КРИСТАЛЛОГРАФИЯ, 2014, том 59, № 4, с. 551-557
ДИФРАКЦИЯ И РАССЕЯНИЕ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ
УДК 548.74
НОВЫЕ СХЕМЫ ПОЛУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОНОГРАММ ГЕКСАГОНАЛЬНЫХ
И МОНОКЛИННЫХ КРИСТАЛЛОВ © 2014 г. М. Г. Кязумов
Институт физики НАНАзербайджана, Баку E-mail: elmira@physics.ab.az Поступила в редакцию 24.04.2013 г.
Разработаны новые схемы получения электронограмм гексагональных кристаллов, вращающихся вокруг осей, лежащих в плоскости (hk0) обратной решетки, и моноклинных кристаллов, вращающихся вокруг осей a, b и оси a* прямой и обратной решеток соответственно. Приведены формулы для расшифровки электронограмм. По электронограммам, полученным по этим схемам, установлены 2H- и 3Я-политипы кристаллов CdInGaS4 и 3Я-политип кристалла Zni 5In3Se6 с параметрами a = 4.046, c = 59.292 А, пр. гр. R3m.
DOI: 10.7868/S0023476114040110
ВВЕДЕНИЕ
В последние годы объектами электронно-дифракционных исследований стали не только образцы нанометровых толщин, но и образцы, имеющие площади нано- и микроразмеров. Эти исследования сталкиваются с различными техническими и методическими трудностями, поэтому разработка новых схем получения электронно-дифракционных картин, имеющих специфические преимущества, очень актуальна.
Для общего случая произвольного направления оси вращения относительно первичного луча и произвольного выбора кристаллографического направления оси вращения геометрия электронограмм рассматривалась в 1936 г. [1]. Приведены электронограммы монокристаллических пленок известных кристаллов, искривленных вокруг случайного направления. Их расшифровки проводились сравнением экспериментальных и вычисленных значений межплоскостных расстояний, как в случае поликристаллов.
В [2] показано, что данная проблема решается наклоном разных узловых прямых одной и той же решетки. Однако в этих и некоторых других работах нет целенаправленного подхода к вращению. А именно, не предлагается вращать кристалл таким образом, чтобы получать электронограммы с преимущественным закономерным распределением рефлексов, которые можно было бы легко расшифровать.
Первые дифракционные картины вращения приведены в [3—5]. Получено авторское свидетельство [6]. В этих экспериментах кристаллодер-жатель вместе с монокристаллической пленкой ручным способом наклоняется на угол ф (до 75°) от положения, перпендикулярного электронному лучу (ЭЛ), а потом во время экспозиции вращает-
ся на угол ю вокруг оси, перпендикулярной плоскости пленки (ПП). В ПП лежат (0001) или (001) плоскости прямой решетки соответственно для кристаллов с гексагональной и другими сингони-ями, а вращение ведется вокруг оси с* обратной решетки (ОР).
В отличие от [3—6] авторы [7] получали дифракционные картины с использованием прецессионной электронной дифракции (ПЭД) наклонением ЭЛ до 3° от перпендикулярного положения к ПП и вращением луча в автоматическом режиме вокруг перпендикуляра к ПП. Этот подход активно развивался в [8—11] и нашел свое практическое применение.
В экспериментах, проведенных по методу [3—5], дифракционные картины имеют разрешения около 1—0.7 А-1. При высоких ускоряющих напряжениях радиус сферы Эвальда (СЭ) сильно увеличивается, и участок СЭ можно считать плоским. Именуем его плоскостью Эвальда (ПЭ). Поэтому при перпендикулярном падении ЭЛ на координатную плоскость прямой решетки (перпендикулярно ПП) полученная электронограмма состоит только из нулевой лауэ-зоны (ЛЗ) (за исключением моноклинных и триклинных решеток). При наклоне луча или кристаллодержателя на угол ф от перпендикулярного положения по отношению друг к другу ПЭ пересекает также некоторые другие ЛЗ, причем каждую вдоль линии. При наклоне кристаллодержателя на угол ф и вращении на угол ю на ПЭ регистрируются и другие ЛЗ, причем для кристаллов с гексагональной и высшей симметрией регистрация ЛЗ идет по параллельным линиям, так называемым слоевым линиям. В [12, 13] предложена схема получения слоевых линий в электронограммах кристаллов с моноклинной и триклинной симметрией. В этом случае на-
клоняется плоскость (hk0) ОР и вращение ведется вокруг оси с атомной решетки.
С увеличением размера используемой части на СЭ проявляется ее кривизна, которая значительна при размере 0.5—0.25 А-1. Луч идет вдоль оптической оси микроскопа (ООМ). При перпендикулярном падении ЭЛ на плоскости лауэ-зон СЭ снимают из плоскости нулевой ЛЗ круга, а из других ЛЗ только окружности, центры которых совпадают с направлением ООМ. При наклоне луча на малые углы ф (до 3°) СЭ пересекает ЛЗ вдоль окружностей, центры которых не совпадают с направлением ООМ. Поэтому в случае ПЭД эти окружности, вращаясь вокруг ООМ, рисуют кольцо с центром, совпадающим с направлением ООМ. Значит, при прецессии луча СЭ регистрируют на нулевой ЛЗ узлы ОР, которые находятся внутри окружности размером 1-0.7 А-1, а из других ЛЗ только те узлы, которые находятся внутри указанных колец. Поэтому ПЭД-картины сильно отличаются от других.
Поскольку в методе [3-6] электронограммы имеют разрешения около 1-0.7 А-1, кривизна СЭ незначительна. Узлы ОР, вращаясь, регистрируются на ПЭ в легко расшифровываемых позициях, т.е. на слоевых линиях (l = const, h, к - меняются) и концентрических эллипсах (h, к = const, l - меняется). Частично регистрируемые рефлексы очень малы и нет наложения рефлексов (выбирая углы вращения, можно избавиться от наложения).
Так как ПЭД-электронограммы имеют разрешения около 0.25 А-1, то кривизна части СЭ значительна. Сфера Эвальда, вращаясь, регистрирует узлы ОР на позициях, которые плохо расшифровываются. Избежать наложения рефлексов трудно, особенно если кристалл неизвестный. Наложение узлов разных ЛЗ в основном зависит от следующих факторов:
- используемого напряжения, т.е. от радиуса СЭ,
- размера используемой части СЭ,
- значения угла прецессии,
- параметра решетки вдоль направлений ООМ.
Кроме того, имеется много частично регистрируемых рефлексов. Из-за малого значения угла прецессии луча при каждой ПЭД-съемке на СЭ регистрируется маленький узловой объем ОР, а узлы, находящиеся на поверхностном слое этих объемов, регистрируются частично. Очень трудно выделить и удалить эти рефлексы.
В [3-6, 12, 13] и в данной работе углы наклона могут быть более 70°, а в случае ПЭД - до 3°. Поэтому в предлагаемой схеме число регистрируемых узлов гораздо больше, чем в ПЭД, учитывая то, что в ПЭД на базисной плоскости узлов регистрируется в несколько раз больше. В обоих случаях преобладает кинематическое рассеяние.
В [14] наклоняли гониометр вместе с образцом с шагом 1°, и после каждого шага, поворачивая луч, проводили ПЭД-съемки. Регистрацию дифракционных данных и их обработку проводили в полуавтоматическом режиме. В [15] в полуавтоматическом режиме наклоняли гониометр с шагом 3.7°, а во время съемки — луч каждый раз на 4° с шагом 0.05°. При этом оси наклона гониометра и луча совпадают. Наклон гониометра использовался для того, чтобы обеспечить наклон луча на следующий интервал 4°. Регистрация и обработка дифракционных данных велись в полуавтоматическом режиме с использованием соответствующей программы.
Исследовалась возможность вращения кристалла под действием ЭЛ таким образом, чтобы в результате получились закономерно распределенные рефлексы, которые легко расшифровать. Для этого нужно решить технические задачи, связанные с получением дифракционной картины, и получить формулы для расшифровки электроно-грамм. Краткие предварительные результаты подобного исследования приведены в [16].
ЭЛЕКТРОННО-ДИФРАКИОННЫЙ МЕТОД ДЛЯ КРИСТАЛЛОВ СО СРЕДНЕЙ И ВЫСШЕЙ СИММЕТРИЕЙ
В зависимости от типа вращения узлы ОР на ПЭ регистрируются по-разному. Допустим, во время съемки дифракционного процесса монокристаллическая пленка (МП) вращается вокруг одной из осей, лежащих на координатной плоскости обратной (также прямой для кристаллов с гексагональной и высшей симметрией) решетки, расположенной перпендикулярно падающему ЭЛ. При таком вращении (рис. 1) рефлексы, соответствующие узловым рядам ОР с одинаковыми значениями Нк и разными значениями I, регистрируются на ПЭ вдоль линии, расположенной перпендикулярно оси вращения. Расстояние между рефлексами вдоль этой линии соответствует разнице проекций соответствующих радиус-векторов на плоскости, перпендикулярной оси вращения (плоскость Ьс).
Для ортогональных и гексагональных решеток выполняются неравенства (рис. 1г):
Пр(Ьс)^Нк(1+М) - Пр(Ьс)^Нк1 < ■
Их можно получить следующим образом:
пр(Ьс)К-кк1 = [пр(Ьс)^кк0 + ВШ ] ^ ,
Апр{Ьс)Яш =
knp(bc)Rhkl =
2Dhkl ADhkl
-.2
2[np(bc)Rhk0
2ADhki
D 2 ,1/2' Dhkl J
2[np(bc)Rhko/Dm +1]
1/2'
000
Рис. 1. Электронограммы кристаллов 2Н- (а), ЗЯ-политипов С^пОа84 (б) и ЗЯ-политипа 2п1.51пз8еб (в), вращающихся вокруг оси а* ОР, схема получения этих электронограм (г). Слабые серии рефлексов соответствуют сверхрешеткам с параметром А = 31/2а.
Dhkl ^ , Апрфс)Rhkl ^ ADhkl, ADhkl = с*ЬШ.
Из приведенных формул следует, что расстояния между рефлексами, имеющими разные значения l, растут с увеличением l до c*LXAl, где LX — константы используемого электронографа или микроскопа; с* — параметр ОР.
В экспериментах использовались тонкие пленки слоистых кристаллов, плоскости которых совпадают с координатной плоскостью (001) прямой решетки. На рис. 1а—1в представлены электронограммы этих пленок. Их регистрация начиналась от плоскости hk0, происходила значительная задержка этой плоскости под ЭЛ.
Расшифровка электронограмм проводится по следующим формулам для косых текстур [17]:
dioo = 3a/4 = 2LXh/2Rm, (1)
Dhki = (Rhkl - rL )1/2> (2)
AD = c*LX = (Dhkl — Dhk(l-1)), (3)
d001 = с = 1/с*= LX/AD. (4)
По электронограммам рис. 1а, 1б определены параметры решетки а = 3.868, с = 24.680 А и пр. гр. P63mc политипа 2H, а также параметры решетки а = 3.868, с = 37.020 А и пр. гр. R3m 3Я-политипа CdInGaS4. По электронограмме рис. 1в установлен 3Я-политип кристалла Zn15In3Se6 с параметрами решетки a = 4.046, c = 59.292 А, пр. гр. R3m и со структурным модулем гТкТгОгТкТгП, где Т и О — двумерные тетраэдрические и октаэдриче-ские слои, П — пустой межслой, г и к — гексагональная и кубическая упаковка атомных плоскос
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.