WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |

На правах рукописи

Антоненко Алексей Алексеевич ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЕ ЯВЛЕНИЯ В РЕЗОНАНСНОЙ ДИФРАКЦИИ РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В КРИСТАЛЛАХ Специальность: 01.04.07 – физика конденсированного состояния

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва - 2009

Работа выполнена на кафедре физики твердого тела физического факультета Московского государственного университета им. М.В.Ломоносова

Научный консультант: доктор физико-математических наук Овчинникова Елена Николаевна

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук Манцызов Борис Иванович доктор физико-математических наук Ткаль Валерий Алексеевич

Ведущая организация: Институт кристаллографии РАН им.А.В.Шубникова

Защита состоится 16 сентября 2009 г. в 15-30 на заседании Диссертационного Совета Д.501.002.01 в Московском Государственном университете по адресу:

119991, ГСП-2, Москва, Ленинские Горы, МГУ им. М.В.Ломоносова, физический факультет, ауд. ЮФА

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ им. М.В.Ломоносова

Автореферат разослан «15» июня 2009 г.

Ученый секретарь Диссертационного Совета Д.501.002.01 кандидат физико-математических наук Т.В.Лаптинская 2

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы Изучение атомно-кристаллической структуры и ее искажений, магнитной структуры и электронных состояний являются важнейшими задачами физики твердого тела, поскольку эти характеристики определяют основные физические свойства материалов. В последние два десятилетия для исследования структуры и свойств материалов широко применяется синхротронное излучение, обладающее высокой яркостью и поляризацией.

На базе синхротронного излучения развились многочисленные экспериментальные методы, самые эффективные из которых используют энергии падающего излучения, близкие к краям поглощения атомов в веществе. Особое место занимает изучение «запрещенных» отражений, в которых нерезонансный вклад подавлен, а их энергетический спектр отражает расщепление валентных электронных состояний из-за взаимодействия с кристаллическим полем, спин-орбитального взаимодействия и других причин. К настоящему времени изучены запрещенные рефлексы в нескольких десятках кристаллов. Во всех случаях «запрещенные» отражения были вызваны какой-либо одним фактором (магнитное упорядочение, локальная анизотропия восприимчивости и др.).

Однако, в последнее время появляется все больше исследований, где для возникновения «запрещенных» рефлексов существует две и более причин. В этих случаях интерференция излучения, рассеяние которого связанно с разными анизотропными факторами, оказывает существенное влияние на энергетическую и азимутальную зависимости «запрещенного» отражения.

Интерпретация экспериментальных данных представляет собой весьма сложную задачу и требует развития теории, адекватно описывающей форму наблюдаемых спектров. Поэтому развитие теоретических представлений о резонансном взаимодействии синхротронного излучения с кристаллами, в которых существует несколько причин, вызывающих существование «запрещенных» отражений, является весьма актуальным. Вопрос этот еще недостаточно изучен, и является предметом настоящей диссертационной работы.

Цель работы:

Целью настоящей работы являлось изучение «запрещенных» (чисто резонансных) рефлексов, энергетическая и азимутальная зависимости которых обусловлены резонансным рассеянием рентгеновского излучения в присутствии нескольких анизотропных факторов.

В диссертационной работе были поставлены следующие задачи:

1. Рассмотреть вопрос об интерференции резонансного и нерезонансного рассеяния рентгеновского излучения. Путем сопоставления теоретических расчетов с предоставленными экспериментальными данными о запрещенном рефлексе 222 в кристалле германия получить значение абсолютной величины и фазы резонансного вклада в атомный фактор.

2. Изучить вопрос о возможности выделения «комбинированного» вклада в резонансный атомный фактор из анализа азимутальной зависимости запрещенных рефлексов. Выделить «комбинированный» вклад в «запрещенный» рефлекс 002 в кристалле HoFe2.

3. Исследовать вопрос об интерференционной структуре энергетической зависимости «запрещенных» отражений в кристаллах, где резонансные атомы занимают две кристаллографически неэквивалентные позиции и рассмотреть возможность разделения вкладов от обеих позиций.

4. Изучить интерференционную структуру «запрещенных» рефлексов типа h00, h=2n+1 в кристалле Fe3BO6. Выполнить численное моделирование энергетических спектров рефлексов 300, 500, 700 и 710. Разделить резонансные вклады, соответствующие двум неэквивалентным позициям железа.

Научная новизна Основные существенно новые результаты состоят в следующем:

1. Впервые изучен «запрещенный» рефлекс (222 в кристалле Ge), который обусловлен одновременно нерезонансным и резонансными вкладами в структурный фактор.

2. Из сопоставления расчетов с экспериментальными данными определена абсолютная величина и фаза резонансного вклада в структурный фактор отражения 222 в кристалле Ge.

3. Установлено, что асимметрия азимутальной зависимости «запрещенного» рефлекса 002 в HoFe2 обусловлена «комбинированным» вкладом в резонансную часть структурной амплитуды.

4. Впервые изучены свойства «запрещенных» отражений, обусловленных резонансными вкладами от атомов неэквивалентных позиций.

5. Показано, что рентгеновское излучение, рассеянное резонансным образом на атомах железа в кристаллографически неэквивалентных положениях ортобората железа интерферирует конструктивно в рефлексах 300 и 500, но интерференция является деструктивной для рефлекса 700. Путем численного моделирования разделены вклады от двух позиций железа в главные пики энергетического спектра.

6. Установлено, что азимутальная зависимость «запрещенных» рефлексов в ортоборате железа меняется с энергией, что является результатом сложной интерференции диполь-квадрупольного и квадруполь-квадрупольного резонансного рассеяния рентгеновского излучения на кристаллографически неэквивалентных атомах железа.

Практическая значимость работы Полученные в диссертации результаты дают возможность развития теоретических и экспериментальных методов электронных свойств кристаллов на основе резонансной дифракции синхротронного излучения.

Практически могут быть использованы:

- метод определения абсолютной величины и фазы резонансного вклада в атомный фактор из интерференционной структуры чисто резонансных рефлексов;

- метод разделения вкладов в чисто резонансные рефлексы от различных кристаллографически неэквивалентных позиций.

Результаты исследований, вошедших в диссертацию, могут быть использованы (и уже используются) в работе станций синхротронного излучения, позволяющих вести работы по резонансной дифракции мессбауэровского и рентгеновского излучения в кристаллах (Курчатовский источник СИ, синхротрон DIAMOND, Англия, синхротрон ESRF, Франция;

синхротрон SPRING-8, Япония); при подготовке курсов лекций по синхротронному излучению.

Положения, выносимые на защиту:

1. Метод определения абсолютной величины и фазы резонансного вклада в атомный фактор из интерференционной структуры чисто резонансных рефлексов в германии.

2. Вывод о возможности наблюдения «комбинированного» вклада в чисто резонансные рефлексы в магнитных кристаллах из асимметрии азимутальной зависимости рефлекса;

3. Вывод о возможности разделения резонансных вкладов структурную амплитуду, отвечающих кристаллографически неэквивалентным позициям железа в ортоборате железа путем изучения серии чисто резонансных рефлексов типа h00, h=2n+1.

4. Заключение о существовании быстро меняющейся с энергией азимутальной зависимости рефлексов h00, h=2n+1 в предкраевой области энергий, возникающей в результате сложной интерференции дипольквадрупольного и квадруполь-квадрупольного резонансного рассеяния рентгеновского излучения на кристаллографически неэквивалентных атомах железа.

Апробация работы:

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на российских и международных конференциях и симпозиумах:

23d European Crystallographic Meeting, Leuven, Belgium, August 2006, page s66;

Fifth International Conference on Synchrotron Radiation in Materials Science.

Chicago. Illinois. 2006, page SRMS5-140.

Первая международная научная школа-семинар ``Современные методы анализа дифракционных данных (топография, дифрактометрия, электронная микроскопия)'' (май 2007 г., Великий Новгород, Россия);

VI Национальная конференция по применению рентгеновского, синхротронного излучений, нейтронов и электронов для исследования материалов ``РСНЭ-2007'' (2007 г., Москва, Россия);

XXI Congress of the International Union of Crystallography (IUCr2008).- Osaka,Japan,23-31 August 2008.

Публикации Основные результаты работы опубликованы в 8 печатных работах: 3 статьях в рецензируемых журналах и 5 тезисах докладов на международных и российских конференциях.

Личный вклад автора Автор настоящей работы принимал непосредственное участие в разработке теоретических подходов к решению поставленных задач и обработке экспериментальных данных. Численное моделирование энергетических спектров отражений 222 в Ge, 002 в HoFe2, h00 в Fe3BO6 выполнено автором лично.

Структура и объем работы:

Диссертационная работа изложена на 117 страницах машинописного текста, включая 46 рисунков и 1 таблицу, и состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы из 119 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цели работы и изложены основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава является литературным обзором по теме диссертации.

Она состоит из семи частей. В первой изложены основы теории резонансного взаимодействия рентгеновского излучения с веществом. Основной величиной, которая используется для описания рассеяния в рентгеновском диапазоне частот, является атомный фактор. При энергиях падающего излучения, близких к краям поглощения атомов в исследуемом веществе, этот фактор становится тензорной величиной, резонансным образом зависящей от энергии. В различных теоретических работах конца прошлого и начала настоящего столетий используются различные способы описания тензорного атомного фактора, одним из которых является его феноменологическое описание в виде суммы изотропной, диполь-дипольной, диполь-квадрупольной, квадруполь-квадрупольной и т.д. частей.

Во 2-6 разделах первой главы приводится обзор теоретических и экспериментальных работ, посвященных исследованию «запрещенных» отражений, возникающих при энергиях падающего излучения, близких к краям поглощения. Причиной их возникновения являются анизотропные свойства тензорного атомного фактора, обусловленные расщеплением электронных состояний выше уровня Ферми из-за влияния кристаллического поля, спин-орбитального взаимодействия, орбитального упорядочения и других факторов. Наиболее хорошо изученными являются диполь-дипольные отражения, которые являются наиболее сильными и наблюдались в нескольких десятках кристаллов. Однако, если диполь-дипольный вклад в тензорный атомный фактор не снимает погасание брэгговских отражений, они могут появиться благодаря вкладам более высоких порядков в тензорный атомный фактор, а также нескольким анизотропным факторами, тепловыми колебаниям и другим причинам, которые являются предметом рассмотрения разделов 2-6 главы 1.

В разделе 7 главы 1 приводится обзор методов, применяемых для численного моделирования энергетических спектров «запрещенных» отражений. Рассматриваются особенности некоторых компьютерных программ, применимых для моделирования спектров резонансного поглощения и отражения рентгеновского излучения, обсуждаются их преимущества и недостатки.

Вторая глава диссертации посвящена изучению интерференции нерезонансного и резонансного рассеяния рентгеновского излучения при энергиях падающего излучения, близких к К-краю поглощения, на примере отражения 222 в кристалле германия.

Рефлекс 222 в кристалле германия запрещен частными правилами погасаний пространственной группы Fd 3m, но разрешен общими. Поэтому даже в нерезонансной области он является слабо разрешенным вследствие асимметрии электронной атомной плотности и ангармонизма колебаний атомов [1-2]. Нерезонансный структурный фактор рефлекса 222 был ранее неоднократно измерен экспериментально и составляет при комнатной температуре +1.02 электронов на элементарную ячейку, т.е. примерно 0.электрона на атом. Однако, как было показано в работах [3-4], структурные факторы брэгговских рефлексов типа hkl, h+k+l=4n+2 в кристалле германия могут содержать резонансные вклады: диполь-квадрупольный и индуцированный тепловыми колебаниями диполь-дипольный (термоиндуцированный). Последний обусловлен искажениями тетраэдрической симметрии окружения атомов вследствие тепловых смещений атомов. До настоящего времени отражения 002 и 006 были подробно исследованы несколькими научными грyппами как при комнатной температуре [5,6], так и в широком температурном интервале [7].

Структурный фактор отражения 222 должен содержать как нерезонансный, так и резонансный вклады, причем их интерференция должна проявляться в особенностях формы энергетического спектра.

Для понимания физики резонансного рассеяния важно уметь измерять не только абсолютную величину, но и фазу резонансной амплитуды рассеяния; обе они сильно меняется с энергией. Определить их можно из интерференции с уже известным каналом рассеяния, например, нерезонансным.

Эксперимент по наблюдению брэгговских рефлексов 600 и 222 в германии вблизи K-края поглощения при комнатной температуре был выполнен на станции на станции "Прецизионная рентгеновская оптика" (ПРО) группой Э.Х.Мухамеджанова на канале 6.6 Курчатовского источника синхротронного излучения (СИ). Измерения рефлекса 600 показали хорошее совпадение с результатами, измеренными ранее [5-7]. Отражение 222 было измерено впервые, и в отличие от рефлекса 006, его энергетический спектр имеет вид провала. Измерения проводились при комнатной температуре.

Pages:     || 2 | 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»