Topografia rentgenowska wybranych pseudoperowskitów ABCO 4

Transkrypt

1 Topografia rentgenowska wybranych pseudoperowskitów ABCO 4 Agnieszka Malinowska Wydział Fizyki Politechniki Warszawskiej Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych w Warszawie Praca pod kierunkiem: prof. UW dr hab. Marii Lefeld-Sosnowskiej

2 Plan seminarium 1. Dyfrakcja rentgenowska 2. Topografia rentgenowska 3. SLG - wyniki badań 4. Podsumowanie

3 1. Dyfrakcja rentgenowska

4 Zjawisko dyfrakcji może zajść na siatce z periodycznie powtarzającym się motywem, jeśli długość fali użytej w doświadczeniu jest tego samego rzędu co stała siatki. Periodyczne rozłożenie atomów w krysztale Długość promieniowania X porównywalna z odległościami między atomami w kryształach Możliwość dyfrakcji promieniowania X na kryształach

5 Przejście promieni X przez materię X substancja pochłaniająca Rentgenowskie promieniowanie fluorescencyjne wiązka przechodząca ciepło Rozproszone promieniowanie rentgenowskie elektrony elektrony comptonowskie fotoelektrony sprężyste (spójne) niesprężyste (comptonowskie)

6 Rozpraszanie sprężyste promieniowania X Oddziaływanie oscylującego pola E na elektron związany Oscylacje elektronów wokół ich średnich położeń Emisja fali elektromagnetycznej przez przyspieszający elektron (fala rozproszona) Natężenie wiązki rozproszonej przez elektron (Wzór Thomsona) I = I 0 e 4 2r 2 m 2 c 4(1+ cos2 Θ)

7 Dyfrakcja rentgenowska zjawisko rozproszeniowe, współdziałanie promieni rozproszonych na dużej liczbie atomów Wiązka ugięta wiązka powstała w wyniku nakładania się i wzmacniania promieni rozproszonych

8 Warunek Bragga Rys.: B. D. Cullity Podstawy dyfrakcji promieni rentgenowskich, str. 114

9 * Warunek Bragga Warunek wystąpienia maksimum dyfrakcji: nλ = 2d 0 sinθ Różnica dróg optycznych między promieniami rozproszonymi na sąsiednich płaszczyznach * Rys.: Z. Bojarski, M. Gigla, K. Stróż, M. Surowiec Krystalografia, str.359.

10 Dla ustalonych d 0 i λ * Refleksy n-tego rzędu d = d 0 /n Warunek Bragga λ = 2dsinΘ * Rys.: Z. Bojarski, M. Gigla, K. Stróż, M. Surowiec Krystalografia, str

11 Kierunki wiązek ugiętych zależą od: -długości fali padającego promieniowania; - układu krystalograficznego i parametrów sieciowych kryształu; - wybranej płaszczyzny krystalograficznej.

12 * Natężenia wiązek ugiętych? Centrum rozpraszające - elektron Jak rozprasza atom? f = f(sinθ/λ) Wydajność rozpraszania przez atom w danym kierunku f= Amplituda fali rozproszonej przez atom Amplituda fali rozproszonej przez elektron czynnik rozpraszania atomowego * Rys.: B. D. Cullity Podstawy dyfrakcji promieni rentgenowskich, str. 153

13 Rozpraszanie przez komórkę elementarną Amplituda fali wypadkowej: F hkl = Suma fal rozproszonych na wszystkich atomach komórki elementarnej czynnik struktury F hkl = f n e 2πi(hu n +kv n +lw n ) n Nie zależy od kształtu i wymiarów komórki elementarnej Amplituda fali rozproszonej przez wszystkie atomy kom. elem. Amplituda fali rozproszonej przez elektron Natężenie wiązki ugiętej ~ F hkl 2 Specyficzny układ atomów w komórce elementarnej F hkl = 0 Brak wiązki ugiętej pomimo spełnienia war. dyfrakcji!!

14 Natężenia wiązek ugiętych zależą od położeń atomów wewnątrz komórki elementarnej!

15 2. Topografia rentgenowska

16 Makroskopowa skala wielkości defektu Obserwowane defekty defekty morfologiczne (np.pęknięcia, rysy) budowa mozaikowa (np. blok krystaliczny) Atomowa skala wielkości defektu defekty liniowe (dyslokacje) defekty płaszczyznowe (np. błąd ułożenia, granica bliźniacza, granica wąskokątowa)

17 Topografia rentgenowska Langa Topografia odbiciowa Informacja z warstwy przypowierzchniowej kryształu szczelina

18 Topografia rentgenowska Langa Topografia transmisyjna Informacja z całej objętości kryształu szczelina

19 Topografia synchrotronowa w wiązce białej J. Miltat: White beam synchrotron radiation topography, Eds. B. K. Tanner and D. K. Bowen, Plenum Press 1980, p Zalety: Duża ilość topogramów uzyskanych z jednego pomiaru przy bardzo krótkim czasie naświetlania; Bardzo dobra rozdzielczość

20 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) Uwzględnia oddziaływanie wszystkich fal rozchodzących się w krysztale; Zastosowanie: kryształy grube o idealnej budowie. Trójkąt Borrmanna s h s 0

21 Typy kontrastu dyfrakcyjnego Kontrast orientacyjny (topografia odbiciowa) Kontrast bezpośredni (direct image) Kontrast dynamiczny (dynamic image) Kontrast pośredni (intermediary image) Teoria dynamiczna

22 Kontrast orientacyjny (topografia odbiciowa) Klisza fotograficzna Klisza fotograficzna Brak kontrastu (kontrast biały) Brak g Kryształ Kryształ Blok o innej orientacji Zdjęcie wykonała mgr Edyta Wierzbicka a) 2 mm

23 Kontrasty: bezpośredni, dynamiczny i pośredni * Kontrast dynamiczny (i 2 ) Kontrast bezpośredni (i 1 ) Kontrast pośredni (i 3 ) * Rys.: A. Authier Contrastofdefectimages(dislocations) Zdj.: M. Lefeld-Sosnowska w Diffraction imaging of crystal lattice defects

24 Kontrasty: bezpośredni, dynamiczny i pośredni cd. s h s Zdj.: M. Lefeld-Sosnowska w Diffraction imaging of crystal lattice defects

25 Zdj.: M. Lefeld-Sosnowska w Diffraction imaging of crystal lattice defects Topografia translacyjna

26 Znikanie kontrastu g[ 224] Zdj.: M. Lefeld-Sosnowska w Diffraction imaging of crystal lattice defects

27 3. Wyniki SrLaGaO 4 (SLG)

28 Współpraca: prof.dr hab. Anna Pajączkowska (ITME) prof. ITME dr hab. Wojciech Wierzchowski prof. IEA dr hab. Krzysztof Wieteska Jerzy Bondziul (IFD UW) mgr Marta Pawłowska (ITME) dr hab. Adam Presz (UNIPRESS)

29 SrLaGaO 4 (SLG) A B C O 4 Ca lub Sr Al lub Ga La lub inny pierwiastek ziem rzadkich

30 ABCO 4?? Odkrycie wysokotemperaturowych nadprzewodników (HTSc high-temperature superconductors) J. G. Bednorz i inni: Possible high Tc superconductivity in the Ba-La-Cu-O system, Phys. B 84(1986) ; Odkrycie wysokotemperaturowego nadprzewodnika związku Y-Ba-Cu-O M. 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) ; Problem!! Układy Rozwiązanie: topiące się niekongruentnie; Niemożność otrzymania monokryształów Poszukiwanie podłoży monokrystalicznych Zaproponowanie przez A. Pajączkowską związków Technika cienkowarstwowa o wzorze ogólnym ABCO 4 (CaNdAlO 4, SrLaAlO 4, SrLaGaO 4 ) o znacznych rozmiarach; (pierwsze monokryształy otrzymane w IFPAN) SLG - najbardziej odpowiedni ze związków ABCO 4

31 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 azotu w komorze aparatury Czochralskiego);

32 Struktura krystaliczna Perowskit (typ struktury K 2 NiF 4 ); Układ tetragonalny; Grupa przestrzenna: I4/mmm Parametry sieciowe: a = Å c = Å

33 Wyniki dotychczasowych badań Nietypowa 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 O 2 w atmosferze N 2 w komorze Czochralskiego: ok.50ppm O 2 monokryształy bezbarwne i jasnożółte ciśnienie j. w. i pewne przegrzanie roztopu SLG o zabarwieniu czerwonym powyżej ppm monokryształy zielone; Wskazano na możliwość związku zabarwienia z defektami punktowymi związanymi z atomami tlenu w pozycjach międzywęzłowych; Stwierdzono istnienie jonów Ga 1+ w SLG o barwie zielonej; Stwierdzono znaczną zależność ciśnień cząstkowych produktów dysocjacji SLG od ciśnienia tlenu; zauważono dominujący udział Ga 2 O wśród innych galowych produktów dysocjacji ( obecność Ga 1+ w monokryształach o barwie zielonej?) Stwierdzono różną wartość współczynnika rozszerzalności termicznej w kierunku osi c i a (lub b).

34 Badane próbki stożek (bliżej zarodka) koniec Kierunek wzrostu kryształu: [001]; Badane próbki cięte prostopadle do kierunku wzrostu kryształu (w tzw.stożku i końcu kryształu); Kryształ otrzymany w atmosferze N 2 z dodatkiem ppm O 2 Próbki Grubość [μm] Miejsce wycięcia z kryształu A koniec A stożek A stożek Kryształ otrzymany w atmosferze N 2 z dodatkiem ppm O 2 B koniec B stożek

35 SLG [001] Próbki A ( ppm O 2 wn 2 ) Próbki B ( ppm O 2 wn 2 ) Koniec kryształu Koniec kryształu Stożek Stożek

36 Próbka A 1, d=255μm (koniec kryształu) Topografia transmisyjna Langa Topografia odbiciowa Langa Refleks 220, promieniowanie MoK α1, μt = 8,2 Refleks , promieniowanie MoK α1, głębokość wnikania promieniowania X: 2,4 μm

37 Próbka A 1 Zdjęcia z mikroskopu optycznego (transmisja) Próbka A 2

38 Próbka A2, d=490μm, koniec kryształu Topografia odbiciowa Langa 5μm Refleks Promieniowanie CuKα1 Obraz SEM

39 Zdjęcia z mikroskopu optycznego(transmisja)

40 Odbiciowa topografia synchrotronowa w wiązce białej próbka A 2 X Refleks h k l Refleks h 0 l Refleks h k l 1mm Topografia przekrojowa

41 Próbka A 3 (stożek kryształu) Topografia odbiciowa Langa promieniowanie MoKα1, refleks 1, 1, 14, głębokość wnikania promieniowania X: 2,4 μm

42 Odbiciowa topografia synchrotronowa w wiązce białej, próbka A 3 (stożek kryształu) X 2 mm Refleks h k l Refleks h 0 l Refleks h k l

43 Zdjęcia z mikroskopu optycznego (transmisja)

44 Struktura komórkowa kryształu Liniowe kontrasty w obszarze otaczającym rdzeń? Topografia kryształu Nd 3 Ga 5 O 12 Ściany struktury komórkowej D. T. J. Hurle and Cocayne in Characterisation of Crystal Growth Defects by X-ray Methods, Eds. B. K. Tanner and D. K. Bowen, Plenum Press 1980, p. 58.

45 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.

46 Próbka B 2 (stożek kryształu) Topografia odbiciowa Langa Refleks , promieniowanie MoK α1 Topografia synchrotronowa w wiązce białej

47 Próbka B 2 (stożek kryształu) Topografia transmisyjna Langa Refleks 220, promieniowanie MoK α1, μt = 8,2

48 Zdjęcie z mikroskopu optycznego (transmisja)

49 Próbka B 1 (koniec kryształu) Topografia odbiciowa Langa Refleks , promieniowanie MoK α1 Głębokość wnikania promieniowania: 6,4 μm

50 Próbka B1 (koniec kryształu) g a) 2mm Topografia transmisyjna Langa Refleks 200, promieniowanie MoKα1, μt = 16,3

51 Próbka B 1 (koniec kryształu) Topografia transmisyjna Langa Topografia odbiciowa przy użyciu monochromatycznej wiązki promieniowania synchrotonowego

52 Zdjęcia z mikroskopu optycznego (transmisja) Topografia transmisyjna Langa

53 Zdjęcia z mikroskopu optycznego

54 Zdjęcia z mikroskopu optycznego

55 Publikacje: A. Malinowska, M. Lefeld-Sosnowska, A. Pajączkowska and A. Kłos: X-ray topography of SrLaGaO 4 single crystals; J. Cystal Growth 290 (2006), K.Wieteska, W. Wierzchowski, W. Graeff, M. Lefeld-Sosnowska, A. Pajączkowska, E. Wierzbicka and A. Malinowska: Synchrotron white beam topography studies of SrLaGaO4 cystals, J. Alloys and Comp. 401 (2005) K. Wieteska, A. Malinowska, M. Lefeld-Sosnowska, W. Wierzchowski, W. Graeff, E. Wierzbicka: Monochromatic and White Beam Synchrotron Radiation Topography of Defects in the Core of SrLaGaO4 Single Crystals, HASYLAB Jahresbericht 2006, p 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

56 Dziękuję bardzo za uwagę!