецького університету: Збірник наук. праць. Фізика. Електроніка - Чернівці: ЧДУ. 2009. -Вип. 438. С. 81-95.

26. Ievtushenko A. I. Effect of nitrogen doping on photoresponsivity of ZnO film / A. I. Ievtushenko, G. V. Lashkarev, V. I. Lazorenko, V. A. Karpuna, M. G. Dushenko, V. M. Tkach, L. A. Kosyachenko, V. M. Sklyarchuk, O. F. Sklyarchuk, K. A. Avramenko, V. V. Strelchuk, and Zs. J. Horvath // Phys. Status Solidi. - 2010. -A207, N 7. - P. 1746-1750.

27. Fodchuk I. M. Distribution in angular mismatching between crystallites in diamond films grown by microwave plasma / I. M. Fodchuk, V. M. Tkach, V. G. Ralchenko, A. P. Bolshakov, E. E. Ashkinazi, Ya. D. Garabazhiv, S. V. Balovsyak, S. V. Tkach, O. M. Kutsay // Diamond and Related materials. - 2010. - Vol. 19. - P. 409-412.

28. Viscnevskii A. S. Deformation of the diamond crystal lattice under pressure /A. S. Viscnevskii and V. N. Tkach // J. of Superhard Materials. 1988. Vol. 10, N 3. P. 44-46.

29. Tkach V. N. Changes of the Kossel Line Intensity Profile / V. N. Tkach and

30. A. S. Vishnevskii // J. of Superhard Materials. - 1992. - Vol. 14, N 3. - P. 8-10.

31. Tkach V. N. The Effect of Growth Conditions on Structural Characteristics of Diamond / V. N. Tkach // J. of Superhard Materials. - 1997. - Vol. 19, N 5.

32. - P. 24-27.

33. Tkach V. N. Low-Temperature Ordering of Diamond Structure / V. N. Tkach // J. of Superhard Materials. - 1997. - Vol. 19, N 6. - P. 1-5.

34. Tkach V. N. Structural Anisotropy of Diamond Single Crystals of Different Origins/V. N. Tkach//J. of Superhard Materials.- 1999. - Vol. 21, N 5. - P. 19-23.

35. Tkach V. N. Microcathodoluminescence Studies of Stresses in Local Areas of a Diamond Crystal / V. N. Tkach and A. G. Gontar // J. of Superhard Materials.-1999. - Vol. 21, N 6. - P. 23-26.

36. Tkach V. N. SEM Studies of Surface Defects of Diamond Single Crystals / V. N. Tkach, G. D. Ilnitskaya, G. F. Nevstruev and E. F. Kuzmenko // J. of Superhard Materials. - 2000. - Vol. 22, N 6. - P. 22-29.

37. Lysenko A. V. High-molecular studies of synthesis, structure and properties of a-C:H film / A. V. Lysenko, V. G. Poltoratskii, V. N. Tkach // J. of Superhard Materials. - 2001. - Vol. 23, N 4. - P. 13-19.

38. Rogov V. V. A study of surface condition of sapphire (-Al₂O₃) workpieces upon their finishing operation / V. V. Rogov, V. N. Tkach, N. D. Rublev, A. V. Troyan, V. N. Popel'nyk// J. of Superhard Materials. - 2008. - Vol. 30, N 3. - P. 192-197.

39. Нестеренко А. М. Фактор развития и механизмы циклической рекристаллизации феррита в горячекатаной низкоуглеродистой листовой стали с неоднородной структурой и текстурой по сечению / А. М. Нестеренко, В. Н. Ткач,

40. С. А. Здоровец // Cб. научн. трудов: Строительство, материаловедение, машиностроение. Серия: Стародубовские чтения 2009. Днепропетровск, 2009. - С. 174-177.

41. Нестеренко А. М. Циклическая рекристаллизация феррита в горячекатаной низкоуглеродистой листовой стали со структурно-текстурной неоднородностью / А. М. Нестеренко, А. Б. Сичков, В. М. Ткач, В. И. Сухомлин // Литье и металлургия. - 2009, № 4. - С. 110-115.

42. Патент на винахід № 90220. Спосіб виробництва гарячекатаної смуги з низько вуглецевої сталі для холодного штампування / А. М. Нестеренко, Г. В. Левченко, С. О. Воробей, В. М. Ткач, О. Б. Сичков, В. І. Сухомлін, Т. В. Грицай, С. О. Здоровець. - № 200900065, від 05.01.09, права на винахід від 12.04.2010.

43. Ткач В. Н. К характеристике реальной структуры кристаллов полупроводникового синтетического алмаза / В. Н. Ткач, А. С. Вишневский // Перспективы применения алмазов в электронике и электронной технике. - М.: Энергоатомиздат, 1991. - C. 84-85.

44. Ткач В. Н. Прецизионные исследования синтетического алмаза методом Косселя / В. Н. Ткач // Алмаз: Физика и электроника. М.: ЦРДЗ, 1992. - С. 20-24.

45. Tkach V. N. Precision techniques and equipment for the study of diamond crystal lattice / Tkach V. N. // Physics and technology of diamond materials. M.: Polaron publishers, 1994. - P. 37-41.

46. Tkach V. N. A Studi of diamond lattice deformations occurring in uniaxial compression by changes in Kossel's line intensity profile / V. N. Tkach and

47. A. G. Gontar, // High Pressure Science & Technology. High Pressure Research Center (UNIPRESS) Polish Academy of Science and Institute of Experimental Physics Warsaw University. Ed. W. A. Trzeciakowski. September 11-15, 1995. Warsaw, Poland, 1995. P. 559-561.

48. Tkach V. N. Studies of diamond single crystals using a widely divergent X-Ray beam / V. N. Tkach // Proceedings of 4-th International Symposium on Diamond Films and Related Materials. September 20-22, 1999. Kharkov, Ukraine, 1999. Р. 103-105.

49. Tkach V. N. Multiple X-Ray diffraction in single diamond crystal / V. N. Tkach, I. M. Fodchuk, M. D. Borcha, L. L. Gultay // Proceedings of 4-th International Symposium on Diamond Films and Related Materials. September 20-22, 1999. Kharkov, Ukraine, 1999. Р. 106-109.

46.Ткач В. Н. Влияние совершенства строения кристаллической решетки алмазов на профиль интенсивности линий Косселя / В. Н. Ткач // Вторая национальная конференция по применению рентгеновского, синхротронного излучений нейтронов и электронов для исследования материалов (РСНЭ-99),

23-27 мая 1999 г.: тезисы доклад. Москва, Россия, 1999. - С. 250.

47. Борча М. Д. Влияние особенностей роста кристаллов алмаза на формирование многоволновых рентгеновских изображений / М. Д. Борча, В. Н. Ткач, И. М. Фодчук, О. С. Кшевецький, О. О. Ткач // ІІ Українська наукова конференція з фізики напівпровідників (за участю зарубіжних науковців УНКФН-2), 20-24 вересня 2004 р. Чернівці-Вижниця, Україна, 2004. т. 2. - С. 426.

48. Kucheev S. I. Carbon - Containing Covering for Anchoring Breaking Nematic Microdevices / S. I. Kucheev, P. M. Litvin, V. N. Tkach, V. G. Chigrinov // EuroDisplay 2007, P-26. P. 302-305.

49. Ткач В. Н. Определение структурной однородности искусственных алмазов методом Кикучи-дифракции / В. Н. Ткач, М. Д. Борча, С. В. Баловсяк, Я. Д. Гарабажив, И. М. Фодчук, С. В. Ткач // Матеріали ХХІІ Міжнародної конференції МКФТТПН-ХІІ. Фізика і технологія тонких плівок та наносистем. 18-23 травня 2009 р. Івано-Франківськ, Україна, 2009. - С. 192-194.

50. Tkach V. M. Distribution of Angular Mismatching Between Crystallites in Diamond Films Grown by Microwave Plasma / V. M. Tkach, I. M. Fodchuk,

51. V. G. Ralchenko, A. P. Bolshakov, E. E. Ashkinazi, Ya. D. Garabazhiv,

52. S. V. Balovsyak, S. V. Tkach, O. M. Kutsay // DIAMOND 2009, 20th European Conference on Diamond, Diamond-like Materials, Carbon Nanotubes and Nitrides. 6-10 September 2009. Athens, Greece, 2009. - Р. 2.8.08.

Размещено на Allbest.ru

...