close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY10360

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(46) 2008.02.28
(12)
(51) МПК (2006)
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
BY (11) 10360
(13) C1
(19)
G 01N 27/72
G 01N 23/00
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ЭЛЕКТРОННЫХ
ДЕФЕКТОВ В ФЕРРОМАГНИТНОМ МАТЕРИАЛЕ
(21) Номер заявки: a 20050797
(22) 2005.08.04
(43) 2007.04.30
(71) Заявитель: Государственное научное
учреждение "Объединенный институт физики твердого тела и полупроводников Национальной академии наук Беларуси" (BY)
(72) Автор: Ломако Инна Дмитриевна
(BY)
(73) Патентообладатель: Государственное
научное учреждение "Объединенный
институт физики твердого тела и полупроводников Национальной академии наук Беларуси" (BY)
(56) Труханов С.В. и др. // Журнал экспериментальной и теоретической физики.
2002. - Т. 122. - Вып. 2(8). - С. 356-365.
RU 2217733 C2, 2003.
SU 1580232 A1, 1990.
SU 1831679 A3, 1993.
UA 42618 C2, 2003.
BY 10360 C1 2008.02.28
(57)
Способ определения концентрации электронных дефектов в ферромагнитном материале путем воздействия на образец рентгеновского излучения, отличающийся тем, что
измеряют интенсивности когерентного k и некогерентного nk рентгеновского рассеяния
на двух противоположных сторонах образца, затем с использованием заранее известных
корреляционных зависимостей по величине среднего арифметического значения отношения k/nk определяют концентрацию электронных дефектов в материале, а по величине
разброса значений k/nk по разным сторонам образца ∆(k/nk) - неоднородность распределения электронных дефектов в материале по толщине образца.
Фиг. 1
BY 10360 C1 2008.02.28
Изобретение относится к области экспресс-контроля и может быть использовано для
оценки концентрации электронных дефектов большого класса ферромагнитных материалов (со структурой граната, перовскита и шпинели) как моно-, так и поликристаллических
образцов.
Известен способ определения оптического качества ИФГ, который включает предварительную механическую и химическую обработку контролируемых образцов (кристаллов),
измерение спектров оптического пропускания в ИК диапазоне, затем расчет коэффициента поглощения (α) с учетом коэффициентов отражения R. Исходя из величины α, судят об
оптическом качестве (дефектности) кристаллов [1]. Этот способ оценки оптического качества образцов ИФГ используется в качестве аналога.
Недостатком аналога является то, что коэффициент α является интегральной (усредненной) характеристикой ферромагнитного образца, и никакой информации о степени
неоднородного распределения примесей, дефектов как в плоскости образца, так и вдоль
его толщины величина α не содержит.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является
способ определения концентрации дефектов в ферромагнитных материалах (в поликристаллических образцах Lа0,7, Ва0,3, МпО3-γ), [2], заключающийся в
изготовлении серии образцов поликристаллических манганитов по стандартной керамической технологии;
полученные образцы взвешивают до и после термообработки с целью определения в
них дефицита кислорода с разными значениями γ;
термообработке каждого образца в течение 35 часов;
облучении рентгеновским излучением для определения параметров решетки исследуемых манганитов;
измерении удельного электрического сопротивления серии образцов ферромагнитных
материалов и сопоставление величины ρ со значениями γ, по которым судят о степени дефектности конкретного образца.
Данный способ основан на измерении дефицита (γ) кислорода (О) и его влиянии на
электрические свойства [2, фиг. 4]. В экспериментальной работе специально были получены образцы манганитов с разными значениями γ (γ = 0, 0,05, 0,11, 0,15, 0,18, 0,30). При
разных изменениях величины γ структура образцов контролировалась методом рентгеноструктурного анализа с использованием рентгеновского излучения. Величина содержания
кислорода определялась термогравиметрическим анализом. В данной работе выявлено,
что чем больше в манганитах со структурой перовскита растет дефицит О, тем больше величина удельного сопротивления ρ.
Величина дефектности γ сопоставляется с параметрами решетки, определяемыми с
помощью рентгеновского излучения, и значениями ρ.
В прототипе выявлено, что чем больше в манганитах со структурой перовскита растет
дефицит кислорода, тем больше величина удельного сопротивления ρ. При Т = 150 К образцы манганита со структурой перовскита имеют следующие значения: ρ ≈ 10-2 Ом⋅см
(γ = 0), ρ ≈ 103 Ом⋅см (γ = 0,15), ρ ≈ 107 Ом⋅см (γ = 0,30). Величина дефектности образцов (γ)
сопоставляется с параметрами решетки, определенными с помощью рентгеновского излучения, и значениями ρ. Параметры решетки образцов со структурой перовскита для
(γ = 0 - 0,3), изменяются незначительно (в пределах 5-7 %), а значения ρ изменяются в
больших пределах (9 порядков).
Недостатки прототипа: длительность процесса (≈ 35 часов) и сложность определения
дефектности исследуемых поликристаллических образцов манганитов, а также ограниченность функциональных k/возможностей способа.
Задачей изобретения является сокращение времени определения концентрации электронных дефектов в ферромагнитных материалах, а также расширение функциональных
2
BY 10360 C1 2008.02.28
возможностей способа за счет измерения дефектов как в моно-, так и в поликристаллических ферромагнитных материалах.
Предложен способ определения концентрации электронных дефектов в ферромагнитных материалах путем воздействия на образец рентгеновского излучения.
Новым, по мнению авторов, является то, что измеряют интенсивности когерентного k
и некогерентного nk рентгеновского рассеяния на двух противоположных сторонах образца, затем с использованием заранее известных корреляционных зависимостей по величине
среднего арифметического значения отношения k/nk определяют концентрацию электронных дефектов в материале, а по величине разброса значений k/nk по разным сторонам
образца ∆(k/nk) - неоднородность распределения электронных дефектов в материале по
толщине образца.
Сущность способа состоит в следующем - изготавливают образцы из кристаллов иттрий железного граната Y3Fe5O12 (ИФГ). Наиболее информативными являются оптические свойства, основанные на взаимодействии дефектов структуры со световой волной,
распространяющейся в образце. Поэтому качество приготовленных образцов ИФГ оценивалось по величине коэффициента поглощения (α) на длине волны λ - 1,3 мкм [1]. Способ
основан на измерении характеристического рентгеновского рассеяния, испускаемого образцом во время облучения его рентгеновским излучением [3]. Для возбуждения излучения используется радиоактивный источник Am241, для регистрации - рентгеновский
спектрометр (энергия Е = 1кЭв ÷ 80 кЭв) с полупроводниковым детектором. Анализируем
спектр характеристического рентгеновского излучения ферромагнитного образца и обрабатываем всю информацию, полученную для всех обнаруженных химических элементов в
образце, и особенности рассеяния рентгеновского излучения на всех дефектах, содержащихся в образце. По расположению линий в спектре определяется, какому элементу они
принадлежат.
Регистрируется спектр когерентного рассеяния и спектр некогерентного рассеяния
рентгеновского излучения на одной стороне образца. Площадь пиков когерентного (Sk) и
некогерентного рентгеновского рассеяния (Snk) в спектре образца (измеренном на Am241)
автоматически определяется анализатором импульсов и выводится на экран компьютера,
k/nk = Sk/Snk. Параметр k/nk является безразмерной величиной, поскольку числитель и
знаменатель представляют собой число импульсов. В течение 5 минут появляется информация о количественном содержании ионов Y, Fe, Sm, Ba, k/nk. Затем контролируемый
образец переворачиваем на противоположную сторону и получаем аналогичные сведения
также в течение 5 минут. Для каждой стороны образца вычисляются следующие параметры: Y/Fe, Ba/Y и k/nk, затем находим средние значения (Y/Fe)cp, (Ba/Y)cp. и (k/nk)cp.
Средние значения Ba/Y и k/nk, определенные по двум сторонам образца (нижний индекс
опускаем), представляют достоверную информацию о качестве образцов ИФГ, особенно в
случае, когда имеет место неоднородное (градиентное) внедрение примесных ионов по
толщине образца. Эти средние значения k/nk и Ba/Y приведены в таблице, на фиг. 1 k/nk
приведен в качестве аргумента, а на фиг. 2 k/nk используется в виде функции.
Так же, как в прототипе, когда дефицит О - γ, параметры решетки, определенные с использованием рентгеновского излучения, сопоставляются с дефектностью образцов, в
предлагаемом изобретении используются интегральные характеристики Ba/Y и k/nk, но у
нас появляется дополнительная, очень важная информация о степени неоднородного распределения по толщине образца ионов Ba/Y - (∆(Ba/Y)) (см. таблицу) и ее влияние на величину электронных дефектов k/nk (фиг. 2) и степень их неоднородного распределения по
толщине образца ∆ k/nk (таблица).
С помощью рентгенофлуоресцентного анализа через 300 сек экспозиции (на одной
стороне образца) имеем информацию о количественном содержании основных и примесных ионов с учетом их валентного и электронного состояния, т.е. их интегральные харак3
BY 10360 C1 2008.02.28
теристики, исключая легкие элементы, например бор, на площади образца ≈ 1 см2 и глубиной десятки мкм (в зависимости от плотности образцов).
Для всех контролируемых образцов ИФГ значения k/nk определены методом РФА для
двух противоположных сторон образца, чтобы получить среднее арифметическое значение k/nk и располагать информацией о степени неоднородного распределения дефектов по
толщине образца ИФГ. Параметр k/nk важно знать для объяснения кинетических свойств
ИФГ, которые, в основном, обусловлены как неоднородным распределением одномерных
структурных дефектов, так и характером доминирующей примеси в образце. В данном
случае параметр k/nk используется для количественной оценки концентрации электронных дефектов образцов ИФГ, так как чем меньше в них примесей и других структурных
нарушений, тем меньше величина k/nk. Значения k/nk для исследуемых образцов ИФГ
варьируются от 0,036 до 0,053. В случае, когда значение k/nk = 0,052, на 1 электрон проводимости приходится в среднем 19 относительно связанных электронов. Если k/nk = 0,036, то
на 1 электрон проводимости - 27 относительно связанных электронов.
Отметим, что ранее исследована серия монокристаллических образцов ИФГ разной
степени оптического качества (α = 0,4-25 см-1) с ориентацией (110), (100) и (111) [1, 4].
Располагая информацией о кинетических свойствах серии образцов ИФГ, в описании
предлагаемого изобретения и в приведенных фигурах использованы конкретные номера (в
виде цифр) образцов и все особенности интерпретируются с учетом их кристаллографической ориентации. Показано, что предлагаемое изобретение по оценке дефектности ферромагнитных кристаллов ИФГ позволяет учитывать не только оптическое качество, но и
влияние ростовых и морфологических особенностей на величину k/nk. Очевидно, что этот
механизм определения концентрации электронных дефектов тем более будет иметь силу
при рассмотрении поликристаллических материалов, когда все параметры являются интегральными характеристиками.
На фиг. 1 представлена зависимость величины удельного сопротивления (ρ) группы
образцов ИФГ от параметра k/nk. Значения ln ρ образцов ИФГ приведены для Т = 200 °С.
Для большей наглядности представлена зависимость ln ρ = f(k/nk)1/2 образцов ИФГ разной
степени оптического и структурного совершенства. На кривой 1 фиг. 2 воссозданы данные
для образцов ИФГ трех ориентаций: (100) - образец 40, (110) - образцы 50" и 7 и (111) - 42.
На кривой 2 отражены данные для 3 образцов с ориентацией (110) - 51, 41 и 50, которые
характеризуются малыми значениями k/nk. На кривой 2 представлены образцы 52 (110) и
3 (100), содержащие в качестве доминирующей примеси ионы Sm в достаточно большом
количестве, что обусловило максимальные значения k/nk для них и соответственно малые
величины ln ρ. Выявленные закономерности логически и с точки зрения физических принципов вполне обоснованы и не содержат противоречий. На кривой 3 представлены данные
для образцов ИФГ с ориентацией (111). Для быстрорастущих граней (111) наблюдается
резкая неоднородность по точечным дефектам, которая связана с захватом примесей (Ва и
др.), конкурирующим характером взаимодействия ионов (Ba-Mn, Sm-Ba), стимулируя образование дислокаций. Образцы ИФГ с ориентацией (111) имеют минимальные значения
удельного электрического сопротивления за счет того, что перенос заряда происходит через наиболее дефектные периодические цепочки связей ПЦС-111, которые совпадают с
направлением оси легкого намагничивания. В структуре граната направление легкого намагничивания стимулирует появление дислокаций, вокруг которых появляются объемные
заряды, обладающие цилиндрической симметрией, по мнению Блейкмора [5].
Сопоставляя результаты прототипа и фиг. 1, можно заключить, что концентрация
кислорода, содержащегося в образцах манганита со структурой перовскита, и нововведенный параметр k/nk, характеризующий концентрацию электронных дефектов в ферромагнитных кристаллах ИФГ, являются вполне равноценными.
Корреляционная связь (фиг. 1) показывает принципиальную возможность использования концентрации электронных дефектов (k/nk), определенной по двум сторонам образца
4
BY 10360 C1 2008.02.28
методом РФА, в качестве достоверной информации о внутреннем электронном состоянии
каждого образца ИФГ в отличие от прототипа.
На фиг. 2 представлена зависимость электронной дефектности образцов ИФГ k/nk от
неоднородного распределения неконтролируемой технологической примеси - ионов Ва,
замещающих ионы Y, - ∆(Ba/Y) вдоль толщины образца. Разность ∆ между (Ba/Y)cp (которая в данном примере = 20 вес. %) и величиной для каждой стороны образца, предположим, составляет ∆ = ± 2 вес. %. Разделив величину ∆ на (Ba/Y)cp, получаем количественную оценку неоднородного распределения отношения Ba/Y по толщине образца, которую
обозначим ∆(Ba/Y) = 2/20 = 0,1 или 10 %, т.е. по толщине этого образца концентрация
Ba/Y изменяется в пределах 10 %. Общая оценка распределения отношения Ba/Y no нормали к поверхности этого образца выглядит следующим образом:
Ba/Y = (Ba/Y)cp ± ∆(Ba/Y) = (20 ± 10 %) вес. %.
Количественная характеристика структурной неоднородности ∆(Ba/Y) коррелирует с
величиной k/nk, которая определяет концентрацию электронных дефектов и связана с
процессами рассеяния рентгеновского излучения на дефектах в образцах.
На фиг. 2 представлена зависимость k/nk = f (∆(Ba/Y)) для образцов, имеющих
α ≤ 10 см-1. В данном случае функция и аргумент определены с помощью РФА. На кривых 1 и 2 представлены данные для образцов с ориентацией (100) и (110) соответственно.
Минимальные значения ∆(Ba/Y) для образцов 31 (кривая 1) и 7 (кривая 2) обусловлены
тем, что они содержат микропримеси ионов Ва. Для трех прямых наблюдается следующая
эволюция: небольшие значения k/nk имеют образцы, для которых значения (Ba/Y)cp очень
малы и им отвечают минимальные флуктуации ∆(Ba/Y). Затем для следующих образцов
значения (Ba/Y)cp увеличиваются почти на порядок по сравнению с предыдущим вариантом и растут значения ∆(Ba/Y) и k/nk. Три кривые пересекаются в одной точке и наклонены к оси абсцисс под разными углами. Обнаруженная корреляция свидетельствует о
наличии единого механизма, который обусловлен нестатистическим распределением низкоразмерных структурных дефектов вдоль кристаллографических направлений [100],
[110] и [111] в образцах ИФГ.
Результаты проведенных испытаний приведены в таблице.
№ обр
α, см-1
34
46
31
45
3
7
52
50
6,16
10
2,19
3,1
2,3
0,4
5,15
13,2
N1
N2
Ориент. d, г/cм3
111
111
100
НО
100
110
110
110
манганит поликр.
манганит поликр.
5,11
5,037
5,102
5,147
5,148
5,148
4,972
k/nk
∆(k/nk),% In (Ba/Y) ∆(Ba/Y), ± %
0,052
0,036
0,0509
0,0507
0,053
0,0472
0,049
0,042
1,92
2,98
1,4
2,56
2,1
0,8
0,058
3,6
0,068
0,0851
5,04
2,75
-4,2
< -5
-2,81
0,405
-2,49
-3,77
-2,12
-1,41
In (Mnср)
6,57
6,01
42,7
37
11,8
28
27,6
12
20
60
∆, %
13,05
6,73
Дом.
примесь
Sm
Sm
Mn
Sm
Pt
Значения k/nk могут быть определены для нескольких граней (плоскостей) кристаллов
ИФГ с целью предварительной диагностики их электронной дефектности и по разбросу
этих величин следует судить о характере неоднородного распределения дефектов в данном кристалле. Можно оценить величины k/nk для серии кристаллов ИФГ, выращенных с
5
BY 10360 C1 2008.02.28
легированием разными элементами, на нескольких гранях (110), расположенных на противоположных сторонах кристалла.
Аналогичные оценки электронной дефектности можно получить на поликристаллических магнитных образцах со структурами перовскита (в таблице приведены данные для 2
манганитов), граната, шпинели.
Преимуществом предлагаемого способа является простота, экспресс - анализ (10 минут на измерения двух сторон одного образца), вместе с расчетом измерения двух сторон
одного образца), вместе с расчетом затрачивается менее 0,3 часа (это на 2 порядка меньше
35 час. - прототип), хорошая точность и воспроизводимость полученных результатов
РФА. Предлагаемый способ дает ценную информацию для ферромагнитных материалов оценка электронной дефектности образцов (величина k/nk) и степень неоднородного распределения дефектов по толщине образца - ∆ k/nk.
Источники информации:
1. Ломако И.Д., Дутов А.Г. Влияние нарушений стехиометрии и технологических
примесей на структурные свойства и поглощение в ИК диапазоне кристаллов Y3Fe5O12. //
Кристаллография. - 2002. - Т. 47. - № 1. - С. 128-132.
2. Труханов С.В., Троянчук И.О., Пушкарев Н.В., Шимчак Г. Влияние дефицита кислорода на магнитные и электрические свойства манганита Lа0,7Ва0,3МnО3-γ (0 ≤ γ ≤ 0,30) со
структурой перовскита // ЖЭТФ. - 2002. - Т. 122. - Вып. 2 (8). - С. 356-365.
3. Лосев Н.Ф., Смогунова А.Н. Основы рентгеноспектрального флуоресцентного анализа. - Москва, 1982.
4. Ломако И.Д., Шашков С.Н., Макоед И.И. Диэлектрические свойства в ИК диапазоне
в кристаллах граната Y3Fe5O12 // Кристаллография. - 2005. - Т. 50. - № 6. - С. 1012-1020.
5. Блейкмор Дж. Статистика электронов в полупроводниках / Под редакцией Л.Л.Коренблита. - Москва: Мир, 1964. - 393 с.
Фиг. 2
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
6
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
197 Кб
Теги
патент, by10360
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа