Расширение возможностей анализа структуры и субструктурных характеристик нанокристаллических конденсированных и массивных материалов квазибинарной системы W2B5-tib2 при использовании программы обработки рентгендифракционных данных “New_profile”

Для обработки результатов рентгендифрактометрических исследований нанокристаллических ионно-плазменных конденсатов квазибинарной W2B5-TiB2 системы предложено использовать программный пакет, включающий комплекс средств предварительной обработки дифракционных спектров, позволяющий производить выбор ап...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2008
Hauptverfasser:	Решетняк, М.В., Соболь, О.В.
Format:	Artikel
Sprache:	Russisch
Veröffentlicht:	Науковий фізико-технологічний центр МОН та НАН України 2008
Online Zugang:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/7885
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Расширение возможностей анализа структуры и субструктурных характеристик нанокристаллических конденсированных и массивных материалов квазибинарной системы W2B5-tib2 при использовании программы обработки рентгендифракционных данных “New_profile” / М.В. Решетняк, О.В. Соболь // Физическая инженерия поверхности. — 2008. — Т. 6, № 3-4. — С. 180-188. — Бібліогр.: 12 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

_version_	1860253532248080384
author	Решетняк, М.В. Соболь, О.В.
author_facet	Решетняк, М.В. Соболь, О.В.
citation_txt	Расширение возможностей анализа структуры и субструктурных характеристик нанокристаллических конденсированных и массивных материалов квазибинарной системы W2B5-tib2 при использовании программы обработки рентгендифракционных данных “New_profile” / М.В. Решетняк, О.В. Соболь // Физическая инженерия поверхности. — 2008. — Т. 6, № 3-4. — С. 180-188. — Бібліогр.: 12 назв. — рос.
collection	DSpace DC
description	Для обработки результатов рентгендифрактометрических исследований нанокристаллических ионно-плазменных конденсатов квазибинарной W2B5-TiB2 системы предложено использовать программный пакет, включающий комплекс средств предварительной обработки дифракционных спектров, позволяющий производить выбор аппроксимирующей функции с последующим ее использованием в случае необходимости разделения сложного профиля накладывающихся дифракционных пиков, а также удобную для использования электронную базу сравнения. Выявлено, что в конденсатах квазибинарной системы W2B5-TiB2 при отношении Ti/W < 0,5 формируется двухфазное состояние, где помимо твердого раствора (W,Ti)B2 присутствует вторая І-WB фаза с меньшим содержанием бора по сравнению с распыляемой диборидной мишенью. Показано, что с увеличением толщины конденсата происходит повышение структурного совершенства формирующихся кристаллитов, выражающееся в увеличении их среднего размера и уменьшении величины микродеформации решетки. Для обробки результатів рентгендифрактометричних досліджень нанокристалічних іонноплазмових конденсатів квазібінарної W2B5-TiB2 системи запропоновано використовувати програмний пакет, що включає комплекс засобів попередньої обробки дифракційних спектрів, зручну для використання електронну базу порівняння, а також дозволяє робити вибір апроксимуючої функції з наступним її використанням у випадку необхідності поділу складного профілю дифракційних піків, що накладаються. Виявлено, що у конденсатах квазібінарної системи W2B5-TiB2 при відношенні Ti/W <0,5 формується двохфазний стан, де крім твердого розчину (W,Ti)B2 присутня друга β-WB фаза з меншим вмістом бору у порівнянні з диборідною мішенню, що розпилюється. For treatment of X-ray diffraction results on ionplasma W2B5-TiB2 quasi-binary nano-crystalline condensates, the program package was proposed including both a complex of means for diffraction spectra preliminary treatment allowing selection of approximation function applied, if necessary, for resolution of complex profile with overlaid diffraction peaks, and easy-to-use electronic bases of comparison. In W2B5-TiB2 quasi-binary condensates with Ti/W <0.5, the formation of two-phase state was revealed, where besides (W,Ti)B2 solid solution, the second β-WB phase exists with less boron content comparing to sputtered diboride target. It was shown, with increasing condensate thickness, structure perfection is improved that manifested both in growing crystallite average size and decreasing lattice micro-strain.
first_indexed	2025-12-07T18:46:17Z
format	Article
fulltext	ФІП ФИП PSE, 2008, т. 6, № 3-4, vol. 6, No. 3-4180 ВВЕДЕНИЕ Получение материалов в условиях сильной неравновесности этого процесса сформиро- валось в последние годы, как новое направле- ние для создания материалов с уникальным структурным состоянием и высокими физи- ко-механическими (функциональными) свой- ствами. Среди различных методов формиро- вания структурного состояния материалов в таких условиях наибольшее развитие полу- чил метод сверхбыстрого охлаждения, и в частности, одна из наиболее используемых в последние годы его разновидность – осаж- дение материала из ионно-плазменных по- токов в вакууме с высокой скорость термали- зации пленкообразующих частиц. В этой связи необходимым стало дальней- шее развитие методов анализа состава и структуры формируемого материала и мате- матической обработки полученных результа- тов. Применение в этом случае рентгендиф- ракционных методов давно доказало свою эффективность, однако уровень програм- много обеспечения используемый в настоя- щее время для обработки полученных резуль- татов, нуждается в постоянном обновлении и повышении универсализации и точности вычислительной базы. В работе на примере комплексного анализа результатов рентгендифракционных исследо- ваний, заключающегося в изучении по полу- ченным дифракционным спектрам фазового состава, структурного состояния и субструк- турных характеристик ионно-плазменных конденсатов W2B5-TiB2 квазибинарной сис- темы, апробированы возможности использо- вания разработанного с этой целью оригина- льного программного пакета “New_profile”, его отладка и оптимизация применительно к наноструктурированному состоянию конден- сированного материала. ОБРАЗЦЫ И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ Образцами служили конденсаты квазиби- нарной системы W2B5-TiB2, полученные маг- нетронным распылением горячепрессован- ных мишеней в среде распыляющего газа ар- УДК 538.91:548.73: 539.234 РАСШИРЕНИЕ ВОЗМОЖНОСТЕЙ АНАЛИЗА СТРУКТУРЫ И СУБСТРУКТУРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ КОНДЕНСИРОВАННЫХ И МАССИВНЫХ МАТЕРИАЛОВ КВАЗИБИНАРНОЙ СИСТЕМЫ W2B5-TiB2 ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ПРОГРАММЫ ОБРАБОТКИ РЕНТГЕНДИФРАКЦИОННЫХ ДАННЫХ “NEW_PROFILE” М.В. Решетняк, О.В. Соболь Национальный технический университет «Харьковский политехнический институт» МОН Украины Украина Поступила в редакцию 11.12.2008 Для обработки результатов рентгендифрактометрических исследований нанокристаллических ионно-плазменных конденсатов квазибинарной W2B5-TiB2 системы предложено использовать программный пакет, включающий комплекс средств предварительной обработки дифрак- ционных спектров, позволяющий производить выбор аппроксимирующей функции с после- дующим ее использованием в случае необходимости разделения сложного профиля наклады- вающихся дифракционных пиков, а также удобную для использования электронную базу сравнения. Выявлено, что в конденсатах квазибинарной системы W2B5-TiB2 при отношении Ti/W < 0,5 формируется двухфазное состояние, где помимо твердого раствора (W,Ti)B2 присутствует вторая І-WB фаза с меньшим содержанием бора по сравнению с распыляемой диборидной мишенью. Показано, что с увеличением толщины конденсата происходит повышение структурного со- вершенства формирующихся кристаллитов, выражающееся в увеличении их среднего размера и уменьшении величины микродеформации решетки. ФІП ФИП PSE, 2008, т. 6, № 3-4, vol. 6, No. 3-4 181 гона при давлении 0,2 ÷ 0,4 Па. Осаждение производилось на нагреваемые кремниевые подложки при средней температуре конденса- ции (Тк) 970 К. Анализ элементного состава проводился методом рентгенфлуоресцентной спектро- скопии на спектрометре СПРУТ-2. В качест- ве первичного возбуждающего излучение использовалось излучение рентгеновской трубки прострельного типа с Ag анодом при U = 42 кВ. Рентгендифрактометрические исследова- ния проводились на дифрактометре ДРОН-3 в фильтрованном излучении Cu (фильтр – Ni) и Fe (фильтр – Mn) по схеме θ-2θ с фокуси- ровкой по Брэггу-Брентано. Использовалась регистрация в дискретном режиме с шагом ∆(2υ) = 0,01 ÷ 0,1°, при времени экспозиции в точке 40 ÷ 100 с. Обработка полученных рентгендифрактометрических данных осу- ществлялась с использованием програмного пакета “New_profile”. ПРОГРАММНЫЙ ПАКЕТ “NEW_PROFILE” ДЛЯ ОБРАБОТКИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ Функциональная схема программного пакета “New_profile” приведена на рис. 1. Все функ- ции пакета можно условно разделить на не- сколько групп: ввод-вывод данных, предвари- тельная обработка, работа с профилями ли- ний, анализ структуры и субструктуры и вспо- могательные операции. Большая часть рас- четных процедур имеет универсальный ха- рактер и может использоваться для различ- ных видов анализа. Однако, основная направ- ленность этого программного пакета – об- работка рентгендифракционных данных. Для предварительной обработки таких данных обязательными являются следующие этапы : сглаживание, отделение фона (в программе заложено три различных метода отделения фона) и исключение Кα2 – составляющей дуб- лета (основной вариант – по методу Речин- гера [1]). Сглаживание экспериментальных данных является одной из наиболее важных операций предварительной обработки результатов рентгенодифрактометрических исследова- ний, так как при проведении любого экспе- римента получаемые данные могут сущест- венно отличаться от реальной зависимости из-за наложения на полезный сигнал шумов различного происхождения. Если экспери- ментальный шум обусловлен инструмента- льной погрешностью, то в большинстве слу- чаев его величина может быть уменьшена чисто техническими мерами. Однако в рент- геновском эксперименте основной причиной шума является сама статистическая природа рентгеновского излучения. Регистрируемая скорость счета импульсов подчиняется ста- тистике Пуассона, и оценка ошибки измере- ния может быть получена по формуле [2]: N=σ , (1) где σ – ошибка измерения, N – скорость счета импульсов. Для десятикратного уменьшения шума не- обходимо в сто раз увеличить число импуль- сов, набираемых в каждой точке спектра. Та- ким образом, техническое сглаживание шу- мов связано с очень большим увеличением времени рентгеновского эксперимента. В то же время анализ с использованием производ- ных, возможен только для достаточно глад- ких спектров. Это обуславливает необходи- мость предварительной обработки для сгла- живания (цифровой фильтрации) получен- ных экспериментальных данных. Простейший способ цифровой фильтра- ции, реализованный в данной программе, на- Рис. 1. Функциональная схема программного пакета «New_Profile». М.В. РЕШЕТНЯК, О.В. СОБОЛЬ ФІП ФИП PSE, 2008, т. 6, № 3-4, vol. 6, No. 3-4182 зывается “скользящее среднее”. Сглажива- ние шумов осуществляется путем проведения кривой, наиболее близко расположенной ко всем полученным в эксперименте точкам. Взяв ряд с нечетным числом точек, в резу- льтате такой процедуры получают сглажен- ное значение для средней точки ряда. Оно является наилучшим для выбранной группы точек и выбранной аппроксимирующей функ- ции. Сместившись на одну точку, можно най- ти сглаженное значение для следующей точки и т. д. В простейшем случае, используется ли- нейное приближение. Тогда средняя точка ря- да вычисляется как среднее арифметическое ординат всех точек входящих в группу. При этом сглаживание, проводимое с помощью линейного цифрового фильтра, позволяет снизить уровень шумов на величину, прибли- зительно равную корню квадратному из числа используемых точек. Число точек следует вы- бирать таким, чтобы в любой интервал сверт- ки включалась не более чем одна точка пере- гиба. В то же время линейный фильтр иска- жает и полезный сигнал. В частности, сни- жается пиковая интенсивность. Кроме линей- ного цифрового фильтра в программе “New_Profile” реализовано кубическое поли- номиальное сглаживание. Экспериментальные данные могут быть обработаны и с использованием концепции свертки. Однако возникает задача нахожде- ния такого способа свертки, который приво- дил бы к сглаживанию флуктуации, но не вы- зывал уменьшения интенсивности в макси- муме. Поэтому в ряде случаев целесообразно использовать нелинейной методы, например медианную фильтрацию. Важным преимуществом медианной филь- трации является способность к удалению им- пульсных помех практически без искажения плавно изменяющихся последовательностей значений сигнала, длительность которых пре- вышает половину длины апертуры медиан- ного фильтра. Одномерный медианный фильтр представляет собой “скользящее ок- но” протяженностью N отсчетов, в котором центральный элемент заменяется медианой. Согласно данным [3], для стационарного случайного процесса медианный фильтр с апертурой N ≥ 5 имеет характеристики, близ- кие к методу “скользящее среднее” (рис. 2). Недостатком этого способа является появле- ние искажения профиля типа “ступенька”. Наиболее эффективным и универсальным способом сглаживания является представле- ние произвольной функции в виде рядов Фу- рье. Ряды Фурье представляют собой триго- нометрические многочлены, построенные на основе периодической базисной функции – синусоиды. Благодаря этому ряды Фурье спо- собны приближать периодические функции. В основе представления периодического сиг- нала y(t) рядом Фурье лежит соотношение [4]: y(t) ∼ itn N n n ec ⋅∑ =0 , (2) где i – мнимая единица. Функция y(t) является суммой произведений синусоид, представ- ленных членом eitn, на коэффициенты Фурье cn, которые вычисляются как: dtetyc itn n − π ∫π = 2 0 )( 2 1 . (3) К недостаткам представления преобразо- ванием Фурье произвольных сигналов и функций можно отнести: • неприменимость к анализу нестационар- ных сигналов; • базисной функцией при разложении в ряд является гармоническое колебание, кото- рое математически определено на всей временной оси и имеет неизменные во вре- мени параметры; Рис. 2. Уменьшение дисперсии шума при фильтрации методом скользящего среднего ( 2 .><σ s ) и медианной фильтрации ( 2 medσ ). РАСШИРЕНИЕ ВОЗМОЖНОСТЕЙ АНАЛИЗА СТРУКТУРЫ И СУБСТРУКТУРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ... ФІП ФИП PSE, 2008, т. 6, № 3-4, vol. 6, No. 3-4 183 • отдельные особенности сигнала вызывает незначительные изменения частотного об- раза сигнала во всем интервале частот, ко- торые “размазываются” по всей частотной оси, что делает их обнаружение по спектру практически невозможным. Проблемы спектрального анализа и син- теза сигналов, ограниченных во времени, час- тично решаются переходом к кратковремен- ному или оконному преобразованию Фурье. Идея этого преобразования заключается в следующем: временной интервал существо- вания сигнала разбивается на ряд промежут- ков – временных окон. В каждом промежутке вычисляется свое преобразование Фурье. Ес- ли в каком-то окне существовали частотные составляющие некоторого сигнала, то они бу- дут присутствовать в спектре. Таким образом, можно перейти к частотно-временному пред- ставлению сигнала. Кратковременное (оконное) преобразова- ние выполняется с использованием выраже- ния: ( ) ( ) ( )∫ −∞ ∞ ω−⋅−ω⋅=ω dtebttyA ti . (4) Здесь, в отличии от интеграла Фурье, функция y(t) под знаком интеграла дополни- тельно умножается на оконную функцию ω(t – b). Параметр b окна задает его сдвиг на временной оси. Так, для простейшего прямо- угольного окна функция ω(t – b) в пределах окна дает 1, а за пределами окна – 0. При этом, для каждого окна получается свой на- бор комплексных амплитуд сигнала в частот- ной области. Поскольку каждое окно охватывает не- большой участок по времени, точность опи- сания локальных изменений сигнала может быть повышена. Однако, учитывая принцип неопределенности Гейзенберга, следует что, выбирая окно с малой шириной по времени, получается высокое временное разрешение, но низкое частотное разрешение; и наоборот, взяв окно с большой шириной во времени, получится хорошее разрешение по частоте, но плохое по времени. Оконное преобра- зование оперирует с окнами, имеющими оди- наковую ширину, а поэтому данное противо- речие для этого метода неразрешимо. Вейвлет-преобразование сигналов исполь- зуемое для сглаживания в пакете “New_ Pro- file” основано на разбивке приближения на две составляющие: аппроксимирующую и де- тализирующую, с последующим их уточне- нием. Вейвлеты можно представить как вол- новые сигналы, образованные на основе не- которой исходной (базисной) функции, спо- собные осуществлять преобразования Фурье не по всей временной оси (или оси х), а ло- кально по месту своего расположения [5, 6]. Базисные функции предполагаются задан- ными как определенные функции, и только коэффициенты Ck содержат информацию о сигнале. Коэффициенты для такого Фурье- подобного ряда для произвольного сигнала s(t) вычисляются так: ( )∫ π − π = 2 02 1 dtetsC itk k . (5) Удаление шумов основано на исключении высокочастотных составляющих из спектра сигнала. Однако применительно к вейвлетам есть еще один способ – ограничение детали- зирующих коэффициентов. Кратковремен- ные особенности сигнала (к ним можно от- нести шумы в виде множества таких особен- ностей) создают детализирующие коэффици- енты с высоким содержанием шумовых ком- понент, имеющих большие случайные выб- росы значений сигнала. Задав некий порог для их уровня, и убрав по уровню детализи- рующие коэффициенты, можно уменьшить уровень шумов и таким образом провести сглаживание кривой спектрального распре- деления. Важным этапом предварительной обра- ботки экспериментальных рентгендифрак- тограм является операция по отделению фо- на. В программе «New_Profile» предусмот- рено три различных способа реализации этой операции. Выбор способа зависит от вида экспериментальных данных. Ручной выбор параметров линейного косого фона может быть использован только для случаев обра- ботки профилей с “оборванными хвостами”, т.е. для тех линий, где из-за неполноты ин- формации, можно отделить фон, только ис- пользуя дополнительную информацию из опыта обработки подобных массивов. М.В. РЕШЕТНЯК, О.В. СОБОЛЬ ФІП ФИП PSE, 2008, т. 6, № 3-4, vol. 6, No. 3-4184 Наиболее широко применяется отделение линейного фона по методу наименьших квад- ратов (МНК). В этом варианте обработки ука- зываются интервалы точек, по которым ме- тодом наименьших квадратов программа про- водит прямую линию. Эта прямая и есть тот линейный фон, который необходимо исклю- чить из исходных данных для корректного проведения последующих этапов расчета. Третий вариант исключения фона в про- грамме “New_Profile” предусматривает пол- ностью автоматическое определение пара- метров линейного или криволинейного фона. Исключение Кα2 – составляющей дублета в программе “New_Profile” осуществляется несколькими способами. Базовым для приме- нения в программе заложен классический ме- тод Речингера [1]. В программе он реализуем двумя способами – расчет слева и расчет спра- ва. Второй способ предпочтителен при нали- чии длинных хвостов справа и при их отсут- ствии с левой части профиля. Однако, из-за специфики организации расчетов, этот ва- риант более критичен к качеству исходных данных для расчета, особенно, с точки зрения корректности отделения фона и правильнос- ти сглаживания. Для определения параметров рентгеновс- ких пиков используется методика подбора модельных функций, наилучшим образом описывающих экспериментальные данные. В качестве модельных используются колоколо- образные функции типа параболы, Гаусса, Коши и др.: а) Функция Лоренца (Коши) I(x) = I0/(1 + kx2), (6) где I0 – интенсивность в максимуме; k = 1/(ω/2)2; ω – ширина на половине высоты. б) Модифицированная функция Лоренца (Коши) I(x) = I0/(1 + kx2)2, (7) где k = 0,4142//(ω/2)2. в) Промежуточная функция Лоренца (Коши) I(x) = I0/(1 + kx2)1,5, (8) где k = 0,5874//(ω/2)2. г) Функция Пирсона VII I(x) = I0/(1 + kx2)n, (9) где k = (2(1/n) – 1)//(ω/2)2; m – коэффициент формы. д) Раздвоенная функция Пирсона VII ( ) ( ) ( ) ( )    ≤+= += 0,1 0,1 22 20 12 10 xxkIxI xxkIxI n n � , (10) где k1 = (2(1/m1) – 1)/(ω/2)2; k2 = (2(1/m2) – – 1)/(ω/2)2; m1, m2 – коэффициенты формы. е) Функция Пирсона IV I(x) = I0/(1 + kx2)m⋅ 2arctankxe η− , (11) где k = (2(1/m) – 1)//(ω/2)2; m – коэффициент формы. ж) Функция Гаусса I(x) = I0⋅exp(– kx2), (12) где k = 0,6931//(ω/2)2. В качестве критерия точности подгонки параметров используется величина средней остаточной невязки, рассчитываемая по фор- муле: ( )[ ] [ ] %100 1 2 1 2 ⋅        −=ε ∑∑ == N j i N j ii yxIy , (3) где yi – экспериментальный массив величин интенсивности; xi – массив углов; N – число точек рентгеновского профиля; I(xi) – вели- чины интенсивности для углов xi,, получен- ные с помощью модельного расчета. При разложении сложных профилей на составляющие в программе “New_Profile” ис- пользуется методика полнопрофильного ана- лиза. Т.е., строится модельное представление, которое последовательно уточняется, путем добавления новых линий и корректировкой их параметров для наилучшего совпадения с реальным профилем. В качестве критерия используется значение невязки (13). Для по- иска оптимальных значений параметров ис- пользуются следующие методы минимиза- ции: Хука-Дживса, Нэлдера-Мида, сопряжен- ных направлений Пауэла, Давидона-Флет- чера-Пауэла и Левенберга-Маркуарта [7, 8, 9]. Для описания формы модельных линий ис- пользуются те же функции, что и для описа- ния отдельных пиков (6 – 12). В зависимости от настройки параметров оптимизации, рас- чет идет либо до достижения величины мини- мальной невязки либо до максимально воз- можного количества итераций. Результат разложения сложного профиля на составляющие (количество, интенсив- РАСШИРЕНИЕ ВОЗМОЖНОСТЕЙ АНАЛИЗА СТРУКТУРЫ И СУБСТРУКТУРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ... ФІП ФИП PSE, 2008, т. 6, № 3-4, vol. 6, No. 3-4 185 ность и положение линий) может служить ос- новой для проведения качественного фазо- вого анализа. Для этого используется элект- ронная база картотеки ASTM [10]. Работа с базой данных ASTM предусмотрена в двух видах: ручном и полуавтоматическом. При “ручном” варианте работы из базы данных делается выборка в соответствии с фильтра- ми запросов. В качестве фильтров могут ис- пользоваться как ограничения на номера кар- точки и на наличие/отсутствие химических элементов, так и более сложные ограничения на наличие в карточках выбранных линий с заданной точностью. В полуавтоматическом режиме ограничения, связанные с положе- нием найденных линий могут формироваться автоматически на основе результата разло- жения сложного профиля на составляющие. Полученный список карточек просматрива- ется и сопоставляется с выявленными лини- ями. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ Первым шагом при анализе любого материа- ла рентгендифрактометрическими методами является изучение фазового состава. Приме- нение програмного пакета “New_profile” в этой связи позволяет провести комплексное исследование многофазного материала даже при наличии текстуры. На рис. 3 приведен спектр дифракционных линий, полученный от распыляемой мишени квазибинарной сис- темы 75 мол.%W2B5 – 25 мол.%TiB2. Ис- пользуя последовательные операции по выде- лению фона, сглаживанию пика, выделению Kα-дублета позволяет повысить точность при изучении фазового состава, осуществляемого путем сравнения экспериментальных данных с данными картотеки ASTM [10]. Используя визуализированные данные по положенню и интенсивности (рис. 4) в срав- нении с имеющимися результатами экспери- ментального исследования позволили устано- вить, что исходная мишень состоит из двух фаз, что отвечает состоянию термодинами- чески равновесной диаграммы [11]. При этом особенностью, полученного горячим прессо- ванием материала мишени является преиму- щественная ориентация зерен с плоскостью (00,1) параллельной поверхности для TiB2 составляющей (проявляется в относительном увеличении интенсивности линии (00,1) по сравнению с порошковым состоянием) и практически отсутствие текстуры для W2B5 составляющей. В конденсированном нанокристалличес- ком состоянии ширина дифракционных пи- ков достаточно большая, что позволяет ис- пользовать при первичной обработке доста- точно простое сглаживание по методу сколь- зящего среднего. Однако при этом большая ширина дифракционных пиков значительно осложняет процесс обработки профилей ли- ний т.к. при наличии многофазности дифрак- Рис. 3. Участок дифракционного спектра мишени состава 75 мол.%W2B5 – 25 мол.%TiB2, снятый в излучении Cu-Kα. Рис. 4. Вид окна используемого при анализе фазового состава сравнением экспериментального дифракцион- ного спектра с даннями картотеки ASTM при выделе- нии 2-х составляющих фаз (TiB2 и WB2). М.В. РЕШЕТНЯК, О.В. СОБОЛЬ ФІП ФИП PSE, 2008, т. 6, № 3-4, vol. 6, No. 3-4186 ционные пики в большинстве своем накла- дываются, что делает необходимым их пред- варительное разделение. На рис. 5 приведены участки дифракцион- ных спектров конденсатов W2B5-TiB2 квази- бинарной системы, полученные магнетрон- ным распылением составной мишени W2B5 – основа, TiB2 – расходная составляющая с уменьшающимся по мере распыления удель- ным содержанием. Пленки осаждались при Тк = 970 К и при соотношении Ti/W атомов в конденсате мень- шем 0,5 появлялась асимметрия дифракцион- ных пиков. В этом случае наименьшая не- вязка была получена при разделении профиля на две составляющие. Такое разделение, как показали исследования дифракционных профилей с меньшим отношением Ti/W ато- мов, является обоснованной, т.к. при мень- шем относительном содержании атомов ти- тана в конденсате на месте выделенной вто- рой линии появляется отдельный дифрак- ционный пик. Появляющийся при отношении Ti/W ато- мов меньшем 0,2 спектр линий, присущий для второй фазы, позволил провести ее идентификацию и определить как β-WB фазу с орторомбической решеткой (а = 0,313 нм, в = 0,931 нм, с = 0,3071 нм). Отношение объемного содержания в конденсате исход- ной – (Ti, W)B2 и β-WB фаз, полученное при близком значении ∆ψ [12] из расчета интег- ральной площади под кривой с учетом отра- жательной способности, приведено на рис. 6 для разного отношения Ti/W атомов в кон- денсате. Полученная зависимость свидетельствует о наличии критического соотношения, ниже которого, объемное содержание β-WB фазы в конденсате становится определяющим. Если рассмотреть кристаллические решетки присущие двум выявляемым фазам (рис. 7), то такое различие в основном обуславли- вается присущему (Ti,W)B2 → β-WB перехо- ду уменьшению относительного содержания атомов бора на один металлический атом. Для исследования субструктурных харак- теристик наиболее используемым методом является аппроксимация формы дифрак- Рис. 5. Участки дифракционных спектров конденса- тов, полученных при Тк = 970 К с различным атомным соотношением Ti/W (приведено на левой шкале). Рис. 6. Изменение отношения объемного содержания β-WB и (Ti,W)B2 фаз в зависимости от атомного соот- ношения Ti/W в конденсате. Рис. 7. Схема изменения межатомного расположения в решетки при переходе (Ti, W)B2 → β-WB. РАСШИРЕНИЕ ВОЗМОЖНОСТЕЙ АНАЛИЗА СТРУКТУРЫ И СУБСТРУКТУРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ... ФІП ФИП PSE, 2008, т. 6, № 3-4, vol. 6, No. 3-4 187 ционного пика, для чего необходим выбор аппроксимирующей функции, обеспечиваю- щий наименьшую невязку в сравнении с экс- периментальной кривой. Обычно исполь- зуемые для аппроксимации функции Коши (1 + αx2)−1 или Гаусса еxp(−αx2) относятся к предельным случаям и описывают реальный экспериментальный профиль с относительно большой невязкой. Для задания более точной аппроксимирующей функции в программе “New_profile” предусмотрен сравнительный подбор, включающий описание профиля 8 основными функциями в том числе асиммет- ричными (рис. 8). Последнее важно в случае появлении асимметрии профиля при образо- вании, например, ростовых дефектов упаков- ки. Как показал анализ результатов подбора аппроксимирующей функции, в случае раз- мера кристаллитов в материале менее 30 нм форма профиля дифракционных линий на среднеугловой части спектра достаточно хо- рошо может быть описана функцией Коши или квадратичной функцией Коши. Этот результат позволяет производить раз- деления и определять субструктурные харак- теристики даже в случае наложения несколь- ких дифракционных линий, пример которого приведен на рис. 9. С использованием обработки дифрак- ционных данных по программе “New_profile” в работе проведено исследование субструк- турных характеристик конденсатов состава 50 мол.% TiB2/50 мол.% W2B5. Для исследо- вания использовались дифракционные про- фили от 3-х порядков отражения от плоскости текстуры {00,l}, что позволило получить ин- формацию в наиболее чувствительном к из- менению таких характеристик в гексагональ- ной решетке со слоистой упаковкой атомов направлении [00,1]. Установлено, что по мере Рис. 8. Вид окна используемого при выборе функции аппроксимации дифракционных линий. Рис. 9. Пример обработке сложного дифракционного профиля с выделением 3-х составляющих пиков при использовании установленной ранее Коши-функции (1 + αx2)–1 аппроксимации формы. увеличения толщины конденсата происходит увеличение среднего размера кристаллитов (L) и понижается микродеформация (<ε>) (табл. 1). ВЫВОДЫ 1. Задача по изучению фазового состава, структуры и субструктурных характерис- тик конденсатов сложных систем может быть успешно решена путем использо- вания современных программных средств обработки результатов рентгендифрак- тометрического эксперимента, включаю- щих комплекс средств предварительной обработки дифракционных спектров, удобную для использования электронную базу сравнения, а также возможность выбора аппроксимирующих функций с последующим их использованием в слу- чае необходимости разделения сложного профиля накладывающихся дифракцион- ных пиков. 2. Использование в качестве такого средства обработки разработанного программного пакета “New_profile” позволило выявить в конденсатах квазибинарной системы W2B5-TiB2 при отношении Ti/W < 0,5 фор- мирование двухфазного состояния, где по- мимо твердого раствора (W, Ti)B2 присут- Толщина конденсата, мкм L, нм <ε>, % 1,5 40 0,74 4,0 52 0,52 8,0 79 0,48 Таблица 1 Значения показателей L и <ε> при разной толщине конденсатов состава 50 мол.%TiB2/50 мол.% W2B5 М.В. РЕШЕТНЯК, О.В. СОБОЛЬ ФІП ФИП PSE, 2008, т. 6, № 3-4, vol. 6, No. 3-4188 ствует вторая β-WB фаза с меньшим со- держанием бора по сравнению с распы- ляемой диборидной мишенью. 3. При увеличении толщины конденсата происходит повышение структурного со- вершенства формирующихся кристал- литов, выражающееся в увеличении их среднего размера и уменьшении величины микродеформации решетки. ЛИТЕРАТУРА 1. Русаков А.А. Рентгенография металлов. – М.: Атомиздат, 1977. – 479 с. 2. Лисойван В.И., Громилов С.А. Аспекты точ- ности в дифрактометрии поли кристаллов. – Новосибирск: Наука. Сибирское отделение, 1989. – 243 с. 3. Васильев В.Н., Гуров И.П. Компьютерная об- работка сигналов в приложении к интерферо- метрическим системам-СПб.: БХВ. – Санкт- Петербург, 1998. – 240 c. 4. Мэтьюз Джон Г., Финк Куртис Д. Численные методы. Использование MATLAB, 3-е изд-ие/ Пер. с англ. – М.: Изд-кий дом “Вильямс”, 2001. – 720 с 5. Torrence C., Compo G.P.A Practical Guide to Wavelet Analysis//Bulletin of the American Meteorological Society.– 1998. – Vol. 79, № 1.– P. 61-78. 6. Дьяконов В.П. Вейвлеты. От теории к прак- тике. – М.: СОЛОН-Р, 2002. – 448 с. 7. Реклейтис Г., Рейвиндран А., Регсдел К. Оп- тимизация в технике. Т. 1. – М.: Мир, 1986. – 349 с. 8. Банди Б. Методы оптимизации: Вводный курс. М.: Радио и связь, 1988. – 64 с. 9. Бейко И.В., Бублик Б.Н., Зинько П.Н. Методы и алгоритмы решения задач оптимизации. – К.: Вища школа, 1983. – 512 с. 10. Powder Diffraction File of the International Centre for Diffraction Data, PDF , Philadelphia, 1996. 11. Schmalzried С., Telle R., Freitag B. Solid State Reaction in Transition Metal Diboride-Based Materials//Z. Metallkd. – 2001. – Vol. 92, № 11. – P. 1197-1202. 12. Sobol’ O.V. Phase composition, structure and stress state of magnetron sputtered W-Ti conden- sates//Functional Materials. – 2006. – Vol. 13, № 4. – P. 577-583. РОЗШИРЕННЯ МОЖЛИВОСТЕЙ АНАЛІЗУ СТРУКТУРИ ТА СУБСТРУКТУРНИХ ХАРАКТЕРИСТИК НАНОКРИСТАЛІЧНИХ КОНДЕН- СОВАНИХ І МАСИВНИХ МАТЕРІАЛІВ КВАЗІБІНАРНОЇ СИСТЕМИ W2B5-TiB2 ПРИ ВИКОРИСТАННІ ПРОГРАМИ ОБРОБКИ РЕНТГЕНДИФРАКЦІЙНИХ ДАНИХ “NEW_PROFILE” М.В. Решетняк, О.В. Соболь Для обробки результатів рентгендифрактомет- ричних досліджень нанокристалічних іонно- плазмових конденсатів квазібінарної W2B5-TiB2 системи запропоновано використовувати прог- рамний пакет, що включає комплекс засобів по- передньої обробки дифракційних спектрів, зруч- ну для використання електронну базу порівняння, а також дозволяє робити вибір апроксимуючої функції з наступним її використанням у випадку необхідності поділу складного профілю дифрак- ційних піків, що накладаються. Виявлено, що у конденсатах квазібінарної сист- еми W2B5-TiB2 при відношенні Ti/W <0,5 форму- ється двохфазний стан, де крім твердого розчину (W,Ti)B2 присутня друга β-WB фаза з меншим вмістом бору у порівнянні з диборідною мішен- ню, що розпилюється. Показано, що із збільшенням товщини конден- сату відбувається підвищення структурної доско- налості кристалітів, що формуються, яке виража- ється у збільшенні їх середнього розміру та змен- шенні величини мікродеформації решітки. NHANCEMENT OF STRUCTURE AND SUBSTRUCTURE ANALYSIS OF W2B5-TiB2 QUASI-BINARY NANO-CRYSTALLINE CONDENSED AND BULK MATERIALS WITH APPLICATION OF “NEW_PROFILE” SOFT-WARE FOR X-RAY DIFFRACTION DATA TREATMENT M.V. Reshetnyak, O.V. Sobol’ For treatment of X-ray diffraction results on ion- plasma W2B5-TiB2 quasi-binary nano-crystalline condensates, the program package was proposed including both a complex of means for diffraction spectra preliminary treatment allowing selection of approximation function applied, if necessary, for resolution of complex profile with overlaid dif- fraction peaks, and easy-to-use electronic bases of comparison. In W2B5-TiB2 quasi-binary condensates with Ti/W <0.5, the formation of two-phase state was revealed, where besides (W,Ti)B2 solid solution, the second β-WB phase exists with less boron content com- paring to sputtered diboride target. It was shown, with increasing condensate thickness, structure perfection is improved that manifested both in growing crystallite average size and decreasing lattice micro-strain. РАСШИРЕНИЕ ВОЗМОЖНОСТЕЙ АНАЛИЗА СТРУКТУРЫ И СУБСТРУКТУРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ...
id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-7885
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn	1999-8074
language	Russian
last_indexed	2025-12-07T18:46:17Z
publishDate	2008
publisher	Науковий фізико-технологічний центр МОН та НАН України
record_format	dspace
spelling	Решетняк, М.В. Соболь, О.В. 2010-04-20T12:55:42Z 2010-04-20T12:55:42Z 2008 Расширение возможностей анализа структуры и субструктурных характеристик нанокристаллических конденсированных и массивных материалов квазибинарной системы W2B5-tib2 при использовании программы обработки рентгендифракционных данных “New_profile” / М.В. Решетняк, О.В. Соболь // Физическая инженерия поверхности. — 2008. — Т. 6, № 3-4. — С. 180-188. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. 1999-8074 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/7885 538.91:548.73: 539.234 Для обработки результатов рентгендифрактометрических исследований нанокристаллических ионно-плазменных конденсатов квазибинарной W2B5-TiB2 системы предложено использовать программный пакет, включающий комплекс средств предварительной обработки дифракционных спектров, позволяющий производить выбор аппроксимирующей функции с последующим ее использованием в случае необходимости разделения сложного профиля накладывающихся дифракционных пиков, а также удобную для использования электронную базу сравнения. Выявлено, что в конденсатах квазибинарной системы W2B5-TiB2 при отношении Ti/W < 0,5 формируется двухфазное состояние, где помимо твердого раствора (W,Ti)B2 присутствует вторая І-WB фаза с меньшим содержанием бора по сравнению с распыляемой диборидной мишенью. Показано, что с увеличением толщины конденсата происходит повышение структурного совершенства формирующихся кристаллитов, выражающееся в увеличении их среднего размера и уменьшении величины микродеформации решетки. Для обробки результатів рентгендифрактометричних досліджень нанокристалічних іонноплазмових конденсатів квазібінарної W2B5-TiB2 системи запропоновано використовувати програмний пакет, що включає комплекс засобів попередньої обробки дифракційних спектрів, зручну для використання електронну базу порівняння, а також дозволяє робити вибір апроксимуючої функції з наступним її використанням у випадку необхідності поділу складного профілю дифракційних піків, що накладаються. Виявлено, що у конденсатах квазібінарної системи W2B5-TiB2 при відношенні Ti/W <0,5 формується двохфазний стан, де крім твердого розчину (W,Ti)B2 присутня друга β-WB фаза з меншим вмістом бору у порівнянні з диборідною мішенню, що розпилюється. For treatment of X-ray diffraction results on ionplasma W2B5-TiB2 quasi-binary nano-crystalline condensates, the program package was proposed including both a complex of means for diffraction spectra preliminary treatment allowing selection of approximation function applied, if necessary, for resolution of complex profile with overlaid diffraction peaks, and easy-to-use electronic bases of comparison. In W2B5-TiB2 quasi-binary condensates with Ti/W <0.5, the formation of two-phase state was revealed, where besides (W,Ti)B2 solid solution, the second β-WB phase exists with less boron content comparing to sputtered diboride target. It was shown, with increasing condensate thickness, structure perfection is improved that manifested both in growing crystallite average size and decreasing lattice micro-strain. ru Науковий фізико-технологічний центр МОН та НАН України Расширение возможностей анализа структуры и субструктурных характеристик нанокристаллических конденсированных и массивных материалов квазибинарной системы W2B5-tib2 при использовании программы обработки рентгендифракционных данных “New_profile” Розширення можливостей аналізу структури та субструктурних характеристик нанокристалічних конденсованих і масивних матеріалів квазібінарної системи W2B5-tib2 при використанні програми обробки рентгендифракційних даних “New_profile” Nhancement of structure and substructure analysis of W2B5-tib2 quasi-binary nano-crystalline condensed and bulk materials with application of “New_profile” soft-ware for x-ray diffraction data treatment Article published earlier
spellingShingle	Расширение возможностей анализа структуры и субструктурных характеристик нанокристаллических конденсированных и массивных материалов квазибинарной системы W2B5-tib2 при использовании программы обработки рентгендифракционных данных “New_profile” Решетняк, М.В. Соболь, О.В.
title	Расширение возможностей анализа структуры и субструктурных характеристик нанокристаллических конденсированных и массивных материалов квазибинарной системы W2B5-tib2 при использовании программы обработки рентгендифракционных данных “New_profile”
title_alt	Розширення можливостей аналізу структури та субструктурних характеристик нанокристалічних конденсованих і масивних матеріалів квазібінарної системи W2B5-tib2 при використанні програми обробки рентгендифракційних даних “New_profile” Nhancement of structure and substructure analysis of W2B5-tib2 quasi-binary nano-crystalline condensed and bulk materials with application of “New_profile” soft-ware for x-ray diffraction data treatment
title_full	Расширение возможностей анализа структуры и субструктурных характеристик нанокристаллических конденсированных и массивных материалов квазибинарной системы W2B5-tib2 при использовании программы обработки рентгендифракционных данных “New_profile”
title_fullStr	Расширение возможностей анализа структуры и субструктурных характеристик нанокристаллических конденсированных и массивных материалов квазибинарной системы W2B5-tib2 при использовании программы обработки рентгендифракционных данных “New_profile”
title_full_unstemmed	Расширение возможностей анализа структуры и субструктурных характеристик нанокристаллических конденсированных и массивных материалов квазибинарной системы W2B5-tib2 при использовании программы обработки рентгендифракционных данных “New_profile”
title_short	Расширение возможностей анализа структуры и субструктурных характеристик нанокристаллических конденсированных и массивных материалов квазибинарной системы W2B5-tib2 при использовании программы обработки рентгендифракционных данных “New_profile”
title_sort	расширение возможностей анализа структуры и субструктурных характеристик нанокристаллических конденсированных и массивных материалов квазибинарной системы w2b5-tib2 при использовании программы обработки рентгендифракционных данных “new_profile”
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/7885
work_keys_str_mv	AT rešetnâkmv rasširenievozmožnosteianalizastrukturyisubstrukturnyhharakteristiknanokristalličeskihkondensirovannyhimassivnyhmaterialovkvazibinarnoisistemyw2b5tib2priispolʹzovaniiprogrammyobrabotkirentgendifrakcionnyhdannyhnewprofile AT sobolʹov rasširenievozmožnosteianalizastrukturyisubstrukturnyhharakteristiknanokristalličeskihkondensirovannyhimassivnyhmaterialovkvazibinarnoisistemyw2b5tib2priispolʹzovaniiprogrammyobrabotkirentgendifrakcionnyhdannyhnewprofile AT rešetnâkmv rozširennâmožlivosteianalízustrukturitasubstrukturnihharakteristiknanokristalíčnihkondensovanihímasivnihmateríalívkvazíbínarnoísistemiw2b5tib2privikoristanníprogramiobrobkirentgendifrakcíinihdanihnewprofile AT sobolʹov rozširennâmožlivosteianalízustrukturitasubstrukturnihharakteristiknanokristalíčnihkondensovanihímasivnihmateríalívkvazíbínarnoísistemiw2b5tib2privikoristanníprogramiobrobkirentgendifrakcíinihdanihnewprofile AT rešetnâkmv nhancementofstructureandsubstructureanalysisofw2b5tib2quasibinarynanocrystallinecondensedandbulkmaterialswithapplicationofnewprofilesoftwareforxraydiffractiondatatreatment AT sobolʹov nhancementofstructureandsubstructureanalysisofw2b5tib2quasibinarynanocrystallinecondensedandbulkmaterialswithapplicationofnewprofilesoftwareforxraydiffractiondatatreatment

Institution

Ähnliche Einträge