Формування картин Кікучі дифракції в синтезованих кристалах алмазу

Размещено на http://www.allbest.ru/

ЧЕРНIВЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНIВЕРСИТЕТ iмені Юрія Федьковича

УДК 548.74; 548.4

ФОРМУВАННЯ КАРТИН КІКУЧІ ДИФРАКЦІЇ В СИНТЕЗОВАНИХ КРИСТАЛАХ АЛМАЗУ

Спеціальність 01.04.07 - фізика твердого тіла

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фiзико-математичних наук

Гарабажів ЯРОСЛАВ Дмитрович

Чернiвцi 2010

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі фізики твердого тіла Чернівецького національного університету імені Юрія Федьковича. Міністерство освіти і науки України

Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук, професор Фодчук Ігор Михайлович, Чернівецький національний університет імені Юрія Федьковича, професор кафедри фізики твердого тіла

Офiцiйнi опоненти: доктор фiзико-математичних наук, професор, Прокопенко Ігор Васильович, Інститут фізики напівпровідників імені В.Є. Лашкарьова Національної академії наук України, заступник директора,

доктор технічних наук, професор Годованюк Василь Миколайович, ВАТ ЦКБ "Ритм", м. Чернівці, голова правління.

Захист відбудеться “ 16 “ грудня 2010 о 15⁰⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 76.051.01 при Чернівецькому національному університеті імені Юрія Федьковича за адресою: 58012, м. Чернівці, вул. Університетська, 19, корпус 2, Велика фізична аудиторія.

З дисертацією можна ознайомитися в науковій бібліотеці Чернівецького національного університету імені Юрія Федьковича (вул. Лесі Українки, 23).

Відгуки просимо надсилати за адресою: вченому секретарю ЧНУ, вул. Коцюбинського, 2, м.Чернівці, 58012.

Автореферат розісланий “ 15 “ листопада 2010 р.

Вчений секретар

спецiалiзованої вченої ради М.В. Курганецький

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність проблеми. Синтезовані алмази характеризуються механічними властивостями, які за характеристиками близькі до природного алмазу - надзвичайно висока міцність, мікротвердість, зносостійкість та рядом фізичних параметрів, що перевершують можливості природного алмазу: електропровідність, яка може змінюватись у широкому інтервалі від напівпровідників до діелектриків, низька магнітна сприйнятливість тощо. Ці властивості та інші характеристики алмазу зробили його перспективним матеріалом для застосування не тільки для технічних цілей як абразивного матеріалу, але й при створенні мініатюрних датчиків для високотемпературної і високочастотної електроніки.

Разом з тим, дослідження фiзико-механiчних властивостей алмазу супроводжується низкою труднощів, оскільки для них характерні малі розміри, складна зонально-секторiальна будова, зумовлена селективним захопленням домішок різними гранями кристалу під час росту; малі розміри кристалітів плівкових матеріалів.

Для визначення ступеню однорідності та досконалості кристалічних матеріалів перспективним є використання дифракції електронів на відбивання (методу Кікучі), оскільки зображення дифракції електронів може записуватися від окремих ділянок зразка розмірами близько нанометрів (краще ніж у разі використання дифракції Х-хвиль). Ця перевага разом із відповідним програмним забезпеченням дають можливість проводити кількісну діагностику кристалічних матеріалів на більш високому рівні. Зокрема, з появою CCD-детекторів (прилад із зарядовим зв'язком) за допомогою методу Кікучі з'являється можливість отримувати картини дифракції електронів на відбивання від локальних областей кристалу розмірами ~10-20 нм. Це вкрай важливо при дослідженні зразків неоднорідною будовою. Методом Кікучі можна визначати з достатньо з високою точністю (0,01%) зміну структурних параметрів (період гратки, вплив неоднорідного розподілу домішок в окремих областях зерен (зон росту) на її деформований стан) і він є дуже зручним при визначенні кутової орієнтації окремих кристалітів полікристалічних зразків. Крім того, за зміною тонкої структури профілю інтенсивності ліній Кікучі можна отримувати додаткову інформацію про тип і розподіл локальних структурних порушень в об'ємі у процесі росту кристалів. Проте, метод Кікучі на даний час використовується рідко і до цих пір ще не всі його можливості реалізовані для структурних досліджень реальних матеріалів. Це особливо стосується визначення типу дефектів і характеру зміни їх деформаційного поля з аналізу особливостей розподілу інтенсивності за перетинами Кікучі-ліній. На даний час існує обмежена кількість публікацій щодо використання методу Кікучі для діагностики структурної досконалості кристалічних об'єктів.

Отже, удосконалення та розробка нових методів по встановленню взаємозв'язку між змінами тонкої структури двохвильових ліній і багатохвильових областей (перетинів ліній) на картинах Кікучі з особливостями будови кристалічних об'єктів різного походження є актуальним науковим завданням.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження, результати яких наведені в дисертації, виконані відповідно до програм наукової тематики кафедри фізики твердого тіла Чернівецького національного університету імені Юрія Федьковича, зокрема: у межах НДР Міністерства освіти і науки України "Дифракція рентгенівських променів у реальних кристалах та багатошарових нанорозмірних системах", (номер державної реєстрації 0101u008206); в рамках проекту Державного фонду фундаментальних досліджень МОН України Ф25.2/116 "Структурна діагностика дефектів у реальних кристалах та гетерофазних наносистемах" (наказ МОН України від 17.04.2008 №345) та проекту " Неруйнівна діагностика структурних порушень у кристалах та багатошарових нанорозмірних системах на основі процесів багатократного когерентного і дифузного розсіяння Х-променів та електронів" (наказ МОН України від 22.07.2009 № 686).

Метою дисертаційної роботи є встановлення взаємозв'язку між змінами тонкої структури двохвильових ліній і багатохвильових областей (перетинів ліній) на картинах Кікучі з особливостями будови алмазів різного походження та визначення впливу технологічних умов росту на ступінь однорідності та досконалості синтезованих кристалів алмазу і полікристалічних плівок.

Для досягнення мети необхідно було розв'язати наступні завдання:

1. Удосконалити експериментальні та теоретичні методи і методики дослідження ступеню однорідності та досконалості кристалів, що ґрунтуються на явищах дво- та багатохвильової дифракції електронів, оптимізувати програмне забезпечення для автоматизованої обробки картин Кікучі, а також для аналізу відповідних профілів ліній інтенсивності, отриманих експериментально від алмазів різного походження.

2. Розробити алгоритми і відповідне програмне забезпечення обробки топографічних зображень картин і окремих ліній Кікучі.

3. Здійснити теоретичне та експериментальне дослідження розподілів інтенсивності у багатохвильових областях дифракції (перетинах ліній Кікучі), визначити їх чутливість до слабких полів деформацій.

4. Розробити методики кількісної оцінки структурної неоднорідності та ступеню досконалості синтезованих алмазів з картин Кікучі.

5. Підвищити точність та ефективність методу Кікучі при дослідженні структурної неоднорідності синтезованих кристалів алмазу, визначенні кутових розорієнтацій, а також центрів локалізації та розподілів напруг між кристалітами в алмазних плівках, отриманих у НВЧ-плазмі.

6. Встановити зміну текстурування алмазних плівок, вирощених CVD-методом за різних технологічних умов, а також зразків кубічного нітриду бора, отриманих при використанні відповідних технологій росту для спечених полікристалічних матеріалів.

Об'єкти дослідження: монокристали і полікристали алмазу різного походження: природні, отримані методом температурного градієнту, синтезовані у системах Fe-Co-С та Ni-Mn-C+бор; алмазні плівки, вирощені у НВЧ-плазмі; монокристали кремнію, а також зразки нітриду бора після різного типу обробки; методи цифрової обробки дифракційних зображень двохвильових ліній та багатохвильових розподілів інтенсивності на картинах Кікучі. кристал кікучі синтезований алмаз

Предмет досліджень - фізичні аспекти особливостей формування дво- та багатохвильових областей розсіяння на картинах Кікучі у випадку дифракції електронів на відбивання у різних за структурною досконалістю кристалах та взаємозв'язок між змінами тонкої структури двохвильових ліній і багатохвильових областей (перетинів ліній) на картинах Кікучі і особливостями розподілів поля напруг у кристалах.

Методи дослідження: методи дифракції на відбивання у розбіжних пучках електронів (метод Кікучі) за допомогою мікроскопу Zeiss EVO 50 XVP, растрова електронна мікроскопія (РЕМ), катодолюмінесцентна спектроскопія і спектроскопічні дані мікро-Раманівських досліджень, методи цифрової обробки топографічних зображень, числові методи розв'язку систем диференціальних рівнянь у частинних похідних, що описують процеси багатохвильового розсіяння Х-хвиль реальними кристалами (рівняння Такагі).

Визначення якісного та кількісного елементного складу проводились за допомогою РЕМ (модернізований Tesla BS-340, Ultra 55 та Zeiss EVO 50 XVP) і рентгеноспектрального аналізу (Link-860, Oxford Inca Energy 450) в Інституті надтвердих матеріалів ім. В.М.Бакуля НАН України.

Наукова новизна роботи. У результаті виконання дисертаційної роботи встановлено взаємозв'язок між змінами тонкої структури двохвильових ліній і багатохвильових областей (перетинів ліній) на картинах Кікучі з особливостями будови монокристалів алмазу, алмазних плівок та об'єктів іншого походження. На основі нових підходів до аналізу двохвильових ліній і багатохвильових областей розсіяння електронів на відбивання розроблено метод визначення компонент тензора деформацій та оцінки напруженого стану реальних кристалів.

Це дозволило отримати такі нові результати, зокрема вперше:

1. Для визначення ступеню однорідності та структурної досконалості кристалів алмазу різного походження розроблено методи, в основу яких покладено аналіз взаємного розташування ліній та їх розподілів на картинах Кікучі. Для автоматизованої обробки картин Кікучі, а також для аналізу відповідних профілів ліній інтенсивності розроблено алгоритми і відповідне програмне забезпечення.

2. Проведено комплексний аналіз профілів інтенсивності ліній Кікучі, змін місцеположень їх перетинів (вузлів) для кристалів алмазів, синтезованих різними методами. Встановлено взаємозв'язок між змінами тонкої структури двохвильових ліній і багатохвильових областей (перетинів ліній) на картинах Кікучі з особливостями будови алмазів різного походження. Досліджено вплив технологічних умов росту на структурні зміни синтезованих кристалів алмазу і полікристалічних плівок.

3. Виявлено, що значення міжплощинних відстаней, визначених з картин Кікучі, для еквівалентних кристалографічних напрямків одного кристалу можуть значно відрізнятися між собою (на 1-2%). Зумовлено це селективним захопленням ізоморфних домішок під час росту пірамід простих форм і формуванням домішкової надгратки, яка визначає параметри поля залишкових деформацій у монокристалах алмазу.

4. Показано, що структурні та орієнтаційні характеристики зразків полікристалічних алмазних плівок, вирощених в НВЧ-плазмі, а також композитів на основі WC-карбіду визначаються технологічними умовами (зокрема, температурою осадження, тиском і концентрацією компонент). Визначено кутові орієнтації окремих кристалітів за кристалографічними напрямками та визначені центри локалізації максимальних напруг - в кристалітах чи на границях між ними.

Практична значимість роботи. Розроблене програмне забезпечення можна використовувати для аналізу профілів інтенсивності ліній Кікучі. Результати дослідження ступеню структурної однорідності можуть бути використані для удосконалення технології та методів синтезу монокристалів алмазу, полікристалічних плівок із заданими властивостями, а також для стабілізації фізико-механічних характеристик в процесі їх росту та при дії зовнішніх чинників.

Використання кореляційного методу і його програмної реалізації дозволило автоматизувати процес точного визначення координат полюсів (перетинів ліній) на картинах Кікучі з точністю 1 пікселя і мінімізувати суб'єктивні чинники, а оптимальний вибір ядра кореляції забезпечує високу точність визначення зміщень деталей зображень.

Розроблені методи дослідження структури кристалів алмазу можна також успішно застосовувати при визначенні досконалості поверхневих шарів та нарощених технологічних покриттів на пластинах кремнію, германію і ін. Запропоновані методи цифрової обробки топографічних зображень ліній Кікучі значно підвищують інформативність, ефективність, достовірність експериментальних досліджень, оскільки зростає їх роздільна здатність і, відповідно, ступінь порівняння з теоретично розрахованими.

Розроблені методики, програмне забезпечення та алгоритми можуть бути використані для підготовки лекцій з курсів "Основи кристалографії, кристалохімії та кристалофізики", "Дефекти в кристалах" та ін.

Обґрунтованість і достовірність результатів. Викладені в представленій роботі завдання, наукові положення та висновки підтверджуються комплексністю проведених досліджень, відтворюваністю результатів на численних зразках.

Публікації та особистий внесок здобувача. За матеріалами дисертаційної роботи опубліковано 15 наукових праць, з яких 7 у фахових виданнях і 8 доповіді у матеріалах міжнародних конференцій.

Основні результати, що наведені в дисертаційній роботі, є результатом самостійної роботи автора. Дисертант приймав участь в аналізі експериментальних картин Кікучі та підготував літературний огляд [10, 11]; розробив алгоритми для реалізації кореляційного методу та створення програмного забезпечення, безпосередньо проводив розрахункові дослідження [3,8,9]; провів відповідні розрахунки, розробив алгоритм та створив програмний продукт для компенсації відмінностей в умовах експерименту [14, 16]; приймав участь в числових розрахунках та в обговоренні результатів щодо визначення розорієнтацій полікристалічних плівок, вирощених у НВЧ-плазмі [4,6,13,15]; приймав участь розробці алгоритму та його апробації, провів дослідження профілів інтенсивності ліній Кікучі [6,9,11].

Дисертант брав участь у постановці задач, обговоренні результатів та висновків усіх опублікованих у співавторстві наукових робіт.

Апробація результатів дисертаційної роботи. Основні результати досліджень, що лягли в основу дисертації, доповідались і обговорювались на таких конференціях і семінарах:

Ш ІІІ международный научный семинар "Современные методы анализа дифракционных данных". Великий Новгород, Россия (2006).

Ш VI национальная конференция по применению рентгеновского, синхротронного излучений, нейтронов и электронов для исследований материалов РСНЭ 2007. Москва (2007).

Ш 9th Biennial Conference on High Resolution X-Ray Diffraction and Imaging. Linz, Austria (2008).

Ш VІ міжнародна школа-конференція "Актуальні проблеми фізики напівпровідників". Дрогобич, Україна (2008).

Ш Международная конференция "Современные проблемы и пути их решения в науке, транспорте, производстве и образовании 2007". Одесса (2007).

Ш ХІI міжнародна конференція "Фізика і технологія тонких плівок та наносистем" (МКФТТПН-ХІI). Івано-Франківськ (2009).

Ш VII национальна конференция "Рентгеновское, синхротронное излучения, нейтроны и электроны для исследования наносистем и материалов. Нано Био Инфо Когнитивные технологии" (РСНЭ - НБИК 2009). Москва (2009).

Результати роботи доповідались і обговорювались на наукових семінарах кафедри фізики твердого тіла Чернівецького національного університету.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, основних результатів, списку цитованої літератури, що налічує 167 джерел. Робота викладена на 144 сторінках, які містять 57 рисунків і 6 таблиць.

Основний зміст ДИСЕРТАЦІЇ

У вступі обґрунтовується актуальність обраної теми досліджень, сформульовані мета й основні задачі, вказані наукова новизна і практичне значення отриманих результатів, наведені дані про апробацію роботи, публікації, особистий внесок дисертанта.

У першому розділі, що є оглядом літератури за темою дисертації, розглянуто публікації по вивченню особливостей будови кристалів алмазу та дефектних домішкових центрів у них, а також основних методів дослідження фізико-механічних характеристик алмазів. Проведено аналіз ряду факторів, які впливають на досконалість кристалів алмазу. Основними методами дослідження структурної досконалості монокристалів алмазу є оптичні і радіоспектроскопічні методи. Методи досить інформативні, проте вони не є прямими методами дослідження зміни трансляційної симетрії гратки. Разом з тим і традиційні Х-променеві методи не дозволяють фіксувати незначні спотворення гратки при поглинанні нею ізоморфних домішок, оскільки їх чутливість обмежена (d1.10-⁴ нм) [1^*].

У другому розділі представлено оригінальні алгоритми і програмні продукти, які створені в процесі розв'язування проблеми точного визначення перетинів ліній Кікучі (рис.1-3). Для аналізу змін відстаней між окремими полюсами (перетинами серії ліній), а також розподілів інтенсивності окремих дифракційних ліній на картинах Кікучі, розроблено методики оцінки зміни періодів гратки в поверхневих шарах синтезованих кристалів алмазу. Розглянуто також технологічні методи синтезу алмазів [2^*] та методи отримання та аналізу картин дифракції Кікучі.

Складність порівняльного аналізу серії картин Кікучі, отриманих від алмазів різного походження, полягає в тому, що розташування ліній та полюсів на цих картинах визначається не тільки структурними параметрами кристалу, але й умовами експерименту (кутом падіння електронів на зразок, відстанню від зразка до детектора та ін.). Для точного визначення координат полюсів та їх відносної зміни для серії картин Кікучі був створений програмний продукт Kikuchi_Center, в основу якого закладено метод кореляції (рис.1).

Водночас, на таких картинах можливі зсуви полюса по ширині і висоті, стиснення або розтягування уздовж різних напрямків, поворот, зміна середньої яскравості та інші менш істотні спотворення, тому був розроблений алгоритм та оригінальний програмний продукт для компенсації відмінностей в умовах експерименту для серії картин Кікучі з врахуванням можливих спотворень зображення (рис. 2).

Рис. 1 Інтерфейс оригінального програмного продукту Kikuchi_Center для визначення центрів перетинів Кікучі-ліній та їх відносної зміни для серії картин Кікучі

Рис. 2 Інтерфейс оригінального програмного продукту Image_Compare для компенсації відміності в умовах експерименту для серії картин Кікучі

Профілі інтенсивності в напрямку перпендикулярному до заданої Кікучі-лінії, визначалися за допомогою оригінальних програм Image_Profile та Fit_Kikuchi, створених в середовищі Delphi (рис. 3), які дозволяють зчитувати в цифровому форматі як окремі профілі, так і усереднені уздовж певного напряму. За рахунок такого усереднення значно ослаблюється випадкова складова інтенсивності (шум).

Рис. 3 Оригінальні програмні продукти Image_Profile (для прочитування профілю Кікучі-ліній та його усереднення) та Fit_Kikuchi (для визначення відстані між екстремумами профілю лінії Кікучі)

Використання розроблених програмних продуктів дозволило підвищити інформативність та точність методу Кікучі-ліній, що продемонстровано на прикладах змін у профілях інтенсивності ліній Кікучі та місцеположеннях перетинів вузлів у різних областях для одного і того ж кристалу. Це дало змогу аналізувати причини, що призводять до змін періодів гратки у визначених напрямках.

Отже, розроблені методики кількісної оцінки дозволяють встановити кореляцію між змінами у кристалічній структурі (ступенях однорідності та досконалості) та технологічними умовами їх отримання.

У третьому розділі проведено комплексний аналіз профілів інтенсивності ліній Кікучі, змін місцеположень їх перетинів (вузлів) для кристалів алмазів, синтезованих різними методами.

За допомогою скануючого растрового електронного мікроскопа EVO-50 фірми "Zeiss" з використанням CCD-детектора досліджено штучні алмази, які отримано в Інституті надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України. Пучок електронів падає на поверхню кристалу під кутом 70.

Кристал алмазу №1, вирощений спонтанним методом у ростових система Fe-Co-C, поверхня росту , (3,0Ч2,0 мм²), алмаз №2, вирощений методом температурного градієнту на зародку (алмаз), поверхня росту , (140Ч100 мкм²), алмаз №3, отриманий в системі росту Ni-Mn-C, поверхня росту , (280Ч200 мкм²). На рис.4 наведені катодолюмінесцентні топограми для даних алмазів та типова картина ліній Кікучі для алмазу № 3.

У методі Кікучі-ліній похибка визначення періоду гратки залежить від точності визначення геометричних параметрів - координат полюсів (вузлів). Використання кореляційного методу і його програмної реалізації дозволило автоматизувати процес визначення координат полюсів (перетинів ліній) на картинах Кікучі з точністю 1 піксель і мінімізувати суб'єктивні чинники, а оптимальний вибір ядра кореляції забезпечив високу точність визначення зсувів деталей зображень. Це дало змогу визначити локальні зміни структурних характеристик зразків, наприклад, зміни відносних деформацій в певному напрямку (рис.5). Комплексний аналіз профілів інтенсивності ліній Кікучі (рис.6) та змін місцеположень їх перетинів (вузлів) дозволяє уточнювати причини, які можуть викликати зміни періодів гратки в даному напрямку, що значно підвищує інформативність методу Кікучі-ліній.

Рис. 4 Катодолюмінесцетна топограма а) алмаз №1, маркером "+" вказані області 1-9, в яких отримані картини Кікучі; б) алмаз №2, в) алмаз №3, г) картина Кікучі, отримана від області 1 для алмазу №3

Рис. 5 Алмаз №3. Середні значення Дd/d, визначені з різниці відстаней між вузлами на картинах Кікучі, отримані в точках на рис. 4в

Відносні зміни профілів інтенсивності окремих ліній на картинах Кікучі (рис.6а) залежать від локальної структурної досконалості досліджуваної області кристалу. Характерні розподіли інтенсивності окремих перетинів Кікучі-ліній вказує на анізотропію будови синтезованих алмазів у кристалографічних напрямках та (рис.6б і рис.6в).

Для синтезованих кристалів алмазу характерна наявність пластинчастих утворень (зональна структура), поява яких зумовлена нерівномірним розподілом неконтрольованих при синтезі домішок азоту або бору [3^*]. Для алмазу №3, спостерігається зональна будова синтезованого кристалу (рис. 4в) по площині в результаті селективного захоплення домішок гранями під час росту. Як слідує з топограми на рис. 4в структурно еквівалентними між собою є локальні області 1, 3, 7 і з іншою яскравістю області 4, 8, 12. Максимальні значення середньої деформації (рис. 5) характерні для локальних областей 3, 6 і 9, мінімальні - в областях 1, 11 і 12. Такий неоднорідний розподіл деформацій може бути зумовлений, крім деформацій, ще й кутовими розорієнтаціями окремих фрагментів кристалу.

Рис. 6 Алмаз №3. Профілі інтенсивності R(x) для ліній Кікучі рис. 4в для напрямку : а) область 4; б) ширина лінії між вузлами V2-V4 для області 4 (L24=32,47) та 7 (L24=32,45) в) ширина лінії між вузлами V1-V4 для області 4 (L14=36,20) та 7 (L14=35,70)

Алмаз №1 характеризується поліблочністю (зонами росту), причому границі розділу між блоками - малокутові, тому було доцільним порівняти усереднені значення деформацій у різних локальних областях кристалу. Локальні області 3, 5 і 7 на рис 4а, в цілому, за характером розподілу контрасту і значень деформацій на діаграмах є структурно однорідними. Такий же розподіл можливий і для областей 2, 4, 6 і в меншій мірі для 8 і 9. Разом з тим, основні дві групи областей кристалу повинні істотно розрізнятися між собою. Діаграма значень деформації підтверджує це, за абсолютною величиною максимальні значення деформацій визначені в областях 6 і 4, мінімальні - в 1, 8.

У цілому, така ж картина спостерігається і для алмазу №2. Області 2-4, 7 і 9 (рис. 4б) є світлими зонами на катодолюмінесцентних топограмах, а області 1 і 10 - більш темні, у меншій мірі область 6, отже вони мають бути структурно однорідні. Максимальне значення деформацій спостерігається в локальних областях 8 і, особливо, у області 16 - області зародку. Мінімальна деформація - в локальних областях 2-5, 9 і 10. Цікаво, що кристал і зародок мають різні знаки деформації. Якщо для кристалу характерне збільшення відстаней між полюсами, то для зародку обернена картина - зменшення у всіх локальних областях кристалу.

З порівняння діаграми деформацій (рис. 5) і катодолюмінесцентної топограми картини (рис.4в), найбільш неоднорідним є кристал алмазу №3, а однорідним - кристал №2 (без врахування області зародку).

У четвертому розділі можливості методу Кікучі-дифракції застосовано при дослідженні зразків полікристалічних алмазних плівок завтовшки до 500 мкм, вирощених в НВЧ-плазмі (Інститут загальної фізики, Москва, Росія) за різних технологічних умов, зокрема, при легуванні бором. Плівки, відокремлені від підкладки Si, механічно поліровані з обох сторін. За допомогою методу Кікучі отримана картина розподілу кутових розорієнтацій між окремими кристалітами синтезованих плівок. Плівки відрізняються не тільки розмірами зерна, але й картиною кутових розорієнтацій, яка змінюється з товщиною плівки у міру її росту.

На рис.7-10 наведені орієнтаційний контраст, центри локалізації напруг зразків; окремими точками відмічені центри локалізації максимальної напруги, а також кутовий розподіл кристалітів (полюсні фігури), отримані в скануючому растровому електронному мікроскопі. Для порівняння у дисертаційній роботі також проведено дослідження композитів на основі кубічного нітриду бора та карбіду вольфраму.

Найбільш текстурованою виявилася полікристалічна плівка DF3 (рис. 9). Вважається, що наявність гідрогенізованого аморфного вуглецю на міжкристалічних границях (дані ІЧ-спектроскопії) приводить до зниження напруг між окремими кристалітами (рис. 9), сприяє формуванню текстури матеріалу. Про це свідчать також кутові розподіли полюсів кристалітів у зразку (рис.9). Характерно, що для даного зразка в міжзеренних границях переважають 30-ти градусні дислокації. Зменшення розорієнтації границь у площині росту плівки, у порівнянні із зразками DF1 і DF2, де переважають в міжзеренних границях 60-ти градусні дислокації, можна пояснити зменшенням внутрішніх механічних напруг. Максимальні напруги характерні для зразка, легованого бором (рис. 8). Очевидно, це зумовлено додатковими дефектами на границях кристалітів, які виникають при легуванні плівок.

Рис. 7 Орієнтаційний контраст, центри локалізації напруг, кутовий розподіл полюсів кристалітів відносно ростової поверхні зразка DF1 (T=820°C, P=87 Тоp, N=4,5 кВт, товщина 360 мкм)

Рис. 8 Орієнтаційний контраст, центри локалізації напруг, кутовий розподіл полюсів кристалітів відносно ростової поверхні зразка DF2 (T=690°C, P=100 Тоp, N=5,0 кВт, товщина 340 мкм)

Рис. 9 Орієнтаційний контраст, центри локалізації напруг, кутовий розподіл полюсів кристалітів відносно ростової поверхні зразка DF3 (T=940°C, P=92 Тоp, N=4,4 кВт, товщина 500 мкм)

Рис. 10 Орієнтаційний контраст, центри локалізації напруг, кутовий розподіл полюсів кристалітів відносно ростової поверхні зразка DF4 (T=820°C, P=90 Тоp, N=4,4 кВт, товщина 360 мкм)

Проведені дослідження за допомогою методу дифракції відбитих електронів від полікристалічних алмазних плівок та композитних надтвердих матеріалів показує, що використання даного методу дозволяє отримати не тільки нові дані для розвитку динамічної теорії розсіяння електронів на реальній структурі матеріалів, але й також контролювати наслідки зміни цієї структури при різних технологічних діях. Також можна визначати кількісні параметри - орієнтаційні, розорієнтаційні, а також розмірні характеристики зерен, і провести аналіз у полікристалах орієнтації зерен у локальних ділянках розміром менше 0,1 мкм з кутовою розорієнтацією кристалітів 0,05 градуса.

Отже, використання методу Кікучі для встановлення ступеню однорідності та структурної досконалості синтезованих кристалів алмазу та інших кристалічних матеріалів є дуже перспективним і важливим для практики, оскільки дозволяє виявляти не тільки причини зміни фізико-механічних властивостей матеріалів, але й передбачити шляхи їх покращення і оптимізації.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ТА ВИСНОВКИ

У результаті виконання дисертаційної роботи встановлено взаємозв'язок між змінами тонкої структури двохвильових ліній і багатохвильових областей (перетинів ліній) на картинах Кікучі з особливостями будови алмазів різного походження.

На основі розробленого програмного забезпечення для аналізу двохвильових ліній і багатохвильових областей розсіяння електронів на відбивання розроблено методики визначення компонент тензора деформацій та оцінки напруженого стану реальних кристалів.

1. Вперше проведено комплексні дослідження впливу технологічних умов росту синтезованих кристалів алмазу на формування дво- та багатохвильових розподілів інтенсивності ліній Кікучі.

Для автоматизованого аналізу відповідних профілів ліній інтенсивності, отриманих експериментально від алмазів різного походження розроблено методичне та програмне забезпечення обробки картин Кікучі, зокрема:

- методика аналізу топографічних зображень ліній Кікучі;

- методика кількісної оцінки з картин Кікучі структурної неоднорідності та ступеню досконалості синтезованих алмазів.

Використання кореляційного методу і його програмної реалізації (Kikuchi_Center) дозволяють 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.

2. Встановлено, що кристали алмазу характеризуються анізотропією пружно-деформованого стану, яка впливає на величину міжплощинних відстаней у еквівалентних кристалографічних напрямках, а також позначається на зміні профілю інтенсивності ліній Кікучі від еквівалентних площин {011} та {100}. Виявлено, що значення міжплощинних відстаней (d_hkl) для еквівалентних кристалографічних напрямків можуть значно відрізнятися між собою (на 1-2%), що обумовлено селективним захопленням ізоморфних домішок під час наростання пірамід простих форм, та виникненням при цьому домішкової надгратки, яка формує після синтезу алмазу поле залишкових деформацій.

3. Проведено комплексний аналіз профілів інтенсивності ліній Кікучі, змін місцеположень їх перетинів (вузлів) для кристалів алмазів, синтезованих різними методами. Встановлено взаємозв'язок між змінами тонкої структури двохвильових ліній і багатохвильових областей (перетинів ліній) на картинах Кікучі з особливостями будови алмазів різного походження. Досліджено вплив технологічних умов росту на структурні зміни синтезованих кристалів алмазу та полікристалічних плівок.

4. Показано, що відносні зміни профілів інтенсивності окремих ліній на картинах Кікучі залежать від локальної структурної досконалості досліджуваної області кристалу. Характерні розподіли інтенсивності окремих перетинів Кікучі - ліній вказують на анізотропію будови даних зразків у кристалографічних напрямках та .

5. За допомогою методу Кікучі досліджено зміну текстури алмазних плівок, вирощених CVD-методом при різних технологічних умовах. Визначено кутові розорієнтації зерен у полікристалах нітриду бору та композиційних сплавах на основі карбідних фаз. Показано, що метод Кікучі-дифракції дозволяє проводити аналіз полікристалів з розмірами окремих зерен 0,1 мкм та з кутовою розорієнтацією 0,05 градуса.

6. Найбільш текстурованою є полікристалічна плівка DF3, в міжзеренних границях якої переважають 30-ти градусні дислокації. Зменшення кутової розорієнтації границь у площині росту плівки, у порівнянні із плівками DF1 і DF2, де переважають 60-ти градусні дислокації, можна пояснити зменшенням внутрішніх механічних напруг. За даними ІЧ-спектроскопії для плівки DF3 на міжзеренних границях виявлено гідрогенізований аморфний вуглець, який сприяє зниженню напруг між окремими кристалітами і, відповідно, формуванню текстури плівки.

Максимальні напруги характерні для плівки DF2, легованої бором. Це зумовлено, напевне, виникненням додаткових дефектів на міжзеренних границях у процесі легування.

Основні результати опубліковані в таких наукових працях

1. Borcha M.Coincidental multiple X-ray diffraction as tool for precise investigation of crystals / M. Borcha, I. Fodchuk., O. Kroitor, Ja. Garabadzhiv, O. Kshevetsky // Proc. of SPIE. 2008. V. 7008, 7008(19-1-19-6).

2. Фодчук И.М. Многоволновая компланарная дифракция рентгеновских лучей в структурных исследованиях кристаллов / И.М. Фодчук, М.Д. Борча, Крицун И.И., Я.Д.Гарабажив, О.В. Кройтор, О.С. Кшевецкий, О.А.Ткач // Металлофизика и новейшие технологии. 2008. Т.30. № 10. C. 1159-1172.

3. Борча М.Д. Определение структурной однородности искусственных алмазов методом Кикучи - дифракции / М.Д. Борча, С.В. Баловсяк, Я.Д. Гарабажив, В.М. Ткач, И.М. Фодчук // Металлофизика и новейшие технологии. 2009. Т. 31. №2. С. 911-925.

4. Fodchuk I.M. Distribution in angular mismatch between crystallites in diamond films / I.M. Fodchuk, V.M. Tkach, V.G. Ralchenko, A.P. Bolshakov, E.E. Ashkinazi, I.I. Vlasov, Y.D. Garabazhiv, S.V. Balovsyak, S.V. Tkach, O.M.Kutsay // Diamond and Related Materials. 2010. 19. Р. 409-412.

5. Fodchuk I. Determination of Structural Homogeneity of Synthetic Diamonds With Analysis of Intensity Distribution of KikuchI Lines / I. Fodchuk, S. Balovsyak, M. Borcha, Ya. Garabazhiv, V. Tkach // Semiconductor physics, quantum electronics and optoelectronics. 2010. Vol. 13. №.3. Р. 256-262.

6. Кшевецький С.А. Застосування багатохвильової дифрактометрії для абсолютного визначення постійної гратки високодосконалих кристалів/ С.А. Кшевецький, М.Д. Борча, І.І. Крицун, І.М. Фодчук, Я.Д. Гарабажів // Науковий вісник. Вип. 237: Фізика. Електроніка. Чернівці: ЧНУ, 2005. С. 39-45.

7. 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.В. Баловсяк, В.Г. Ральченко, С.В. Ткач // Науковий вісник ЧНУ. Вип. 438: Фізика. Електроніка. Чернівці: ЧНУ, 2009. C. 31-44.

8. Борча М.Д. Прецизионное определение состава соединений с помощью случайной и компланарной многоволновых дифракций рентгеновских лучей / М.Д. Борча, И.М. Фодчук, Я.Д. Гарабажив. // Материалы ІІІ-го международного научного семинара "Современные методы анализа дифракционных данных", 22-25 мая 2006. Великий Новгород, Россия. С. 123-125.

9. Ткач В.Н. Определение структурных параметров исскуственных кристаллов алмаза из анализа линий Кикучи / В.Н. Ткач, С.В. Баловсяк, И.М. Фодчук, М.Д. Борча, Я.Д. Гарабажив // VI национальная конференция по применению рентгеновского, синхротронного излучений, нейтронов и электронов для исследований материалов РСНЭ 2007, 12-17 ноября 2007, Москва. С. 353.

10. Borcha M. Strain distribution in silicon and diamond crystals from Kossel and Kikuchi patterns / M. Borcha, I. Fodchuk, V.Tkach, and Ya. Garabazhiv // 9th Biennial Conference on High Resolution X-Ray Diffraction and Imaging, 15-19 September 2008 Linz (Austria). P. 122.

11. Борча М. Визначення розподілу напруг у кристалах з аналізу ліній Косселя та ліній Кікучі / М. Борча, І. Фодчук, В. Ткач, Я. Гарабажів, О. Кройтор, С. Баловсяк // VІ міжнародна школа-конференція "Актуальні проблеми фізики напівпровідників" Дрогобич, Україна.- 23-26 вересня 2008.- С. 228.

12. Баловсяк С.В. Корреляционный способ определения деформаций изображений, полученных методами дифракции электронов / С.В. Баловсяк, И.М. Фодчук, Я.Д. Гарабажив // Международная конференция "Современные проблемы и пути их решения в науке, транспорте, производстве и образовании 2007", Т.5, 15-25 декабря 2007. Одесса, Украина, 2007. С. 85-89.

13. 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 // ХІI міжнародна конференція "Фізика і технологія тонких плівок та наносистем", 18-23 травня, 2009. Івано-Франківськ. Т.1. C. 192-194.

14. Ткач В.Н. Структурные характеристики алмазных пленок, выращенных в СВЧ-плазме / В.Н. Ткач, И.М. Фодчук, В.Г. Ральченко, А.П. Большаков, Е.Е. Ашкинази, Я.Д. Гарабажив, С.В. Баловсяк, Е.Ф. Кузьменко // ХІI міжнародна конференція "Фізика і технологія тонких плівок та наносистем", 18-23 травня, 2009. Івано-Франківськ. Т.1. C. 271-273.

15. Ткач В.Н. Кикучи-дифракция в структурно неоднородных кристаллах искусственных алмазов/ В.Н. Ткач, М.Д. Борча, С.В. Баловсяк, Я.Д. Гарабажив, И.М. Фодчук // VII национальная конференция "Рентгеновское, синхротронное излучения, нейтроны и электроны для исследования наносистем и материалов. Нано Био Инфо Когнитивные технологии" (РСНЭ - НБИК 2009) 16-21 ноября 2009. Москва. С. 204.

АНОТАЦІЯ

Гарабажів Я.Д. Формування картин Кікучі дифракції в синтезованих кристалах алмазу. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фіз.-мат. наук за спеціальністю 01.04.07 - фізика твердого тіла. - Чернівецький національний університет імені Юрія Федьковича, Чернівці, 2010.

Дисертаційна робота присвячена експериментальному та теоретичному дослідженню слабких спотворень структури реальних кристалів алмазу з використанням дифракції електронів (методу Кікучі) з метою встановлення впливу умов росту на зміну пружно-деформованого стану в алмазах, отриманих різними методами; розробці ефективних методик підвищення прецизійності та інформативності методу Кікучі при дослідженні впливу розподілених у алмазах залишкових напруг на розсіяння електронів в областях багатохвильової дифракції; використанню отриманих результатів для покращення технологій синтезу алмазів з заданими характеристиками.

Використання алгоритмів та їх програмної реалізації дозволили автоматизувати процес точного визначення координат полюсів (вузлів - перетинів ліній) на картинах Кікучі з точністю 1 пікселя; мінімізувати суб'єктивні чинники, залежність невідповідності між картинами Кікучі досліджуваного кристалу від умов експерименту (кута падіння електронів на зразок, відстані від зразка до детектора та ін.). Із аналізу профілів інтенсивності ліній Кікучі, змін місцеположень їх перетинів (вузлів), уточнено причини, що спричиняють зміни періодів гратки синтезованих кристалів у даному напрямі.

Вивчена картина розподілу кутових розорієнтацій між окремими кристалітами синтезованих плівок алмазу. Визначено кількісні параметри - орієнтаційні, розорієнтаційні, а також розмірні характеристики зерен.

Ключові слова: синтезовані кристали алмазу, електрони, дифракція, полікристалічні плівки.

АННОТАЦИЯ

Гарабажив Я.Д. Формирование картин Кикучи дифракции в синтезированных кристаллах алмаза. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физ.-мат. наук по специальности 01.04.07 - физика твердого тела. - Черновицкий национальный университет имени Юрия Федьковича, Черновцы, 2010.

Диссертационная работа посвящена экспериментальному и теоретическому исследованию слабых искажений структуры реальных кристаллов алмаза с использованием дифракции электронов (метода Кикучи) с целью установления влияния условий роста на смену упруго-деформированного состояния в алмазах, полученных различными методами; разработке эффективных способов повышения прецизионности и информативности метода Кикучи при исследовании влияния распределенных в алмазах остаточных напряжений на рассеяние электронов в областях многоволновой дифракции; использованию полученных результатов для улучшения технологий синтеза алмазов с заданными характеристиками.

Проведены комплексные исследования влияния технологических условий роста синтезированных кристаллов алмаза на формирование двух- и многоволновых распределений интенсивности линий Кикучи. Разработано методическое и программное обеспечение обработки картин Кикучи для автоматизированного анализа соответствующих профилей линий интенсивности, полученных экспериментально от алмазов различного происхождения.

Использование корреляционного метода и его программной реализации (Kikuchi_Center) позволило автоматизировать процесс точного определения координат полюсов на картинах Кикучи с точностью до 1 пикселя и минимизировать субъективные факторы. Из анализа профилей интенсивности линий Кикучи, изменений местоположений их пересечений, уточнены причины, вызывающие изменения периодов решетки синтезированных кристаллов в данном направлении. Аппроксимация профилей распределения интенсивности линий Кикучи функциями Гаусса с помощью разработанной программы значительно повышает точность определения ширины линий, а соответственно и структурных параметров кристалла.

Установлено, что кристаллы алмаза характеризуются анизотропией упругодеформированного состояния, которая влияет на величину межплоскостных расстояний в эквивалентных кристаллографических направлениях, а также сказывается на изменении профиля интенсивности линий Кикучи от еквивалетных плоскостей {011} та {100}. Выявлено, что значение межплоскостных расстояний (d_hkl) для эквивалентных кристаллографических направлений могут значительно отличаться между собой (на 1-2%), что обусловлено селективным захватом изоморфных примесей во время роста пирамид простых форм, и возникновением, при этом, примесной сверхрешетки, формирующий после синтеза алмаза поле остаточных деформаций.

Проведен комплексный анализ профилей интенсивности линий Кикучи, изменений местоположений их пересечений (узлов) для кристаллов-алмазов, синтезированных разными методами и установлены взаимосвязи между изменениями тонкой структуры двухволновой линий и многоволновых областей (пересечений линий) на картинах Кикучи с особенностями строения алмазов различного происхождения. Исследовано влияние технологических условий роста на структурные изменения и энергетическое состояние синтезированных кристаллов алмаза и поликристаллических пленок. Показано, что относительные изменения профилей интенсивности отдельных линий на картинах Кикучи зависят от локальной структурного совершенства исследуемой области кристалла. Характерные распределения интенсивности отдельных сечений Кикучи - линий указывают на анизотропию строения данных образцов в кристаллографических направлениях та .

С помощью метода Кикучи исследовано изменение текстуры алмазных пленок, выращенных CVD-методом при различных технологических условиях. Определены угловые разориентации зерен в поликристаллах нитрида бора и композиционных сплавах на основе карбидных фаз. Показано, что метод Кикучи-дифракции позволяет проводить анализ поликристаллов с размерами отдельных зерен 0,1 мкм и угловой разориентацией 0,05 градуса.

Наиболее текстурированной является поликристаллических пленках DF3, в межзеренных границах которой преобладают 30-ти градусные дислокации. Уменьшения угловой разориентации границ в плоскости роста пленки, в сравнении с пленками DF1 и DF2, где преобладают 60-ти градусные дислокации, можно объяснить уменьшением внутренних механических напряжений. По данным ИК-спектроскопии для пленки DF3 на межзеренных границах обнаружено гидрогенизований аморфный углерод, который способствует снижению напряжений между отдельными кристаллитами и, соответственно, формированию текстуры пленки. Максимальные напряжения характерны для образца, легированного бором DF2. Очевидно, это обусловлено дополнительными дефектами на границах кристаллитов, образующихся при легировании пленок.

Проведены исследования с помощью метода дифракции отраженных электронов поликристаллических алмазных пленок и композитных надтвердых материалов. Изучена картина распределения угловых разориентаций между отдельными кристаллитами синтезированных пленок. Показано, что использование метода Кикучи позволило получить не только новые данные для развития динамической теории рассеяния электронов на реальной структуре материалов, но также контролировать последствия изменения этой структуры при различных технологических действиях. Определены количественные параметры - ориентационные, разориентационные, а также размерные характеристики зерен.

Ключевые слова: синтезированы кристаллы алмаза, электроны, дифракция, поликристаллические пленки.

ABSTRACT

Harabazhiv Y.D. Formation of electron backscatter Kikuchi diffraction patterns of synthetic diamond crystals. - Manuscript.

Thesis for a Candidate Scientific Degree in Physical and Mathematical Sciences by Speciality 01.04.07 - Solid State Physics. - Yuriy Fedkovych Chernivtsi National University. - Chernivtsi, 2010.

The thesis is devoted to experimental and theoretical study of weak distortion structure of real diamond crystals with the application of electron backscattering diffraction to determine the influence of growth conditions on the change of elastic strain state in diamonds obtained by different methods; to develop effective techniques for improving the precision and informativity of Kikuchi method at researching the influence of distributed residual stresses in diamonds on electron scattering in the areas of multi wave diffraction; to use the obtained results for the technology improvement of the synthesis of diamond with required characteristics.

The algorithms and corresponding software implementation allowed to automatize the process of precise coordinate determination of poles (node-intersections of the lines) in Kikuchi patterns with precision of 1 pixel; to minimize the subjective factors, the dependence of the discrepancy between Kikuchi patterns of investigated crystals on experimental conditions (angle between incident electron beam and sample surface, distance between sample and detector, etc.). The analysis of intensity profiles of Kikuchi lines, changes in locations of their intersections (nodes) highlights the reasons that cause changes in the lattice interplanar distances in the synthesized crystals in different directions.

The distribution of angular misorientations between individual crystallites of synthesized diamond films have been studied. The quantitative parameters, i.e. orientation, disorientation and dimensional characteristics of the grains have been analyzed.

Keywords: Synthesized diamond crystals, electrons, diffraction, polycrystalline films.

Размещено на Allbest.ru

...