CC BY
59
РЕНТГЕНОДИФРАКТОМЕТРИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СТРУКТУРЫ ПРИПОВЕРХНОСТНОЙ ОБЛАСТИ
МОНОКРИСТАЛЛОВ
Д. ф.-м. н. А. П. Петраков
petrakov@syktsu. ги
рина симметричного отражения, С — поляризационный фактор (1 или cos2 ^в)
У
$в — брэгговский угол, Ь = —0 коУн
эффициент асимметрии, у0 =
= 5ш(&в+у), Ун = 8т(#в+^), у — угол между отражающей плоскостью и поверхностью кристалла монохроматора, для симметричного отражения у = 0, поэтому Ь=1.
В двухкристальной схеме на место анализатора помещается детектор (см. рисунок) с широкой щелью и регистрируется зависимость интенсивности излучения, попадающего в детектор, от угла поворота образца около брэгговского отражения. Данная зависимость называется кривой дифракционного отражения (КДО). Высокая горизонтальная коллимация пучка, падаю-
Рассеяние рентгеновских лучей монокристаллами определяется их структурой. Согласно динамической теории рассеяния в искаженных кристаллах [1, 2], незначительное изменение структуры приводит к заметному угловому перераспределению интенсивности как прошедшей, так и дифрагированной волны. Изменение структуры в приповерхностной области определяется с помощью двух- и трехкристальных дифрактометров [3]. Схема трехкристальной рентгенодифрактометрической съемки в бездисперсионной (п, -п, п) геометрии представлена на рисунке. Стрелками показан ход рентгеновских лучей.
Обычно при съемке наблюдается отражение от монохроматора Ка^ и Ка2-излучений. Между направлениями их распространения наблюдается не-
Трехкристальная схема дифракции. 1 — рентгеновская трубка, 2 — кристалл-монохроматор, 3 — образец, 4 — кристалл-анализатор, 5 — детектор
большое угловое расхождение. Используя этот факт, можно избавиться от менее интенсивного Ка2-излучения, установив после монохроматора вертикальную щель шириной ~ 50 мкм. Значительно уменьшить интенсивность Ка2-излучения можно применением щелевых монохроматоров с многократным отражением. В этом случае происходит и уменьшение углового расхождения Ка^лучей, за счет уменьшения интенсивности на «хвостах».
Угловое расхождение менее 1 угл. с. обычно достигается применением асимметричного монохроматора, в котором используется отражение от плоскостей, расположенных под углом к поверхности. Угловая полуширина для асимметричного монохроматора
С| Хи]
щего на образец, позволяет фиксировать минимальное относительное изменение параметра решетки приповерхностного слоя 10-3^10-4. На КДО таких кристаллов имеется минимум два пика. Наиболее интенсивный пик обычно формируется объемной неискаженной частью кристалла, а менее интенсивный— приповерхностным слоем. По угловому расстоянию между ними (АтЗ) определяется рассогласование параметра М
решетки [1]: = сЩ&в
Интерференция излучения, рассеянного объемной частью и приповерхностным слоем, приводит к появлению интерференционных максимумов. Расстояние между ними А'д^ позволяет определить толщину слоя [1, 2]:
д$ = Д^°,где Д$0 =-
г ь X 0 ^
- полуши-
Толщину слоя можно оценить и методом интегральных характеристик [2].
В ряде случаев нельзя получить информацию о структуре по данным двухкристальной дифрактометрии. Слой с относительной деформацией менее чем 10-4 , как правило, проявляется не в виде отдельного пика, а только увеличением интенсивности на «хвосте» КДО. Решение обратной задачи в этом случае позволяет лишь приблизительно определить параметры нарушенной поверхности [3]. Проблема осложняется еще и тем, что в двухкристальной схеме детектор регистрирует интенсивность, интегральную по углу выхода из образца, поэтому рассеяние на дефектах может аналогично изменить форму КДО [2, 4].
Разделить когерентное рассеяние рентгеновских лучей на решетке и диффузное на дефектах позволяет трехкристальная схема дифракции [5]. В рамках трехкристальной рентгеновской дифрактометрии (ТРД) обычно используются следующие три метода съемки: вращение анализатора со скоростью в два раза больше, чем скорость вращения образца, вращение анализатора с фиксированным углом поворота образца и вращение образца с фиксированным углом поворота анализатора. Первым методом фиксируется рассеяние вдоль вектора обратной решетки. На кривых ТРД, полученных двумя следующими методами, присутствуют когерентные пики в виде главного и псев-допиков, а также диффузный пик.
За нулевое угловое положение принимается точное брэгговское отражение. Диффузное отражение наблюдается вблизи нуля, поэтому для хорошего разрешения его следует использовать вращение анализатора с фиксированным углом поворота образца, превышающим ~10 угл. с. В этом случае вблизи нуля нет когерентных пиков. Когерентные пики отличаются угловым положением и интенсивностью. Интенсивность главного пика уменьшается с углом поворота образца (а) пропорционально а-2 [6], а псевдопика—значи-
10
тельно медленнее из-за теплового диффузного рассеяния [7]. Щелевые монохроматоры и анализаторы с многократным отражением позволяют существенно уменьшить интенсивность псевдопиков.
Деформация кристаллической решетки вызывает увеличение интенсивности главного пика (1гё) в угловой области, определяемой уравнением Вульфа—Брэгга. Величина деформации находится по положению максимума функции приведенной интенсивности P = 1гл а2. Чувствительность этого метода настолько высока, что позволяет регистрировать фазовый переход в приповерхностном слое толщиной 20 нм [8].
Появление дефектов сопровождается уменьшением интенсивности главного пика. Исходя из этого, можно оценить эффективный объем, занимаемый дефектами величиной 1-у, где у — отношение интенсивности главного пика кристалла после генерации в нем дефектов к аналогичной величине до образования дефектов [9].
В трехкристальных кривых заложена информация о приповерхностных слоях различной толщины [10]. Псевдопик формируется слоем толщиной порядка длины экстинкции. На интенсивность же главного пика влияют структурные искажения значительно меньше длины экстинкции [2]:
X 2па
Диффузный максимум определяется рассеянием в слое толщиной
sin
L
L =-
где (х — коэффициент линейного поглощения. При извлечении информации о структуре из диффузного рассеяния, нужно иметь в виду, что на форму диффузных пиков оказывает влияние эк-стинкционный эффект, в случае применения монохроматоров и анализаторов с многократным отражением [11].
Трехкристальная дифрактометрия позволяет определить тип дефектов. Форма контуров равной интенсивности, построенных по трехкристальным кривым, зависит от вида дефектов. Для симметричных кластеров, состоящих из скоплений точечных дефектов, характерны колоколообразные контуры, вытянутые вдоль вектора обратной решет——
ки (н), а для асимметричных кластеров они повернуты вокруг оси, проходящей через точку обратной решетки.
Дислокационные петли формируют крестообразные контуры, вытянутые в направлении вектора обратной решетки и перпендикулярно ему [12].
Влияние различных типов дефектов в кристаллах на рассеяние рентгеновских лучей исследовано Дедериксом [13] и Кривоглазом [14]. В теории аномального прохождения рентгеновских лучей скопления точечных дефектов (кластеров) размером более 100 Е существенно влияют на поглощение вследствие диффузного рассеяния [15]. Интенсивность диффузного рассеяния на кластерах в области Стокса—Вильсона (д> Я-1, где д = Hacos&B, Я — размер кластера) падает пропорционально а-4. В хуанговской области (д< Я-1) интенсивность рассеяния пропорциональна числу точечных дефектов в кластерах [16].
Диффузное рассеяние на дислокационных петлях существенно отличается от рассеяния на кластерах. В области д> Я-1 тангенс угла наклона прямой 1п1= =/(їпф равен 2, где 4 — симметричная часть диффузного рассеяния (I = [1(ф + + Ц-ф]/2). Если проэкстрополировать прямую до пересечения с осью 1щ, то по точке пересечения 1пц0 можно оценить радиус петель Я = д0ехр(-1/2) [17]. Асимметрия диффузного рассеяния характеризует тип петель. Междоузель-ные петли смещают рассеяние в сторону больших н. Дислокационные петли междоузельного типа обычно присутствуют в полупроводниковых кристаллах с примесью, прошедших термическую обработку [18]. Вдали от брэгговского положения рассеяние междоузель-ными петлями, расположенными в объеме, и кластерами имеет большое сходство, и только наличие асимметрии позволяет разделить их [2].
Еще одним широко распространенным дефектом являются дислокации. Дислокации уширяют когерентное рассеяние в направлении, перпендикулярном вектору обратной решетки [19]. Это легко регистрируется по трехкристальным кривым, снятым в режиме сканирования образцом, с фиксированным углом поворота анализатора. Плотность хаотически распределенных дислокаций можно определить из статистического фактора Дебая—Валлера ехр(-М) [20], где
N
К
где D — коэффициент, учитывающий
угловое усреднение (для отражения (111) кремния D = 0.9), к — абсолютная величина вектора обратной решетки, b — абсолютная величина вектора Бюргерса, а — параметр решетки, Nd— плотность дислокаций. Приведенная формула, связывающая статистический фактора Дебая—Валлера с плотностью дислокаций, справедлива для кристаллов с Nd < 107 см-2. Значение М определяется по отношению диффузного рассеяния к когерентному.
Метод ТРД позволяет исследовать пористость пленок кремния. Появление пористости сопровождается увеличением интенсивности псевдопика на кривых, снятых в режиме сканирования анализатором с фиксированным углом поворота образца [21].
Работа выполнена при финансовой поддержке целевой программы «Развитие научного потенциала Высшей школы (Проект РНП.2.1.1.3425).
Литература
1. Пинскер 3. Г. Рентгеновская кристаллооптика. М.: Наука, 1982. 392 с. 2. Афанасьев А. М., Александров П. А., Имамов Р. И. Рентгено дифракционная диагностика субмикронных слоев. М.: Наука, 1989. 152 с. 3. Боуэн Д. К., Таннер Б. К. Высокоразрешающая рентгеновская дифрактометрия и топография. СПб.: Наука, 2002. 274 с. 4. Бушуев В. А. Влияние дефектов структуры на угловое распределение рентгеновской дифракции в кристаллах с нарушенным поверхностным слоем // ФТТ. 1989. Т. 31, в. 11. С. 70—78. 5. 1ida A., Kohra K. Separate measurements of dynamical and kinematical X-ray difractions from silicon crystals with a triple crystal diffractometer / / Phys. Stat. Sol. (a), 1979. V. 51, № 2. P. 533—542. 6. Иверонова В. И., Ревкевич Г. П. Теория рассеяния рентгеновских лучей. М.: МГУ, 1978. 278 с. 7. Казимиров
А. Ю., Ковальчук М. В., Кон В. Г. Усиление псевдопика в спектрах трехкристальной рентгеновской дифрактометрии за счет теплового диффузного рассеяния // Кристаллография. 1987. Т. 32, в. 6. С. 1360—1364.
8. Ломов А. А., Шитов Н. В., Бушуев В. А., Баранов А. И. Структурный фазовый переход в приповерхностном слое монокристаллов дейтеросульфата цезия // Письма в ЖЭТФ. 1992. Т. 55, в. 5. С. 297—300.
9. 1ida A. Applications of X-ray triple crystal diffractometry to studies on the diffusion-induced defects in silicon crystals // Phys. Stat. Sol. (a). 1979. V. 54, № 2. P 701— 706. 10. Кютт Р. H. Идентификация поверхностных и объемных дефектов по интенсивности диффузного рассеяния //
-----------------------------------И
a
ЖТФ. 1987. Т. 37, в. 11. С. 178—180. 11. Ратников В. В., Сорокин Л. М. Экспериментальное наблюдение динамических эффектов при диффузном рассеянии рентгеновских лучей // ФТТ. 1984. Т. 26, в. 11. С. 3445—3447. 12. Dederichs P. H. Diffuse scattering from defect clusters near Bragg reflections. // Phys. Rev. B. 1971. V. 4, № 4. P. 1041—1050. 13. Dederichs P. H. Dynamical scattering theory for crystals with point defects // Phys. Stat. Sol. (a). 1967. V. 23, № 1. P. 377—386. 14. Кривоглаз М. А. Дифракция рентгеновских лучей и нейтронов в неидеальных кристаллах. Киев: Наук. думка, 1983. 407 с. 15. Dederichs P. H. Effect
of defect clustering on anomalous X-ray transmission // Phys. Rev. B. 1970. V. 1, М 4. P. І30б—1317. І6. Dederichs P. H. The theory of diffuse X-ray scattering and application to the study of point defects and heir clusters // J. Phys. F. 1973. V. З, М 2. P. 471—49б. І7. Ковьев Э. К., Бублик В. Т., Постолов В. Г. Диффузное рассеяние рентгеновских лучей микродефектами в кремнии, полученном по методу Чохральского // ФП І9ВЗ. T. 27, в. 4. С. 124б—124В. І8. Ковьев Э. К., Ратников В. В., Сорокин Л. М. Исследование дефектов распада в кристаллах германия, легированных мышьяком, методом трехкристального спектрометра //
ФТТ. 1981. Т. 23, в. 6. С. 1626—1629. 19. Кютт Р. Н. Брэгговская дифракция рентгеновских лучей в кристаллах с дислокациями // Кристаллография. 1988. Т. 33, № 4. С. 827—830. 20. ОлехновичН. М. Интегральные характеристики дифракции рентгеновских лучей в монокристаллах с хаотическим распределением дислокаций // Металлофизика. 1986. Т. 8, № 1. С. 48—53. 21. Ломов А. А., Бушуев В. А., Караванский
В. А. Исследование шероховатостей поверхности и границ раздела пористого кремния высокоразрешающими рентгеновскими методами // Кристаллография. 2000. Т. 45, № 5. С. 915—920.
ТЕКТОНИКА И НЕФТЕГАЗОНОСНОЕ БАРЕНЦЕВО-КАРСКОГО РЕГИОНА
Д. г-м. н. Н. И.Тимонин
litgeo@geo. komisc. ru
Представленный ранее материал по сопоставлению габбро-долеритовых и гранитоидных формаций позднего протерозоя Новой Земли, Пай-Хоя, Полярного Урала и Канино-Северотиманско-го района вместе с имеющимися сведениями о присутствии на северо-востоке Тимано-Печорской области реликтов вулканических формаций острово-дужного либо окраинно-континентального типа и даже офиолитовых ассоциаций [10], а также с данными по позднепротерозойским комплексам более отдаленных геоструктур (Таймыр, Северная Земля на северо-востоке и ряд па-леотектонических обобщений для до-палеозойского времени развития Шпицбергена на крайнем северо-западе) Ба-ренцево-Северокарского блока, позволяет рассмотреть Пайхойско-Новозе-мельский район как составную часть этого обширного геоблока. А также рассмотреть позднепротерозойское (доордовикское) развитие Новой Земли в контексте развития Урало-Монгольского складчатого пояса [5, 12], который трактуется в качестве порождения крупного палеоокеанического бассейна —Палеоазиатского океана [6, 15]. Согласно современным представлениям, в позднем докембрии этот океан разделял древние континенты: Восточно-Европейский и Сибирский, а на севере «омывал» Свальбардскую (вероятно, эпигренвильскую) плиту, возмож-
но, соединяясь на северо-востоке через таймырскую ветвь с Прапацификом.
На рис. 1 эти геоблоки показаны в современных координатах, в пределах и по периферии Палеоазиатского океана нанесены места нахождения: 1) фрагментов позднерифейской офиолитовой ассоциации и их радиологические датировки; 2) преимущественно известково-щелочных вулканитов базальт-анде-зит-риолитового состава, которые могут трактоваться в качестве островодужных либо окраинно-континентальных образований; 3) синколлизионных (ороген-ных) и посторогенных гранитоидов с их усредненными радиологическими возрастами, фиксирующими окончательное становление новообразованной коры континентального типа (рис. 2)
Акваториальное продолжение структур европейского северо-востока России включает в себя коллизионные орогенно-складчатые пояса байкальского, каледонского, варисцийского и ранне киммерийского возраста. [13]. Такой широкий спектр литосферных структур свидетельствует о сложной перемежаемости в истории развития территории разномасштабных и разнонаправленных тектонических и геоди-намических процессов, на фоне которых протекало и формирование обширных осадочных бассейнов с глубо-копогруженным рифтогенным основанием [1—3]. Эта территория включает
в себя ряд крупнейших структур земной коры: северо-восток Печорской плиты с байкальским основанием, Но-воземельско-Пайхойскую складчато-надвиговую область с раннекиммерийским основанием и северную часть Западно-Сибирской плиты, представленную южной частью Карского моря. Она характеризуется весьма неравномерной в геолого-геофизическом отношении изученностью [13]. Ее характерной особенностью является наличие геоблоков различной тектонической активности — стабильных и мобильных, обособившихся на ранних стадиях развития и оказавших существенное влияние на структурно-формационную зональность осадочного чехла и характер ее нефтегазоносности.
Недра России, как известно, содержат 13 % мировых разведанных запасов нефти и 36 % газа. При достаточно высокой изученности основных нефтегазодобывающих провииций России особое значение в развитии топливноэнергетического комплекса страны приобретает проблема освоения континентального шельфа, где, как известно, сосредотачивается более 1/3 неразведанных запасов УВ. В субаквальных районах России располагается до 10 нефтегазоносных провинций, в которых открыто несколько десятков месторождений, в том числе ряд крупных и уникальных [4—7].
ї2
