Введение к работе
Актуальность темы
В настоящее время неупругое рассеяние рентгеновского излучения (НРРИ) дополняет возможности спектроскопии неупругого рассеяния нейтронов, в особенности в случаях, когда применение нейтронных методов непропорционально затруднено или невозможно, например из-за кинематических ограничений нейтронной спектроскопии или слишком малого размера доступных кристаллов. Естественным образом это открывает новые возможности в материаловедении и физике высоких давлений. НРРИ успешно применялось для самых разных классов материалов, варьирующих от квантовых жидкостей и биологических макромолекулярных агрегатов до металлов, полупроводников и высокотемпературных сверхпроводников. Настоящая работа акцентирована на последних разработках в области НРРИ, проведенных в основном на базе ESRF.
В некоторых важных аспектах НРРИ, однако, оставались проблемы, связанные как с формализацией, так и с количественным рассмотрением - что касается, в частности, разрешения в обратном пространстве, рассеяния на поликристаллах, эффектов текстуры и т.п. Практически не рассматривались и такие на первый взгляд очевидные комбинации, как ab initio расчет - НРРИ на поликристалле, НРРИ на монокристалле - тепловое диффузное рассеяние, ab initio расчет - тепловое диффузное рассеяние, хотя выигрыш несомненен во всех этих случаях.
Традиционно, дисперсионные соотношения измеряются точка за точкой и ветка за веткой в направлениях высокой симметрии кристалла; даже для самых продуктивных неупругих спектрометров задача полного восстановления динамики решетки не может быть выполнена - поскольку подразумевает получение собственных частот и собственных векторов для всех мод во всех точках зоны Бриллюэна, что соответствует взятию плотной выборки в четырехмерном пространстве. Размерность задачи может (и должна) быть понижена, и здесь возможны несколько вариантов: і) интегрирование по всей зоне Бриллюэна - описание динамики редуцируется до плотности состояний; іі) интегрирование по направлениям - описание редуцируется до двумерной карты (момент-энергия); ш) интегрирование по энергии - редукция до трехмерной карты диффузного рассеяния. Во всех этих случаях время эксперимента становится разумным (от минут до суток), но менее очевидной становится
интерпретация. Одновременно встает вопрос о количестве извлекаемой информации, и использование эмпирических и/или квантовомеханических расчетов как необходимого компонента интерпретации данных становится неизбежным. Указанные аспекты в рассеяние рентгеновского излучения фактически представляют собой новые научные направления.
Цель работы
Разработка методологических аспектов использования рентгеновского излучения в исследовании динамики решетки, в том числе:
Теоретичесий анализ неупругого рассеяния на монокристаллах (собственно НРРИ и теплового диффузного рассеяния)
Теоретический и численный анализ неупругого рассеяния на поликристаллах
Развитие инструментария оптимизации и интерпретации эксперимента на основе теоретических моделей (в т.ч. ab initio)
Комбинирование НРРИ с тепловым диффузным рассеянием и диффузным рассеянием иной природы
Взаимодополнительность с другими методами, в частности с неупругим нейтронным рассеянием.
Целью работы являлась также отработка и подтверждение эффективности описанных подходов на широком круге кристаллических материалов в форме моно- и поликристаллов, использующихся в качестве материалов электронной техники или рассматривающихся в качестве перспективных кандидатов в таковые (квазидвумерные материалы, оксиды, металлы, переключаемые комплексные соединения).
Научная новизна
Впервые доказана возможность использования некогерентной аппроксимации в НРРИ для восстановления колебательной плотности состояний, сформулированы критерии оптимальности выборки в обратном пространстве.
В области малых Q предложено формальное описание НРРИ на поликристаллах на основе теории упругости, что позволило локализовать потенциальные источники артефактов. Впервые предсказан и экспериментально подтвержден ряд эффектов, связанных с упругой анизотропией.
Было экспериментально доказано, что НРРИ на поликристалле в комбинации с беспараметрическим ab initio расчетом могут предоставить полное описание динамики решетки сложных структур даже в отсутствие монокристальных данных.
Впервые проведен теоретический анализ теплового диффузного рассеяния с использованием аппарата S-матриц Борна и установлены принципиальные ограничения метода.
Впервые экспериментально показана возможность прямой визуализации коновских поверхностей на основе данных теплового диффузного рассеяния.
Впервые теоретически оценены и экспериментально подтверждены многолучевые вклады в неупругое рассеяние
Показана эффективность метода НРРИ для исследования упругих свойств сильно анизотропных кристаллов, ангармонизма кристаллов и электрон-фононного взаимодействия, рассмотрены проблемы учета разрешения в фазовом пространстве и вкладов многолучевого рассеяния. Впервые получены уникальные экспериментальные данныя для широкого круга кристаллических материалов: упругие модули, репрезентативные картины фононной дисперсии, локализация и форма аномалий, связанных с электрон-фононным взаимодействием, вклад ангармонизма. В большинстве случаев экспериментальные данные дополнены эмпирическими или ab initio моделями.
Идентифицирована природа диффузного рассеяния в марганцевом аналоге берлинской лазури, построена модель коррелированного беспорядка, предложен и успешно апробирован способ восстановления реальной структуры по форме автокоррелятора.
Практическая ценность
В данной работе очерчен круг возможностей метода НРРИ, детально проанализированы возможности извлечения информации из моно- и поликристаллических спектров НРРИ и распределений интенсивности теплового диффузного рассеяния, также количественно проанализированы перспективы использования рентгеновских волноводов в фононной спектроскопии.
Практическая значимость работы заключается в расширении возможностей метода НРРИ, повышении эффективности экспериментов и повышении достоверности получаемых данных. Полученные в работе новые данные о динамике решетки представляют большой интерес для понимания свойств ряда рассматриваемых
материалов электронной техники, а также в более широком контексте для физики конденсированного состояния, геофизики, механики.
На защиту выносятся
Аналитический и численный анализ данных неупругого рассеяния рентгеновского излучения на поликристаллах (предел некогерентной аппроксимации, прелел малых углов, обобщенный случай).
Теоретический анализ теплового диффузного рассеяния с использованием аппарата S-матриц Борна, уточнение аппроксимаций для тепловых параметров и рассеяния на упругих волнах определение принципиальных ограничений метода.
Анализ возможностей комбинированных техник, сочетающих НРРИ на поликристаллах, НРРИ на монокристаллах, тепловое диффузное рассеяние и ab initio расчеты.
Возможность прямой визуализации коновских поверхностей посредством теплового диффузного рассеяния на примере образа поверхности Ферми цинка.
Метод восстановления реальной структуры разупорядоченного кристалла по форме автокоррелятора на примере диффузного рассеяния в марганцевом аналоге берлинской лазури.
Достоверность результатов
Достоверность полученных результатов подтверждается согласием теоретических и экспериментальных описаний соответствующих систем, а также перекрестным контролем независимыми методами производных величин. Созданные модели позволили выявить и объяснить ряд эффектов, ранее не имевших убедительного объяснения.
Личный вклад автора
Автору принадлежит решающая роль в выборе направления исследований, формулировании задач, выборе подходов к их решению, разработке/написании программного обеспечения, анализе результатов и их обобщении. Экспериментальная часть работы выполнена автором совместно с аспирантами и сотрудниками Санкт-Петербургского государственного политехнического университета, Европейского Центра Синхротронного Излучения (ESRF), а также с сотрудниками, Advanced Materials Laboratory, Tsukuba, Japan; Bayerisches Geoinstitut, Germany; Физико-
технического института, С.-Петербург, Россия; Universitat Frankfurt, Germany; Universitat Regensburg, Germany; Institut Laue-Langevin, Grenoble, France; Laboratoire Leon Brillouin, Saclay, France; Laboratory for Neutron Scattering, ETHZ & PSI, Villigen, Switzerland; Lawrence Livermore National Laboratory, USA; Московского Государственного Университета, Москва, Россия; Петербургского института ядерной физики, Гатчина, Россия; Swiss-Norwegian Beam Lines at ESRF; Universite Pierre et Marie Curie, Paris, France; Swiss Light Source, Viligen, Switzerland, и ряда других предприятий и организаций.
Структура и объем работы
Диссертация изложена на 184 страницах и состоит из введения, 4-х основных глав, выводов, списка публикаций автора и библиографии. Работа содержит 62 рисунка, 14 таблиц и список литературы из 317 наименований.
Апробация работы
Материалы работы докладывались на 27 международных конференциях, всего 30 докладов, в т.ч. 13 докладов были сделаны в качестве приглашенного докладчика. Основное содержание работы изложено в 2 главах коллективных монографий, 43 оригинальных статьях и 30 тезисах докладов на международных конференциях.
