ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СИНХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2015, № 5, с. 15-20
УДК 539.261:537.9
ЯЧЕЙКА ДЛЯ РЕНТГЕНОВСКОГО МОНОКРИСТАЛЬНОГО ДИФРАКЦИОННОГО in situ ЭКСПЕРИМЕНТА В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ © 2015 г. Т. Ю. Вергентьев1, *, В. А. Дядькин2, Д. Ю. Чернышов1,2
1Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, 195251 Санкт-Петербург, Россия 2Swiss-Norewgian Beam Lines at the European Synchrotron Radiation Facility, BP220-F-38000 Grenoble, France
*E-mail: tikhon.v@gmail.com Поступила в редакцию 10.09.2014 г.
Разработана и испытана оригинальная ячейка для дифракционных исследований монокристаллов в приложенном электрическом поле. Особенностью ячейки является возможность достижения большого уголового диапазона сканирования монокристалла в геометрии "на прохождение", что позволяет собирать дифракционные данные в большом объеме обратного пространства. Тестовые эксперименты, проведенные с использованием синхротронного излучения на монокристаллах сегнетоэлек-трика и релаксора показали, что можно исследовать зависимость и брэгговского, и диффузного рассеяния от приложенного электрического поля. Обсуждается дальнейшее развитие метода измерений in situ отклика исследуемой структуры на электрическое воздействие и возможные стратегии экспериментов с использованием данной ячейки.
Ключевые слова: синхротронное излучение, монокристальная дифракция, сегнетоэлектрик, релаксор, диффузное рассеяние.
DOI: 10.7868/S0207352815050133
ВВЕДЕНИЕ
В последнее время все больший интерес в области рассеяния синхротронного и нейтронного излучения для изучения структуры и физических свойств материалов направлен на проведение экспериментов, которые предполагают измерение in situ дифракционного отклика во время приложения внешнего воздействия, например, температуры, давления, облучения, магнитного или электрического поля. В последнем случае изучение структурного отклика на полевое воздействие может существенно расширить наши представления о микроскопических механизмах, ответственных за формирование сегнето-электрических свойств.
Эксперименты по рассеянию излучения в кристалле под действием электрического поля довольно многочисленны [1—15]. В частности, под действием поля наблюдались смещения ионов свинца в кристалле Pb(Mg1/3Nb2/3)O3 [1], искажение кристаллической решетки в 0.92Pb(Zn1//3Nb2/3)O3— 0.08РЬТЮ3 [2], изменения параметров фазового перехода в 0.7Pb(Mg1/3Nb2/3)-0.3PbTiO3 [3, 4], отсутствие эволюции диффузного рассеяния в Pb(Zn1/3Nb2/3)O3 [5] и его подавление полем в Na0.5Bi05TiO3—5.6%BaTiO3 [12], перераспределе-
ние полярных доменов в многофазных пьезоке-рамиках [9].
Ключевым моментом экспериментального метода, предполагающего внешнее воздействие на образец во время измерений, является ячейка, позволяющая проводить дифракционный эксперимент и обеспечивающая подачу высокого напряжения в необходимых пределах. Большинство монокристальных экспериментов [1—7, 12, 13, 15] проводились без использования специальной ячейки, контакты напылялись непосредственно на кристалл достаточно большого размера, а задачи его крепления, ориентации и стратегии сбора данных решались каждый раз заново. Существует несколько попыток упростить экспериментальный метод и сделать его более доступным для исследователей, работающих с синхротронным излучением. Приведем неполный, но вполне репрезентативный обзор известных авторам и описанных в научной литературе ячеек.
1. Ячейка [16] для приложения электрического поля к спрессованным порошковым образцам допускает небольшое вращение образца для лучшего усреднения, однако она не пригодна для монокристального эксперимента.
2. Ячейка [17] для монокристальной и порошковой дифракции, устанавливаемая в изолиро-
ванной камере, имеет возможность заполнения инертной жидкостью. Недостатком такой ячейки является громоздкость конструкции, серьезно ограничивающая угловое сканирование кристалла. Кроме того, использование инертных жидкостей способно сильно ослабить рентгеновский пучок, что предполагает эффективное использование ячейки только на синхротронных линиях, оперирующих пучками высоких энергий (жестким рентгеновским излучением). Такое ограничение затрудняет использование данной ячейки на дифрактометрах, установленных на линиях с энергией синхротронного излучения ~10—25 кэВ, а также практически исключает ее применение на лабораторных рентгеновских приборах.
3. Ячейка [18] для исследования рассеяния на тонких пленках под действием электрического поля предполагет наличие воздушного зазора между образцом и одним из контактов, что затрудняет оценку поля на образце.
4. Ячейка для исследования рассеяния синхро-тронного излучения при низких температурах в магнитном и электрическом полях [19, 20], не позволяет детектировать картину рассеяния в большом объеме обратного пространства.
Несмотря на ряд достоинств и уникальные возможности, ни одна из перечисленных ячеек не позволяет проводить дифракционный эксперимент в поле, сопоставимый по качеству с обычным монокристальным экспериментом. У этого есть две причины: в большей части экспериментов в поле используется геометрия "на отражение", которая ограничивает количество доступных для измерения рефлексов; конструкционные особенности не позволяют вращать кристалл в широком угловом диапазоне.
В качестве геометрии дифракционного эксперимента в данной работе нами была выбрана геометрия "на прохождение", традиционно используемая в подавляющем большинстве дифрактомет-ров, и арочная схема крепления монокристального образца. Простая в использовании ячейка, построенная с учетом этих принципов, представлена в данной статье вместе с результатами тестовых экспериментов. Для минимизации эффектов поглощения в геометрии "на прохождение" образцы должны быть достаточно тонкими. В качестве образцов для тестовых экспериментов были выбраны следующие монокристаллы: сегнетоэлек-трик 0.67РЬ(Ме1/3№>2/3)О3-0.33РЬ1Ю3 (0.67РММ-0.33РТ), состав которого близок к морфотропной фазовой границе [21—23] (целью тестового эксперимента было проверить возможность детектирования изменения доменной структуры структурно-неоднородного образца [24], ранее обнаруженное в эксперименте "на отражение" при приложении электрического поля [25]); релак-
сор РЬ(М§1/3МЬ2/3)03 (РММ) с целью обнаружения изменения диффузного рассеяния [5, 12].
КОНСТРУКЦИЯ ЯЧЕЙКИ
Конструкция ячейки должна определяться задачами дифракционного эксперимента, конструкционными особенностями дифрактометра и требованиями безопасности. Основные конструкционные особенности описываемой ячейки могут быть сформулированы следующим образом: возможность измерения в геометрии "на прохождение"; большой телесный угол сканирования; жесткость конструкции, сочетаемая с использованием материала с высокой изолирующей способностью; удобство крепления монокристальных образцов; возможность установки на стандартную гониометрическую головку.
В соответствии с этими требованиями была создана ячейка, показанная на рис. 1. Основным материалом ячейки является фторопласт, из которого изготовлена Г-образная арка. Жесткость обеспечивается за счет боковых алюминиевых накладок. Образец крепится между двумя игольчатыми молибденовыми контактами, каждый из которых закреплен на бронзовом держателе. Контакты и держатели сделаны сменными, что позволяет оптимизировать их размеры и форму для разных экспериментальных задач. Один из держателей жестко укреплен на раме, второй — через фторопластовую прокладку установлен на миниатюрном трехкоординатном столике. Такая конструкция снижает требования точности взаимной ориентации молибденовых игл и позволяет изменять зазор между иглами в соответствии с требованиями эксперимента и размерами кристалла. Ячейка присоединяется к источнику высокого напряжения через специальный коаксиальный кабель и разъем, адаптированный для высокого напряжения. Краткий перечень технических характеристик представлен в таблице.
ПРИГОТОВЛЕНИЕ И КРЕПЛЕНИЕ В ЯЧЕЙКЕ МОНОКРИСТАЛЬНЫХ ОБРАЗЦОВ
Наиболее подходящими материалами для исследования структурного отклика при приложении электрического поля являются электроактивные диэлектрические вещества. При выборе образца следует обращать внимание на сопротивление, которое должно ограничивать возможный ток через образец, определяемый источником напряжения.
Образцы были подготовлены по стандартной технологии, развитой в Европейском центре син-хротронных исследований, которая включает в себя следующие стадии: предварительная ориен-
ЯЧЕЙКА ДЛЯ РЕНТГЕНОВСКОГО ... ДИФРАКЦИОННОГО in situ ЭКСПЕРИМЕНТА
17
Рис. 1. Электрическая ячейка для дифракционных экспериментов in situ: 1 — коаксиальный высоковольтный разъем для подачи напряжения; 2 — корпус ячейки из фторопласта; 3 —каркас жесткости из алюминия; 4 — образец; 5 — молибденовые иголки; 6 — бронзовые держатели; 7 — трехкоординатный столик; 8 — разъем для фиксации на гониометре.
тация монокристалла; выпиливание тонкой (~500 мкм) пластины нужной ориентации; шлифовка до параллелепипеда с линейными размерами порядка 200 мкм; полировка до размера, при котором происходит половинное ослабление рентгеновского пучка (типичные значения 20— 100 мкм); травление в кислотах для дальнейшего уменьшения размеров кристалла и удаления механически поврежденного поверхностного слоя.
В случае необходимости на торцы кристалла могут быть напылены металлические электроды.
Образец вклеивается между молибденовыми иголками при помощи токопроводящего клея, например, серебряной пасты. Для удобства кристалл предварительно закрепляется на одной из молибденовых иголок, а затем вклеивается гибкий неокисляемый контакт между свободным концом кристалла и второй иглой держателя.
Перечень технических характеристик электрической ячейки
Внешние размеры ячейки (длина х ширина х высота), мм 120 х 40 х 55
Вес ячейки, г 312
Максимальное/минимальное расстояние между бронзовыми держателями, мм 38/28
Максимальное рабочее напряжение, В 5000
Угловой диапазон сканирования, град 180
Материал изготовления иголок Молибден
Радиус кривизны иголки на острие, мкм 10
Монтажное вещество Серебряная паста
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.