Содержание к диссертации
Введение
Глава I Природа несовершенств кристаллов, выращенных из водных растворов, и методы изучения их реальной структуры (литературный обзор) 9
1.1. Основные факторы, влияющие на степень совершенства и однородности кристаллов 9
1.2. Методы исследования реальной структуры кристаллов 20
1.3. Основные понятия теории динамической дифракции рентгеновских лучей в кристаллах 25
1.4. Дифракция рентгеновских лучей в неоднородно нагретых дефектных кристаллах 31
Глава II Выращивание кристаллов квасцов. KDP и натриевой селитры из водных растворов и исследование их дефектной структуры 38
2.1. Характеристики исследуемых кристаллов 38
2.2. Вьфашивание кристаллов алюмокалиевых и смешанных квасцов, дигидрофосфата калия и нитрата натрия из водных растворов 45
2.3. Исследование дефектной структуры кристаллов методом избирательного травления 55
2.4. Исследование кристаллов методом измерения аномального двупреломления 62
Глава III Исследование особенностей динамической дифракции рентгеновских лучей в неоднородно нагретых водорастворимых кристаллах 70
3.1. Методика измерений относительного изменения интегральной интенсивности рентгеновских максимумов при неоднородном тепловом воздействии на кристалл 70
3.2. Зависимости интегральной интенсивности рентгеновских дифракционных максимумов от времени при наложении и снятии неоднородного теплового воздействия на кристалл 75
3.3. Экспериментальное исследование обратимых изменений интенсивности РДМ при неоднородном тепловом воздействии на кристаллы KDP. алюмокалиевых и смешанных квасцов и натриевой селитры 79
Глава IV Влияние степени совершенства водорастворимых кристахтов на изменение интенсивности рентгеновских максимумов при неоднородном тепловом воздействии на кристалл 82
4.1. Связь величины изменения интенсивности рентгеновских максимумов при неоднородном тепловом воздействии с реальной структурой кристахта 82
4.2. Влияние изменения дефектного состояния кристаллов на величину изменения интенсивности рентгеновских максимумов в неоднородных тепловых полях 87
4.3. Экспериментальные зависимости относительного изменения интенсивности рентгеновских дифракционных максимумов от начальной интенсивности РДМ 93
4.4. Анализ и интерпретация экспериментально полученных результатов и закономерностей явления изменения интенсивности рентгеновских максимумов при неоднородном тепловом воздействии на водорастворимые кристахты 98
Выводы 106
Список литературы 107
- Основные понятия теории динамической дифракции рентгеновских лучей в кристаллах
- Вьфашивание кристаллов алюмокалиевых и смешанных квасцов, дигидрофосфата калия и нитрата натрия из водных растворов
- Зависимости интегральной интенсивности рентгеновских дифракционных максимумов от времени при наложении и снятии неоднородного теплового воздействия на кристалл
- Влияние изменения дефектного состояния кристаллов на величину изменения интенсивности рентгеновских максимумов в неоднородных тепловых полях
Введение к работе
Актуальность работы
В настоящее время все более широкое применение находят кристаллы, выращиваемые из низкотемпературных растворов. Это вызвано тем. что многие из них являются незаменимыми материалами в лазерной технике. Достаточно упомянуть работы по лазерному возбуждению термоядерной реакции |1]. Для осуществления подобных проектов требуются крупные оптически однородные кристаллы КгЬРО.1 (KDP). К практически важным кристаллам относятся также монокристаллы некоторых водорастворимых солей, являющиеся рамановскими и стоксовскими преобразователями частоты излучения - монокристаллы PbfNOj);. Ba(NOj);. NaN03 и др\гие [2].
Дія совершенствования методики выращивания желательно проводить наиболее полную характеризаиию кристаллов, сопоставляя их свойства с условиями образования. Кроме того, кристаллические элементы, которые будут использоваться в приборах, требуют дополнительного контроля степени их совершенства.
Среди разнообразных методов определения качества кристаллов важное место занимают рентгеновские методы. Однако большинство из этих методов являются качественными, а подробное исследование дефектной структуры кристаллических образцов требует большого времени эксперимента. Поэтому проблема разработки новых методов детального 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). В 1988 году Трушин В.Н.. Чупрунов Е.В. и Хохлов А.Ф. опубликовали работу [3] по исследованию влияния малого неоднородного температурного градиента на дифракцию рентгеновских лучей в кристаллах дигидрофосфата калия (KDP) при малых углах отражения. Воздействие было настолько слабым, что явление изменения интегральной интенсивности при создании неоднородного температурного поля в кристалле носило обратимый характер.
В кандидатской диссертации Трушина В.Н. [4] было замечено, что величина эффекта зависит от степени совершенства кристаллов, однако связь эффекта с качеством кристаллов подробно не исследовалась.
Поскольку эффект наиболее четко проявлялся на водорастворимых кристаллах. а характерным для них дефектом является слоистая (или зоиарная) структура то в диссертации Зайцевой Е.В. [5] была построена модель динамической дифракции рентгеновских л>чей в слоистых кристаллах, которая позволила объяснить это явление на качественном > ровне. На примере кристаллов эпсомита были получены экс-периментатьные результаты, свидетельствующие о том. что при толщине зонарных слоев около 20 мкм величина эффекта максимальна что согласовалось с расчетами, проведенными по модели. Но в др\ гих случаях связь величины эффекта с параметрами зонарной структуры не установлена. Влияние других видов дефектов также не изучено. Ранее было показано, что данное явление может служить основой для разработки новых количественных методов определения степени совершенства кристаллов. Для этого необходимо экспериментально исследовать влияние отдельных дефектов на величину изменения интегральной интенсивности РДМ при слабом неоднородном тепловом воздействии на кристалл.
Целью данной работы является установление зависимости относительного изменения интенсивности РДМ при наличии ^мпортурнпго гряторш-а r кристалле
I ">снациональная! і | вивлиадмгл І
от степени совершенства водорастворимых кристаллов, а также изучение влияния конкретных видов дефектов реальной стр>ктуры 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. Научная новизна работы состоит в следующем:
-
Впервые исследована зависимость величины относительного изменения интенсивности РДМ при неоднородном тепловом воздействии на кристаллы K.DP. алюмокалиевых квасцов и натриевой селитры от наличия ростовых и искусственно создаваемых дефектов.
-
Впервые введен новый дифракционный параметр степени совершенства кристаллов, и разработан новый метод его экспериментального определения.
-
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 хтя дальнейшего изучения динамической дифракции рентгеновского излучения на совершенных кристаллах.
На защиту выносятся следующие основные положения:
-
Метод экспериментального определения дифракционного параметра степени совершенства кристалла.
-
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.
-
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.
-
Зонарная структура кристаллов KJDP определяет величин) изменения интенсивности РДМ в неоднородных тепловых полях в симметричной схеме Брэгга при средней толшине зонарных слоев в интервале 8-20 мкм.
Апробация работы
Результаты, приводимые в данной диссертации, опубликованы в 20 печатных работах, в том числе в статьях в ж> риалах "Поверхность. Рентгеновские, синхротрон-ные 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". Нижний Новгород. 1997 г.
на Международной научно-технической конференции "Проблемы и прикладные вопросы физики". Саранск. 1999 г.
на конференции "Структура и свойства твердых тел". Нижний 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. Нижний Новгород. 2000г.: Н. Новгород. 2001г.: Н. Новгород. 2002г.:
на Международной конференции «Кристаллогенезис и минералогия». Санкт-Петербург. 2001г.
на всероссийских совещаниях "Рентгеновская оптика". Нижний Новгород. 2001 г.. * 2003 г.
на IX и X Национальных конференциях по росту кристаллов. Москва. 2000 г.: Мо-( сква. 2002 г.
- на XV Между народном совещании по рентгенографии и кристаллохимии минера
лов. Санкт-Петербург. 2003 г.
t Структура и объем диссертационной работы
Работа состоит из введения. 4 глав, списка литературы и двух приложений. Она изложена на 133 страницах и содержит 91 рисунок. 11 таблиц и список литературы из 81 наименования.
Основные понятия теории динамической дифракции рентгеновских лучей в кристаллах
Кроме этого, нужно учесть следующее. Во-первых, уширение кривых дают и мел-кодисперсность образцов, и напряжения, поэтому возникает необходимость в использовании дополнительного метода разделения этих дефектов (метод аппроксимаций, гармонический анализ и др.). Во-вторых, в реальном кристалле всегда существует некоторый разброс по величине блоков и микронапряжениям. В-третьих, нужно учитывать уширение кривых дифракционного максимума за счет приборных погрешностей, например, расходимости первичного пучка глубины проникновения рентгеновских лучей в образец и т.д. [46]
Одним из основных рентгеновских методов исследования материатов является метод рентгеновской топографии. Он давно и широко используется и позволяет качественно оценить наличие дефектов в кристалле. Обычно его применяют для достаточно совершенных кристаллов, плотность дислокаций в которых составляет ЮМ О4 см"2 [47]. Эта область, в которой интегральная интенсивность еще не так чувствительна к плотности дислокаций и дефектов, доступна рентгеновскому исследованию, если рассматривать непосредственно контраст на рентгенограммах. К настоящему моменту полная теория рассеяния для высокосовершенных кристаллов не построена кроме расчетов для отдельных типов и расположения дефектов в кристатле. А с помощью методов рентгеновской топографии можно наблюдать отдельные дефекты, по изменению контраста можно довольно точно анализировать совершенство отдельных областей кристалла по изменению интенсивности отраженного и прошедшего пучков. Наиболее известные и давно используемые из методов рентгеновской топографии - метод Берга-Баррета метод Ланга метод рентгеновской топографии, основанный на использовании явлении Бормана.
В методе Берга-Баррета используется монохроматическое излучение, съемка ведется на отражении. Пленку помещают либо параллельно поверхности образца либо перпендикулярно отраженному пучку (рис. 1.2.1). Впервые он был применен к кристаллам NaCl [48]. Этот метод можно использовать для получения общего представления о степени совершенства исследуемого кристала а также для количественных определений. Этим методом могут быть определены размеры зерен и субзерен кристатлических тел. углы дезориентации элементов субструктуры, а также получено представление о дислокационной структуре в достаточно совершенных кристаллах. Дислокации, находящиеся вблизи поверхности кристалла будут видны в виде черных полос (если вектор Бюргерса в дислокации паратлелен вектору обратной решетки отражающей плоскости).
Эффективнее использовать предельно асимметричную схему Брэгга когда рентгеновский пучок падает на кристатл под скользящим углом (от нескольких минут до нескольких градусов). В этом случае возрастает чувствительность метода охватывается большая плошадь без сканирования образца, есть возможность изучать неровности на поверхности образца, отказаться от сильной коллимации падающего пучка и стабилизации образца [49].
Изображение дефектов в совершенных кристаллах определяется обычно двумя видами контраста: кинематическим и динамическим. Динамический контраст проявляется как искажение картины интерференционных полос и определяется дальними полями искажений, вызванными дефектами. Кинематический контраст связан обычно с вариациями межплоскостного расстояния и ориентации отражающих плоскостей [50].
Методы рентгеновской топографии, основанные на аномальном прохождении рентгеновских лучей в кристаллах (явлении Бормана), используют обычно для динамического интерференционного контраста и выявления дефектов в монокристаллах достаточно высокого совершенства [51].
Большинство методов рентгеновской топографии являются качественными. Поэтому проблема разработки количественных методов исследования совершенных кристаллов весьма актуальна.
В работе [52] на примере зональной структуры кристаллов KDP разработан метод исследований различных типов примесной неоднородности в кристаллах на основе использования плосковолновой рентгеновской топографии в сочетании с компьютерной обработкой изображений. Возможны как прямые расчеты на основе решения обратной задачи теории упругости, так и анализ на основе моделирования общего упруго деформированного состояния тела. Исходными данными хтя расчетов являются полутоновые карты распределения точечных дефектов с локальностью порядка 10 мкм и чувствительностью по napaMeTpv решетки Ad/d порядка 10"7-10"8. Разрешающая способность такого метода не превышает 5 мкм. т.е. неоднородности реальной структуры кристшілов менее 5 мкм не могут быть замечены.
Конечно, многообразие рентгеновских методов очень велико, хотя каждый из них. как и прехтагаемый нами, имеет свои преимущества и недостатки, проблемы, области применения. Эффект обратимого изменения интегральной интенсивности РДМ [2] дает начало еше одному интегральному методу оценки качества достаточно совершенных кристаллов. Этот эффект также является динамическим, так как не проявляется на сильно искаженных кристаллах [53].
Поскольку многие из методов исследования реальной структуры совершенных кристаллов основаны на динамическом рассеянии рентгеновских лучей на кристаллах, следует рассмотреть подробнее основные положения теории динамического рассеяния рентгеновских лучей в реальных кристаллах.
Вьфашивание кристаллов алюмокалиевых и смешанных квасцов, дигидрофосфата калия и нитрата натрия из водных растворов
Небольшой перепад температур внутри кристалла позволяет полагать однородными температурные деформации внутри отдельных слоев кристалла, если толщина слоя составляет несколько микрон или десятков микрон. Различие величин термодеформаций в разных слоях приводит к различию брэгтовских углов дифракции и вызывает относительный сдвиг максимумов углового распределения РДМ. формируемых разными слоями. Знак нормальной проекции температурного градиента dT/dz (где z - координата, перпендикулярная облучаемой поверхности кристалла и направленная вглубь кристалла) определяет лишь направление сдвига максимумов относительно друг друга. Численное решение уравнения теплопроводности для слоистых структур при лазерном нагреве показывает, что функцию T(z) можно аппроксимировать в виде где TR - комнатная температура. То - температура на облучаемой поверхности кристалла. L - некоторый параметр, описывающий неоднородность температурного поля внутри кристалла. Расчеты показали, что неоднородное распределение нормальной компоненты градиента температуры dT/dz внутри многослойного кристалла, определяемое зависимостью (1.4.1). приводит к значительному увеличению интенсивности РДМ по сравнению с линейным распределением температуры T(z). Вид функции (1.4.2) обуславливает наиболее высокие значения dT/dz в приповерхностной области облучаемого кристалла. Поэтому-главные максимумы, дифрагированные первыми слоями, сдвигаются более сильно относительно друт друга по сравнению с главными максимумами внутренних слоев. В суммарную интенсивность регистрируемого РДМ основной вклад дает динамическая дифракция именно верхних слоев, так как дифракционные пучки, сформированные внутренними слоями значительно ослабляются в процессе многократных переходов между идеальными слоями кристалла. Градиент температуры внутри идеального слоя сравнительно невелик, поэтому температурные деформации в идеальных слоях можно считать однородными. Величины термодеформаций в разных слоях различны. Это приводит к различию брэгтовских углов дифракции 9 (рис. 1.4.2 (а)) и вызывает относительный сдвиг максимумов РДМ. формируемых разными слоями, причем знак температурного градиента определяет лишь направление сдвига максимумов друт относительно друга. Угловая расходимость падающего пучка много больше сдвига максимумов, и поэтому даже при неподвижном кристалле следует считать интегральную интенсивность. Суммарный поток рентгеновского излучения, выходящий через облучаемую поверхность кристалла, складывается из волн со смещенными относительно друт друта положениями главных максимумов (рис. 1.4.2 (б)). В результате, независимо от направления температурного градиента в кристалле, интенсивность I РДМ хтя неоднородно нагретого кристалла возрастает по сравнению с интенсивностью Іо РДМ в отсутствие воздействия хтя того же кристалла. В работе [58] исследовалось влияние лазерного излучения малой мощности на дифракцию рентгеновских лучей в кристаллах эпсомита MgS04-7I-bO. выращенных из водного раствора с примесью буры Na l Cb-lOHiO. Измерялись интенсивности отражений (220) и (440). Было установлено, что хтя различных кристаллов величина относительного изменения РДМ при наложении на кристалл температурного градиента неодинакова для различных областей кристалла. В точках центральной области изменения были достаточно стабильны, но на краях кристахта отклонения от среднего выходили далеко за пределы погрешностей.
В работе также установлена зависимость значения К. усредненного по кристаллам, выращенным из растворов с одинаковым содержанием буры, от концентрации буры в растворе (рис. 1.4.3). По результатам этой работы величина коэффициента К для кристаллов эпсомита максимальна для кристахлов с толщиной слоев около 20 мкм. Увеличение или изменение средней толщины слоев от указанного значения существенно уменьшает эффект. Но на кристаллах эпсомита в этих областях зонарность не наблюдалась. Таким образом, по выращиванию и исследованию водорастворимых кристахлов из раствора было проведено множество работ, их которых следует: Изменения условий роста кристаллов влекут за собой изменение степени совершенства и однородности кристаллов. Повышение температуры, понижение пересыщения, а также введение в растворы дезактивирующих примесей в большинстве случаев способствует более высокому качеству получаемых кристаллов. Уменьшение рН раствора при выращивании кристаллов квасцов и KDP способствует ослаблению межсекториальных и зонарных неоднородностей в кристалле. Большинство из методов исследования, основанных на дифракции рентгеновских лучей в кристаллах, являются либо качественными, либо интегральными. Любой из методов исследования реальной структуры кристаллов обычно ориентирован на определенные объекты, типы дефектов и некоторый интервал степени совершенства кристаллов. Величина изменения интегральной интенсивности при неоднородном тепловом воздействии на кристалл зависит от степени совершенства кристалла. Типы этой зависимости не исследованы. Эффект обратимого изменения интегральной интенсивности при неоднородном тепловом воздействии на кристалл в симметричной схеме Брэгга может быть объяснен с помощью одной из моделей, основанной на слоистой структуре кристалла. Кристаллы эпсомита с примесью буры, проявляющие эффект изменения интенсивности РДМ в неоднородных тепловых полях в максимальной степени, имеют зонарную структуру с толщиной слоев порядка 20 мкм. Увеличение или изменение средней толщины слоев от указанного значения существенно уменьшает эффект. Несмотря на продолжительные исследования в этом направлении, далеко не все закономерности данного эффекта выявлены и изучены.
В данной работе исследуется связь величины К с реальной структурой кристаллов алюмокалиевых квасцов. KDP и натриевой селитры, рассматривается влияние на величину эффекта как зонарной структуры, так и плотности дислокационных ямок травления. Для этого используются такие хорошо известные методы исследования кристаллов как метод избирательного травления, аномального двупреломления. методы рентгеновской топографии и рентгеновской спектрометрии. Кроме того, выявлены некоторые закономерности, которые интерпретированы с точки зрения кинематической и динамической теорий рассеяния рентгеновских лучей в кристаллах.
Зависимости интегральной интенсивности рентгеновских дифракционных максимумов от времени при наложении и снятии неоднородного теплового воздействия на кристалл
Для исследования дефектной структуры выращенных кристаллов дигидрофосфата калия, алюмокалиевых квасцов и натриевой селитры в нашей работе применялся метод избирательного травления. Этот метод давно известен, широко используется и позволяет определить плотность дислокаций, выходящих на исследуемую поверхность кристалла, а также выявить его секториальное и зонарное строение.
Под избирательным травлением понимают растворение поверхности кристалла некоторым веществом (травителем). в результате чего на поверхности образуются ямки с теми или иными очертаниями. Их называют фигурами травления. Симметрия фигур травления определяется элементами симметрии, перпендикулярными данной грани. Таким образом, по форме фигур травления можно судить о симметрии данной грани, и. следовательно, об ориентации исследуемой поверхности.
При избирательном травлении ямки травления возникают в точках выхода на поверхность тех или иных дефектов. Там. где имеется аномальное размещение атомов, химический потенциал также имеет аномальное значение, поэтому данные частицы более активно вступают во взаимодействие с окружающей средой.
Основной характеристикой активности взаимодействия кристалла с травителем является скорость травления. Избирательное травление обычно проводится при небольшой скорости. Различают скорость травления глубины ямки vn и скорость ее расширения vt (рис. 2.3.1.). Если травитель таков, что vt» vn. то ямка расплывется и не будет заметна. Травите ль при этом приобретает полирующее свойство. Считается, что достаточно хорошо различимые ямки получаются при vn 0.1 vt. Оптимальное время травления определяется необходимостью получать ямку достаточных для наблюдения размеров и требованием четкости ее граней.
В случае идеальной поверхности ямки травления появляются равновероятно в разных местах. Углубление ямок происходит при появлении новых зародышей растворения на плоском дне ямки. И частота появления этих зародышей определяет скорость углубления ямок.
В месте выхода краевой дислокации происходит то же самое, но вероятность образования двумерного зародыша увеличивается. Выход винтовой дислокации приводит при травлении к ямке спиральной формы, подобно тому, как происходит образование спирального холмика роста. Для того, чтобы определить плотность ямок, соответствующих именно выходам дислокаций на поверхность, образец следует травить не менее трех раз. учитывая при этом ямки, которые повторяются на разных этапах травления. Опишем методику и результаты травления выращенных кристаллов каждого вещества последовательно. В качестве травителя граней октаэдра кристаллов алюмокалиевых квасцов использовался недосыщенный раствор алюмокалиевых квасцов (25 мл раствора насыщенного при температуре травления + 1 мл воды). Время первого травления составляло 20 с. После этого пластинка просматривалась в микроскоп WINKEL-ZEISS GOTTINGEN Nr 35643. Далее протравленный слой сполировывался водой с глицерином, и пластинка снова подвергалась травлению. Эта операция повторялась 3 раза. В результате были выявлены остроконечные треугольные ямки, повторяющиеся при неоднократном травлении, которые соответствуют выходу дислокаций на поверхность. Для каждого образца сначала в разных областях его поверхности определялась плотность ямок травления, а затем под-считывалась их средняя плотность (N)±(AN по всему образцу. Результаты приведены в таблице 2.3.1. Распределение плотности ямок травления в разных областях кристалла показано в приложении 1. Образец KV9 имеет большую плотность дислокаций в центре грани и вблизи одного из ребер, которое было перпендикулярно концентрационным потокам. Образцы KV10 и KV11 отпилены от одного кристалла и имеют сравнительно небольшое количество ямок травления, причем KV10 более совершенна чем KV11. Следует отметить, что пластинка KV10 во время роста была ориентирована параллельно концентрационным потокам. Пластинка KV12 имеет повышенную группу ямок травления в одной из вершин (дефекты расположены преимущественно в центре грани). Выходы дислокаций образца KV13 расположены в основном в центре грани. И. наконец, пластинка KV14 имеет наибольшую плотность ямок травления, сосредоточенных в центре, причем эта грань в процессе роста была ориентирована также по отношению к концентрационным потокам, как и пластинка KV10. имеющая минимальную плотность дислокаций. Кристаллы KDP травились на z-срезах. определялась плотность ямок травления, а также наблюдалось секториальное и зонарное строение кристаллов. Для выявления зонарной структуры нужно сделать срез, перпендикулярно рассматриваемой грани. Чтобы наблюдать зонарность в секторе роста грани призмы, нужно делать z-срез ближе к затравке (рис. 2.3.2). Для кристаллов KDP использовался травитель следующего состава: 30мл Н?0 (диет.) - 6.25г уксуснокислого аммония (CH3COONH4) + 25г 98% уксусной кислоты (СН3СООН). Каждый из полученных образцов полировался на ткани, смоченной дистиллированной водой, до тех пор. пока его поверхность не станет визуально гладкой. При этом желательно, чтобы грань призмы не подрастворилась. Таким образом, образец кристалла готов к исследованию. Сначала образец опускался на несколько секунд в изопропиловый спирт для очистки поверхности. Время травления для разных образцов составляло от 20 минут до 1 часа. По истечению времени травления, образец вьшимался из емкости, опять прополаскивался в изопропиловом спирте и просушивался с помощью фильтровальной бумаги.
Результаты травления наблюдались в лаборатории оптики кафедры кристаллографии и экспериментальной физики ННГУ при участии М.О.Марычева фазово-контрастным методом [74]. Он применяется хтя повышения контраста при наблюдении прозрачных объектов. Прохождение света через такие объекты не сопровождается изменением интенсивности, и поле наблюдения кажется однородным. Рассмотрим сущность фазово-контрастного метода.
Пусть -прозрачный объект (рис. 2.3.3). наблюдаемый в обычный микроскоп. Нить лампы L проецируется на диафрагму Dj конденсатора при помощи линзы С/. Диафрагма D; находится в фокальной плоскости оптической системы С: конденсатора. При этих условиях в случае точечного источника света через препарат Р будет проходить пучок параллельных лучей. В действительности источник всегда имеет некоторую протяженность, и каждая его точка создает параллельный пучок лучей, так что через объект проходит бесконечное число параллельных пучков разного наклона.
Влияние изменения дефектного состояния кристаллов на величину изменения интенсивности рентгеновских максимумов в неоднородных тепловых полях
Для описания оптических свойств анизотропных сред пользуются вспомогательными поверхностями, называемыми оптическими индикатрисами. Оптическая индикатриса - эллипсоид общего вида, полуоси которого равны численным значениям показателей преломления п\. п\ пз- измеренным вдоль главных осей кристалла. Центральное сечение оптической индикатрисы, нормальное к направлению распространения волны. - это эллипе, длины полуосей которого равны показателям преломления п , п " двух волн, распространяющихся вдоль этого направления в кристалле.
В кристаллах кубической сингонии световые волны распространяются во всех направлениях с одинаковыми скоростями, а. следовательно, и обладают одинаковыми показателями преломления: пі=п:=пз. оптическая индикатриса - сфера.
В кристаллах средних сингонии оптическая индикатриса имеет форму эллипсоида вращения с одним круговым сечением, перпендикулярным главной оси симметрии кристалла или оси вращения эллипсоида. Для них пі=п: п . кристаллы одноосные, т.е. имеют одну оптическую ось. Оптической осью называется то направление, хтя которого п =п и нет разделения на две волны. В зависимости от того, будет ли эллипсоид вытянут (при вращении эллипса вокруг большей оси) или сплющен (при вращении эллипса вокруг меньшей оси), выделяют оптически положительные и оптически отрицательные кристаллы.
В кристаллах триклинной. моноклинной и ромбической сингонии. где nj п: п3. существуют две оптические оси. и такие кристаллы называются двуосными.
С помощью оптических индикатрис могут быть описаны все главные оптические явления в кристаллах. Зная величины полуосей оптической индикатрисы, её форму и ориентацию в кристалле, можно определить скорости, показатели преломления и плоскости колебаний для волн, распространяющихся в кристалле в любом направлении.
Из исследуемых в нашей работе кристаллов только кристаллы алюмокалиевых квасцов являются изотропными, т.е. показатель преломления для электромагнитной световой волны одинаков во всех направлениях. Кристаллы KDP являются одноосными с оптической осью, направленной вдоль особого направления [001]. Кристаллы нитрата натрия также одноосны с оптической осью, направленной вдоль оси третьего порядка.
На самом деле часто встречаются такие ситуации, при которых симметрия оптических свойств не соответствует симметрии кристалла, поскольку в процессе роста возникает понижение симметрии, т.е. имеет место явление ростовой диссимметризации. Идея о том. что при росте кристаллов может изменяться их реальная симметрия, бьша высказана еще в самом начале 60-х годов XX в. А.В. Шубниковым [75]. Однако первые экспериментальные свидетельства были получены лишь через 10 лет М.Н. Самойловичем и Л.И. Ци-нобером с коллегами на примере кристаллов кварца. В работе [76] явление ростовой дис-емметризации рассмотрено на примере секториальности кристаллов квасцов. Сектора роста, связанные с различными типами граней, обладают неодинаковой кристаллической структурой, а различные сектора роста одной и той же простой формы также могут различаться вследствие различных условий в процессе роста кристалла. Наиболее легко секто-риальнослъ можно обнаружить по поведению оптической индикатрисы, каждый радиус-вектор которой пропорционален показателю преломления кристалла в данном направлении. Значения показателей преломления очень чувствительны к небольшим искажениям кристаллической структуры. Возникающие при этом необычные хля данного кристалла оптические эффекты принято называть оптическими аномалиями.
Кристаллы квасцов принадлежат кубической сингонии и теоретически не должны обнаруживать двупреломления. В действительности наблюдается более сложная картина, когда все сектора роста двупреломляют и характеристики оптической индикатрисы в них различны (рис. 2.4.2).
Аномальное двулучепреломление кристаллов алюмо- или хромокалиевых квасцов, выращенных из растворов, можно описать следующим образом. В кристахле атюмо-калиевых квасцов, выращенном из водного раствора с примесью хромокалиевых квасцов, появляются прослойки с повышенным содержанием примеси, парахтельные граням, и симметрия пирамиды роста грани (111) от группы тЗ понижается до симметрии группы 3. причем ось третьего порядка нормальна к грани. Кроме того, при вхождении ионов хрома (ионный радиус 0.64 Е) вместо ионов алюминия (ионный радиус 0.57 Е). кристалл испытывает положительную деформацию, нарушается периодичность кристаллической структуры квасцов. Поэтому, измеряя величину аномального двупреломления. можно судить о напряжениях в кристалле.
В данной работе измерялась величина аномального двупреломления на образцах кристаллов алюмокалиевых и смешанных квасцов, вырезанных из секторов роста граней октаэдра и куба, а также на z-срезах кристаллов KDP вдоль оптической оси. Измерения проводились в нескольких точках и усреднялись.
Возникающая из-за двулучепреломления разность хода световых волн измерялась в скрещенных поляризаторах в луче He-Ne лазере на хтине волны Я=633 нм при помощи поворотного компенсатора Берека в лаборатории кристаллооптики кафедры кристаллографии и экспериментальной физики. Экспериментальная установка была собрана ассистентом кафедры М.О. Марычевым. В качестве компенсатора использовалась пластинка толщиной /=0.42мм. представляющая собой Z-срез кристалла KDP.
Принцип работы установки заключается в следующем: при наличии в кристаллическом образце 5 (рис. 2.4.3) двупреломления на экране 6 фиксируется появление луча. Если образец 5 оптически изотропен или ориентирован вдоль оптической оси. то на экране 6 появление луча фиксироваться не будет. С помощью поворота пластинки 3 можно добиться погасания света на экране 6. это означает, что происходит компенсация. При этом пластинка поворачивается на некоторый угол, который регистрируется по шкале 4. на экране фиксируется минимум интенсивности. По углу поворота определяется функция компенсации f,. значения которой указаны в таблице хтя данного компенсатора [77]. Разность хода находится по формуле:
