Регистрация / Вход
Прислать материал

Структурные и рентгенодифракционные исследования кристалла бора в нормальных условиях и при высоких давлениях.

Номер контракта: 14.616.21.0049

Руководитель: Благов Александр Евгеньевич

Должность: с.н.с ИК РАН

Организация: Федеральное государственное учреждение "Федеральный научно-исследовательский центр "Кристаллография и фотоника" Российской академии наук"
Организация докладчика: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт кристаллографии им. А.В.Шубникова Российской академии наук

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
кристалл бора, кристаллическая структура, фазовые переходы, высокое давление, рентгеновская дифракция, синхротронное излучения, рентгеноструктурный анализ

Цель проекта:
Главной задачей проекта является проведение прецизионных исследований кристаллической структуры уникального высококачественного монокристалла β-бора (по нашим данным не имеющего мирового аналога) с применением методов рентгеноструктурного анализа, изучение особенностей дефектной структуры и макроструктурной организации с помощью высокоразрешающих рентгеновских методов, наблюдение структурных изменений индуцированных высоким давлением, а также поиск и изучение образования других фаз при высоких давлениях. Для решения поставленной задачи в рамках настоящего проекта будут проведены работы по уточнению и подтверждению предварительных структурных данных (полученных на лабораторном рентгеновском источнике) с использованием высокопрецизионных методов и оборудования экспериментальной станции SNBL европейского центра синхротронного излучения (ESRF). Полученные в ходе выполнения проекта экспериментальные результаты позволят уточнить имеющиеся структурные данные, а исследования поведения кристаллической решетки в условиях высоких давлений позволят детально изучить процессы фазовых переходов, при условии их обнаружения (в соответствии с литературными данными ожидается переход β-бора в α- и γ-фазы). Исследования структуры монокристаллического β-бора представляют значительный интерес благодаря его уникальным свойствам (таким как твердость, высокая температура плавления, теплопроводность, полупроводниковые свойства и т.д.), что является перспективным для решения задач рентгеновской и нейтронной оптики, разработки устройств микроэлектроники для работы в экстремальных условиях (которые могли бы заменить карбид кремния). К настоящему времени многочисленные измерения проведены на малых образцах, в которых возможно сосуществование различных фаз в силу способности бора образовывать новые соединения с малыми примесями других элементов. В настоящей работе планируется использовать уникальный кристалл, полученный безтигельным методом, обеспечивающим высокую чистоту, фазовую однородность и качество кристалла. Это подтверждено предварительными исследованиями на лабораторном рентгенодифракционном оборудовании, которые показали, что данный кристалл представляет собой тригональную модификацию β-бора, при этом иных фаз обнаружено не было. Целью проекта являются структурные и рентгенодифракционные исследования кристалла бора в нормальных условиях и при высоких давлениях.

Основные планируемые результаты проекта:
Будут получены прецизионные данные о структуре монокристалла бора (β-модификации) в лабораторных условиях и с использованием синхротронного излучения.
Будут проведены рентгенодифракционные исследования совершенства структуры монокристаллического бора с применением методов картирования обратного пространства и высокоразрешающей дифрактометрии.
Совместно с иностранным партнером и при использовании синохротронного излучения будут проведены рентгеновские исследования поведения структуры монокристалла бора в условиях высоких давлений и исследования других кристаллических фаз бора (α- и γ-бор, при условии их обнаружения), возникающих в результате структурных превращений в исследуемом кристалле.

Уточнение структуры β–фазы бора должно быть проведено с R-фактором не более 6;
Точность измерения степени гомогенности кристалла должна быть не хуже 0,01 %;

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Впервые в мире будут проведены локальные рентгенодифракционные исследования дефектной структуры монокристалла β-бора в нормальных условиях. Ожидается, что, несмотря на высокое совершенство имеющегося образца, будет наблюдаться кластеризация его структуры, при этом из полученных результатов будут определены характерные размеры и степень неоднородности.
С использованием алмазных наковален на станции SNBL будут проведены рентгенодифракционные эксперименты в условиях высоких давлений, направленные на создание и изучение описываемых в литературе структурных превращений β-бора в α- и γ-фазы при увеличении давления.
Такие исследования с использованием массивного кристалла (исходный кристалл диаметром около 4.5 мм, длиной 48.7 мм) будут проведены впервые, а полученные результаты могут способствовать развитию новых технологий, основанных на использовании монокристаллов β- бора, обладающих уникальными свойствами (теплопроводность, твердость, высокая температура плавления, радиационная стойкость и т.д.) для создания рентгеновской и нейтронной оптики, а также микроэлектронных устройств, работающих в экстремальных условиях.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Ввиду уникальных свойств монокристаллического бора (высокая температура плавления,теплопроводность, твердость, полупроводниковые свойства и т.д.) изделия, разработанные с его применением (например, подложки для микроэлектроники и элементы рентгеновской оптики), будут востребованы во многих научных центрах, проводящих разработки в области микро- и наноэлектроники, а так же в научных центрах, применяющих рентгеновское излучение, в лабораториях и на синхротронных источниках.
Важно отметить, что получение массивных монокристаллов бора (сантиметрового размера) представляет трудоемкую задачу, пути решения которой недавно были найдены сотрудниками Института кристаллографии РАН. В проекте предполагается изучение совершенства кристаллической структуры, выращенных в процессе отработки технологии роста, монокристаллов β-бора.
Выполнение проекта будет содействовать, в частности, решению задач современного
материаловедения. В качестве первого шага в этом направлении будут, совместно с иностранным партнером, изучены монокристаллы β-бора при различных давлениях.

Возможными потребителями ожидаемых результатов будут исследовательские центры и промышленные предприятия, специализирующиеся в области разработки и производства микро- и нанотехнологических устройств и систем. Предприятия, нуждающиеся в средствах неразрушающего контроля производимой продукции на микроуровне.
В настоящее время кристаллический бор существует в виде кристаллов субмиллиметрового размера и пригоден только для исследовательских задач. Одним из возможных путей решения - организация производства изделий из монокристаллического бора на основе предложенных в Институте кристаллографии РАН технологий роста. При положительных результатах дальнейшей отработки методов роста возможно создание технологической линии производства кристаллических элементов, например, для электронной промышленности.
Ввиду уникальности разработанных технологий данные изделия могут быть востребованы на международной арене. Результаты структурных исследований кристалла бора при высоких давлениях могут быть использованы для создания элементов микроэлектронных устройств,
работающих в экстремальных условиях.

Текущие результаты проекта:
На сегодняшний день в рамках проекта получены следующие результаты:
1. Проведен предварительный рентгеноструктурный анализ кристалла β-бора при нормальных условиях на лабораторном источнике рентгеновского излучения. Проведено уточнение структуры исследуемого образца .
2. С целью исследования дефектной структуры кристалла измерены карты обратного пространства вблизи узла обратной решетки.
3. Совместно с иностранным партнером в Европейском центре синхротронного излучения проведены исследования методами порошковой дифрактометрии и рентгеноструктурного анализа кристалла β-бора при нормальных условиях.
4. Совместно с иностранным партнером проведены исследования методом порошковой дифрактометрии кристалла β-бора при высоких давления вплоть до 8 ГПа.