Устройство для регистрации рентгенодифракционных параметров кристалла при воздействии лазерного излучения Российский патент 2024 года по МПК G01N23/20 G01N25/00 

Изобретение относится к области исследования материалов рентгенодифракционными способами и может быть использовано для определения конфигурации возникающих деформаций в кристаллах при воздействии лазерного излучения с целью разработки новейших систем памяти, сенсоров и других элементов микроэлектроники, функционирующих на эффектах памяти наведенных механических деформаций.

Известно устройство для исследования электрофизических свойств и фотовольтаических процессов в функциональных нецентросимметричных кристаллах с использованием рентгеновской дифрактометрии с различным временным разрешением [1]. Это техническое решение по числу совпадающих существенных признаков выбрано в качестве прототипа. Такими признаками являются: наличие источника рентгеновского излучения, диафрагмы, образца, установленного на гониометрической системе, источника лазерного излучения и управляющей ЭВМ, которая подключена к двигателям гониометра.

Недостатком данного технического решения является невозможность визуализации и исследования пространственного распределения формируемых в результате воздействия лазерного излучения деформаций. Кроме того, это устройство невозможно использовать для получения информации со всей поверхности или из объема крупных (порядка 1 см) кристаллов, т.к. размер засвечиваемой рентгеновским пучком области ограничен размером источника излучения и его расходимостью.

Технической задачей изобретения является создание устройства, которое обеспечивает регистрацию в монокристаллах пространственного распределения деформаций, индуцированных внешним воздействием.

Техническим результатом является повышение точности и достоверности результатов исследования кристаллов.

Поставленная техническая задача и результат достигается в результате того, что в устройстве для регистрации рентгенодифракционных параметров кристалла при воздействии лазерного излучения, содержащем источник рентгеновского излучения, диафрагму, установленный на гониометрической системе образец, источник лазерного излучения и управляющую ЭВМ, подключенную к двигателям гониометра, между диафрагмой и установленном на гониометрической системе образцом размещен асимметрично вырезанный кристалл-монохроматор, а за образцом по ходу отраженных лучей установлен двумерный детектор, который подключен к управляющей ЭВМ.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема предлагаемого устройства;

на фиг. 2 представлены исходные параметры кривой дифракционного отражения рефлекса 0012 кристалла ниобата лития, полученные с помощью предлагаемого способа;

на фиг. 3 представлено изменение пространственного распределения положения дифракционного пика рефлекса 0012 кристалла ниобата лития при лазерном облучении и в процессе релаксации относительно исходного состояния;

на фиг. 4 представлено изменение пространственного распределения интегральной интенсивности дифракционного пика рефлекса 0012 кристалла ниобата лития при лазерном облучении и в процессе релаксации, нормированной на исходное состояние. Нулю соответствует отсутствие изменения интегральной интенсивности.

Предлагаемое устройство (фиг. 1) содержит в себе источник рентгеновского излучения 1, диафрагму 2, асимметричный кристалл-монохроматор 3, исследуемый образец 4, гониометрическую систему 5, двумерный детектор 6, источник лазерного излучения 7, управляющий компьютер 8, Ethernet-кабели 9.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. Пучок рентгеновского излучения, длина волны которого находится в диапазоне от 0.02 до 0.4 нм, направляют от источника 1 на диафрагму 2, которая обеспечивает его предварительную коллимацию до заданной апертуры и расходимости. Коллимированный пучок падает на кристалл-монохроматор 3 под углом к поверхности относительно отражающих плоскостей на определенный угол, определяющий его коэффициент асимметрии. Монохроматор 3 в соответствии с законом Вульфа-Брэгга выделяет из всего излучения наиболее интенсивную часть спектра источника и уширяет исходный пучок за счет асимметрии среза. Уширенный и квазипараллельный монохроматизированный рентгеновский пучок направляется на исследуемый монокристаллический образец 4 под углом Брэгга для соответствующего рефлекса. Юстировка образца осуществляется посредством гониометрической системы 5. Дифрагированное излучение от образца распространяется в сторону двумерного детектора 6. Синхронизация работы гониометрической системы, двумерного детектора и лазерного модуля 7 осуществляется при помощи управляющего компьютера 8. Передача управляющего сигнала к контроллеру гониометрической системы и от двумерного детектора реализуется посредством Ethernet-кабелей 9.

Функционирование устройства осуществляется в рамках нижеследующего алгоритма действий.

Предварительно с помощью гониометрической системы проводится первичное угловое сканирование образца для определения углового диапазона, в котором наблюдается дифракция рентгеновского излучения. Затем полученный диапазон разбивается на отдельные равноудаленные по углу координаты, определяемые шагом сканирования, для которых будет осуществляться регистрация отраженного рентгеновского излучения с помощью двумерного детектора, а также устанавливается время регистрации сигнала детектором (время экспозиции). После этого осуществляется настройка параметров системы лазерного освещения.

Далее проводится несколько серий измерений с заданным шагом сканирования гониометрической системы и временем экспозиции двумерного детектора. Первую серию измерений выполняют без внешнего воздействия на образец. Далее подается внешнее воздействие (лазерное освещение) и последовательно проводятся серии измерений, число которых зависит от скорости релаксации кристалла и определяется экспериментально. Затем внешнее воздействие выключается, и последовательно проводятся заключительные серии измерений, число которых зависит от скорости релаксации кристалла и определяется экспериментально.

Результат измерений представляет собой массив данных в виде интенсивности с пространственной и угловой разверткой для каждой серии измерений. В рамках одной серии измерений для каждого пикселя двумерного детектора производится аппроксимация по углу, с целью получения таких параметров дифракционного пика как положение центра масс, интегральная интенсивность, а также ширина пика на полувысоте.

Таким образом, результаты эксперимента представляют собой набор массивов данных типа I(х, у, θ, n), где х и у - пространственные координаты в плоскости измеряемого рефлекса, θ - угловая координата дифракционного пика, n - серия измерений, I - интенсивность дифрагированного излучения.

Полученные результаты обработки сшивают в двумерные карты распределения параметров дифракционных пиков и проводится их сопоставление между собой для оценки особенностей динамики и амплитуды их изменения. На заключительном этапе проводится вычет из результатов, полученных на поздних этапах измерений, результатов, полученных на более ранних этапах для определения относительного изменения каждого из параметров дифракционного пика.

Следует отметить, что использование асимметричного высокосовершенного монохроматора с асимметричным срезом относительно отражающей поверхности позволяет получить широкий, плоский и однородный по интенсивности и длине волны пучок на позиции образца, а применение двумерного детектора обеспечивает регистрацию двумерной карты рентгеновского излучения, дифрагированного от крупного (протяженность по одной из сторон до 1 см) образца.

Примеры исследований, проведенных на предлагаемом устройстве.

Пример 1

Была собрана рентгенооптическая схема, аналогичная представленной на Фиг. 1. В качестве источника излучения использовалась рентгеновская трубка с молибденовым анодом и длиной волны излучения 0,070932 нм. В качестве кристалла-монохроматора использовался высокосовершенный кристалл Si с асимметричным срезом (440) и коэффициентом асимметрии 0,025, что позволило уширить исходный пучок от трубки с фокусом 0,4 мм до размера пучка порядка 10×25 мм². В качестве модельного образца был использован монокристалл LiNbO₃, отожженный при температуре 500°С, закрепленный на гониометрической системе на позиции образца и настроенный на симметричное отражение 0012 с углом Брэгга 17,878 град. Для формирования деформаций в объеме образца с полосой поглощения в зеленой части спектра видимого излучения использовался лазерный модуль с длиной волны излучения 520 нм, мощностью 1 Вт и возможностью фокусировки излучения. Мощность лазера была выставлена на значение 500 мВт, а размер лазерного пучка на позиции образца был диаметром 1 мм. В качестве детектора использовался двумерный CdTe детектор с размером пикселя 55 мкм и апертурой 14×14 мм².

В процессе экспериментов было выявлено, что оптимальный диапазон сканирования должен составлять не менее трех полуширин кривой дифракционного отражения кристалла с соотношением сигнал-шум в пике не менее 50:1, что гарантирует регистрацию достаточного объема полезных данных для корректности последующей обработки и трактовки экспериментальных данных. Также экспериментально определено, что минимальное количество угловых позиций для накопления дифрагированного сигнала, приходящихся на полуширину дифракционного пика, должно быть не менее 5, что необходимо для корректной регистрации профиля кривой дифракционного отражения.

Была проведена регистрация кривой дифракционного отражения экспериментального образца. Предварительно была осуществлена оценка углового диапазона сканирования. Выбранный для измерения угловой диапазон составил 120 угл.с, шаг сканирования 2 угл.с, время экспозиции в точке 15 с.

Из полученных экспериментальных данных были построены графики, представленные на фиг. 2, отражающие пространственное распределение положения пика, полуширины и интегральной интенсивности кривой дифракционного отражения в состоянии до воздействия.

Положение дифракционного пика имеет неоднородное пространственное распределение с вариацией в диапазоне около 30 угл.с, диапазон распределения полуширины дифракционного пика составляет 17-25 угл.с. с отклонением до 45 угл.с. в краевых областях кристалла, распределение интегральной интенсивности варьируется в пределах 50%. Полученные результаты указывают на наличие механических напряжений и некоторого числа объемных дефектов в кристалле в исходном состоянии.

Пример 2.

Была собрана рентгенооптическая схема, аналогичная представленной на Фиг. 1. В качестве источника излучения использовалась рентгеновская трубка с молибденовым анодом и длиной волны излучения 0,070932 нм. В качестве кристалла-монохроматора использовался высокосовершенный кристалл Si с асимметричным срезом (440) и коэффициентом асимметрии 0,025, что позволило уширить исходный пучок от трубки с фокусом 0,4 мм до размера пучка порядка 10×25 мм². В качестве модельного образца был использован монокристалл LiNbO₃, отожженный при температуре 500°С, закрепленный на гониометрической системе на позиции образца и настроенный на симметричное отражение 0012 с углом Брэгга 17,878 град. Для формирования деформаций в объеме образца с полосой поглощения в зеленой части спектра видимого излучения использовался лазерный модуль с длиной волны излучения 520 нм, мощностью 1 Вт и возможностью фокусировки излучения. Мощность лазера была выставлена на значение 500 мВт, а размер пучка на позиции образца был диаметром 1 мм. В качестве детектора использовался двумерный CdTe детектор с размером пикселя 55 мкм и апертурой 14×14 мм².

Экспериментально установлено, что оптимальный диапазон сканирования должен составлять не менее трех полуширин кривой дифракционного отражения кристалла с соотношением сигнал-шум в пике не менее 50:1, что гарантирует регистрацию достаточного объема полезных данных для корректности последующей обработки и трактовки экспериментальных данных. Также экспериментально определено, что минимальное количество угловых позиций для накопления дифрагированного сигнала, приходящихся на полуширину дифракционного пика, должно быть не менее 5, что необходимо для корректной регистрации профиля кривой дифракционного отражения.

Предварительно была осуществлена оценка углового диапазона сканирования. Выбранный для измерения угловой диапазон составил 120 угл.с, шаг сканирования 2 угл.с, время экспозиции в точке 15 с Затем были проведены измерения до воздействия, во время воздействия и в процессе релаксации. Из полученных экспериментальных данных была получена зависимость положения дифракционного пика и осуществлена обработка полученных данных. Полученные результаты - пространственное распределение дифракционного пика при облучении и в процессе релаксации представлены на фиг. 3.

В условиях воздействия лазерного излучения в центре кристалла возникает область деформаций соразмерная с площадью лазерного пучка. Смещение дифракционного пика в данной области лежит в диапазоне от +7 до +22 угл.с. относительно исходного состояния, что соответствует изменению относительного межплоскостного расстояния Δd/d в диапазоне от -1,1⋅10^-4 до -3,3⋅10^-4.

При релаксации деформация кристаллической решетки формирует область в виде эллипса, в пределах которой наблюдается смещение дифракционного пика в диапазоне от -15 до +10 угл.с. относительно исходного состояния, что соответствует изменению относительного межплоскостного расстояния Δd/d в диапазоне от +2,3⋅10^-4 до -1,5⋅10^-4.

Пример 3.

Была собрана рентгенооптическая схема, аналогичная представленной на Фиг. 1. В качестве источника излучения использовалась рентгеновская трубка с молибденовым анодом и длиной волны излучения 0,070932 нм. В качестве кристалла-монохроматора использовался высокосовершенный кристалл Si с асимметричным срезом (440) и коэффициентом асимметрии 0,025, что позволило уширить исходный пучок от трубки с фокусом 0,4 мм до размера пучка порядка 10×25 мм². В качестве модельного образца был использован монокристалл LiNbO₃, отожженный при температуре 500°С, закрепленный на гониометрической системе на позиции образца и настроенный на симметричное отражение 0012 с углом Брэгга 17,878 град. Для формирования деформаций в объеме образца с полосой поглощения в зеленой части спектра видимого излучения использовался лазерный модуль с длиной волны излучения 520 нм, мощностью 1 Вт и возможностью фокусировки излучения. Мощность лазера была выставлена на значение 500 мВт, а размер пучка на позиции образца был диаметром 1 мм. В качестве детектора использовался двумерный CdTe детектор с размером пикселя 55 мкм и апертурой 14×14 мм².

В процессе опытов было определено, что оптимальный диапазон сканирования должен составлять не менее трех полуширин кривой дифракционного отражения кристалла с соотношением сигнал-шум в пике не менее 50:1, что гарантирует регистрацию достаточного объема полезных данных для корректности последующей обработки и трактовки экспериментальных данных. Также экспериментально установлено, что минимальное количество угловых позиций для накопления дифрагированного сигнала, приходящихся на полуширину дифракционного пика, должно быть не менее 5, что необходимо для корректной регистрации профиля кривой дифракционного отражения.

Предварительно была осуществлена оценка углового диапазона сканирования. Выбранный для измерения угловой диапазон составил 120 угл.с, шаг сканирования 2 угл.с, время экспозиции в точке 15 с. Затем были проведены измерения до воздействия, во время воздействия и в процессе релаксации. Из полученных экспериментальных данных была получена зависимость интегральной интенсивности и осуществлена обработка полученных данных. Полученные результаты - пространственное распределение нормированной интегральной интенсивности при облучении и в процессе релаксации представлены на фиг. 4.

В условиях воздействия лазерного излучения в центре кристалла возникает соразмерная с площадью лазерного пучка область с большей интегральной интенсивностью. Увеличение интегральной интенсивности относительно исходного состояния достигает 75%.

В процессе релаксации наблюдается неоднородное распределение интегральной интенсивности по поверхности. Как и в случае с фиг. 3, область изменения интегральной интенсивности (фиг. 4) ограничена областью в виде эллипса, но существенно большего размера. Увеличение интегральной интенсивности относительно исходного состояния достигает 100%.

Источники информации

1. Пиляк Ф.С., Куликов А.Г., Ибрагимов Э.С., и др., «Комплексная методика исследования электрофизических свойств и фотовольтаических процессов в кристаллах с использованием рентгеновской дифрактометрии с различным временным разрешением». Успехи в химии и химической технологии. 2022. Т. 36. №7.

Использование: для регистрации рентгенодифракционных параметров кристалла при воздействии лазерного излучения. Сущность изобретения заключается в том, что устройство для регистрации рентгенодифракционных параметров кристалла при воздействии лазерного излучения содержит источник рентгеновского излучения, диафрагму, установленный на гониометрической системе образец, источник лазерного излучения и управляющую ЭВМ, подключенную к двигателям гониометра, при этом между диафрагмой и установленным на гониометрической системе образцом размещен асимметрично вырезанный кристалл-монохроматор, а за образцом по ходу отраженных лучей установлен двумерный детектор, который подключен к управляющей ЭВМ. Технический результат: повышение точности и достоверности результатов исследования кристаллов. 4 ил.

Устройство для регистрации рентгенодифракционных параметров кристалла при воздействии лазерного излучения, содержащее источник рентгеновского излучения, диафрагму, установленный на гониометрической системе образец, источник лазерного излучения и управляющую ЭВМ, подключенную к двигателям гониометра, отличающееся тем, что между диафрагмой и установленным на гониометрической системе образцом размещен асимметрично вырезанный кристалл-монохроматор, а за образцом по ходу отраженных лучей установлен двумерный детектор, который подключен к управляющей ЭВМ.