Badania mikrostruktury nanokrysztaów

Nanokrysztay, bedac obiektami o granicznie maych rozmiarach, sprowadzaja wpyw innych, poza rozmiarem, czynników ksztatujacych profil linii dyfrakcyjnej do minimum. Umozliwia to bardzo dokadne badania mikrostruktury odsaniajace szczegóy niemozliwe do opisania przy pomocy grubych przyblizen, wówczas, gdy inne niz strukturalne czynniki silnie wpywaja na ksztat refleksów.

Metoda Warrena-Averbacha jest standardowa procedura wyznaczania sredniego rozmiaru krystalitów i rozkadu ich wielkosci. Jest ona oparta na furierowskiej analizie profilu linii dyfrakcyjnej. Na podstawie informacji zawartych w czesci teoretycznej pracy pokazemy, ze - podobnie jak równanie Scherrera - pracuje ona dobrze tylko dla proszków monodyspersyjnych, a wiec zakres jej praktycznych zastosowan jest waski. Ponadto - wbrew dosc rozpowszechnionej opinii - nie wyznacza ona bezposrednio rozkadu wielkosci ziaren proszkutypeset@protect @@footnote SF@gobble@opt Otrzymywany w metodzie Warrena-Averbacha rozkad dugosci kolumn komórek elementarnych, poza szczególnymi przypadkami, niezwykle trudno jest przeprowadzic w rozkad wielkosci ziaren [47]. Oba te rozkady sa jednak czesto utozsamiane, nawet w powaznych opracowaniach, np. [40, str.652], podczas gdy w oryginalnej pracy [4] o rozkadzie wielkosci ziaren nie ma mowy. . Paragraf 3.1 niniejszego rozdziau stanowi zarazem ilosciowa interpretacje wielkosci otrzymywanych z analizy Warrena-Averbacha i uzasadnienie porzucenia przez nas tej techniki w badaniach mikrostruktury nanoproszków.

Trzeba jasno powiedziec, ze rezygnacja z klasycznej metody Warrena-Averbacha nie jest spowodowana zadnymi szczególnymi wasnosciami fizycznymi nanokrysztaów, nieobecnymi w krysztaach wiekszych a majacymi wpyw na zjawisko dyfrakcji, których to wasnosci metoda nie uwzglednia. Przeciwnie, wyliczany na jej podstawie rozmiar jest równie dokadny dla wszystkich polikrysztaów: zarówno nano- jak i mikrometrowych. Problem polega na tym, ze nie jest to rozmiar srednitypeset@protect @@footnote SF@gobble@opt W paragrafie 3.1 pokazemy, ze zamiast momentu statystycznego rzedu 1 (czyli wartosci sredniej) rozkadu wielkosci ziaren, metoda Warrena-Averbacha wyznacza moment rzedu -1 nie majacy fizycznej interpretacji. . W nanokrysztaach atwo to dostrzec po poddaniu dyfraktogramów teoretycznych obliczonych ab initio klasycznej analizie mikrostrukturalnej.

W kolejnym paragrafie przedstawiono uzycie metod ab initio do okreslania mikrostruktury i jednowymiarowego nieuporzadkowania w nanoproszkach SiC, w oparciu o prezentowane w czesci teoretycznej zmodyfikowane równanie Debye'a oraz algorytmy genetyczne.

Jak powiedziano, klasyczne metody analizy danych rentgenowskich uzywane w badaniach mikrostruktury sa nieskuteczne w przypadku nanokrysztaów. Celem niniejszej pracy byo stworzenie takiego opisu dyfrakcji, który wprowadza parametry rozkadu wielkosci ziaren proszku explicite do wyrazen na natezenie ugietego promieniowania rentgenowskiego (rozdzia 2.3). Wzory na profil linii dyfrakcyjnej wyprowadzone w ramach tej pracy pozwoliy na opracowanie (§2.3.8) wygodnej i prostej metody `` FW${\frac{{1}}{{5}}}$/${\frac{{4}}{{5}}}$M'' wyznaczania penego rozkadu wielkosci ziaren na podstawie pomiaru szerokosci linii dyfrakcyjnych na ${\frac{{1}}{{5}}}$ i ${\frac{{4}}{{5}}}$ ich wysokosci.

Metoda `` FW${\frac{{1}}{{5}}}$/${\frac{{4}}{{5}}}$M'' zostaa wykorzystana do wykonania duzej liczby oznaczen rozkadu wielkosci ziaren nanoproszków SiC i diamentu syntezowanych róznymi technikami. Zbadano korelacje pomiedzy metoda otrzymywania materiau a postacia rozkadu wielkosci ziaren. Doswiadczalne wyznaczenie rozrzutu rozmiarów ziaren dla statystycznie istotnej liczby próbek, w poaczeniu z prezentowana wczesniej analiza stosowalnosci tradycyjnych metod badan mikrostruktury do proszków polidyspersyjnych, suzy ocenie przydatnosci tych metod w praktyce.

Pomiary rozpraszania niskokatowego nanokrysztaów sa technika komplementarna do badania profili refleksów bragowskich. Sa one gównym zródem informacji o fraktalnej mikrostrukturze nanoproszków. Ustalono wartosc masowego wymiaru fraktalnego oraz zbadano proces degeneracji (amania) fraktala w czasie wysokocisnieniowego zageszczania proszków SiC i diamentu.

Ostatnim doswiadczeniem opisanym w niniejszym rozdziale jest wysokocisnieniowa przemiana strukturalna nanokrysztaów GaN polegajaca na tworzeniu sie bedów uozenia. Zaproponowano prosty mechanizm relaksacji naprezen polegajacy na losowych przesunieciach warstw (0001) krysztau. Symulacja takiego procesu relaksacji poaczona z obliczeniami ab initio dyfraktogramów pozwala zrekonstruowac obserwowane doswiadczalnie linie dyfrakcyjne o asymetrycznych i zozonych profilach, a co za tym idzie - ilosciowo opisac przemiane strukturalna.

Zebrany materia doswiadczalny zosta pomyslany przede wszystkim jako ilustracja podanego w czesci teoretycznej opisu dyfrakcji proszkowej uwzgledniajacego ``najwazniejszy z defektów'' krysztau: jego brzeg. Rozdzia ten stanowi jednoczesnie przeglad informacji o mikrostrukturze nanokrystalicznych proszków SiC, diamentu i GaN oraz jej przemian pod wpywem wysokiego cisnienia.