Transcript 분석법을 이용한 결정구조 및 결함 분석 Channeling

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Channeling 분석법을 이용한 결정구조
및 결함 분석
이진호, 홍완, 김영석, 김준곤, 김기동, 최한우, 우형주
(한국자원연구소 환경소재 분석팀)
Korea Institute of Geology, Mining & Materials (KIGAM)
Introduction
2

연구 목적
X-선 및 중성자 회절실험과 함께 channeling 분석 방법을
이용하여

1wt%의 Sm 원자가 혼입된 CaF2 단결정의 구조특성 연구
Channeling 분석시스템 완성

Channeling 모사프로그램을 이용한 Ca(Sm)F2 단결정의
결함함량

분석
회절실험 및 channeling 분석결과의 비교 검토
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Diffraction analysis and Channeling
Method

X-선 및 중성자 회절법
역격자 공간(reciprocal lattice)에서의 회절실험
☞ 면 간격에 비교되는 파장 선택
☞ 에너지 범위
- X-선 : ~ kev
- 전자선 : ~ 100ev
- 중성자 : < 1eV
☞

Channeling 분석법
☞
실공간(direct space)에서의 이온 빔 실험
☞
사용에너지 및 파장범위 : ~ MeV, ~ 10-12cm
☞
배열된 원자들의 직접적인 결정학적 정보 수집
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Channeling experimental setup
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unipolar
MCB
Amp
bipolar
SSB
Detector
gate
SCA
Current
Integrator
Dual
Counter
Rotation
Axis, X, Y, Z
4-axis
Goniometer
Dual-Port
Data Memory
Charge
Integration
GPIB
Ion Beam
RS-232C
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데이터 수집
프로그램
 Stepping 모터 및 dual 카운터
제어
 카운터는 GPIB 포트를 통해
컴퓨터로 제어됨
 2차원 polar 스캔 데이터 및
3차원
mapping 데이터 측정
 카운터는 Preset 및 timer 설정
모드로 전환가능
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Analysis techniques
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
X-선 단결정 회절실험
- 상대적으로 큰 Sm의 원자산란인자
- 분말법(powder method)과 비교하여 보다 많은 회절데이터 사용

중성자 분말 회절실험
많은 시료양(3cc)이 실험에 이용됨으로써 매우 적은 Sm원자의
결정학적 정보를 얻는데 유리

Channeling 분석방법
실제 격자공간(direct space)내에서의 Sm 원자의 위치 및
정량분석
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X-ray single crystal diffraction
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
Crystallographic Data
Ca(Sm)F2
Mw=318.92
Cubic
a=5.452(2)
Z=4
0.50X0.50X0.23mm3
MoK a radiation beam
l=0.71073Å
2qmax=69.05o
V=163.31 Å 3
T=273K
Fm3m
CAD4 single crystal
diffractometer
w/2q scan
Absorption correction : yes
34 observed reflection
ORFLS computer program
h=-8 - 8
k=0 - 8
l= 0 - 8
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Neutron Powder diffraction
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
CaF2:Sm(1wt%) KAERI HRPD Neutron data, Lam=1.83
Summary of
data collection
Intensity (a.u.)
28000
- Neutron four-circle
CaF2_Sms.PRF:
24000
Yobs
Ycalc
Yobs-Ycalc
Bragg_position
20000
diffractometer at KAERI
16000
- Wavelength(Å) : 1.8348
12000
8000
- 2q range(o) : 0 - 160
4000
0
- No. of unique refln. :12
-4000
- 2q step(o) = 0.05
-8000
0
20
40
60
80
100
120
140
160
2 Theta (deg.)
Fig. Plot output from Rietveld analysis of Ca(Sm)F2.
- Fullprof98 least square
refinement program
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Results of refinements for Ca(Sm)F2
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X-ray single crystal diffraction
Neutron powder
diffraction
x
y
z
B(Å2)
Ca
0.0
0.0
0.0
0.29(5) 0.0204(4) 0.44(3) 0.98(3)
Sm
0.0
0.0
0.0
0.29(5) 0.0003(1) 0.44(3) 2.00
F
0.25
0.25
0.25
0.46(6) 0.04167
atom
Occup
RF(%) = 3.84
wR(%) = 8.75
B(Å2)
Occup.
0.72(2) 0.02(2)
Rp(%)=5.80
Rwp(%)=7.72
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Channeling experimental
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Fig. Mapping of the channeling yields of Ca(Sm)F2 around the {111} axis.
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Channeling experimentals
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0.7
0.6
measured
simulation
min
0.5
0.4
0.3
defect density = 1.86 x 1013 /cm2
0.2
0.1
0.0
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
depth (m)
Fig.  min of a Ca(Sm)F2 single crystal in the [111] direction
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Channeling experimental
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1400
Ca(Sm)F2, Random direction
Ca(Sm)F2, Channeled direction
1200
Yield
1000
800
F
600
Al
Ca
400
Sm
200
0
0
400
800
1200
1600
2000
2400
Energ(keV)
Random and channeling spectra of Ca(Sm)F2
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Conclusion
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
Sm이 도핑된 CaF2의 결정구조 특성을 분석하기 위해 X-선 단결정 및 중성
자 분말회절실험과 이온 빔을 이용한 channeling 실험을 수행

Sm 원자 위치는 이상적인 형석구조의 cation 자리에 불규칙하게 자리잡고
있음

Channeling 실험결과 빈자리를 점유한 F- 이온은 보여지지 않음

중성자 분말실험에서 얻어진 격자상수 (5.467Å) 와 기존에 보고된 격자상
수(5.463Å)와의 차이는 치환되지 않은 Ca2+ 이온과 치환된 Sm3+ 이온의 전
위차에 의한 반발력에 의한 것으로 사료됨

Ca(Sm)F2 단결정의 결함함량(1.86X1013/cm2)과 Sm 원자의 정량값
6.0X1012/cm2이 channeling 실험을 이용하여 결정되어짐
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