Nízkoteplotní
difraktometrie
1.) Motivace studia difrakce záření za nízkých teplot
2.) Uspořádání nízkoteplotního difrakčního experimentu, jeho problémy a omezení
3.) Komerčně nabízené nízkoteplotní komory
4.) Nízkoteplotní komora ( CF1108T Oxford Instruments) na MFF UK
5.) Několik výsledků a vlastních zkušeností
Důvody provádění difrakčních experimentů za nízkých teplot lze principielně rozdělit do dvou diametrálně odlišných typů. V prvním z nich nás primárně nezajímá absolutní hodnota teploty, při níž vzorek měříme, a snížení teploty při níž je difrakční experiment prováděn slouží pouze k potlačení nežádoucích fyzikálních jevů. Klasickým zástupcem této skupiny je například potřeba snížení vlivu pohybu atomů v mřížích – tzn. snížení teplotních kmitů atomů. Za druhý typ lze označit přímo studium změn fyzikálního chování dané látky v závislosti na změně teploty. Jako zástupce této skupiny lze jmenovat například studium fázových přechodů, studium závislosti strukturních parametrů na teplotě, studium magnetických vlastností látek, daných překryvem elektronových oblaků atomů, atd.
K samotnému nízkoteplotnímu difrakčnímu experimentu potřebujeme vhodné experimentální vybavení a chladící médium. K chlazení se užívají zejména plyny látek majících nízkou hodnotu teploty bodu varu – nejčastěji dusík a helium. Jako experimentální zařízení obvykle slouží vhodně upravené goniometry (goniometrické hlavičky), nebo přímo za tímto účelem speciálně navržené nízkoteplotní komory. Komory bývají evakuovány , aby se zabránilo namrzání vodních par na vzorku a výměně tepla s okolním prostředím. Vzhledem k malé pronikavosti rentgenového záření, a jeho vysoké absorpci v látkách, musí být část komory, jíž prochází primární svazek ke vzorku, a difraktované záření do detektoru, vyrobeny ze vhodné – mechanicky odolné avšak tenké fólie. Materiál, z něhož jsou vyrobeny části komory přicházející do kontaktu s rentgenovým zářením, by měl vykazovat co nejnižší fluorescenci (vzhledem k užívanému typu záření), a pokud možno co nejmenší (nejlépe žádný) vlastní difrakční obraz. Tyto podmínky jsou ne vždy, a v dostatečné míře, u komerčně nabízených komor splněny. Dalším ne nezanedbatelným problémem při nízkoteplotním experimentu je měření „pravdivé“ teploty vzorku, a vzhledem k časové náročnosti difrakčního experimentu její vhodná stabilizace.
Téměř všechny firmy, zabývající se vývojem nebo prodejem difrakčních zařízení, mají v nabídce více či méně shodné nebo rozdílné, a cenově nákladné nízkoteplotní vybavení. Jmenujme například firmy Anton Paar GmbH, Oxford Instruments, Stoe & CIE GmbH. Při výběru vhodného nízkoteplotního zařízení je tedy především nutné brát zřetel na kompatibilitu s goniometrem, na němž chceme nízkoteplotní komoru používat (nepořizujeme-li nový goniometr již touto komorou vybavený), typ experimentu který chceme v tomto zařízení provádět, a samozřejmě finanční nákladnost provozu (typ chladícího plynu) a pořizovací cenu.
Nízkoteplotní komora na KFES - MFF UK: Naše pracoviště disponuje vertikálním goniometrem Siemens D500 s pozičně citlivým detektorem od firmy M. Braun GmbH, pracujícím jak ve stacionárním módu (difrakční záznam lze snímat přibližně po 10o ve 2q), tak i v kontinuálním režimu s použitím multi-channel analyzátoru s 8000 kanály. Tento goniometr je opatřen nízkoteplotní komorou CF1108T od firmy Oxford Instruments. K chlazení vzorku se užívá dusíkových, nebo heliových par, jejichž průtok lze, v závislosti na požadované teplotě, spojitě měnit. Teplota je měřena kalibrovaným rhodium-železným odporovým článkem. Komora umožňuje difrakční měření v teplotním rozmezí 3,5K – 500K.
Naše
nízkoteplotní komora je hojně používána především ve spolupráci
s magnetickým oddělením KFES. Prezentovány budou výsledky získané
z měření na vzorcích sloučenin typu 1.) RTX –
konkrétně TbPdIn, DyNiAl a GdNiAl a 2.) sloučenin ErCo2
dopovaných Si a Ge. U obou typů sloučenin byly pozorovány strukturní
změny při přechodu do magneticky uspořádaného stavu. U ErCo2
byla navíc pod Tc pozorována romboedrická distorze.