НАБЛЮДЕНИЕ ЗОНАРНОЙ СТРУКТУРЫ ВОДОРАСТВОРИМЫХ

RMS DPI 2008-2-12-0
НАБЛЮДЕНИЕ ЗОНАРНОЙ СТРУКТУРЫ ВОДОРАСТВОРИМЫХ
КРИСТАЛЛОВ
Гуськов С.С., Чупрунов Е.В.
Нижегородский государственный университет
gss10@narod.ru
Для ряда естественных минералов, а также для синтетических
монокристаллов, выращенных из расплава или раствора, характерен
дефект, известный как зонарная (в минералогической литературе
используется термин “зональная”) микроструктура. Дефекты этого типа
проявляются в виде чередующихся слоёв неодинакового качества,
параллельных фронту кристаллизации. Характерный период зонарной
структуры составляет единицы и десятки микрометров. Согласно
современным представлениям [1], различие физических характеристик
отдельных слоёв обусловлено неравномерным распределением примеси.
Для формирования зонарности достаточно малой концентрации примеси
(∼ 0,01%). Причины и механизмы неравномерного распределения примеси
изучены слабо, общий метод описания и объяснения наблюдаемой
структуры детально не разработан. Упрощенные представления о том, что
зонарное распределение отражает изменения во внешней среде в течение
роста кристалла [1, 2], в настоящее время дополняются гипотезами о
влиянии внутренних процессов роста. Такой подход подразумевает, что
слоистая структура генерируется путем самоорганизации [3].
Зонарная микроструктура содержит ценную информацию о процессах
роста кристалла и изменениях в среде кристаллизации. Исследование
зонарности позволяет оценивать качество ряда кристаллов, важных в
лазерном приборостроении [4], и в нужном направлении совершенствовать
технологию их выращивания. Наличие микрослоистой структуры может
приводить и к возникновению новых свойств кристаллов.
В данной работе описывается метод визуализации и исследования
зонарной структуры водорастворимых кристаллов с помощью
избирательного травления в сочетании с оптической микроскопией.
Использование этого метода иллюстрируется на примере нелинейных
оптических и сегнетоэлектрических кристаллов дигидрофосфата калия
KH2PO4 (KDP). Приводятся результаты наблюдения и измерения
параметров зонарной структуры кристаллов.
В качестве образцов выступали кристаллы KDP, выращенные
методом концентрационной конвекции при температуре, близкой к
комнатной. Для исследования требуется плоскопараллельная пластинка,
геометрические размеры которой выбираются исходя из условий удобства
38
обработки (ориентировочные оптимальные габариты пластинки: толщина
5 – 10 мм, длина и ширина 10 – 30 мм). Слои зонарной структуры
располагаются параллельно поверхности растущих граней. Для того чтобы
иметь возможность наблюдать слои зонарной структуры, плоскости
рабочих граней пластинки должны пересекать плоскости слоёв. Это
связано с тем, что рассматриваемый метод обеспечивает визуализацию
линий пересечения зонарных слоёв и секущей плоскости, в качестве
которой выступает рабочая грань вырезаемой пластинки. В нашем случае
исследуемая пластинка представляла собой z-срез, вырезанный из
центральной области кристалла. Для резки кристаллов KDP (которые не
отличаются механической прочностью) использовалась нитяная пила.
Принцип действия нитяной пилы заключается в том, что к образцу
подводится влажная нить, растворяющая вещество кристалла в месте
контакта и таким образом постепенно разрезающая образец.
После вырезания пластинки проводилась полировка рабочих граней
пластинки с помощью дистиллированной воды и хлопчатобумажной
ткани. Для травления использовался травитель следующего состава: 30 мл
дистиллированной воды + 6,25 г уксуснокислого аммония (CH3COONH4) +
25 г 98% уксусной кислоты (CH3COOH).
После выполнения описанных подготовительных операций возможно
непосредственное наблюдение зонарной микроструктуры. Поверхность
пластинки исследовалась с применением метода фазового контраста [5] с
помощью оптического микроскопа с фазово-контрастным устройством.
Рис. 1. Пример изображения зонарной микроструктуры кристалла KDP.
39
На отполированных и протравленных поверхностях пластинки
хорошо заметны параллельные полоски (рис. 1). Происхождение этих
полосок связано с тем, что травитель по-разному действует на дефектные и
более чистые промежуточные слои, выходящие на поверхность пластинки.
На поверхности образуются упорядоченные неровности, которые и
наблюдаются с помощью метода фазового контраста. Таким образом,
наблюдаемая на поверхности пластинки картина представляет собой
изображение сечения зонарной микрослоистой структуры кристалла.
Полученное изображение позволяет определить период зонарной
микроструктуры. Это может быть сделано либо вручную, непосредственно
при наблюдении под микроскопом с помощью окулярного микрометра,
либо по фотографиям поверхности пластины с использованием
специализированного программного обеспечения. При вычислении
периода зонарной структуры необходимо учитывать величину угла между
слоями и секущей плоскостью – поверхностью исследуемой пластинки. В
нашем случае этот угол был равен 45º, а среднее значение периода
зонарной структуры в рассматриваемой области данного кристалла
составило 6 мкм.
Таким образом, рассмотренный метод позволяет наблюдать зонарную
микроструктуру водорастворимых кристаллов с помощью обыкновенного
оптического микроскопа.
1. Современная кристаллография. Т.3. Образование кристаллов. / Под ред.
А.А.Чернова. М.: Наука. 1980.
2. Holten T., Jamtveit B., Meakin P. et al. // American Mineralogist. 1997. V. 82.
P. 596–606.
3. Smolsky I.L., Voloshin A.E., Zaitseva N.P. et al. // Philosophical Transactions of the
Royal Society of London. 1999. V. 357. P. 2631–2649.
4. Портнов В.Н., Чупрунов Е.В. Возникновение и рост кристаллов. М.:
Физматлит. 2006.
5. Франсон М. Фазово-контрастный и интерференционный микроскопы. М.:
Физматлит. 1960.
40