Уникальная чувствительность зависимостей картин многократного брэгговского и диффузного рассеяния от различных условий дифракции к характеристикам дефектов была обнаружена в [1]. Комбинированная обработка необходимых наборов этих зависимостей обеспечивает исключительную информативность диагностики. Показано, что в эксперименте в различных условиях дифракции это проявляется как многообразность динамической картины рассеяния при фиксированной дефектной структуре кристалла. При этом указанная многообразность оказывается индивидуальной для каждого типа дефектов в кристаллах. В результате появляется возможность рассмотрения рентгеновских или нейтронных дифракционных измерений для одного образца с несколькими типами дефектов, полученных в разных условиях динамической дифракции, в качестве независимых экспериментальных данных, что позволяет однозначно решать многопараметрическую обратную задачу рассеяния - восстанавливать параметры одновременно нескольких типов дефектов, присутствующих в кристаллах, по нескольким картинам дифракции. Решение указанной многопараметрической задачи для систем со сложной дефектной структурой путем совместной обработки необходимого набора независимых экспериментальных данных положено в основу нового поколения кристаллографии - многопараметрической диффузно-динамической комбинированной дифрактометрии, которая обосновывается и развивается.

Разработана комбинированная модель диффузно-динамической дифракции рентгеновских лучей в многослойных кристаллических структурах. На основании динамической теории рассеяния в кристаллах с дефектами получены выражения для интенсивностей брэгговских и диффузных волн в многослойной структуре с дефектами для случая рассеяния в геометриях дифракции по Лауэ и Брэггу с учетом эффектов перерассеяния между слоями. Показаны пути решения проблемы однозначной многопараметрической диагностики многослойных систем на основании разработанной модели при совместной обработке независимых экспериментальных данных, полученных в различных условиях динамической дифракции.

Построена модель диффузно-динамической двухосевой дифрактометрии многослойных систем на подложке с дефектами нескольких типов, комбинирующая четыре экспериментально реализуемых случая условий дифракции: геометрии дифракции по Брэггу и Лауэ для прямого (в первой части работы) и для обратного (во второй части) рассеяния. Установлен эффект изменения избирательности чувствительности картины многократного рассеяния к дефектам какого-либо одного из нескольких типов к избирательности чувствительности к другому типу дефектов в многослойных системах при вариациях условий динамической дифракции. На основании созданной модели экспериментальных кривых отражения, полученных в различных рассмотренных случаях динамической дифракции, и установленного эффекта изменения избирательности чувствительности предложены принципы однозначного решения обратной задачи рассеяния при многопараметрической диагностике. В результате созданы основы многопараметрической кристаллографии многослойных наносистем.

Раскрыта физическая природа и разработаны принципы практического применения обнаруженного недавно явления уникальной структурной чувствительности и информативности зависимостей от условий дифракции картины многократного брэгговского и диффузного рассеяния рентгеновских лучей, нейтронов, электронов и других заряженных частиц в монокристаллах с дефектами. Это явление принципиально отсутствует при однократном рассеянии, т.е. в случае кинематической дифракции. Показывается, что эта обнаруженная по существу зависимость от условий дифракции характера влияния дефектов на картину динамического рассеяния проявляется как уникально чувствительная к дефектам многообразность картины при ее экспериментальном наблюдении в различных дифракционных условиях. Утверждается, что это явление обусловлено формированием кристаллом с дефектами в процессе многократного рассеяния самоорганизованных стоячих брэгговского и диффузных волновых полей, управляемых условиями дифракции и зависящих от характеристик дефектов. Формирование такого зонда с атомно-размерной периодичностью и соответствующей уникальной разрешающей способностью обеспечивает сильную зависимость характера последующего многократного взаимодействия кристалла с этим волновым полем от их взаимной локализации, которые (и взаимодействие, и локализация) управляются как условиями дифракции, так и характеристиками дефектов. В результате динамическая картина рассеяния оказывается зависящей от условий дифракции и характеристик дефектов взаимосвязанным образом (в отличие от кинематического случая).

Созданы основы комбинированной интегральной динамической дифрактометрии соизмеримых с длиной экстинкции дефектов, которые могут быть неравномерно распределены по глубине в кристаллах.

Созданы теоретические и экспериментальные основы комбинированной интегральной динамической дифрактометрии многопараметрических материалов с неоднородно распределёнными дефектами нескольких типов и нарушенными поверхностными слоями, размеры которых (дефектов и слоев) могут быть соизмеримыми с длиной экстинкции.

Созданы физические основы и, в результате, новый комбинированный метод рентгеноакустической неразрушающей количественной и впервые многопараметрической диагностики микродефектов нескольких типов в монокристаллах. Разработанная для этой цели теоретическая модель использует открытое авторами явление уникальной чувствительности к характеристикам дефектов как полной интегральной интенсивности динамической дифракции, так и характера ее зависимостей от дифракционных условий, в частности, зависимостей от амплитуды ультразвуковых колебаний. При этом чувствительность и информативность этих зависимостей существенно усиливаются целенаправленным комбинированием измерений в различных других условиях дифракции. Такая возможность принципиально отсутствует при кинематическом рассеянии.

Показаны возможности комбинированной интегральной динамической дифрактометрии для исследования неравномерно распределённых радиационных дефектов, соизмеримых с длиной экстинкции, и эволюции их характеристик в зависимости от дозы облучения.

Построена теория многократного (динамического) рассеяния излучений в некристаллических объектах, в частности, медико-биологических, с самосогласованным учётом преломления, поглощения и экстинкции лучей на основе решений уравнений Шредингера или Максвелла в импульсном представлении в рамках теории возмущений с использованием в качестве малого параметра отношения потенциальной энергии взаимодействия излучения с объектом к кинетической энергии рассеиваемых частиц. Эта теория необходима для создания теоретических основ решения обратной задачи рассеяния по интерпретации изображений медицинских объектов рекордно малых (микронных) размеров, наблюдаемых за счёт использования явления преломления лучей вместо поглощения.

Построена теоретическая трехосевая модель динамического рассеяния и формирования изображений некристаллических (медико-биологических) объектов с учетом эффектов многократности рассеяния, как в объекте (в частности, эффекта преломления, описываемого только в рамках динамической теории), так и в монокристаллах монохроматора и анализатора, для которых также учтена возможность присутствия и при этом как однородно, так и неоднородно распределенных микродефектов и макродеформаций. Показана возможность существенного повышения информативности медицинской диагностики на основе использования созданной модели.

Обсуждено открытое и количественно обоснованное авторами неизвестное ранее явление усиления на несколько порядков величины проявления дефектов в статистической картине многократного рассеяния. Установлена дисперсионная природа этого явления. Показано, что в отличие от случаев традиционно применяемой статистической кинематической теории (приближение однократного рассеяния), в которой дефекты проявляют свое влияние только на амплитуды рассеянных волн (амплитуды рассеяния), при многократном (динамическом) рассеянии дополнительно "включается" принципиально новый механизм влияния искажений не на амплитуды, а на волновые вектора рассеянных волн. Обнаруженный механизм оказался, во-первых, экспоненциально более существенным, т.к. дефекты влияют непосредственно на показатель экспоненты (на фазу волновой функции), и, во-вторых, характер этого влияния дефектов оказался управляемым условиями дифракции (длина волны, толщина объекта, геометрия и углы дифракции и др.). В результате открытое явление и его дисперсионная природа позволили авторам статьи существенно расширить функциональные возможности диагностики и создать целый ряд методов нового поколения. Они не только на несколько порядков величины повысили чувствительность, но и позволили решить проблему однозначной диагностики многопараметрических систем путем комбинирования измерений картины многократного рассеяния в различных условиях дифракции.

Проведено обсуждение открытого авторами неизвестного ранее явления усиления на несколько порядков величины проявления дефектов в статистической картине многократного рассеяния, возможностей использования этого явления, а также установленной авторами его дисперсионной природы. Отмечено, что в отличие от статистической кинематической теории (приближение однократного рассеяния), в которой дефекты проявляют свое влияние только на амплитуды рассеянных волн (амплитуды рассеяния), при многократном (динамическом) рассеянии дополнительно формируется принципиально новый механизм влияния искажений не на амплитуды, а на волновые вектора рассеянных волн. Обнаруженный механизм экспоненциально более эффективный за счет влияния дефектов непосредственно на показатель экспоненты (на фазу волновой функции), а характер этого влияния дефектов оказывается управляемым условиями дифракции (длина волны, толщина объекта, геометрия и углы дифракции и др.). В случае наиболее простой и экспрессной интегральной дифрактометрии обсуждаются установленные ранее авторами два закона сохранения (т.е. независимости от характеристик искажений кристаллов) первого параметра кинематической теории интегральных интенсивностей, а именно, полной (брэгговской и диффузной) интегральной интенсивности рассеяния, и сохранения (т.е. независимость от условий дифракции) второго параметра кинематической теории интегральных интенсивностей, а именно, вклада диффузной составляющей в полную интегральную интенсивность. Демонстрируется, что эти законы оказываются справедливыми в случае кинематического рассеяния и существенно ограничивают чувствительность и информативность кинематической картины рассеяния. В то же время обнаруженный дисперсионный механизм влияния дефектов на картину многократного рассеяния приводит к ориентационо-интерференционным эффектам в отражательной и поглощательной способностях кристаллов, что обусловливает нарушение этих законов сохранения при переходе к случаям многократного рассеяния и обеспечивает этим уникальные показатели чувствительности и информативности диагностики на основе измерений полной интегральной интенсивности динамической дифракции и ее диффузной составляющей, а также их зависимостей от дифракционных условий. В результате открытое явление и целый ряд являющихся следствием из него эффектов, а также их дисперсионная природа позволили существенно расширить функциональные возможности диагностики и создать целый ряд методов нового поколения, которые не только на несколько порядков величины повысили чувствительность, но и позволили решить проблему однозначной диагностики многопараметрических систем путем комбинирования измерений картины многократного рассеяния в различных условиях дифракции.

Індекс рубрикатора НБУВ: В372.1 + В372.31 + В375.147

Рубрики:

Структурний аналіз твердих тіл

Дефекти

Вирощування кристалів. Вирощування монокристалів

Шифр НБУВ: Ж14161 Пошук видання у каталогах НБУВ 

В предыдущей работе авторов обсуждалось открытое ими неизвестное ранее явление управляемого условиями дифракции дисперсионного усиления на несколько порядков величины (в сравнении с традиционным кинематическим случаем диагностики) проявления дефектов в статистической картине динамического (многократного) рассеяния. В данной работе обсуждены наиболее важные следствия из этого открытого явления, которые обеспечили возникновение эффектов чувствительности (и при этом уникальной) к несовершенствам кристаллов полной (брэгговской и диффузной) интегральной интенсивности динамической дифракции (ПИИДД) и аномального вклада ее диффузной составляющей, а также чувствительности к характеристикам дефектов появившихся сильных зависимостей ПИИДД от условий дифракции. Обсуждены новые возможности и примеры использования измерений ПИИДД, вклада ее диффузной составляющей и их зависимостей от различных условий динамической дифракции для неразрушающей экспрессной высокочувствительной и информативной диагностики несовершенств структуры многопараметрических систем.

Построены полуфеноменологические теоретические модели деформационных зависимостей (ДЗ) полной (брэгговской и диффузной) интегральной интенсивности динамической дифракции (ПИИДД) в кристаллах с дефектами нескольких типов для достаточно высокой степени упругой деформации в различных условиях дифракции. Показана достаточная избирательность чувствительности этих ДЗ ПИИДД к тому типу дефектов, который дает определяющий вклад в ПИИДД в выбранных условиях дифракции и интервалах изменения степени упругой деформации. Это создает основу для решения проблемы диагностики многопараметрических систем путем управления этой избирательностью ДЗ ПИИДД при комбинированном подходе. Приведены результаты практической реализации разработанного подхода.

Построена обобщенная модель дисперсионно чувствительной дифрактометрии неидеальных кристаллов, позволяющая проводить анализ дифференциальных и интегральных картин рассеяния для произвольных эффективных толщин кристалла. Введен параметр, характеризующий эффект аномального роста относительного вклада диффузного рассеяния. Предложенная теоретическая модель может обеспечить решение обратной многопараметрической задачи восстановления характеристик сложных дефектных структур в монокристаллах, применяемых в современных нанотехнологиях.

Получены выражения для динамического фактора Кривоглаза - Дебая - Валлера с учетом дисперсионного механизма проявления дефектов в картине многократного рассеяния. Показано существенное отличие динамического и кинематического факторов, что важно учитывать при построении самосогласованной динамической теории рассеяния. Установлена зависимость динамического фактора от условий дифракции. Такая зависимость обуславливает дополнительное влияние условий дифракции на характер зависимости картины рассеяния от характеристик и типа дефектов в кристалле, и его учет впервые позволит количественно адекватно разделять их вклад в интенсивность и существенно повышать информативность и надежность диагностики.

Проведен квантово-механический количественный анализ возможностей повышения чувствительности и информативности картины многократного рассеяния к несовершенствам структуры кристаллов за счет использования дисперсионных эффектов колоссального усиления структурно чувтвительных зависимостей дифракционной картины от различных условий дифракции. Установлено появление за счет дисперсионного механизма эффектов взаимосвязанности указанных зависимостей картины от различных условий между собой и с зависимостями от характеристик дефектов и в результате изменения избирательности чувствительности этих зависимостей к дефектам какого-либо типа при вариации условий дифракции. Это существенно расширило возможности применения целенаправленно комбинированной обработки дифрактометрических данных в различных условиях дифракции для повышения информативности многопараметрической диагностики.

На основе построенной в первой части работы обобщенной модели дисперсионночувствительной дифрактометрии неидеальных кристаллов произвольной толщины проведен анализ дифференциальных и интегральных картин рассеяния для широкого интервала эффективных толщин кристалла. Установлены дисперсионная природа и количественные особенности управляемого условиями дифракции изменения относительного вклада диффузного рассеяния, в частности, в зависимости от эффективной толщины динамически рассеивающего неидеального монокристалла, а также продемонстрированы возможности существенного повышения за счет увеличения этого вклада информативности и чувствительности динамической дифрактометрии дефектов. Показано, что максимальные информативность и чувствительность к дефектам за счет роста этого вклада наблюдаются в области промежуточных значений эффективной толщины кристалла. Даны практические рекомендации по выбору оптимальных комбинаций условий динамической дифракции и различных методик (интегральных и дифференциальных), обеспечивающих решение обратной многопараметрической задачи восстановления параметров сложных дефектных структур в монокристаллических изделиях современных нанотехнологий.

Построена обобщенная теоретическая модель формирования трехосевым способом фазоконтрастных изображений неоднородных некристаллических объектов произвольной формы. В модели самосогласованно учтены аналитически эффекты полной многократности рассеяния ентгеновских лучей как на периодических или постоянных (однородных в среднем), так и впервые на флуктуационных составляющих восприимчивости объектов. При этом учтена полная многократность и в монокристаллах монохроматора и анализатора, и в исследуемом объекте. Использование модели и разработанных на ее основе фазовариационных принципов формирования и интерпретации изображений позволяет аналитически описать наблюдаемое экспериментально повышение на несколько порядков чувствительности и обеспечивает возможность решения обратной задачи и при этом проблемы информативности неразрушающей многопараметрической диагностики.