Материалы Международного симпозиума "Нанофизика и наноэлектроника-2010" (Нижний Новгород, март 2010 г.)
Председатели Оргкомитета Международного симпозиума "Нанофизика и наноэлектроника-2010" академик РАН С.В. Гапонов, д-р физ.-мат. наук З.Ф. Красильник
Материалы Международного симпозиума "Нанофизика и наноэлектроника-2010" под общей редакцией канд. физ.-мат. наук М.В. Сапожникова
ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2011, том 75, № 1, с. 6-9
УДК 548.732
ТЕРМОИНДУЦИРОВАННОЕ УПРАВЛЕНИЕ ДИСПЕРСИОННЫМИ СВОЙСТВАМИ КРИСТАЛЛОВ © 2011 г. В. Н. Трушин, А. С. Маркелов, Е. В. Чупрунов
Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского, Нижний Новгород
E-mail: trushin@phys.inn.ru
В работе приведены результаты исследований по управлению полушириной кривых качания кристаллов. Управление достигается неоднородным изменением параметров решетки кристаллов, вызванным неоднородным тепловым воздействием света на поверхность дифрагирующего кристалла. Полученные результаты могут быть использованы для создания кристалл-монохроматоров с динамически управляемыми дисперсионными свойствами.
Одна из задач дифракционной рентгеновской оптики — исследование в области создания элементов с управляемыми дисперсионными свойствами. Данная задача прежде всего связана с их практическим использованием в рентгеновских спектрометрах в тех случаях, когда необходимо в процессе эксперимента изменять их спектральное разрешение, например для достижения необходимого компромисса между разрешающей способностью рентгенооптической системы и ее светосилой. Увеличение светосилы таких систем может быть достигнуто как за счет проявления динамических эффектов, так и за счет увеличения области дифракционного отражения.
В [1] исследована возможность управления угловым положением и пространственной структурой рентгеновского пучка с помощью кристалла, подвергнутого длинноволновым ультразвуковым колебаниям. Показано, что форма кривых дифракционного отражения (КДО) сильно меняется в зависимости от положения рентгеновского пучка на поверхности кристалла германия. На участках, близких к максимумам деформации при включенном ультразвуке, КДО имели сильно уширенный характер, а на участках с сильным линейным градиентом ультразвуковой деформации форма КДО отличается асимметрией.
Кристаллы с управляемыми дисперсионными свойствами можно использовать не только для изменения разрешающей способности спектрометров, но в рентгеновских микроскопах [2]. Как показано в [3] кристаллы Ое(111) с экспоненциальным профилем деформации решетки позволяют скомпенсировать дифракционное расплыва-ние рентгеновского пучка.
Для исследования дифракционных параметров кристаллических структур в жестком диапазоне длин волн, как правило, используют кри-сталл-монохроматоры (КМ) из совершенных кристаллов. Спектральное разрешение рентгено-
оптической схемы определяется дисперсией рабочего пучка и полушириной двухкристальной кривой отражения в [4]:
Б = ДХ/Х^Е 0т 0о) (1)
в=(вт + во + б2)1/2, (2)
где вт,с = 2СХа(81п(0 + а)/ая(0 - а))1/2.
Здесь ДХ/Х — дисперсия длины волны, 0т, 0 — угол Брэгга для монохроматора и образца, вт, 0 — полуширина кривых отражения монохроматора и образца, С — поляризационный фактор, хь — фурье-компонента поляризуемости, а — угол между отражающей плоскостью и плоскостью образца.
Допустимая величина варьирования угла Брэгга Д0 определяет разрешение Х/ДХ = 0 /Д0 рентгенооптической схемы и зависит от полуширины кривой качания (КК) [5].
На примере кристаллов КЭР нами исследуется возможность управления полушириной КК кристаллов путем неоднородного теплового воздействия света на их поверхность. Эксперимент проводился на двухкристальном рентгеновском спектрометре по схеме (п, —т). Освещение "черненой" поверхности кристаллов осуществлялось с внутренней стороны через оптоволокно с использованием специально изготовленной приставки.
На рис. 1 показана схема освещения образца
(а) и температурная зависимость параметров дифракционного максимума (620) кристалла КЭР
(б).
Применение оптоволокна в данном случае оправдано тем, что источник освещения можно выносить за пределы рентгенооптической схемы прибора.
Управлять дисперсионными свойствами КМ можно также с помощью полупроводниковых
I, отн. ед 16000
12000 8000
• 1 2
3
4
— 5
4000
240 280 ю, угл. сек.
Рис. 1. Температурная зависимость параметров дифракционного максимума (620) кристалла КОР: а — схема освещения, где: 1 — образец, 2 — поглощающее покрытие, 3 — термостатическая приставка, 4 — оптоволокно, 5 — транспарант, 6 — световой пучок; б — кривые качания 1, 2, 3, 4, 5 снятые при светоиндуци-рованном неоднородном нагреве поверхности кристалла КОР до температур 20, 25, 28, 40 и 52°С соответственно.
ИК-лазеров. Для этого можно использовать лазеры, излучающие, например, на длине волны 0.98 мкм [6]. Преимуществом использования таких лазеров являются их малые габаритные размеры, достаточная для этих целей мощность излучения. Диаграмма направленности с шириной 60 и более градусов позволяет располагать их в непосредственной близости от КМ. Для поглощения лазерного излучения кристаллом его поверхность чернилась.
На рис. 2б показано изменение параметров кривой отражения (060) кристалла КЭР от температуры его дифрагирующей части, измеренной в точке, соответствующей центру воздействия лазерного пучка.
Температура в измеряемой точке была максимальной и уменьшалась при удалении от этой точки (температуру измеряли с помощью термопары (ХК)). Положение рабочей области кристалла по отношению к области лазерного воздействия показано на рис. 2в. Величина углового смещения ю и параметры КК определяются диапазоном изменения температуры внутри рабочей области поверхности кристалла и ее положением по отношению к изгибаемым частям поверхности кристалла. Изгиб кристалла вызван его неоднородными упругими температурными деформациями, возникающими при поглощении излучения лазера. Величина и направление изгиба определяются градиентом температур между верхней и нижней частями поверхности кристалла. Поскольку поглощение излучения происходит в верхней (отражающей) части поверхности кри-
2
□□□□□□□□□□и
-у
I, отн. ед 20000
15000
10000
5000
275 325
ю, угл. сек.
Рис. 2. Изменение полуширины кривой отражения (060) кристалла КЭР при тепловом воздействии лазера на его поверхность: а — схема воздействия лазера, где: 1 — кристалл, 2 — полупроводниковый ИК-лазер, 3 — элемент Пельтье, 4 — термостатическая подложка,
5 — термоклей, 6 — поглощающее покрытие, 7 — неоднородный транспарант, 8 — падающий рентгеновский пучок; 9 — дифрагированный рентгеновский пучок;
6 — экспериментальные кривые качания, снятые при температурах кристалла внутри его рабочей области 25.0, 26.2, 27.3, 30.6, 33.9°С соответственно; в — положение области дифракции по отношению к области лазерного воздействия.
сталла, данная поверхность имеет большую температуру и отрицательный радиус кривизны.
При смещении кристалла в положение, при котором рабочая область оказывается на правом склоне изгиба образца, направление и величина смещений определяются ю = ю0 — ю, + а. Где ю0 — начальное положение максимума; ю,, а — изменения угловых положений КК, вызванные изменением температуры и отклонением дифрагирующей области соответственно. В том случае, когда изменение угла а превышает изменение угла ю,, кривые смещаются в положительную сторону.
Изменения ширины и формы КК, вызванные тепловым воздействием лазерного пучка на дифрагирующую часть поверхности кристалла, определяются варьированием параметров решетки кристалла внутри его рабочей области, а также
9
а
5
3
4
8
ТРУШИН и др.
I, отн. ед. 100
80
60
40
20
1
- — 4
-60
Т, °С 35
31
-40
-20
0 20 ю, угл. сек.
27
23
0
10
20 I, мм
Рис. 3. Изменения углового положения и полуширины КК кристалла КЭР (а) для различных профилей распределения температуры (б) в области дифракции.
Рис. 4. Изображения топограмм рассчитанных для теплового потока 0> = 0.2 Вт • см—2 в виде буквы S через поверхность образца с КТР а = 20 • 10—6 К—1 в зависимости от полуширины исходной кривой качания (Р), где 1 — температурное поле в кристалле на глубине 5 мкм от его поверхности, 2, 3, 4 — изображение топограмм для Р равных 1, 5, 15 угл. сек соответственно.
ее положением по отношению к изгибаемой части поверхности кристалла.
При моделировании термоиндуцированного управления полушириной КК кристаллов использована программа, входными данными для которой служили коэффициент теплового расширения кристалла, длина волны рентгеновского излучения, распределение температуры в дифрагирующем слое образца.
В программе используется распределение температуры в виде сетки 200 х 200 ячеек (областей). Для каждой области строится кривая Гаусса с полушириной, определенной из экспериментальной КК. Результирующая кривая является суммой КК от всех областей. Угловой сдвиг КК для каждой элементарной области, рассчитывался по формуле
0у = агс8т(Х/(2(й0у + ёф&у )), (3)
где 0у — брэгговский угол для (й£/)-плоскостей в точке с координатами у; — значение температуры поверхности кристалла в точке с координатой у; Х — длина волны; а — коэффициент теплового расширения кристалла в направлении вектора обратной решетки; йу = й0у + Дйф йщ — значение межплоскостного расстояния в точке поверхности кристалла при температуре ?0, — температура неосвещенной области кристалла; Дйу — изменение межплоскостного расстояния в точке с координатами у, вызванное изменением температуры
в этой точке.
На рис. 3 показаны расчетные КК (а) кристалла КЭР для различных профилей распределения температур в области дифракции (б).
Расчетные данные по изменению полуширины КК (рис. 3а) качественно согласуются с экспериментальными данными (рис. 2б).
При топографических исследованиях форма и размеры дифракционного изображения рабочей области исследуемого кристалла определяются полушириной кривой качания в, а также блочно-стью и диапазоном варьирования параметров решетки внутри рабочей области.
На рис. 4 показаны изображения брэгговских топограмм, рассчитанных для образца с теплопроводностью х = 1.25
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.