Влияние степени совершенства водорастворимых кристаллов на интенсивность рентгеновских максимумов в неоднородных тепловых полях тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.07, кандидат физико-математических наук Ким, Екатерина Леонидовна

• Ким, Екатерина Леонидовна
• кандидат физико-математических наук
• 2003

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Ким, Екатерина Леонидовна

Введение

Глава I Природа несовершенств кристаллов, выращенных из водных растворов, и методы изучения их реальной структуры (литературный обзор)

1.1. Основные факторы, влияющие на степень совершенства и однородности кристаллов

1.2. Методы исследования реальной структуры кристаллов

1.3. Основные понятия теории динамической дифракции рентгеновских лучей в кристаллах

1.4. Дифракция рентгеновских лучей в неоднородно нагретых дефектных кристаллах3J

Глава II Выращивание кристаллов квасцов. KDP и натриевой селитры из водных растворов и исследование их дефектной структуры

2.1. Характеристики исследуемых кристаллов

2.2. Выращивание кристаллов алюмокалиевых и смешанных квасцов, дигидрофосфата калия и нитрата натрия из водных растворов

2.3. Исследование дефектной структуры кристаллов методом избирательного травления

2.4. Исследование кристаллов методом измерения аномального двупреломления

Глава III Исследование особенностей динамической дифракции рентгеновских лучей в неоднородно нагретых водорастворимых кристаллах

3.1. Методика измерений относительного изменения интегральной интенсивности рентгеновских максимумов при неоднородном тепловом воздействии на кристалл

3.2. Зависимости интегральной интенсивности рентгеновских дифракционных максимумов от времени при наложении и снятии неоднородного теплового воздействия на кристалл

3.3. Экспериментальное исследование обратимых изменений интенсивности РДМ при неоднородном тепловом воздействии на кристатлы KDP. алюмокалиевых и смешанных квасцов и натриевой селитры

Глава IV Влияние степени совершенства водорастворимых кристаллов на изменение интенсивности рентгеновских максимумов при неоднородном тепловом воздействии на кристалл

4.1. Связь величины изменения интенсивности рентгеновских максимумов при неоднородном тепловом воздействии с реальной структурой кристалла

4.2. Влияние изменения дефектного состояния кристаллов на величину изменения интенсивности рентгеновских максимумов в неоднородных тепловых полях

4.3. Экспериментальные зависимости относительного изменения интенсивности рентгеновских дифракционных максимумов от начальной интенсивности РДМ

4.4. Анализ и интерпретация экспериментально полученных результатов и закономерностей явления изменения интенсивности рентгеновских максимумов при неоднородном тепловом воздействии на водорастворимые кристаллы

Выводы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Влияние степени совершенства водорастворимых кристаллов на интенсивность рентгеновских максимумов в неоднородных тепловых полях»

Интерес к проблеме выращивания совершенных и однородных кристаллов продолжает удерживаться на высоком уровне, благодаря широкому применению их в науке и технике.

Как следует из материалов ЕХ и X Национальных конференций по росту кристаллов (Москва. 2000 и 2002 г.г.). новое применение в лазерной технике нашли многие водорастворимые кристаллы. Например, фотоника - быстро развивающаяся область физики и техники - требует эффективных преобразователей лазерного излучения. В настоящее время наряду с кристаллами группы KDP таковыми являются стоксовские и рамановские преобразователи частоты света на кристаллах Ва(ЪЮз)з Pb(N03)3. NaNOs и некоторых других, выращиваемых из низкотемпературных растворов. Показательно, что проблема возбуждения термоядерной реакции с помощью лазеров стала напрямую связанной с получением особо крупных и оптически однородных кристаллов из водных растворов. Указанное применение водорастворимых кристаллов предъявляет высокие требования к их качеству, которое тесно связано с условиями их образования.

Для совершенствования методики выращивания желательно проводить наиболее полные исследования реальной структуры кристаллов, сопоставляя их свойства с условиями образования. Кроме того, кристаллические элементы, которые будут использоваться в приборах, требуют дополнительного контроля степени их совершенства.

В настоящее время существует большое разнообразие методов исследования монокристаллов: методы, основанные на взаимодействии излучений различного диапазона с исследуемым материалом, оптические, химические методы и т.д. Широко применяются также методы, основанные на кинематической или динамической дифракции рентгеновских лучей в кристаллах - например, методы рентгеновской топографии, измерения полуширины кривой дифракционного отражения, метод аноматьного прохождения рентгеновских лучей и другие. Однако большинство из этих методов являются качественными, а подробное исследование дефектной структуры кристаллических образцов требует большого времени эксперимента. Поэтому проблема разработки новых методов летального исследования степени совершенства кристаллов, в том числе рентгеновских, до настоящего момента актуальна.

Известно, что внешние воздействия на кристалл могут изменять интегральную интенсивность рентгеновских дифракционных максимумов (РДМ). Так. в 1970 г. в работе [1] описано влияние температурного градиента на дифракцию рентгеновских лучей в кристаллах в случае, когда нагрев кристалла был однородный по всей его поверхности, и температура в объеме кристалла изменялась только в одном направлении.

В 1988 году [2] Трушин В.Н. Чупрунов Е.В. и Хохлов А.Ф. опубликовали работу по исследованию влияния малого неоднородного температурного градиента на ф дифракцию рентгеновских лучей в кристаллах KDP при малых углах отражения. Здесь создавался существенно более неоднородный нагрев в области кристалла размером около 1 мм. Кроме того, воздействие было настолько слабым, что явление изменения интегральной интенсивности при создании неоднородного температурного поля в кристалле носило обратимый характер.

С тех пор это явление продолжает изучаться. В кандидатской диссертации Трушина В.Н. [3] были рассчитаны тепловые поля, возникающие в результате неоднородного нагрева кристалла, а также замечено, что величина эффекта зависит от степени совершенства кристаллов. Однако связь эффекта с качеством кристаллов подробно не исследовалась.

Поскольку эффект проявлялся только на водорастворимых кристаллах, а характерным хтя них дефектом является слоистая (или зонарная) структура, то в работах [4.э] явление изменения интенсивности рентгеновских максимумов при неоднородном нагреве кристалла исследовалось в зависимости от параметров зонарности. т.е. толщины зонарных слоев. Была создана модель динамической дифракции рентгеновских лучей в слоистых кристаллах, которая позволила объяснить это явление. На примере кристаллов сернокислого магния получены экспериментальные результаты, свидетельствующие о том. что в интервале толщины зонарных слоев около 20 мкм величина эффекта максимальна, что согласовалось с расчетами, проведенными по модели. Но для кристаллов, имеющих значения коэффициента термодифракционного эффекта, ниже максимального, зонарность не выявлена, и области низких значений величины эффекта полностью не исследованы. Влияние других видов дефектов также не изучено.

Целью данной работы является установление зависимости относительного изменения интенсивности РДМ при наличии температурного градиента в кристалле от * степени совершенства водорастворимых кристаллов, а также изучение влияния конкретных видов дефектов реальной структуры кристаллов на величину этого эффекта. Эта задача была реализована путем выращивания кристаллов различной степени совершенства, исследования их различными методами, включая исследование на наличие и величину эффекта обратимого изменения интенсивности РДМ кристаллов в неоднородных тепловых полях, и сопоставления полученных результатов.

Основные исследования проводились на кристаллах алюмокалиевых квасцов, как модельного материала, а также на практически значимых кристаллах KDP и натриевой селитры.

Основные задачи

1. Получить достаточно совершенные монокристаллы из водных растворов в различных условиях таких веществ как дигидрофосфат калия, натриевая селитра и кристаллы алюмокалиевых квасцов.

2. Исследовать зависимость величины относительного изменения интенсивности рентгеновского дифракционного максимума от степени совершенства образца в целом и различных дефектов в отдельности.

3. Провести параллельно исследования кристаллов хорошо и давно известными методами и сравнить полученные результаты.

4. Разработать методику оценки качества кристаллов на основе полученных результатов.

5. Опробовать метод на кристаллах, выращенных хля непосредственного применения в лазерной технике.

Научная новизна работы состоит в следующем.

1. Впервые исследована зависимость величины относительного изменения интенсивности РДМ при неоднородном тепловом воздействии на кристаллы KDP. алюмокалиевых квасцов и натриевой селитры от наличия ростовых и искусственно создаваемых дефектов.

2. Впервые введен новый дифракционный параметр степени совершенства кристаллов, и разработан новый метод его экспериментального определения.

3. Показано, что экспериментальные закономерности изменения интегральной интенсивности при неоднородном нагреве кристалла согласуются с характеристиками, полученными с помощью модели динамической дифракции на слоистых неоднородно нагретых кристаллах. Определены пределы применимости модели динамической дифракции на слоистых неоднородно нагретых кристаллах KDP.

Практическое значение работы состоит в разработке методики контроля степени совершенства и однородности водорастворимых кристаллов. Полученные результаты также могут быть использованы хля дальнейшего изучения динамической дифракции рентгеновского излучения на совершенных кристаллах.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Метод экспериментального определения дифракционного параметра степени совершенства кристалла.

2. Введение дополнительных дефектов в реальную структуру водорастворимых кристаллов (путем закалки и неоднородного механического воздействия) приводит к тому, что величина изменения интенсивности РДМ при неоднородном тепловом воздействии на кристалл уменьшается, а относительный среднеквадратичный разброс увеличивается.

3. Величина изменения интенсивности РДМ при неоднородном нагреве кристаллов KDP и алюмокалиевых квасцов убывает с ростом плотности дислокационных ямок травления в интервале от 10" см"" и выше. С увеличением полуширины кривой дифракционного отражения относительная величина изменения интенсивности РДМ при неоднородном нагреве кристалла уменьшается.

4. Зонарная структура кристаллов KDP определяет величину изменения интенсивности РДМ в неоднородных тепловых полях в симметричной схеме Брэгга при средней толщине зонарных слоев в интервате 8-20мкм.

Апробация результатов и публикации. Результаты, приводимые в данной диссертации, опубликованы в 20 печатных работах, в том числе в статьях в журналах "Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования". "Вестник ННГУ. Серия Физика твердого тела" и "Заводская лаборатория". Отдельные результаты были доложены на следующих научных конференциях: на конференции "XVI Научные чтения им. Н.В. Белова". Н. Новгород. 1997 г. на Международной научно-технической конференции "Проблемы и прикладные вопросы физики". Саранск. 1999 г. на конференции "Структура и свойства твердых тел". Н. Новгород. 1999 г. на Национальной конференции по применению рентгеновского, синхротронного излучения, нейтронов и электронов к исследованию материалов. Москва. 1999 г. на международной конференции "Кристаллы: рост, свойства, реальная структура, применение". Александров. 1999 г. на V. VI и VII Нижегородских Сессиях Молодых Ученых. Н. Новгород. 2000г.; Н. Новгород. 2001г.: Н. Новгород. 2002г.; на Международной конференции «Кристаллогенезис и минералогия». Санкт-Петербург. 2001г. на IX и X Национальных конференциях по росту кристаллов. Москва. 2000 г.: Москва. 2002 г. на всероссийских совещаниях "Рентгеновская оптика". Н. Новгород. 2001 г. 2003 г.

Данная работа выполнена на кафедре кристаллографии и экспериментальной физики Нижегородского государственного университета им. Н.И. Лобачевского.

Заключение диссертации по теме «Физика конденсированного состояния», Ким, Екатерина Леонидовна

Выводы

1. Введен дифракционный параметр степени совершенства кристаллов, и разработан новый метод его экспериментального определения.

2. Среднее по образцу значение относительной величины обратимого изменения интегральной интенсивности РДМ при наличии неоднородного температурного градиента в кристалле может характеризовать совершенство кристалла в области дифракции, а среднеквадратичное отклонение - его разброс по образцу.

3. Величина изменения интегральной интенсивности РДМ при наличии неоднородного температурного градиента в кристаллах KDP и алюмокалиевых квасцов убывает с ростом плотности дислокационных ямок травления в интервале от 10" см" и выше, и уменьшается с увеличением полуширины кривой дифракционного отражения.

4. Зонарная структура кристаллов KDP определяет величину изменения интенсивности РДМ в неоднородных тепловых полях в симметричной схеме Брэгга при средней толщине слоев в интервале 8-20 мкм.

5. Зависимость величины относительного изменения интенсивности РДМ при неоднородном тепловом воздействии на кристалл от дифракционного параметра степени совершенства кристалла носит немонотонный характер. Существует некоторое значение этого параметра при котором изменение интегральной интенсивности РДМ при неоднородном тепловом воздействии на кристалл максимально.

6. Методика определения качества водорастворимых кристаллов с помощью эффекта изменения интегральной интенсивности РДМ при создании температурного градиента в кристалле опробована на технически важных кристаллах KDP. использующихся в качестве оптических элементов в лазерной технике.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Ким, Екатерина Леонидовна, 2003 год

1. Навасардяи М.А. Карахаиян Р.К. Безирганян П.А. Влияние температурного градиента на интенсивность рентгеновских рефлексов. Кристаллография. 1970. Т. 15. №2. С. 235.

2. Трушин В.Н. Чупрунов Е.В. Хохлов А.Ф. Влияние лазерного излучения на дифракцию рентгеновских лучей в кристаллах // Письма в ЖТФ. 1988. Т. 14. № 19. С. 1749.

3. Трушин В.Н. Исследование дифракции рентгеновского излучения на кристаллах, подвергнутых обратимым внешним воздействиям // Диссертация на соискание степени кандидата ф.-м. наук. 1994. Н.Новгород. 134 с.

4. Зайцева Е.В. Портнов В.Н. Фаддеев М.А. Чупрунов Е.В. Рентгеновская дифракция при воздействии лазерного излучения на кристаллы эпсомита выращенные в присутствие буры. Кристаллография. 1997. Т.42. Вып.6. С.969-971.

5. Зайцева Е.В. Лысанов М.Г. Фаддеев М.А. Чупрунов Е.В. Динамическая дифракция рентгеновских лучей на кристаллах алюмокалиевых квасцов при их неоднородном нагреве // Труды IV Международной конференции. Александров. ВНИИСИМС. 1822 окт.1999. Т.1. С.540-551.

6. Шефталь Н.Н. Шпилько И.А. Добржанский Г.Ф. О предельной форме монокристаллов сегнетовой соли и алюмокалиевых квасцов // Рост кристаллов. 1972. Т. 9. М.: Наука. С. 279-281.

7. Гаврилова И.В. Кузнецова Л.И. Особенности роста монокристаллов дигидрофосфата калия // Рост кристаллов. М.: Наука. 1964. Т. 4. С. 85.

8. Трейвус Е.Б. Температурная зависимость «мертвой зоны» в скоростях роста кристаллов//Кристаллография. 1989. Т. 34. С.1053.

9. Петров Т.Г. Трейвус Е.Б. Пунин Ю.О. Касаткин А.П. Выращивание кристаллов из растворов. Л.: Недра. 1983. 200 с.

10. Петров Т.Г. Влияние среды на рост кристаллов азотнокислого калия из водных растворов // Кристаллография. 1964. Т. 9. № 4. С. 541.

11. Велихов Ю.Н. Притула И.М. Влияние температуры на кинетику роста и оптические свойства монокристаллов дигидрофосфата калия // Неорганические материалы. 1997. Т. 33. №7. С. 867-870.

12. Волошин А.Э. Руднева Е.Б. Смирнова И.Ю. Зайцева Н.П. Смольский И.Л. Влияние морфологии поверхности на однородность кристахлов KDP // Тезисы докладов

13. Международной конф. Кристаллогенезис и минералогия. Санкт-Петербург. 17-21 сентября 2001г. С. 423.

14. Белюстин А.В. Дворянкин В.Ф. // Рост кристаллов. Доклады на первом совещании по росту кристаллов (5 10 марта 1956 г.). М.: Изд - во АН СССР. 1957. С. 174 - 177.

15. N. Zaitseva L. Carman. I. Smolsky. R. Torres. M. Yan The effect of impurities and supersaturation on the rapid growth of KDP crystals // Journal of Cry stal Growth 204 (1999)512-524.

16. Рашкович Jl.H. Молдажанова Г.Т. Влияние кислотности раствора на кинетику роста кристахтов KDP // Кристахтография. 1994. Т. 39. №1. С. 135 140.

17. Ефремова Е.П. Кузнецов В.А. Климова А.Ю. и др. Влияние рН на рост и свойства кристахтов KDP // Кристахтография. 1993. Т. 38. №5. С. 171-181.

18. Степанова Н.С. Белюстин А.В. Растрескивание кристаллов дигидрофосфата калия, содержащих коллоидные включения // Неорганические материалы. 1975. Т. 11. №8. С. 1457-1460.

19. Современная кристахтография. Т. 3. Образование кристахтов. М.: Наука. 1980.

20. Портнов В.Н. Белюстин А.В. Влияние примесей на скорость роста граней кристахтов атюмокалиевых квасцов из раствора // Кристаллография. 1965. Т. 10. Вып. 3. С. 362-367.

21. Белюстин А.В. Влияние избытка одной из компонент на скорость роста кристаллов двойной соли из раствора // Труды института кристаллографии. М.: Изд во АН СССР. 1956. Вып. 12. С. 73 - 78.

22. Терри АЛэнд. Джеймс Дж. Де Йорео. Трейси Л. Мартин Атомно-силовая микроскопия холмиков роста и динамики ступеней на гранях {100} и {101} кристахтов KDP // Кристахтография. 1999. Т. 44. № 4. С.704-716.

23. Воронцов Д.А. Ким Е.Л. Портнов В.Н. Чупрунов Е.В. Рост нитевидных кристаллов KDP при введении в раствор А1(Ж)з)з-9Н20. // Кристахтография. 2003. Т. 48. №2. С. 372-376.

24. Охрименко Т.М. Ефремова Е.П. Кузнецов В.А. Катагитический эффект примесей. Влияние примесей бензола ацетона органических кислот. Fe и Сг на рост кристахтов КН2РО4 и С8Н504К. // Кристахтография. 2000. Т.45. №5. С.921-925.

25. Кузнецов В.Д. Кристахты и кристахтизация. М. 1953.26.