Открытый доступ
Доступ предоставлен
Только для подписчиков
№ 4 (2025)
Статьи
Структурная эволюция наноразмерных сегнетоэлектрических слоев Hf₀.₅Zr₀.₅O₂ в результате их циклической электрической стимуляции
Аннотация
Несмотря на очень большое число уже опубликованных статей на тему сегнетоэлектрических слоев Hf₀.₅Zr₀.₅O₂ (HZO), этот материал продолжает привлекать к себе повышенное внимание исследователей благодаря перспективам создания на его основе совместимых с современной кремниевой технологией конкурентоспособных устройств энергонезависимой памяти. Среди трудностей на пути создания промышленной технологии таких устройств — нестабильность остаточной поляризации сегнетоэлектрика в процессе многократных переключений внешним электрическим полем. В частности, на начальных этапах такого “циклирования”, как правило, наблюдается значительный рост остаточной поляризации (эффект “пробуждения”), а затем после достижения некоторого количества циклов — её снижение (эффект “усталости”). Вопрос о том, какие процессы приводят к такой нестабильности, остаётся дискуссионным. При использовании ранее разработанной методологии анализа фазового состава сверхтонких слоев HZO синхротронным методом NEXAFS показано, что в конденсаторах на основе структур TiN/HZO/TiN “пробуждение”, наблюдающееся в течение первых 10⁵ циклов переключений, объясняется увеличением относительного содержания полярной ромбической фазы в HZO за счёт уменьшения содержания “паразитной” тетрагональной фазы. Полученные результаты подтверждают стимулированный электрическим полем структурный фазовый переход в пленках как один из механизмов, объясняющих эволюцию функциональных свойств сегнетоэлектрических элементов памяти на основе HZO на протяжении их срока эксплуатации.
Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2025;(4):3–10
3–10
Анализ структуры бразильского графита посредством методов рентгеновской дифракции, растровой электронной микроскопии и термогравиметрического анализа с синхронной дифференциальной сканирующей калориметрией
Аннотация
Приведены результаты рентгенографического исследования образца бразильского графита. При индицировании дифрактограммы и в результате качественного рентгенофазового анализа установлено, что бразильский графит содержит три фазы углерода, две из которых принадлежат гексагональному графиту (α-графиту) и одна - ромбоэдрическому графиту (β-графиту), что подтверждают данные синхронного термического анализа. Определены и уточнены параметры элементарной ячейки каждой фазы. Расчет условных концентраций фаз в образце методом наименьших квадратов показал, что условная концентрация эталона 47-1155 (база данных JCPDS) в образце составила 66%, эталона 1-646 - 21.3%, а эталона 2-456 - 12.6%. При помощи растровой электронной микроскопии изучена топология поверхности образца, представляющая собой чешуйчатую структуру с большим количеством мелких частиц размером не более 5 мкм. Определены количественные характеристики ближнего порядка, которые показали, что структура бразильского графита близка к структуре гексагонального графита в рамках погрешностей.
Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2025;(4):11-19
11-19
Кристаллографическая теория мартенситных превращений
Аннотация
Разработана кристаллографическая теория мартенситных превращений, которая адекватно описывает их реальные механизмы. Получено математическое описание реальных процессов, происходящих при мартенситном превращении, в виде произведения четырех матриц P = RPBГ, где Г - сдвиговая деформация решетки аустенита, В - дополнительная "чистая" ее деформация, главные оси которой совпадают с направлением сдвига, с нормалью к плоскости сдвига и, соответственно, с поперечным направлением, Р - деформация мартенсита при инвариантной решетке, R - небольшой поворот мартенситной пластинки для получения инвариантной плоскости (релаксационный поворот). Все четыре процесса происходят почти одновременно, но в указанной последовательности. Кристаллографический анализ восьми сплавов на основе теории позволил получить ряд важных результатов. Обнаружен релаксационный поворот при мартенситных превращениях. Найдена связь между релаксационном поворотом и рассеянием текстуры мартенсита. Установлен механизм образования пакетной структуры при полиморфном превращении в монокристалле циркония; установлены реальные механизмы деформаций при мартенситных превращениях в этих сплавах.
Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2025;(4):20-27
20-27
Прибор для определения контура видимой части оптических элементов (контурограф)
Аннотация
В работе предложен прибор для определения контура видимой части оптических элементов (контурограф), предназначенный для точного соотнесения координат видимой области оптической детали с ее физическими габаритами. Разработанный прибор обеспечивает определение координат обрабатываемой поверхности с точностью до 2.5 мкм, что является необходимым для проведения высокоточной ионно-пучковой обработки. Контурограф способен прописывать контуры объектов произвольной формы, включая криволинейные, а также контуры объектов, ориентированных под произвольным углом относительно линейных моторизированных трансляторов прибора. Высокая точность определения положения обрабатываемой поверхности непосредственно влияет на качество ионно-пучковой обработки, что позволяет значительно улучшить характеристики оптического элемента и, как следствие, оптической системы в целом. В ходе проведенной работы контурограф был успешно применен при изготовлении подложки для элемента двухзеркального монохроматора для станции 1-1 "Микрофокус" строящегося синхротрона IV поколения "СКИФ" (Новосибирск, Россия), что демонстрирует его практическую значимость и эффективность. Благодаря использованию контурографа удалось получить оптическую поверхность с требуемыми характеристиками, среднеквадратическое отклонение формы поверхности от требуемой плоскости было снижено в 25 раз - с исходных 25.7 нм до 1.0 нм.
Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2025;(4):28-36
28-36
Два канала рекомбинации неосновных носителей заряда в однородной полупроводниковой мишени
Аннотация
Методами математического моделирования рассмотрен процесс нестационарной диффузии неравновесных неосновных носителей заряда, возникающий после прекращения воздействия электронного зонда на однородную полупроводниковую мишень. Для низкоэнергетического (до 10 кэВ) электронного зонда предложена математическая модель двумерной диффузии носителей заряда в однородном полупроводниковом материале с учетом динамики изменения температуры мишени после прекращения облучения. При расчетах зависимости плотности сгенерированных электронным зондом неравновесных неосновных носителей заряда от координат использована математическая модель потерь энергии первичными электронами, учитывающая раздельный вклад электронов, испытавших малоугловое рассеяние и поглощенных в мишени, и вклад обратно рассеянных электронов, испытавших небольшое количество рассеяний на большие углы и вышедших из мишени. Дифференциальное уравнение теплопроводности решено приближенно с использованием проекционного метода. Количественное описание зависимостей от температуры эффективного времени жизни и коэффициента диффузии сгенерированных носителей заряда проведено с учетом имеющихся результатов экспериментальных исследований с помощью электронного зондирования катодолюминесценции однородного монокристаллического нитрида галлия. Модельные расчеты проведены для диффузии экситонов в однородном монокристаллическом нитриде галлия при наличии двух независимых каналов рекомбинации неравновесных носителей заряда.
Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2025;(4):37-43
37-43
Роль электростатического поля в появлении вблизи поверхности металлосодержащего диэлектрика узкого и плотного слоя металлических наночастиц после облучения электронами
Аннотация
В работе предложен механизм формирования слоистой структуры металлических наночастиц в облученных быстрыми электронами металлосодержащих диэлектриках. На примере серебросодержащего стекла обсуждена модель, в рамках которой возможно накопление под поверхностью наночастиц серебра в двух слоях: широком, на глубине залегания внедренных первичных электронов (~3 мкм для электронов с энергией 30 кэВ), и экстремально узком, толщиной ~0.1 мкм, ближе к поверхности (на глубине ~0.5 мкм). И первый, и второй слои обязаны своим существованием сильным электростатическим полям, возникающим в областях, внедренных и находящихся в метастабильном состоянии первичных электронов (объемная отрицательная зарядка) и приповерхностного положительного пространственного заряда, сформированного истинной вторичной электронной эмиссией. Рассмотрен процесс диффузии поляризованных атомов серебра в указанном неоднородном электрическом поле при коэффициенте вторичной электронной эмиссии больше единицы. В представленной модели распределения пространственного заряда и электрического поля в серебросодержащем стекле, облученном быстрыми электронами, получен равновесный профиль концентрации атомов серебра в приповерхностном слое образца. Показано, что в сформированных электрических полях возможно образование структуры с областями обогащения и обеднения указанной примесью. Рассчитанные значения равновесных концентраций атомов серебра у поверхности образца могут превышать соответствующие объемные значения в несколько раз.
Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2025;(4):44-48
44-48
Влияние облучения мощным ионным пучком на атмосферное окисление поликристаллического магния
Аннотация
Проведены исследования влияния воздействия мощного ионного пучка в течение нескольких десятков наносекунд на атмосферное окисление поликристаллического магния. Обнаружено уменьшение количества оксидной фазы магния при возрастании плотности тока пучка, что, вероятно, связано с усилением процессов газодинамического разлета поверхности. Последующая выдержка необлученных и облученных мощным ионным пучком образцов при температуре 240°С на воздухе привела к замедлению роста оксидной фазы в облученных образцах. Наибольший эффект наблюдали в образцах, облученных пучком с плотностью тока 150 А/см2. Обсуждена роль химических процессов, механических напряжений и структурных изменений, протекающих в модифицированной пучком зоне и влияющих на процесс окисления. Наблюдаемые немонотонные зависимости отношений концентраций кислорода и углерода к магнию от времени нагрева образцов объяснены образованием не только оксида, но и, вероятно, гидроксида и карбоната магния. Показано, что на эффект повышения сопротивления окислению магния, облученного мощным ионным пучком, может также оказывать влияние повышение концентрации углерода при его внедрении в поверхностный слой материала.
Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2025;(4):49-55
49-55
Моделирование повреждений в полиэтилене вдоль траекторий быстрых тяжелых ионов
Аннотация
Представлены результаты моделирования образования на атомарном уровне повреждений вдоль всей траектории быстрых тяжелых ионов, тормозящих в режиме электронных потерь энергии в полиэтилене. Аналитические модели могли бы значительно улучшить понимание формирования треков в полимерах, но имеют своим главным недостатком низкий уровень детализации. В настоящей работе эта проблема решена с использованием мультимасштабной гибридной численной модели: методом Монте-Карло с помощью программы TREKIS описано возбуждение электронной системы материала; молекулярно-динамическое моделирование отклика атомной системы на внесенное налетающим ионом возмущение, реализованное в программе LAMMPS, позволило отслеживать повреждение вплоть до времен полного остывания трека. Детальное описание кинетики взаимодействующих электронной и атомной систем материала позволило продемонстрировать пространственное разделение положений максимумов повреждений и максимумов выделения энергии на траектории иона в полиэтилене на, по меньшей мере, 10 мкм. Различия обусловлены зависимостью начальных спектров электронов, генерируемых вблизи траектории иона, от энергии иона. Продемонстрированные эффекты должны проявляться в любых полимерах и могут иметь решающее значение для эффективной работы облучаемых быстрыми тяжелыми ионами устройств и детекторов, содержащих тонкие полимерные пленки.
Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2025;(4):56-62
56-62
Анализ спектров рентгеновской фотоэлектронной эмиссии высокоориентированного пиролитического графита, измеренных с угловым разрешением
Аннотация
Интерес к ван-дер-ваальсовским материалам связан с их уникальными физико-химическими свойствами и перспективами технологических применений. В настоящей работе объектом исследования является высокоориентированный пиролитический графит как модель таких материалов. Представлены результаты измерений методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии с угловым разрешением. Эксперименты проведены при углах детектирования 0°, 60°, 80° и 85° от нормали к поверхности образца, что позволило максимально локализовать сигнал, создаваемый верхним слоем высокоориентированного пиролитического графита. Представлена методика восстановления дифференциального сечения неупругих потерь энергии электронов из экспериментальных рентгеновских фотоэлектронных спектров. По указанной методике восстановлено дифференциальное сечение неупругого рассеяния электронов в высокоориентированном пиролитическом графите при каждом угле детектирования. Проведено сравнение полученных сечений с сечениями, восстановленными для графена с различным количеством слоев. Указано на определяющее влияние коллективных плазмонных потерь энергии электронов на формирование спектра потерь энергии в гетерогенных ван-дер-ваальсовских материалах.
Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2025;(4):63-69
63-69
Исследование пленок SiO2, полученных методом PECVD и легированных ионами Zn
Аннотация
Представлены результаты исследования пленок оксида кремния, полученных методом PECVD на Si-подложках. Их имплантировали ионами 64Zn+ с энергией 50 кэВ (доза 7 × 1016 см-2), а затем отжигали в атмосфере кислорода при повышенных температурах. Обнаружено, что после имплантации в пленке SiO2 цинк распределен по нормальному закону с максимумом около 40 нм. После имплантации цинк находится в пленке оксида кремния как в металлической фазе (ближе к поверхности пленки), так и в окисленном состоянии (в глубине пленки). После отжигов до 800°С профиль цинка смещается вглубь пленки, в этом случае цинк находится в пленке только в окисленном состоянии. При высоких температурах (более 800°С) профиль цинка смещается к поверхности пленки.
Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2025;(4):70-74
70-74
Расшифровка рентгеновских фотоэлектронных спектров образцов Ge(111), GeO2/Ge(111), C60F18/Ge(111) с помощью квантово-химических расчетов
Аннотация
Валентная полоса фотоэлектронных спектров комплексных образцов (многокомпонентных образцов, образцов с оксидными пленками, адсорбированными на поверхности молекулами) имеет сложную структуру, что затрудняет интерпретацию вкладов различных компонентов образца в структуру спектров. Рассмотрен метод расшифровки спектров валентной зоны в результате расчета с помощью методов квантовой химии плотности электронных состояний для физического объема - атомарной модели, наиболее полно характеризующей исследуемый образец. Оптимальное положение атомов в заданном физическом объеме расчетной модели находили с помощью итерационного метода численной оптимизации BFGS (Broyden-Fletcher-Goldfarb-Shanno) с учетом пространственного распределения потенциала, получаемого из квантово-химического расчета. Расчет производили при помощи кода, написанного на языке Python с применением библиотек ASE и GPAW (среда атомного моделирования и проекционный метод присоединенных волн в сеточной реализации), на оборудовании суперкомпьютерного вычислительного кластера. Полученные с помощью расчета данные были сравнены с измеренными фотоэлектронными спектрами различных систем, таких как Ge(111), GeO2/Ge(111), C60F18/Ge(111), C60F18/GeO2/Ge(111). Проведенный анализ позволил определить вклады различных атомов и связей в итоговый фотоэлектронный спектр, оценить толщины отдельных слоев и определить типы связей молекул с подложкой.
Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2025;(4):75-82
75-82
Об оптимальных условиях генерации поверхностных плазмон-поляритонов терагерцевого диапазона методом дифракции на краю
Аннотация
Приведены результаты экспериментального исследования генерации поверхностных плазмон-поляритонов терагерцевого диапазона. Для генерации был использован метод дифракции на краю, когда пучок излучения фокусировался на границу раздела металл-диэлектрик. Установлено, что при нормальном падении пучка эффективность генерации плазмон-поляритонов максимальна, а полуширина зависимости эффективности генерации от угла падения излучения в плоскости образца составила 6.0°±0.5°. Показано, что эффективность генерации имеет максимум при определенном смещении центра пучка падающего излучения относительно границы раздела металл-диэлектрик. Полуширина этого максимума составила 590±50 мкм, что в пределах погрешности согласуется с теорией.
Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2025;(4):83-88
83-88
Фотокаталитическая активность наночастиц BiFeO3 допированных Ba
Аннотация
В работе были синтезированы нанопорошки соединений из системы Bi₁–ₓBaₓFeO₃ (x = 0, 0.10, 0.20) методом горения нитрат-органических прекурсоров. Изучено влияние легирования феррита висмута (BiFeO₃) ионами бария (Ba) на морфологию, кристаллическую структуру и фотокаталитическую активность материала. Анализ методом рентгеновской дифракции показал, что кристаллы всех образцов имеют ромбоэдрически искаженную структуру перовскита с симметрией, соответствующей пространственной группе R3c. Легирование барием привело к существенному снижению размеров кристаллитов, а также к искажению кристаллической решётки. В случае замещения 20% атомов висмута атомами бария наблюдали образование примеси BaCO₃, что также было подтверждено анализом спектров комбинационного рассеяния света. Показано, что введение бария приводит к формированию более пористой текстуры образцов и значительному увеличению удельной площади поверхности материала. Исходный BiFeO₃ продемонстрировал крайне низкую эффективность разложения метиленового синего относительно фотолиза, в то время как легирование барием привело к значительному улучшению фотокаталитических характеристик материала: в случае кристаллов с 20% Ba разложение метиленового синего достигло 99% за 1 час.
Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2025;(4):89-100
89-100
Размерная зависимость линейного натяжения на искривленной границе двумерных фаз
Аннотация
В рамках термодинамики поверхностных и межфазных границ получено уравнение зависимости линейного натяжения от радиуса линии натяжения на границе двумерных фаз, находящихся на плоской поверхности и разделенных искривленной линией. По полученному соотношению были проведены расчеты и построена искомая зависимость в безразмерных координатах (τ/τ∞, r/δτ), которая носит универсальный характер и не зависит от конкретной природы двумерных фаз. Полученная кривая также универсальна по типу двумерной границы раздела (жидкость-пар, твердое тело-пар, твердое тело-жидкость, твердое тело-твердое тело). Проведено сравнение с решением аналогичной задачи нахождения размерной зависимости поверхностного натяжения от размера наночастиц σ(r) для случаев положительной и отрицательной кривизны, рассмотренных авторами ранее.
Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2025;(4):101-105
101-105
Расчет параметров электромагнитного излучения пучков ускоренных электронов при скользящем взаимодействии с диэлектрической поверхностью
Аннотация
Выполнен расчет параметров электромагнитного излучения, которое должно генерироваться при гайдинге ускоренных электронов (протяженном скользящем взаимодействии ускоренных электронов с диэлектрической поверхностью), прижимаемых к поверхности диэлектрической пластины внешним электрическим полем. Модель эффекта (гайдинга) предложена на основе анализа решения уравнения Гамильтона для движения электронов во внешнем электрическом поле и в электростатическом поле, создаваемом электронами, осевшими на поверхности диэлектрической пластины. Суперпозиция этих полей приводит к тому, что электроны во время гайдинга испытывают поперечные колебания относительно поверхности пластины, т.е. приобретают поперечное ускорение. А это, как известно, должно привести к генерации электромагнитного излучения, частота и интенсивность которого зависят от энергии электрона, подобно излучению ондуляторов и вигглеров. Расчет показывает, что при гайдинге электронов в зависимости от их энергии должно генерироваться излучение. Максимум его интенсивности находится в области от ИК- до радиодиапазона.
Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2025;(4):106-111
106-111
Изменение свободного объема в аморфном сплаве Al88Ni10Y2 при пластической деформации
Аннотация
Методами рентгенографии и растровой электронной микроскопии были исследованы морфология поверхности и структура аморфного сплава Al88Ni10Y2, подвергнутого деформации методом многократной холодной прокатки. Показано, что при пластической деформации на поверхности аморфного сплава появляются ступеньки, что обусловлено выходом полос сдвига на поверхность. Обнаружено, что в деформированном сплаве происходит образование кристаллов алюминия. По изображениям, полученным методом растровой электронной микроскопии, проанализированы ступеньки на поверхности деформированного сплава. Показано, что длина ступенек остается примерно одинаковой на разных участках поверхности деформированного сплава. Проведена оценка изменения доли свободного объема в исследуемом сплаве при пластической деформации. Использованная методика позволяет оценить разницу плотности недеформированных и деформированных сплавов различного состава по изображениям, полученным методом растровой электронной микроскопии. Определение изменения содержания свободного объема в аморфных сплавах, подвергнутых пластической деформации, является ключевым фактором при исследовании путей формирования аморфно-нанокристаллических структуры материала с повышенными механическими характеристиками.
Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2025;(4):112-118
112-118
Структурное подавление блистерообразования на поверхности вольфрама при имплантации He+ с энергией 30 кэВ
Аннотация
Исследовано влияние ультрамелкозернистой структуры вольфрама и конусообразной морфологии поверхности образца на образование блистеров при облучении ионами He+ с энергией 30 кэВ. В сравнительных экспериментах использовали ультрамелкозернистые и мелкозернистые образцы со средним размером зерен, соответственно, 300 нм и 7 мкм, с гладкой и конусообразной морфологией поверхности. Образцы вольфрама с ультрамелкозернистой структурой получили с помощью интенсивной пластической деформации, конусообразную морфологию поверхности - путем высокодозного облучения ионами Ar+ с энергией 30 кэВ. Установлено, что блистеры при облучении ионами гелия с флуенсом 1018 ион/см2 образуются как на мелкозернистых, так и на ультрамелкозернистых образцах. На мелкозернистых образцах часть блистеров была с удаленными крышками, в то время как на ультрамелкозернистых образцах все блистеры были целыми. Толщина крышек, диаметр блистеров зависит от размера зерен. Обнаружено, что конусообразная морфология поверхности ультрамелкозернистого вольфрама подавляет образование блистеров.
Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2025;(4):119-126
119-126