«Применение иТ в исследовании свойств нанокомпозиционных материалов» (стр. 2 из 6)
Программа MOSMOD, разработанная в Канаде группой исследователей (Prof. Denis G. Rancourt, Department of Physics, University of Ottawa), занимающихся анализом ЯГР-спектров, несомненно не является единственной в своем роде. Несмотря на то, что она работает под операционной системой DOS, ее широкое распространение связано с удобством и простой использования. Еще одним, широко применяемым пакетом для обработки ЯГР-спектров, является программа, разработанная чешскими исследователи в области ЯГР-спектроскопии, CONFIT2000, работающая с операционной системой Windows. Ее интерфейс несколько сложнее, однако она обладает большими возможностями. Одной из ее принципиальных отличительных особенностей является возможность учета распределения сверхтонких магнитных полей на ядрах изотопа железа [11]. Тем не менее, в большинстве случаев для успешной обработки ЯГР-спектров вполне достаточно возможностей, предлагаемых программой MOSMOD.
В завершении следует отметить, что технический прогресс, способствовавший развитию ИТ, существенно упростил процедуру интерпретации ЯГР-спектров. Первые установки для ЯГР-спектроскопии не подключались к вычислительной технике, и, соответственно, еще не существовало программ для обработки спектров, которые оценивались «на глаз». Такая оценка дает возможность получить некоторую информацию о структуре образца. Однако она – лишь малая часть тех результатов, которые удается «выудить» программными методами из данных ЯГР-спектроскопи.
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 DЕ и изомерный сдвиг d 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 (d, DЕ 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 d линий ЯГР-спектра, обусловленный различием в распределении электрического заряда в ядре в основном и возбужденном состоянии, записывается как
d = 2/3 p Ze2 (Rb2 – Ra2) (|y (0)|погл2 - |y (0)|источн2), (2.1)
где Z – порядковый номер ядра, e – заряд электрона, Ra, Rb – радиус ядра в основном и возбужденном состоянии, |y (0)|2 – волновая функция s - электронов в центре атома.
Квадрупольное расщепление DЕ, обусловленное наличием градиента электрического поля вблизи расположения изотопа 57Fe, описывается выражением:
DЕ ~ (Q/2)(1+h2/3)1/2 , (2.2)
где Q – квадрупольный момент, (1+h2/3)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*mNHэфф , (2.3)
где g* - g-фактор возбужденного состояния изотопа 57Fe, mN – 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:a:1:1:a:3, где
a = (4×sin2qm)/(1+cos2qm), (2.4)
Параметр a может изменяться от 0 до 4. В случае параллельной ориентации Нэфф относительно направления падения g - квантов (qm = 0) это соотношение составляет 3:0:1:1:0:3. Если же Нэфф перпендикулярно направлению g-квантов (qm = 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.