Атомная структура иттриевой керамики YBa2 Cu3 O х по данным рентгенографического компьютерного эксперимента тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

Введение.

Глава I. Обзор литературных данных по структуре и свойствам ВТСП керамики УВа2Си

Введение.

Орторомбическая фаза УВа2Си3078.

Тетрагональная фаза УВа2Си3075.

Анизотропия тепловых колебаний атомов в УВа2Си3075.

Зависимость структурных характеристик от нестехиометрии по кислороду.

Зависимость структурных характеристик УВа2Си3076 от температуры измерений.

Упорядочение вакансий в УВа2Си307.6.

Глава II. Моделирование методом Монте-Карло диффузии кислорода в плоскости Си1-0 123 УВСО.

Асимметричная модель Изинга для решеточного газа, с учетом ближайших и следующих за ближайшими соседей (АЗУШШ).40

Учет граничных условий: периодическая граница (РВС).42

Вычисление энергии.45

Алгоритм переноса иона О между позициями.46

Расчет коэффициента диффузии.49

Алгоритм суммирования энергии взаимодействия по (2).50

Входные параметры.50

Отличительные особенности реализации данной модели . 51

Результаты.53

Удельная энергия.53

Коэффициенты диффузии.54

Эволюция распределения кислорода на решетке.59

Модель с учетом прыжков в позиции следующие за ближайшими. .60

Результаты моделирования с разрешенными NNN переходами.61

Распределение кислорода в базисной плоскости CuI-0 YBCO. 65

Выводы.67

Приложение.74

1. Разворот решетки.74

2. Вычисление энергии до и после прыжка.75

Выводы

1. Полученные в компьютерном эксперименте энергетические характеристики и зависимости коэффициентов самодиффузии от содержания кислорода показали: фазовый состав УВСО 123 может изменятся даже при незначительных вариациях концентрации кислорода в плоскости; фазовый состав 123 является неоднородным при любой стехиометрии;

2. предложена методика анализа дифракционного спектра от керамики УВа2Си3075 на основе модели "смешанослойного поликристалла", позволяющая получить более детальную информацию о состоянии объекта и оценить характер изменений, происходящих в атомной структуре керамики при внешних воздействиях;

3. в качестве демонстрации возможностей данной методики проведены расчеты для керамики УВа2Си3078 в исходном СП состоянии (ромбическая фаза) , после вакуумных отжигов при разных режимах (переводящих образец в несверхпроводящее состояние) и после электрохимической и термической обработок, восстанавливающих СП свойства;

4. показано, что при полнопрофильном анализе рентгенограмм от поликристаллических образцов итриевой керамики с различной нестехиометрией по кислороду, даже при удовлетворительном качестве подгонки экспериментальных и вычисленных распределений интенсивности, уточненные характеристики структуры могут не совпадать с действительными значениями: это связано с ограниченностью модели, лежащей в основе общепринятой кинематической теории дифракции, формулы которой используются в методе Ритвельда при расчете картин рассеяния;

Таким образом, предложенный способ учета неоднородностей фазового состава 123 в рамках "смешанослойной модели" является хотя и достаточно приблизительным, но лучшим из известных нам подходов к интерпретации рентгенографических данных в случае нестехиометричных по кислороду образцов УВа2Си3078. 1 2 3 4 5 6 7 8 9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

Заключение.

Приведенные научные работы, посвященные атомной структуре ит-риевой керамики с различной кислородной стехиометрией (Глава I), являвшиеся, по сути, входными данными для наших моделей, показали корректность использованных методов и предложенных методик исследования структуры YBCO (компьютерный эксперимент с привлечением теории рассеяния рентгеновских лучей).

При моделировании распределения кислорода в плоскости Cul-О было исследовано поведение коэффициента траекторной диффузии в асимметричной модели Изинга с учетом ближайших соседей (ASYNNNI - предполагается, что данная модель адекватно описывает распределение кислород - вакансии в базальной плоскости соединения 123 YBCO). При переходе от низких к высоким температурам, в диапазоне 34 8-4 64К, наблюдается изменение поведения коэффициента траекторной диффузии для орторомбического состава YBa2Cu307. Несмотря на то, что данная модель характеризуется внутренней симметрией между частицей и вакансией, эта симметрия не проявляется для компонент тензора траекторной диффузии. Для уменьшения времени расчета в модель включен энергетический барьер Q, позволяющий более эффективно учитывать локальное окружение пробной частицы. Использован оригинальный алгоритм учета периодических граничных условий. Сравнение начальной и конечной энергий модели указывает на необходимость анализа получаемого распределения кислорода, поскольку энергия в процессе моделирования достигает некоего устойчивого минимального значения. Согласно полученным результатам, в процессе моделирования система эволюционирует в устойчивую, содержащую двойниковые домены ор-торомбической фазы YBa2Cu307. Движение доменов тем активнее, чем больше отклонение от стехиометрического состава 1-5 = 1 .

Во второй части работы решается задача построения модели для расчета углового распределения интенсивности рассеяния рентгеновских лучей, которая бы учитывала неоднородности упорядочения кислорода в плоскости Cul-О соединения YBCO.

При уточнении характеристик атомной структуры методом Рит-вельда для нестехиометричных по кислороду образцов, получаемые результаты являются усредненными по облучаемому объему образца, так как в основе данного метода лежат формулы стандартной кинематической теории рассеяния для поликристаллических объектов. Это означает (по умолчанию) трактовку образца как однородной системы и, как следствие, потерю информации об особенностях структуры объекта (например, о характере распределения атомов кислорода в Си1-0 плоскостях, которое играет важную роль в возникновении сверхпроводимости в итриевой керамике) и искажение вычисляемых характеристик структуры.

Предложенная смешанослойная модель позволяет суммировать интенсивность рассеяния в пределах кристаллита, что представляется корректным в рамках кинематической теории рассеяния, т.е. в первом борновском приближении (когда рассеянием рассеянной волны пренебрегаем). Дифракционная картина формируется за счет интерференции волн, рассеянных парой рассеивающих центров (все равно каких - электронов, атомов, элементарных ячеек и т.д.). На Рис. 1 схематически показаны три пары таких центров и их вклад в суммарную интенсивность в точке наблюдения будет одинаков. Т.е. при вычислении вклада этих пар можно без ущерба для результата условно расположить их так, как показано на Рис.

1 Ь.

Учитывая, что дифракционная карти

2 / \ 1 /X / / .„г^А.^./. на, наблюдаемая при рассеянии рентгеновских лучей поликристаллическим объa) 1 2 ектом, образуется в результате сложения картин рассеяния множеством кристалли

Х^-'-О^/-""'/'. тов, хаотически ориентированных относи . 12 /\£ 12 /\} 12/ b) 2 2 2 . тельно первичного пучка и друг друга, то вклады этих пар в конечную сумму не

Рис. 1 Системы рас- будут зависеть от их ориентации в просеивающих центров 1 и

2 - дифракционно не- странстве и существенным будет только различимы. расстояние между ними.

Следовательно, и при наличии двойниковых доменов в плоскости Си1-0 керамики УВа2Си307 модель смешанослойного поликристалла может быть использована для расчета распределения интенсивности рассеяния рентгеновских лучей. Но при этом физическая интерпретация параметров модели будет несколько иной, чем в классическом варианте теории рассеяния, и требует более детального рассмотрения проблемы.

Суммируя вышеизложенное, можно выделить следующие основные результаты данной работы:

1.uchi, У. et all. (1988). Jap. J. Appl. Phys. 27, no . 6 , L992-5.

2. Павлюхин, Ю.Т. и др. (1988). Изв.CO АН СССР, серия хим.наук. 17, вып.5, 101-6.

3. Kajitani, Т. et all. (1988). Jap.J.of Appl.Phys. 27, no.3, L354-7.

4. Junod, A. et all. (1988). Helvetica Physica Acta. 61, 460-9.1.eda, К et all. (1988). Jap.J.of Appl. Phys. 27, no. 2, L202-5.

5. Schafer, W. et all. (1988). Mat.Res.Bull. 23, 1439-45. Rupp, B. et all. (1988). Phys.C-V. 156, no.4, 559-65. Nakai, I. et all. (1987). Jap.J.of Appl. Phys. 26, no. 5, L788-90.1.umi, F. et all. (1987). Jap.J.of Appl. Phys. 26, no.5, L649-51.

6. Pietrasko, A. et all. (1988). Cryst.Res.Technol. 23, no.3. 351-7.

7. Renaît, A. et ail. (1987). Journ. Phys. ( Fr ) . 48, no . 9 , 1407-12.

8. Kamoras, K. et ail. (1987). Phys.Rev.Lett. 59, no.8. 919-22.

9. Onoda, M. et ail. (1987). Jap.J.of Appl. Phys. 26, no. 5. L876-8.

10. Torardi, C.C. et ail. (1987). Sol.St.Com. 64, no.4, 497-500.

11. Hatano, T. et ail. (1987). Jap.J.of Appl. Phys. 26, no.5, L721-3.

12. Katano, I. et ail. (1987). Jap.J.of Appl. Phys. 26, no.6, L1049-51.

13. Kiamui, J. et ail. (1988). Acta Phys. Pol. A73, no. 5, 759-65.

14. Beno, M.A. et ail. (1987). Appl.Phys.Lett. 51, no.l, 57-9.

15. Молчанов, В.H. и др. (1989). Письма в ЖЭТФ. 49, вып.4, 222-6.13 0 Молчанов, В.Н. и др. (1989). Тезисы докл.1 Всесоюзного совещания "Прецизионные структурные исследования кристаллов". Рига, 148-53.

16. Миткевич, В.В. и др. (1989). Физика низких температур. 15, по.2. 155-9.

17. Cava, R.J. et. all. (1988). Physica С. 156, 523.

18. Cava, R.J. et. all. (1990). Physica C. 165, 419.

19. Cava, R.J. et. all. (1987). Phys.Rev. B35, no.10, 5719-22.

20. Грабой, И.Е. и др . (1988). Физика твердого тела. 30, по.11, 3436-8.

21. Левин, А.А. и др. (1988). Тезисы 2го Всесоюзного совещания по ВТСП. Киев, 181-2.

22. Франк-Каменецкая, О.В. и др. (1989). Сб. :Высокотемпер. СП. ЛГУ. 1, 6-4 5.

23. Alario-Franco, M.A. et all (1988). Physica C. 156, no.4, 455-60.

24. Zandbergen, H.V. et all. (1988). Nature. 331, 596-9.

25. Beyers, R. et all. (1989). Physica C. 162-164, 548-9.

26. Reyes-Gasga, J. (1989). Sol.St.Com. 70, no.4, 269-73.

27. Inone, M. et all. (1987). Jap.J.of Appl.Phys. 26, no.12, L2015—17.

28. Kubo, I. & Igarashi, H. (1987). Jap.J.of Appl.Phys. 26, no.12. 1988-90.

29. Berero, A. et all. (1988). Physica C. 153-155, 598-601.

30. Berero, A. & de Fontaine, D. (1989). Phys.Rev. B39, no.10, 6727-36.

31. Lapinskas, S. et all. (1992). Oxygen ordering and superconducting temperature of YBa2Cu307+x. Physica C. 199, 91-4.

32. Jorgensen, J.D. et all. (1991). Physica C. 167, 571; 184, 185-9

33. Horiuchi, S. (1992). Distribution of Oxygen Atoms in a YBa2Cu306 4 Superconductor Visualised by Ultra-High-Resolution Electron Microscopy. Jpn.J.Appl.Phys. 31, 1335-1338

34. Aligia, A.A. & Garces, J. (1992). Physica C, 194, 223

35. Matic, V.M. (1992). Physica A. 184, 571

36. Zhang, X. & Catlow, C.R.A. (1992). Phys.Rev. B46, 457

37. Islam, M.S. (1990). Supercond.Sei.Technol. 3, 53128 de Fontaine, D., Ceder, G & Asta, M. (1990). Nature (London). 343, 106.29 de Fontaine, D. et all. (1992). Europhys. Lett. 19, no.3. 229-34.

38. Wille, L.T. & de Fontaine, D. (1988). Phys. Rev. B. 37, 2227 .

39. Stozle, J (1990). Phys.Rev.Lett. 64, 970.

40. Gould, H. & Tobochnik, J. (1996). Introduction to Computer Simulation Methods Applications to Physical Systems. Second edition. Addison-Wesley. 2

41. Gomer, R. (1990). Rep.Progr.Phys. 53, 917

42. Salomons, E. & de Fontaine, D. (1990). Phys.Rev. B41, 11159 .

43. Pekalski, A & Ausloos, M. (1994). Physica C. 226, 188

44. Adelman, D. et all. (1992). J" .Phys. -.Condens .Matt. 4, L585;

45. Uebing, C. & Gomer, R. (1991). J. Chem. Phys. 95, 7626

46. Sadiq, A & Binder, K. (1983). Surf.Sci. 128, 350.

47. Sterne, P & Wille, L.T. (1989). Physica C. 162, 223.

48. Andersen, N.H. et all. (1990). J. Less-Common Met. 164-165, 124.

49. Zubkus, V.E. (1989). Physica C. 159, 501.

50. Ceder, G. et all. (1990). Phys.Rev.B. 41, 8698.

51. Andersen, J.V. et all. (1990). Phys.Rev.B. 42, 283.

52. Pekalski, A. & Skwarek, K. (1996). Phys.Rev.B. 54, 4315.

53. Burdett, J.K. & Kulkarni G.V. (1989). Phys.Rev.B. 40, 8708 .

54. Ceder, G. et all. (1991). Phys.Rev.B. 44, 2377.

55. Дриц, В.A. & Сахаров, Б.A. (1976). Рентгеноструктурный анализ смешанослойных минералов. М.:Наука, 255с.

56. Drits, V.А. & Tchoubar, С. (1990). X-Ray Diffraction by Disordered Lammelar Structures. Berlin Heidelberg: Springer-Verlag, 371 p.

57. Дриц, В.А., Каменева, М.Ю. Б.А. Сахаров и др. (1993). Проблемы определения реальной структуры глауконитов и родственных тонкодисперсных филлосиликатов. Новосибирск: ВО "Наука". Сибирская издательская фирма. 200 с.

58. Сиротин, Ю.И. & Шаскольская М.П. (1979). Основы кристаллофизики. Учебное пособие. 2-е изд. М.:Наука, 640с.

59. Kakinoki, J. & Komura, Y. (1952). Intensity of X-ray diffraction by a one-dimensionally disordered crystal, I.

60. General derivation in the case of the «Reichweite» S = О and 1. J. Phys. Soc. Japan, 7.

61. Дриц, В.А., Сахаров, Б.А. и др. (1984). Распределение слоев в смешанослойных кристаллах одинакового состава. Кристаллография. 29, вып.2, 350-5.

62. Плансон, А., Сахаров, Б.А. и др. (1984). Дифракционные эффекты от гомогенной совокупности смешанослойных кристаллов. Кристаллография. 29, вып.4, 657-62.

63. Сахаров, Б.А., Гилан З.И., Дриц В.А. (1979). Рентгенография минерального сырья. Воронежский университет, 41с.

64. Кузнецов, A.B. & Фофанов А.Д. (1972) . О тождественности методов Дарвина и Эвальда-Лауэ (обобщение метода дарвина на любое число сильных волн). Известия ВУЗ. Физика. 4.

65. Иверонова, В.И. & Ревкевич Г.П. (1978). Теория рассеяния рентгеновских лучей. 2-е изд. М.:МГУ, 278с.

66. Cromer, D.T. & Mann, J.B. (1968). X-ray scattering factors computed from numerical Hartree-Fock wave functions. Acta Cryst. A24, 321

67. International Tables for X-ray Crystallography. (1992). Kluwer Acad. Publ., Dordrecht/Boston/London, vol.C.

68. Шиврин O.H. (1980). Дифракция рентгеновских лучей в кристаллах. Учебное пособие. Петрозаводский университет, 108с.

69. Tarascón, J.M. et all. (1988). Синтез высокотемпературных сверхпроводящих оксидов и химическое легирование в плоскостях Си-О. Высокотемпературные сверхпроводники. Под ред. Д. Нелсона, М. Уиттинхема, Т. Джорджа. М.:Мир, 238-55

70. Малиненко, В.П. и др. (1990). Анодное окисление высокотемпературного сверхпроводника УВа2Си3075. Письма в ЖТФ. 16, вып.10, 68-71

71. Алешина, Л.А. и др. (1991). Низкотемпературное электрохимическое управление стехиометрией и сверхпроводящими свойствами YBaCuO. СФХТ. 4, №2. 331-8

72. Сорокина, H.И. и др. (1993). Особенности строения сверхпроводящих монокристаллов YBa2Cu32 910О6 58 . Кристаллография, 38, вып.4, 61-7.

73. Выходец, В.Б. и др. (1994) Потенциальные барьеры при миграции меченных атомов кислорода в решетке YBa2Cu3075. ЖЭТФ. 106, вып.2(8). 64 8-62.

74. Runde, M. et al. (1992) Phys.Rev.B. 46, 3142.

75. Байков, Ю.М. и др. (1993). Влияние содержания кислорода в керамике YBa2Cu3078 на кинетику его термического выделения. ФТТ. 35, N6. 1457-66.

76. Алешина, JI.A. и др. (1991). Анализ результатов исследований структуры соединений системы Y—Ва-Си—О. ВИНИТИ. N942-B91.

77. Rietveld, H.M. (1969). A profile refinement method for nuclear and magnetic structures. J.Appl.Cryst. 2, no.l. 65-71.

78. Smith, D. & Gorter, S. (1991). Powder Diffraction Program Information 1990 Program List. J.Appl.Cryst. 24, 369-402.

79. Цыбуля, C.B. & Соловьева, JI.П. (1988). Программа уточнения структур по полному профилю рентгенограммы. Аппаратура и методы рентгеновского анализа. JI.: Машиностроение, вып. 38. 4 6-61.

80. Список публикаций по теме диссертации.

81. Иванов, А.А., Фофанов А.Д. & Курвина, А.В. (1994). Возможности рентгенодифракционного анализа итриевой керамики на основе модели смешанослойного кристалла. ВИНИТИ. N94 5-B94