litceysel.ru
добавить свой файл
  1 2 3 4 5 6

Глава 2 Методики исследований

2.1 Методика синтеза образцов

Для получения наноструктурированных композиционных материалов (Fe45Co45Zr10)x(Al2O3)100-x (x = 42 - 63 ат.%) был применен метод ионно-лучевого распыления (см. рис. 2.1).




1 - вакуумная камера; 2 - вращающийся держатель подложки; 3, 4 - охлаждаемые водой мишени; 5 - источники ионно-лучевого распыления; 6 - источник ионного травления; 7 – компенсатор; 8 - подложки

Рисунок 2.1 - Установка для ионно-лучевого распыления


При использовании этой технологии синтеза образцов необходимо распылять мишени 3 и 4 соответствующего состава и направлять атомы на подложку 8, на которой и синтезируется композит. Испарение материала мишени проводится с использованием пучка ионизированного аргона, направленного на распыляемые мишени. Два источника аргона 5 служат для распыления металлической и диэлектрической компонент материала. Источник 6 используется для предварительной очистки подложки. Держатель 2 подложки 8, который может вращаться с частотой до 2 оборотов в минуту, расположен по периметру вакуумной камеры 1. При осаждении непроводящего материала положительный потенциал, который возникает на поверхности диэлектрика, нейтрализуется специальным компенсатором 7 – источником интенсивного электронного излучения (вольфрамовая проволока диаметром 0,2 мм, которая подключена к отдельному источнику питания).

Магнитная система создает большую напряженность магнитного поля (~80 кА/м) в магнитном зазоре. К аноду прикладывается высокое положительное смещение (1 - 5 кВ). Перпендикулярная конфигурация магнитного и электрического полей в области магнитного зазора приводит к возникновению самостоятельного тлеющего разряда. Выталкиваемые электрическим полем из плазмы ионы аргона создают поток частиц высокой энергии, который направляется на мишень от источника распыления или на подложку от источника ионного травления.


Для напыления аморфных нанокомпозиций использовались составные мишени. Составная мишень представляла собой сплавную мишень заданного состава с закрепленными на ее поверхности несколькими пластинами из алюмооксида толщиной ~ 2 мм и шириной ~ 9 мм, расстояние между которыми изменялось от 3 мм на одном краю мишени до 24 мм на другом. Изменяя число пластин диэлектрика и расстояние между ними, можно изменять соотношение объемов напыляемых магнитного и диэлектрического слоев. Сплавные мишени Co45Fe45Zr10 готовились плавкой в вакууме с использованием индукционной печи из металлов соответствующего состава. Приготовление навесок сплавов осуществлялось из карбонильного особо чистого железа (99,9 %), особо чистого кобальта (99,98 %) и циркония (99,8 %) с весовым содержанием компонентов в соответствии с составом сплава. Расплав соответствующего состава заливался в специально приготовленную керамическую форму в вакууме. Из одной навески сплава выплавлялось две мишени размером 2707014 мм. Мишени подвергались шлифовке с двух сторон, припаивались к водоохлаждаемому основанию и устанавливались в позицию распыления.

Напыление проводилось в атмосфере чистого Ar. Предварительно рабочая камера откачивалась примерно в течение одного часа до давления не больше 1·10-5 Торр.

Прежде чем получать аморфные слои, производилось предварительное распыление мишени в течение 30 минут при закрытой подложке с целью снятия верхнего слоя мишени и осаждения его на экранах и других частях камеры. После этого в течение 20 - 30 минут производилась ионная очистка подложки в процессе вращения подложкодержателя. Очистка подложки необходима для улучшения адгезии осаждаемого слоя к подложке. Затем производилось распыление в рабочем режиме получения пленки композиционного материала заданной толщины в течение нескольких часов. Толщина напыляемого слоя определялась временем напыления.

В качестве подложек с целью последующего проведения экспериментов методом ядерной гамма-резонансной спектроскопии в трансмиссионной геометрии была использована алюминиевая фольга.


Гидрогенизация проводилась посредством ионно-лучевой обработки композитов водородом при 350±25 °С в течение 40 мин на первом и 50 мин на втором этапах. Плотность тока составляла 0,18 мА/см2 с энергией 250 эВ. Давление водорода в камере достигало 6,1×10-2 Па.

2.2 Методика ЯГР-спектроскопии


Структурные свойства образцов исследовались с помощью ядерной гамма-резонансной (ЯГР) спектроскопии на изотопе 57Fe. В настоящей работе для измерений использовался ЯГР-спектрометр MS2000, функционирующий в режиме трансмиссионных измерений (геометрия на просвет). В спектрометре использован быстродействующий спектрометрический тракт на основе нового сцинтилляционного детектора YAlO3:Ce. В качестве источника гамма-излучения использован 57Co в матрице Rh активностью 40 мКи. Все результаты получены при комнатной температуре.

Обработка полученных спектров проводилась с помощью программы MOSMOD.

2.3 Описание программ

2.3.1 Mosmod


Для обработки спектров, полученных с помощью ЯГР-спектроскопии, использовалась программа MOSMOD.

В качестве исходных в программе выступают параметры, характеризующие локальное окружение атомов железа: эффективное магнитное поле на ядрах железа Нэфф, квадрупольное расщепление Е и изомерный сдвиг  спектральных линий. Они могут быть заданы либо как фиксированные (для проверки присутствия конкретных фаз, параметры которых известны), либо как переменные (в случае неизвестного фазового состава).

Исходным пунктом программы MOSMOD является положение о том, что распределения сверхтонких параметров (, Е и Нэфф) можно рассматривать, как сумму гауссиан с различными положениями и шириной линий. Соответствующие же ЯГР-спектры представляют собой суперпозицию линий, имеющих вид функций Лоренца.

Аналитический вид сверхтонких параметров, характеризующих ЯГР-спектры, записывается с использованием формул (1) – (3). Изомерный сдвиг  линий ЯГР-спектра, обусловленный различием в распределении электрического заряда в ядре в основном и возбужденном состоянии, записывается как



 = 2/3  Ze2 (Rb2 – Ra2) (| (0)|погл2 - | (0)|источн2), (2.1)


где Z – порядковый номер ядра, e – заряд электрона, Ra, Rb – радиус ядра в основном и возбужденном состоянии, | (0)|2 – волновая функция s - электронов в центре атома.

Квадрупольное расщепление Е, обусловленное наличием градиента электрического поля вблизи расположения изотопа 57Fe, описывается выражением:


Е ~ (Q/2)(1+2/3)1/2 , (2.2)


где Q – квадрупольный момент, (1+2/3)1/2 – фактор, позволяющий учесть влияние частично заполненных электронных оболочек мёссбауэровского изотопа (57Fe) на градиент электрического поля.

Ядерное зеемановское расщепление z возбужденного уровня изотопа 57Fe в магнитном поле Нэфф описывается формулой:


z = g*NHэфф , (2.3)


где g* - g-фактор возбужденного состояния изотопа 57Fe, N – ядерный магнитный момент, Нэфф – напряженность магнитного поля вблизи изотопа 57Fe.

Исходя из интенсивности линий, значение которой получаются в ходе программной обработки спектров, можно определить ориентацию магнитного поля в исследуемых материалах. В общем случае, отношение интенсивностей в секстете составляет 3::1:1::3, где


 = (4sin2m)/(1+cos2m), (2.4)

Параметр  может изменяться от 0 до 4. В случае параллельной ориентации Нэфф относительно направления падения  - квантов (m = 0) это соотношение составляет 3:0:1:1:0:3. Если же Нэфф перпендикулярно направлению -квантов (m = 90), то это соотношение интенсивностей составляет 3:4:1:1:4:3. Для случайно сориентированных магнитных полей наблюдается соотношение 3:2:1:1:2:3.


Преимуществом данной программы обработки ЯГР-спектров является возможность учета влияния градиента электрического поля и возможного изомерного сдвига уровней изотопа 57Fe на зеемановское сверхтонкое расщепление. В общем случае распределение расщеплений энергетических уровней Р(z) при наличии изомерного сдвига и квадрупольного расщепления можно записать, как


Р(z) =  pi Gi(z0i, zi; z), (2.5)


где pi – весовой фактор для i-той гауссовой компоненты распределения Р(z), Gi– функция Гаусса, нормированная на единицу площади, z0i – центр i-той гауссовой компоненты распределения P(z), zi – ширина гауссовой компоненты распределения P(z) ( = (2 ln2)-1/2 m, где m – полуширина на полувысоте гауссианы).

Форма элементарного ЯГР-секстета записывается следующим образом:


S =  Lk(k, ), (2.6)


где Lk – функция Лоренца, описывающая k-тую линию ЯГР-секстета (k = 1, 2,……,6), k – положение k-той линии секстета, которое является функцией δ, параметра  и g-факторов основного и возбужденного состояний изотопа 57Fe,  - полуширина на полувысоте линии Лоренца.

С учетом изложенного выше, результирующая форма ЯГР-спектра Г может быть записана, как


Г =  S P(z) dz, (2.7)

Программа MOSMOD позволяет обрабатывать ЯГР-спектры в предположении до 5 кристаллографически неэквивалентных позиций групп атомов железа в исследуемой структуре. При этом, каждому из неэквивалентных положений может соответствовать до 5 распределений магнитных полей, характеризующих кристаллографические несовершенства внутри кристаллографически различных групп атомов железа в структуре. Конечным результатом программной обработки спектров являются оптимальные параметры локальных окружений атомов железа. Программа MOSMOD позволяет также оценить относительный вклад (А) каждой из присутствующих фаз в ЯГР-спектр. Следует отметить, что доминирующий вклад в спектр вносят приповерхностные слои. Это связано с неравномерным выходом электронов по глубине.


2.3.2 Origin


Origin – пакет программ фирмы OriginLab Corporation, предназначенный для численного анализа данных и научной графики, работающий под операционной системой Microsoft Windows. В целом Origin ориентирован на исследователя, которому необходимо обрабатывать и визуализировать большие объемы информации (например, данные, получаемые с различных датчиков и т.п.).

Origin поддерживает создание двухмерной и трехмерной графики, которая получается с помощью готовых шаблонов, доступных для редактирования пользователем. Также возможно создавать новые собственные шаблоны. После создания изображения оно может быть отредактировано с помощью меню и диалогов, вызываемых двойным щелчком мыши на его элементах.

Полученные графики и таблицы можно экспортировать в ряд форматов, таких как PDF, WMF, TIFF, GIF, GPEG и д.р. Кроме того, графические данные, полученные с помощью Origin, можно легко перенести или вставить в документы Micrtsoft Word, CorelDraw, PowerPoint. Импорт данных – еще одна сильная сторона Origin. Доступен не только импорт ASCII-файлов, но и поддержка формата xls (формат табличного редактора Microsoft Excel) и других форматов.

Существенным преимуществом программы Origin является то, что для построения графиков сложных функций не требуется навыков программирования, так как интуитивно понятный интерфейс Origin позволяет легко запрограммировать функцию на языке, максимально приближенном к обычной математической записи и выбрать нужный тип графика.

Общая схема построения графиков такова: пользователь выделяет нужные данные, представленные в таблице, выбирает один из десятков типов предлагаемых двух- и трехмерных диаграмм, и система строит диаграмму или график. Настройка диаграмм выполняется в основном в диалоговых окнах, связанных со строящимся объектом.

В пакете Origin есть много возможностей оформления построенных графиков. Существует возможность выбора стиля, толщины, а также цвета линии. Редактирование осей позволяет выбирать начальное и конечное значения шкалы, шаг, с которым на данной шкале будут отображаться численные величины. Можно отобразить на графике невидимые по умолчанию верхнюю и правую шкалы. Кроме всего прочего, возможно также изменение цвета, размера, шрифта и стиля заголовков осей, задание параметров самих осей, а именно, толщины, длины, направления рисок и т.п. Кроме заголовков осей, выбор соответствующей функции позволяет вносить различные текстовые вставки, подписи для графиков и т.п.


С помощью Origin можно проводить численный анализ данных, включая различные статистические операции, обработку сигналов и т.п. Как и Excel, Origin позволяет совершать операции над столбцами таблицы (нормировка и т.п.). Доступна обработка данных с использованием различных стандартных функций или, при необходимости, с использованием функций, создаваемых пользователем [12]. Можно воспользоваться функциями линейного или полиномиального приближения. Помимо их в Origin имеется большой выбор функций (экспонента, уравнение Больцмана и т.п.), служащих для аппроксимации вводимых данных [12]. Также одной из необходимых математических операций, производимой с помощью Origin, является разложение графика на кривые Гаусса или Лоренца.

Origin позволяет проводить различные статистические исследования экспериментальных данных, такие как нахождение среднего и среднеквадратичного отклонения, поиск минимумов и максимумов и т.п. Origin также может сортировать данные отдельных столбцов, нескольких выделенных столбцов, выделенного диапазона рабочего листа или всего рабочего лист (например, по возрастанию, убыванию).

С помощью встроенной функции Screen Reeder можно с высокой точностью определить координаты любой точки графика.

Кроме всего прочего, предоставленная Origin возможность одновременного представления данных различных проектов на одном рисунке с использованием нескольких слоев существенно облегчает сравнительный анализ данных.

Описанные возможности – лишь часть имеющихся в Origin функций. Однако и их в большинстве случаев вполне достаточно для быстрой и удобной обработки экспериментально полученных данных.



<< предыдущая страница   следующая страница >>