НЕОРГАНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ, 2015, том 51, № 12, с. 1279-1283
УДК 548.4;548.73;548.735.6
ОСОБЕННОСТИ МИКРОСТРУКТУРЫ И РАСЧЕТ МИКРОДЕФОРМАЦИЙ
В InSb, ЛЕГИРОВАННОМ Mn, Zn И Cd, ПО РЕНТГЕНДИФРАКЦИОННЫМ ДАННЫМ © 2015 г. Н. Н. Лобанов*, А. Д. Изотов**, О. Н. Пашкова**
*Российский университет дружбы народов, Москва **Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова Российской академии наук, Москва
e-mail: nlobanov@sci.pfu.edu.ru, izotov@igic.ras.ru Поступила в редакцию 05.05.2015 г.
Исследованы особенности микроструктуры закаленных образцов чистого поликристаллического InSb, а также InSb, легированного и солегированного Mn, Zn и Cd. С помощью методов профильного анализа дифракционных отражений и Вильямсона—Холла вычислены средние величины микродеформаций и микродеформации в различных кристаллографических направлениях исследуемых образцов. Установлено, что микродеформации в шлифах и порошках зависят как от типа катиона (его размера), так и от его концентрации. Более сложный характер распределения микродеформаций в шлифах указывает, по-видимому, на существенную роль возникающих в них дислокаций.
DOI: 10.7868/S0002337X15120064
ВВЕДЕНИЕ
Магнитные полупроводники на основе соединений группы Аш—Ву, легированные ^-элемента-ми, имеют очень узкие области гомогенности и позволяют создавать материалы, на базе которых устройства спинтроники смогут обладать наиболее стабильными рабочими характеристиками.
Перспективы выбора антимонида индия в качестве матрицы твердого раствора, как и результаты исследования электрических и магнитных свойств этих твердых растворов, ранее изложены и обсуждены в работах [1—4].
Впоследствии в [5] было определено, что в закаленных образцах 1п8Ъ(Мп) большая часть марганца расходуется на легирование дислокаций в решетке полупроводника, которые могут быть либо насыщены, либо нет. В насыщенной дислокации с максимальной концентрацией легирующего элемента в области ее ядра, превышающей его растворимость, и происходит образование фаз Мп—8Ъ, которые в основном определяют магнитные и электрические свойства образцов при комнатной температуре и выше.
При этом до сих пор мало изучены механизмы вхождения легирующих элементов в кристаллическую решетку полупроводника и влияние легирующих элементов на микроструктуру полученного материала.
Целью данной работы является исследование особенностей микроструктуры и расчет микродеформаций в полупроводниковых соединениях АШВУ на примере 1п8Ъ — чистого, легированного и солегированного Мп, Zn и Сё — методом про-
фильного анализа рентгендифракционных отражений.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Измерение профилей рентгендифракционных отражений шлифов образцов и порошков, полученных из них, проводили на автоматическом рентгеновском дифрактометре для поликристаллических материалов ДРОН-7 в режиме пошагового сканирования. Шаг сканирования Д29 = 0.01°, время экспозиции в точке — 10 с для необходимой статистической точности. Использовали СиХа-излу-чение (N1 фильтр), которое в последующем при обработке спектров раскладывалось на Ка - и Ка -составляющие. Рентгендифракционные профили аппроксимировали с помощью функции псевдоВойта. Уточнение проводили в пошаговом режиме. Процесс качества проведенного уточнения контролировали с помощью статистических критериев. Обработку рентгендифракционных спектров и последующие расчеты проводили с помощью комплекса программ РПШп для рентгендифракционных исследований [6].
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Для определения микроструктуры твердого вещества (средних размеров блоков, параметров распределения по размерам, величины микродеформаций) широко используются рентгенографические методики исследования реальной структуры поликристаллов, основанные на анализе смещения, уширения и формы отдельных
1280
ЛОБАНОВ и др.
дифракционных пиков. Методы полнопрофильного анализа позволяют уточнять атомную структуру вещества и одновременно получать информацию о его микроструктуре [7—11].
В работах [5, 12, 13] с помощью метода РФА высокой точности были изучены монокристаллические пластины 1п8Ъ марки ИСЭ-2 "в" и полученные из них закаленные образцы (шлифы и порошки из этих шлифов) чистого 1п8Ъ, легированного и солегированного Мп, Zn и Сё. По данным РФА [12] было установлено, что вследствие геометрических особенностей отвода тепла по разрезу слитка 1п8Ъ при закалке верхняя часть и середина слитка являются текстурой [110], в то время как нижняя часть — поликристаллом. Плоскость текстуры совпадает с характерными для полупроводниковых соединений Аш—Ву плоскостями преимущественного раскалывания [110], вызванного образованием в них скоплений дислокаций. Образующиеся при этом характерные микротрещины, усеянные дислокационными выходами на поверхность шлифов, наблюдаются в микроструктурах закаленного слитка 1п8Ъ. По данным первичной обработки рентгендифракционных спектров образцов 1п8Ъ были найдены параметры кристаллических решеток 1п8Ъ и проиндицированы их рентгендифракционные спектры. Наблюдавшееся увеличение структурных параметров шлифов закаленного 1п8Ъ обусловлено, по-видимому, высокой плотностью дислокаций в слитке. Было показано уменьшение параметров элементарных ячеек 1п8Ъ, легированного Мп, а также солегированного Мп, Zn и Мп, Сё, по сравнению с чистым антимонидом индия. При этом размеры ячейки уменьшаются с увеличением содержания Мп в образцах, легированных Мп и солегированных Мп и Zn. Незначительное изменение параметров элементарной решетки по отношению к чистому антимониду индия наблюдается у 1п8Ъ, солегированного Мп и Сё, как у шлифов, так и в порошках.
В работе [13] проведен анализ возможного вхождения легирующих элементов Мп, Zn и Сё в решетку 1п8Ъ. Были рассчитаны зависимости параметров кристаллической решетки а твердых растворов 1п8Ъ{М) от содержания М как для ионных, так и для ковалентных радиусов соответствующих элементов. Теоретические значения параметров элементарных ячеек твердых растворов Мп, Мп и Zn, Мп и Сё в антимониде индия были рассчитаны в предположении замещения М позиции 1п и внедрения атомов М в тетраэдриче-ские пустоты решетки 1п8Ъ. Из рассчитанных теоретических и экспериментальных зависимостей параметра кристаллической решетки а от содержания М в 1п8Ъ установлено, что Сё, вероятно, занимает позицию 1п и его атомы находятся ближе к ковалентному состоянию или, по крайней мере, между ионным и ковалентным состояниями; Zn, по-видимому, занимает позицию 1п и
его атомы находятся в ионном состоянии. Если предположить, что атом Мп находится в ковалент-ном состоянии, то при легировании 1п8Ъ марганцем в маленьких концентрациях (~ 0.5 ат. % Мп) и солегировании с Сё марганец, вероятно, занимает тетраэдрические пустоты, а при солегировании с Zn — позиции 1п вместе с Zn. Если атом Мп находится в ионном состояния Мп2+, то, вероятно, при легировании 1п8Ъ марганцем в маленьких концентрациях (~ 0.5 ат. %) и солегировании с Сё Мп2+ также занимает позицию 1п. Ее же он занимает и при солегировании с Zn, однако при этом марганец находится в основном в ковалентном состоянии. По мере увеличения заряда Мп"+ в приближении модели для ионного радиуса отклонения рассчитанных параметров ячейки от экспериментальных становились больше.
Были изучены закаленные образцы следующих составов: 1п8Ъ (поликристалл); 1п8Ъ + 0.5 ат. % Мп; 1п8Ъ + 0.8 ат. % Мп+ 3.9 ат. % Zn; 1п8Ъ + 1.1 ат. % Мп + 3.9 ат. % Zn; 1п8Ъ + 1 ат. % Мп + 3.9 ат. % Сё.
Полную дифракционную картину давали только образцы, размолотые в порошок, при этом дифрак-тограммы состояли исключительно из рефлексов 1п8Ъ. В то же время РФА пластин, вырезанных из синтезированных слитков поперечно их осям, выявлял только немногие отдельные отражения 1п8Ъ, что свойственно крупноблочным поликристаллам. Если исходить из того, что истинное физическое уширение в линии 8Ш вызвано исключительно микронапряжениями, то величины искажений решетки (микродеформации) е в направлении, нормальном к плоскости (Нк1), могут быть вычислены согласно формуле:
е = {М/ф = Р/41е 8Ш.
Расчеты проводили с учетом инструментальной функции прибора, вычисленной ранее с учетом технических характеристик аппарата ДРОН-7, с целью уменьшения погрешностей расчета.
Были рассчитаны микродеформации е в различных дифракционных направлениях чистого 1п8Ъ, легированного и солегированного металлами Мп, Zn и Сё с учетом инструментальной функции. Заметное отличие распределений микродеформаций наблюдается у шлифов (рис. 1) и порошков (рис. 2). В шлифах наблюдается более сложная картина. Наибольшие микродеформации (рис. 1) имеют шлифы в направлении [110] (отражение 220), кроме образцов 1п8Ъ + 1.1 ат. % Мп + 3.9 ат. % Zn и 1п8Ъ + 1 ат. % Мп + 3.9 ат. % Сё, где наибольшие микродеформации проявляются в направлении [111] (отражение 111). Шлифы чистого поликристаллического антимонида индия имеют практически наименьшие микродеформации по всем отражениям. Легирование и
ОСОБЕННОСТИ МИКРОСТРУКТУРЫ И РАСЧЕТ МИКРОДЕФОРМАЦИЙ В InSb
1281
б х 103 25
20
15
10
111 X
\
\
♦ InSb поликристалл -■ -InSb + 0.5 ат. % Mn ■ -A - -InSb + 0.8 ат. % Mn + 3.9 ат. % Zn - -InSb + 1.1 ат. % Mn + 3.9 ат. % Zn -Ж-InSb + 1 ат. % Mn + 3.9 ат. % Cd
220 А
.Л''
\
422 Л
v /
х 400 /
б х 103 12
10 8 6 4 2
111 а
—InSb поликристалл
- и-InSb + 0.5 ат. % Mn
■ - A- -InSb + 0.8 ат. % Mn + 3.9 ат. % Zn
- -InSb + 1.1 ат. % Mn + 3.9 ат. % Zn
- Ж-InSb + 1 ат. % Mn + 3.9 ат. % Cd
400
220 422 v. а - * . А
444
440
10
Рис. 1. Зависимости микродеформаций (s) от вектора рассеяния s для шлифов чистого InSb, легированного и солегированного Mn, Zn и Cd.
Рис. 2. Зависимости микродеформаций (s) от вектора рассеяния s для порошков чистого InSb, легированного и солегированного Mn, Zn и Cd.
5
0
0
6
2
3
4
5
7
8
2
4
6
8
s, нм
s, нм
солегирование 1п8Ъ марганцем (0.5, 0.8 и 1.1 ат. %) приводит к увеличению микродеформаций по всем отражениям относительно чистого поликристаллического образца.
В порошках (рис. 2) прослеживается корреляция понижения микродеформаций с увеличением угла 29 (от отражения 111 и до отражения 444). Наибольшие микродеформации в порошках наблюдаются практически у всех
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.