Алексеев Нейтронные методы в физике конденсированного состояния 2012

Параметры для минимизации:

a, b, c, α, β, γ – параметры элементарной ячейки, nj – фактор заселенности для позиции j-го атома, xj, yj, zj – координаты j-го атома,

Bj ( или βij) – изотропный (или анизотропный) тепловой фактор j-го атома.

Корректное определение перечисленных выше параметров является главной задачей обсуждаемой методики. Ключевую роль для надежного определения параметров играет качество экспериментальной информации, опреляемое как разрешением (в импульсном пространстве, задаваемое, например, угловым разрешением (2θ) для дифрактометра с кристаллическим монохроматором), так и уровнем статистики. На рис. 7.4 приведены примеры измерения дифрактограмм с высоким и низким разрешением для высокотемпературного сверхпроводника, наглядно демонстрирующие влияние разрешения на качество информации.

Рис. 7.4. Сопоставление измерений, выполненных с различным угловым разрешением дифрактометра, для одного и того же образца

62

Ниже приведены основные требования к дифрактограмме, вытекающие из специфики исследуемой структуры высокотемпературного сверхпроводника.

В структуре YBa2(Cu1-xFex)3O6+δ 18 независимых параметров:

(a, b, c)- кристаллическая ячейка,

BY, (z, B)Ba, (n, B)Cu1, (n, z, B)Cu2, (z, B)O1, (z, B)O3, (z, B)O3, δ

Для надежного уточнения необходимо иметь ~5 точек на па-

раметр, т.е. примерно 90 интенсивностей для разных дифрак-

ционных пиков.

Как правило, при решении современных задач структурного анализа сложных, т.е. многокомпонентных, с низкосимметричной структурой систем (см. рис. 7.4) требуется высокое разрешение, чтобы зафиксировать как можно больше дифракционных пиков. Этим определяется уровень требований к проектированию, созданию и эксплуатации нейтронных дифрактометров. Современные приборы способны обеспечить разрешение на уровне порядка 0.1 % по переданному импульсу при достаточно высокой светосиле (время набора одной дифрактограммы – десятые доли часа) за счет использования многодетекторных систем регистрации.

Мощной методикой анализа нейтронных дифрактограмм поликристаллических материалов является т. н. ритвельдовский метод, предложенный Хьюго Ритвельдом. Этот метод основан на полнопрофильном анализе нейтронных данных с учетом функции разрешения нейтронного дифрактометра. Минимальная разница измеренного и рассчитанного дифракционных профилей является свидетельством корректного определения параметров структуры, в рамках предложенной структурной модели, что иллюстрируется на рис. 7.5.

Помимо параметров, характеризующих кристаллическую решетку, параметров тепловых смещений, из нейтроннодифракционных экспериментов можно извлекать информацию о степени разупорядочения, дефектах, остаточных напряжениях, блоках, текстуре и т.д.

63

d Å

Рис. 7.5. Нейтронограмма и ее обработка методом полнопрофильного анализа, полученная на светосильном дифрактометре на реакторе ИБР-2 (ОИЯИ.) По оси абсцисс – межплоскостные расстояния. Внизу показана разность эксперимента и расчета по структурной модели

При этом (при некотором упрощении):

интенсивности пиков дают информацию о текстуре в образце, положения пиков – о среднем параметре элементарной ячейки, ширины пиков – о размере блоков и дисперсии параметра.

Как правило, перечисленные выше задачи решаются на специализированных дифрактометрах.

7.2. Магнитная дифракция нейтронов

Мощной экспериментальной методикой является магнитная дифракция нейтронов. Благодаря тому, что интенсивность магнитного рассеяния нейтронов сопоставима (во многих случаях) с ядерным рассеянием, магнитное рассеяние нейтронов – одна из самых удачных и конкурентоспособных «ниш» применения нейтронов в физике конденсированного состояния.

64

Дважды дифференциальное сечение магнитного рассеяния неполяризованных нейтронов описывается следующим выражением:

рехода между состояниями, квадрат магнитного формфактора рассеяния, фактор Дебая–Валлера, спиновая корреляционная функция. Для магнитной дифракции зависимость от энергии исключается, и дифференциальное сечение, определяющее интенсивность пиков, зависит от магнитных структурных факторов, определяющихся решеточной суммой от компонент коррелятора магнитных моментов в узлах кристаллической решетки, и выглядит следующим образом:

По аналогии с ядерным упругим рассеянием любая периодическая решетка магнитоупорядоченных ионов приводит к появлению пиков в дифрактограммах. Периоды магнитных структур (для антиферромагнетиков), как правило, больше периодов ядерной структуры, поэтому магнитные дифракционные пики часто наблюдаются при малом Q и имеют дробные индексы, соответствующие увеличенным по сравнению с кристаллическими межплоскостным расстоянием для идентичных (по ориентации и величине) магнитных моментов (рис. 7.6).

При помощи нейтронной дифракции удается определять сложные магнитные структуры, в том числе магнитные спирали, геликоиды, а также структуры с несоразмерным к кристаллической решетке периодом и модулированными магнитными моментами (волны спиноыой плотности).

65

взаимнодополняющие возможности. Так, например, в монокристальном дифракторметре набор длин волн и соответственно диапазон передач импульса ограничен возможностями монохроматора, в случае TOF-дифрактометра – этот параметр задается спектром источника. Приборы, как правило, отличаются по форме линии, предельному разрешению.

На рис. 7.9 кратко отражены особенности двух типов дифрактометров.

Структурныйэксперимент

Экспериментальные данные получаются с разным весом при разных переданных импульсах

Рутинный эксперимент может быть проведен с равным успехом на обоих типах дифрактометров

Нестандартный (прецизионный) эксперимент требует адекватного выбора дифрактометра

Сложный эксперимент требуется провести на обоих типах дифрактометров

Рис. 7.9. Сравнительные особенности двух типов дифрактометров

Вопросы и задания

1.Какой тип источников нейтронов наиболее перспективен для исследований по физике конденсированного состояния?

2.Основные особенности экспериментальное техники нейтронной дифрактометрии.

3.В чем разница между дифрактометрами по времени пролета

икристаллическими?

4.Как будет представлена в импульсном пространстве одномерная цепочка атомов?

5.На чем основывается дифрактометрия как метод определения атомной и магнитной структур?

68

8.НЕЙТРОННАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ: ОСНОВНЫЕ ТИПЫ ПРИБОРОВ

8.1.Современные нейтронные центры – приборный парк

Проведение экспериментов по нейтронной спектроскопии возможно только в специализированных нейтронных центрах на базе источников с достаточно высокими нейтронными потоками. Из-за высоких требований нейтронных спектрометров к светосиле источников маломощные (менее 4 МВт) стационарные исследовательские реакторы и импульсные источники с малой мощностью (менее 50 кВт) не соответствуют современным требованиям обеспечения условий для экспериментов в области нейтронной спектроскопии. Перечень основных европейских нейтронных источников приведен в табл.8.1.

Таблица 8.1 Нейтронные источники Европы, предназначенные для проведения

научных исследований

69