Upload
others
View
5
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
Wydział Fizyki Politechniki WarszawskiejInstytut Technologii Materiałów Elektronicznych w Warszawie
„Topografia rentgenowska wybranych pseudoperowskitów ABCO4”
Agnieszka Malinowska
Praca pod kierunkiem:prof. UW dr hab. Marii Lefeld-Sosnowskiej
Plan seminarium
1. Dyfrakcja rentgenowska
2. Topografia rentgenowska
3. SLG - wyniki badań
4. Podsumowanie
1. Dyfrakcja rentgenowska
Zjawisko dyfrakcji może zajść na siatce z periodycznie powtarzającym się motywem, jeśli długość fali użytej w doświadczeniu jest tego
samego rzędu co stała siatki.
Długość promieniowania X porównywalna z odległościami
między atomami w kryształach
Periodyczne rozłożenie atomów
w krysztaleMożliwość dyfrakcji promieniowania X na kryształach
Przejście promieni X przez materięX
Rentgenowskie promieniowanie fluorescencyjne
Rozproszone promieniowanie rentgenowskie
sprężyste (spójne) niesprężyste (comptonowskie)
wiązka przechodząca
ciepło
elektrony
elektrony comptonowskie fotoelektrony
substancja pochłaniająca
Rozpraszanie sprężyste promieniowania X
Oddziaływanie oscylującego pola E na elektron związany Natężenie wiązki
rozproszonej przez elektron
(Wzór Thomsona)
I = I0e4
2r2m2c4(1+ cos2Θ)
Oscylacje elektronów wokół ich średnich położeń
Emisja fali elektromagnetycznej przez przyspieszający elektron
(fala rozproszona)
Wiązka ugięta
wiązka powstała w wyniku nakładania się i wzmacniania promieni rozproszonych
Dyfrakcja rentgenowska
zjawisko rozproszeniowe, współdziałanie promieni rozproszonych na dużej liczbie atomów
Warunek Bragga
Rys.: B. D. Cullity „Podstawy dyfrakcji promieni rentgenowskich”, str. 114
Warunek Bragga
Warunek wystąpienia maksimum dyfrakcji:
2d0sinΘRóżnica dróg optycznych między
promieniami rozproszonymi na sąsiednich płaszczyznach
nλ =
* Rys.: Z. Bojarski, M. Gigla, K. Stróż, M. Surowiec „Krystalografia”, str.359.
*
Refleksy n-tego rzędu
d = d0/n
Warunek Bragga
λ = 2dsinΘ
* Rys.: Z. Bojarski, M. Gigla, K. Stróż, M. Surowiec „Krystalografia”, str.360-361.
Dla
ust
alon
ych
d 0i λ *
Kierunki wiązek ugiętych zależą od:
- długości fali padającego promieniowania;
- układu krystalograficznegoi parametrów sieciowych kryształu;
- wybranej płaszczyzny krystalograficznej.
Natężenia wiązek ugiętych…?Centrum rozpraszające - elektronJak rozprasza atom?
„Wydajność” rozpraszania przez atom w danym kierunku
f=Amplituda fali rozproszonej przez atom
Amplituda fali rozproszonej przez elektron
czynnik rozpraszania atomowego
f = f(sinθ/λ)
* Rys.: B. D. Cullity „Podstawy dyfrakcji promieni rentgenowskich”, str. 153
*
Rozpraszanie przez komórkę elementarną
Amplituda fali wypadkowej:
Fhkl = ∑fne2πi(hun+kvn+lwn)n
Amplituda fali rozproszonej przez wszystkie atomy kom. elem.
Amplituda fali rozproszonej przez elektronFhkl =
Natężenie wiązki ugiętej ~ |Fhkl |2
Nie zależy od kształtu i wymiarów komórki elementarnej
Specyficzny układ atomóww komórce elementarnej Fhkl = 0 Brak wiązki ugiętej pomimo
spełnienia war. dyfrakcji!!
Suma fal rozproszonych na wszystkich atomach komórki elementarnej czynnik struktury
Natężenia wiązek ugiętych zależą od położeń atomów
wewnątrz komórki elementarnej!
2. Topografia rentgenowska
Obserwowane defekty
Makroskopowa skala wielkości defektu
Atomowa skala wielkości defektu
defekty morfologiczne (np.pęknięcia, rysy)
budowa mozaikowa (np. blok krystaliczny)
defekty liniowe (dyslokacje)
defekty płaszczyznowe (np. błąd ułożenia,granica bliźniacza, granica wąskokątowa)
Topografia rentgenowska Langa
Topografia odbiciowaInformacja
z warstwy przypowierzchniowej kryształu
szczelina
Topografia transmisyjnaInformacja
z całej objętości kryształu
szczelina
Topografia rentgenowska Langa
Topografia synchrotronowaw wiązce białej
J. Miltat: „White beam synchrotron radiation topography”,Eds. B. K. Tanner and D. K. Bowen, Plenum Press 1980, p. 402.
Zalety:
Duża ilość topogramówuzyskanych z jednego pomiaru przy bardzo krótkim czasie naświetlania;
Bardzo dobra rozdzielczość
Opis teoretyczny
Teoria kinematyczna(geometryczna) Teoria dynamiczna
• Założenie: na każdy atom rozpraszający w krysztale pada fala o takiej samej amplitudzie;
• Zaniedbanie oddziaływania fali padającej z ugiętą;
• Zastosowanie: polikryształy, monokryształy mozaikowe (składające się z małych obszarów rozpraszających niezależnie)
• Zastosowanie: kryształy grube o idealnej budowie.
Trójkąt Borrmanna
• Uwzględnia oddziaływanie wszystkich fal rozchodzących się w krysztale;
s0sh
Typy kontrastu dyfrakcyjnego
Kontrast orientacyjny (topografia odbiciowa)
Kontrast bezpośredni (direct image)
Kontrast dynamiczny (dynamic image)
Kontrast pośredni (intermediary image)
Teoria dynamiczna
Brak kontrastu(kontrast biały)
Klisza fotograficznaKlisza fotograficzna
Kryształ Kryształ
Brak
Kontrast orientacyjny (topografia odbiciowa)
a)2 mm
g
Zdjęcie wykonała mgr Edyta Wierzbicka
Blok o innej orientacji
Kontrasty: bezpośredni, dynamiczny i pośredni
*
* Rys.: A. Authier „Contrast of defect images (dislocations)” Zdj.: M. Lefeld-Sosnowska w „Diffractionimaging of crystal lattice defects”
Kontrast bezpośredni (i1)
Kontrast dynamiczny (i2)
Kontrastpośredni (i3)
s0sh4 3 2 1
1
Zdj.: M. Lefeld-Sosnowska w „Diffraction imaging of crystal lattice defects”
Kontrasty: bezpośredni, dynamiczny i pośredni cd.
2 3 4
Topografia translacyjna
Zdj.: M. Lefeld-Sosnowska w „Diffraction imaging of crystal lattice defects”
[ ]422g
Zdj.: M. Lefeld-Sosnowska w „Diffraction imaging of crystal lattice defects”
„Znikanie” kontrastu
3. Wyniki SrLaGaO4
(SLG)
Współpraca:
prof.dr hab. Anna Pajączkowska (ITME)prof. ITME dr hab. Wojciech Wierzchowski
prof. IEA dr hab. Krzysztof WieteskaJerzy Bondziul (IFD UW)
mgr Marta Pawłowska (ITME)dr hab. Adam Presz (UNIPRESS)
SrLaGaO4 (SLG)
A B C O4
Ca lub SrLa
lub inny pierwiastek ziem rzadkich
Al lub Ga
SLG - najbardziej odpowiedni ze związków ABCO4
Poszukiwanie podłoży monokrystalicznych
Zaproponowanie przez A. Pajączkowską związków o wzorze ogólnym ABCO4 (CaNdAlO4, SrLaAlO4, SrLaGaO4)
(pierwsze monokryształy otrzymane w IFPAN)
Problem!!Układy topiące się niekongruentnie;
Niemożność otrzymania monokryształówo znacznych rozmiarach;
Odkrycie wysokotemperaturowych nadprzewodników
ABCO4 ??(HTSc – high-temperature superconductors) – J. G. Bednorz i inni:„Possible high Tc superconductivity in the Ba-La-Cu-O system”, Phys.B 84(1986) 189-193;
Rozwiązanie:
Technika cienkowarstwowa
Odkrycie wysokotemperaturowego nadprzewodnika związku Y-Ba-Cu-OM. K. Wu i inni: „Superconductivity at 93K in new mixed-phase Y-Ba-Cu-O compound system at ambient pressure”,Phys. Rev. 58/0(1987) 908-910;
Wygląd zewnętrzny kryształu
Niektóre informacje o krysztale:
Długość ok. 7 cm, średnica ok. 8 mm;
Przezroczysty dla światła widzialnego;
Cechy (m.in. barwa) ściśle zależne od warunków wzrostu (np. zawartości tlenu w atmosferze azotuw komorze aparatury Czochralskiego);
Struktura krystaliczna
Perowskit (typ struktury K2NiF4);Układ tetragonalny;Grupa przestrzenna:
I4/mmmParametry sieciowe:a = 3.843 Åc = 12.68 Å
Wyniki dotychczasowych badańNietypowa morfologia kryształu z wypukłym frontem krystalizacji,
ujawniającym płaską ścianę typu (001) w rdzeniu oraz ściany typu (103) w części zewnętrznej;
Zależność zabarwienia SLG od ciśnienia O2 w atmosferze N2w komorze Czochralskiego:
• ok.50ppm O2 – monokryształy bezbarwne i jasnożółte• ciśnienie j. w. i pewne przegrzanie roztopu – SLG o zabarwieniu czerwonym• powyżej 5·103ppm – monokryształy zielone;
Wskazano na możliwość związku zabarwienia z defektami punktowymi związanymi z atomami tlenu w pozycjach międzywęzłowych;
Stwierdzono istnienie jonów Ga1+ w SLG o barwie zielonej;
Stwierdzono znaczną zależność ciśnień cząstkowych produktów dysocjacji SLG od ciśnienia tlenu; zauważono dominujący udział Ga2O wśród innych galowych produktów dysocjacji ( → obecność Ga1+ w monokryształach o barwie zielonej?)
Stwierdzono różną wartość współczynnika rozszerzalności termicznej w kierunku osi c i a (lub b).
Badane próbki
stożek (bliżej zarodka)
koniec
Kryształ otrzymany w atmosferze N2 z dodatkiem 7.5·103 ppm O2
Próbki Grubość
[μm] Miejsce wycięcia z kryształu
A1 255 koniec
A2 490 stożek
A3 520 stożek
Kryształ otrzymany w atmosferze N2 z dodatkiem 1.7·103 ppm O2
B1 505 koniec
B2 501 stożek
Kierunek wzrostu kryształu: [001];Badane próbki cięte prostopadle
do kierunku wzrostu kryształu (w tzw.stożku i końcu kryształu);
SLG [001]
Próbki A (7.5·103ppm O2 w N2)
Koniec kryształu
Stożek
Próbki B(1.7·103ppm O2 w N2)
Koniec kryształu
Stożek
Próbka A1, d=255μm (koniec kryształu) Topografia
transmisyjna Langa
Refleks 220, promieniowanie MoKα1, μt = 8,2
Topografiaodbiciowa Langa
Refleks 0 1 11, promieniowanie MoKα1,głębokość wnikania promieniowania X: 2,4 μm
Zdjęciaz mikroskopu optycznego
(transmisja)
Próbka A1
Próbka A2
Próbka A2, d=490μm, koniec kryształu
Topografia odbiciowa Langa
5μm
Obraz SEMRefleks 1 0 7 Promieniowanie CuKα1
Zdjęcia z mikroskopu optycznego(transmisja)
X
Odbiciowa topografia synchrotronowaw wiązce białej próbka A2
Refleks h 0 l Refleks h k lRefleks h k l
1mm
Topografia przekrojowa
Próbka A3(stożek kryształu)
promieniowanie MoKα1, refleks 1, 1, 14, głębokość wnikania promieniowania X: 2,4 μm
Topografia odbiciowa Langa
X
2 mm
Odbiciowa topografia synchrotronowaw wiązce białej, próbka A3 (stożek kryształu)
Refleks h k l Refleks h 0 l Refleks h k l
Zdjęciaz mikroskopu optycznego(transmisja)
Struktura komórkowa kryształu
Topografia kryształu Nd3Ga5O12
D. T. J. Hurle and Cocayne in „Characterisationof Crystal Growth Defects by X-ray Methods”, Eds. B. K. Tanner and D. K. Bowen, Plenum Press 1980, p. 58.
Liniowe kontrastyw obszarze
otaczającym rdzeń
Ściany struktury komórkowej
?
„Ząbki” na granicy między rdzeniem a
obrzeżem
Granica między stacjonarnym a komórkowym wzrostem
?
Topografia kryształu GaAs
B. Pichaud, F. Minori and B. Billia, J. Cryst. Growth 80 (1987) 469.
Próbka B2(stożek kryształu)
Topografia synchrotronowaw wiązce białej
Topografia odbiciowa LangaRefleks 0 0 12, promieniowanie MoKα1
Topografia transmisyjna Langa
Próbka B2 (stożek kryształu)
Refleks 220, promieniowanie MoKα1, μt = 8,2
Zdjęcie z mikroskopu optycznego(transmisja)
Topografia odbiciowa LangaRefleks 1 1 14, promieniowanie MoKα1
Próbka B1 (koniec kryształu)
Głębokość wnikania promieniowania: 6,4 μm
Topografia transmisyjna Langa
Próbka B1 (koniec kryształu)
2mma)
g
2mm2mma)
g
Refleks 200, promieniowanie MoKα1, μt = 16,3
Próbka B1 (koniec kryształu)
Topografia transmisyjna Langa
Topografia odbiciowa przy użyciu monochromatycznej wiązki promieniowania synchrotonowego
Topografia transmisyjna Langa
Zdjęcia z m
ikroskopu optycznego (transmisja)
Zdjęcia z mikroskopu optycznego
Zdjęcia z mikroskopu optycznego
Publikacje:
• A. Malinowska, M. Lefeld-Sosnowska, A. Pajączkowska and A. Kłos: X-ray topography of SrLaGaO4 single crystals; J. Cystal Growth 290 (2006), 149-155.
• K.Wieteska, W. Wierzchowski, W. Graeff, M. Lefeld-Sosnowska, A. Pajączkowska, E. Wierzbicka and A. Malinowska: Synchrotron white beam topography studies ofSrLaGaO4 cystals, J. Alloys and Comp. 401 (2005) 75-79.
• K. Wieteska, A. Malinowska, M. Lefeld-Sosnowska, W. Wierzchowski, W. Graeff, E. Wierzbicka: Monochromatic and White Beam Synchrotron Radiation Topography ofDefects in the Core of SrLaGaO4 Single Crystals, HASYLAB Jahresbericht 2006, p. 633-634.
• K. Wieteska, W. Wierzchowski, W. Graeff, E. Wierzbicka, M. Lefeld-Sosnowska, A. Malinowska: Investigation of growth defects in SrLaGaO4 (SLG) crystals grown along[001] direction, HASYLAB Jahresbericht 2005, p. 401-402.
Dziękuję bardzo za uwagę!