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!