Интерференционные явления в резонансной дифракции рентгеновского излучения в кристаллах

На правах рукописиАнтоненко Алексей АлексеевичИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЕ ЯВЛЕНИЯ В РЕЗОНАНСНОЙДИФРАКЦИИ РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В КРИСТАЛЛАХСпециальность: 01.04.07 – физика конденсированного состоянияАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степени кандидатафизико-математических наукМосква - 2009Работа выполнена на кафедре физики твердого тела физического факультетаМосковского государственного университета им. М.В.ЛомоносоваНаучный руководитель:доктор физико-математических наукОвчинникова Елена НиколаевнаОфициальные оппоненты:доктор физико-математических наукМанцызов Борис Ивановичдоктор физико-математических наукТкаль Валерий АлексеевичВедущая организация:Институт кристаллографии РАНим.А.В.ШубниковаЗащита состоится 16 сентября 2009 г.

в 15-30 на заседании ДиссертационногоСовета Д.501.002.01 в Московском Государственном университете по адресу:119991, ГСП-2, Москва, Ленинские Горы, МГУ им. М.В.Ломоносова,физический факультет, ауд. ЮФАС диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультетаМГУ им. М.В.ЛомоносоваАвтореферат разослан«15» июня 2009 г.Ученый секретарьДиссертационного Совета Д.501.002.01кандидат физико-математических наук2Т.В.ЛаптинскаяОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темыИзучениеатомно-кристаллическойструктурыиееискажений,магнитной структуры и электронных состояний являются важнейшимизадачами физики твердого тела, поскольку эти характеристики определяютосновные физические свойства материалов.

В последние два десятилетия дляисследования структуры и свойств материалов широко применяетсясинхротронное излучение, обладающее высокой яркостью и поляризацией.Набазесинхротронногоизлученияразвилисьмногочисленныеэкспериментальные методы, самые эффективные из которых используютэнергии падающего излучения, близкие к краям поглощения атомов ввеществе. Особое место занимает изучение «запрещенных» отражений, вкоторых нерезонансный вклад подавлен, а их энергетический спектротражаетрасщеплениевзаимодействиясвалентныхэлектронныхкристаллическимвзаимодействия и других причин. Кполем,настоящемусостоянийиз-заспин-орбитальноговремениизученызапрещенные рефлексы в нескольких десятках кристаллов.

Во всех случаях«запрещенные» отражения были вызваны какой-либо одним фактором(магнитное упорядочение, локальная анизотропия восприимчивости и др.).Однако, в последнее время появляется все больше исследований, где длявозникновения «запрещенных» рефлексов существует две и более причин. Вэтих случаях интерференция излучения, рассеяние которого связанно сразными анизотропными факторами, оказывает существенное влияние наэнергетическую и азимутальную зависимости «запрещенного» отражения.Интерпретация экспериментальных данных представляет собой весьмасложную задачу и требует развития теории, адекватно описывающей формунаблюдаемых спектров.

Поэтому развитие теоретических представлений орезонансном взаимодействии синхротронного излучения с кристаллами, вкоторыхсуществуетнесколькопричин,3вызывающихсуществование«запрещенных» отражений, является весьма актуальным. Вопрос этот ещенедостаточно изучен, и является предметом настоящей диссертационнойработы.Цель работы:Целью настоящей работы являлось изучение «запрещенных» (чисторезонансных) рефлексов, энергетическая и азимутальная зависимостикоторых обусловлены резонансным рассеянием рентгеновского излучения вприсутствии нескольких анизотропных факторов.В диссертационной работе были поставлены следующие задачи:1.

Рассмотреть вопрос об интерференции резонансного и нерезонансногорассеяния рентгеновского излучения. Путем сопоставления теоретическихрасчетов с предоставленными экспериментальными данными о запрещенномрефлексе 222 в кристалле германия получить значение абсолютной величиныи фазы резонансного вклада в атомный фактор.2.

Изучить вопрос о возможности выделения «комбинированного» вклада врезонансный атомный фактор из анализа азимутальной зависимостизапрещенныхрефлексов.Выделить«комбинированный»вкладв«запрещенный» рефлекс 002 в кристалле HoFe2 .3. Исследовать вопрос об интерференционной структуре энергетическойзависимости «запрещенных» отражений в кристаллах, где резонансныеатомы занимают две кристаллографически неэквивалентные позиции ирассмотреть возможность разделения вкладов от обеих позиций.4. Изучить интерференционную структуру «запрещенных» рефлексов типаh00, h=2n+1 в кристаллеFe3BO6 . Выполнить численное моделированиеэнергетических спектров рефлексов 300, 500, 700 и 710.

Разделитьрезонансные вклады, соответствующие двум неэквивалентным позициямжелеза.4Научная новизнаОсновные существенно новые результаты состоят в следующем:1. Впервые изучен «запрещенный» рефлекс (222 в кристалле Ge), которыйобусловлен одновременно нерезонансным и резонансными вкладами вструктурный фактор.2.

Из сопоставления расчетов с экспериментальными данными определенаабсолютная величина и фаза резонансного вклада в структурный факторотражения 222 в кристалле Ge.3. Установлено, что асимметрия азимутальной зависимости «запрещенного»рефлекса 002 в HoFe2обусловлена «комбинированным» вкладом врезонансную часть структурной амплитуды.4.

Впервые изучены свойства «запрещенных» отражений, обусловленныхрезонансными вкладами от атомов неэквивалентных позиций.5. Показано, что рентгеновское излучение, рассеянное резонансным образомна атомах железа в кристаллографически неэквивалентных положенияхортобората железа интерферирует конструктивно в рефлексах 300 и 500, ноинтерференция является деструктивной для рефлекса 700. Путем численногомоделирования разделены вклады от двух позиций железа в главные пикиэнергетического спектра.6. Установлено, что азимутальная зависимость «запрещенных» рефлексов вортоборате железа меняется с энергией, что является результатом сложнойинтерференциидиполь-квадрупольногоиквадруполь-квадрупольногорезонансного рассеяния рентгеновского излучения на кристаллографическинеэквивалентных атомах железа.Практическая значимость работыПолученныетеоретическихв диссертации результаты даютиэкспериментальныхметодоввозможностьэлектронныхразвитиясвойствкристаллов на основе резонансной дифракции синхротронного излучения.Практически могут быть использованы:5- метод определения абсолютной величины и фазы резонансного вклада ватомный фактор из интерференционной структуры чисто резонансныхрефлексов;- метод разделения вкладов в чисто резонансные рефлексы от различныхкристаллографически неэквивалентных позиций.Результатыисследований,вошедшихвдиссертацию,могутбытьиспользованы (и уже используются) в работе станций синхротронногоизлучения,позволяющихвестиработыпорезонанснойдифракциимессбауэровского и рентгеновского излучения в кристаллах (Курчатовскийисточник СИ, синхротрон DIAMOND, Англия, синхротрон ESRF, Франция;синхротрон SPRING-8, Япония); при подготовке курсов лекций посинхротронному излучению.Положения, выносимые на защиту:1.

Метод определения абсолютной величины и фазы резонансного вклада ватомный фактор из интерференционной структуры чисто резонансныхрефлексов в германии.2. Вывод о возможности наблюдения «комбинированного» вклада в чисторезонансные рефлексы в магнитных кристаллах из асимметрии азимутальнойзависимости рефлекса;3.

Вывод овозможности разделения резонансных вкладов структурнуюамплитуду, отвечающих кристаллографически неэквивалентным позициямжелеза в ортоборате железа путем изучения серии чисто резонансныхрефлексов типа h00, h=2n+1.4.Заключениеосуществованиибыстроменяющейсясэнергиейазимутальной зависимости рефлексов h00, h=2n+1 в предкраевой областиэнергий, возникающей врезультате сложной интерференции диполь-квадрупольного и квадруполь-квадрупольного резонансного рассеяниярентгеновского излучения на кристаллографически неэквивалентных атомахжелеза.6Апробация работы:Основные результаты работы докладывались и обсуждались на российских имеждународных конференциях и симпозиумах: 23d European Crystallographic Meeting, Leuven, Belgium, August 2006,page s66; Fifth International Conference on Synchrotron Radiation in Materials Science.Chicago.

Illinois. 2006, page SRMS5-140. Первая международная научная школа-семинар ``Современные методыанализадифракционныхданных(топография,дифрактометрия,электронная микроскопия)'' (май 2007 г., Великий Новгород, Россия); VIНациональнаяконференцияпоприменениюрентгеновского,синхротронного излучений, нейтронов и электронов для исследованияматериалов ``РСНЭ-2007'' (2007 г., Москва, Россия); XXI Congress of the International Union of Crystallography (IUCr2008).Osaka,Japan,23-31 August 2008.ПубликацииОсновные результаты работы опубликованы в 8 печатных работах: 3 статьяхв рецензируемых журналах и 5 тезисах докладов на международных ироссийских конференциях.Личный вклад автораАвтор настоящей работы принимал непосредственное участие в разработкетеоретических подходов к решению поставленных задач и обработкеэкспериментальных данных.

Численное моделирование энергетическихспектров отражений 222 в Ge, 002 в HoFe2 , h00 в Fe3BO6 выполнено авторомлично.Структура и объем работы:Диссертационная работа изложена на 117 страницах машинописного текста,включая 46 рисунков и 1 таблицу, и состоит из введения, четырех глав,выводов, списка литературы из 119 наименований.7СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении обоснована актуальность темы, сформулированы целиработы и изложены основные положения, выносимые на защиту.Первая глава является литературным обзором по теме диссертации.Она состоит из семи частей. В первой изложены основы теории резонансноговзаимодействиярентгеновскогоизлучениясвеществом.Основнойвеличиной, которая используется для описания рассеяния в рентгеновскомдиапазоне частот, является атомный фактор. При энергиях падающегоизлучения, близких к краям поглощения атомов в исследуемом веществе,этот фактор становится тензорной величиной, резонансным образомзависящей от энергии.

В различных теоретических работах конца прошлого иначала настоящего столетий используются различные способы описаниятензорногоатомногофактора,однимизкоторыхявляетсяегофеноменологическое описание в виде суммы изотропной, диполь-дипольной,диполь-квадрупольной, квадруполь-квадрупольной и т.д. частей.Во 2-6 разделах первой главы приводится обзор теоретических иэкспериментальных работ, посвященных исследованию «запрещенных»отражений, возникающих при энергиях падающего излучения, близких ккраям поглощения.

Причиной их возникновения являются анизотропныесвойства тензорного атомного фактора, обусловленные расщеплениемэлектронных состояний выше уровня Ферми из-за влияния кристаллическогополя, спин-орбитального взаимодействия, орбитального упорядочения идругих факторов. Наиболее хорошо изученными являются диполь-дипольныеотражения, которыеявляются наиболее сильными и наблюдались внескольких десятках кристаллов.

Однако, если диполь-дипольный вклад втензорный атомный фактор не снимает погасание брэгговских отражений,они могут появиться благодаря вкладам более высоких порядков в тензорныйатомный фактор, а также нескольким анизотропным факторами, тепловыми8колебаниям и другим причинам, которые являются предметом рассмотренияразделов 2-6 главы 1.В разделе 7 главы 1 приводится обзор методов, применяемых длячисленногомоделированияотражений.Рассматриваютсяпрограмм,применимыхэнергетическихспектров«запрещенных»особенностинекоторыхкомпьютерныхдлямоделированияспектровпоглощения и отражения рентгеновского излучения,резонансногообсуждаются ихпреимущества и недостатки.Вторая глава диссертации посвящена изучению интерференциинерезонансного и резонансного рассеяния рентгеновского излучения приэнергиях падающего излучения, близких к К-краю поглощения, на примереотражения 222 в кристалле германия.Рефлекс 222 в кристалле германия запрещен частными правиламипогасаний пространственной группы Fd 3 m , но разрешен общими.