Оценка повторяемости результатов рентгенодифракционного исследования для порошков нитрида кремния различной дисперсности

Кристаллические материалы исследуют с применением рентгенодифракционных методов. Помимо фазового состава они позволяют оценить внутренние напряжения, параметры элементарных ячеек кристаллических фаз, а также размер областей когерентного рассеяния, который связан со средним размером частиц и влияет на ширину дифракционных пиков. В работе представлены результаты оценки повторяемости данных рентгенодифракционных экспериментов для порошков нитрида кремния Si₃N₄ различной дисперсности и с различными исходными соотношениями фаз α-, β-Si₃N₄. Определяли относительную погрешность измерения дифракционных пиков детектором интенсивности и абсолютную погрешность расчета параметров элементарных ячеек фаз методом Ритвельда. Средний размер частиц исходных порошков анализировали с применением растровой электронной микроскопии. Рентгенодифракционные исследования проводили по схеме Брэгга – Брентано с использованием излучения CuKα (λ = 1,5406 Å). С каждым порошком была проведена серия из трех экспериментов. Установлено, что относительная погрешность измерения интенсивности детектором не превышает 2 % для пиков, соответствующих критерию 3σ, а абсолютная погрешность определения параметров элементарных ячеек фаз методом Ритвельда — 0,001 Å. Полученные результаты могут быть использованы для оценки стабильности работы дифрактометра как с образцами на основе нитрида кремния, так и материалами, отличными по составу и структуре, в особенности субмикронными. При этом погрешность параметров, получаемых с помощью рентгеновского фазового анализа, можно учитывать, не прибегая к статистическим оценкам, как в методе наименьших квадратов.

1. Каргин Ю. Ф., Лысенков А. С., Ивичева С. Н., Захаров А. И., Попова Н. А., Солнцев К. А. Микроструктура и свойства керамики из нитрида кремния с добавками алюмината кальция / Неорганические материалы. 2010. № 7. С. 892 – 896.

2. Rhee S.-H., Lee J. D., Kim D.-Y. Effect of α-Si3N4 initial powder size on the microstructural evolution and phase transformation during sintering of Si3N4 ceramics / J. Eur. Ceram. Soc. 2000. Vol. 20. N 1. P. 787 – 794. DOI:10.1016/S0955-2219(00)00053-4

3. Перевислов С. Н. Поведение при спекании и свойства реакционно-спеченного нитрида кремния / Журнал прикладной химии. 2021. № 2. С. 153 – 162. DOI:10.31857/S0044461821020031

4. Перевислов С. Н., Несмелов Д. Д. Свойства композиционной керамики на основе SiC и Si3N4 с наноразмерной составляющей / Стекло и керамика. 2016. № 7. С. 15 – 18.

5. Dinnebier R., Billinge S. Powder Diffraction. Theory and Practice. — RCS Publishing, 2008. — 582 p.

6. Rietveld H. M. The Rietveld method: a Retrospertion / Zeitschrift für Kristallographie. Vol. 225. N 12. P. 545 – 547. DOI:10.1524/zkri.2010.1356

7. Rietveld H. M. A profile refinement method for nuclear and magnetic structures / J. Appl. Crystallogr. 1969. Vol. 2. P. 65 – 71. DOI:10.1107/S0021889869006558

8. Pecharsky V., Zavalij P. Fundamentals of powder diffraction and structural characterization of materials. — Springer Science, 2005. — 713 p. DOI:10.1007/978-0-387-09579-0

9. Ritcher P. H. Estimating Errors in Least-Squares Fitting / TDA Progress Report. 1995. Vol. 42 – 122. P. 31.

10. Худсон Д. Статистика для физиков. — М.: Мир. 1970. — 297 с.

11. Кадилин В. В., Самосадный В. Т., Исаков С. В. и др. Сцинтилляторные методы спектрометрии гамма-излучения и электронов. — М.: МИФИ, 2003. — 240 с.

12. Андреев П. В., Сметанина К. Е., Гудзь Д. А., Табачкова Н. Ю., Шадрина Я. С. Рентгенодифракционные исследования фазового состава α- и псевдо-α-титановых сплавов / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2020. № 9. С. 45 – 51. DOI:10.26896/1028-6861-2020-86-9-45-51

13. Андреев П. В., Сметанина К. Е., Ланцев Е. А. Рентгеновское исследование фазового состава мелкозернистых керамических материалов на основе карбида вольфрама / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2019. № 8. С. 37 – 42. DOI:10.26896/1028-6861-2019-85-8-37-42

14. Pyzik A. J., Carroll D. F. Technology of Self-Reinforced Silicon Nitride / Ann. Rev. Mater. Sci. 1994. Vol. 24. N 1. P. 189 – 214.

15. Gusev A. I., Rempel A. A. Nanocrystalline Materials. — Cambridge: Cambridge International Science Publishing, 2004. — 351 p.

16. Kim H., Kwon J.-H., Rouviere J.-L., Zuo J. Determination of atomic vacancies in InAs/GaSb strained-layer superlattices by atomic strain / IUCrJ. 2018. Vol. 5. N 1. P. 67 – 72. DOI: 10.1107/S2052252517016219

17. Тюрин Ю. Н., Макаров А. А. Анализ данных на компьютере. — М.: МЦНМО, 2016. — 368 с.

18. McCusker L., Von Dreele R., Cox D., Louer D., Scard P. Rietveld Refinement guidelines / J. Appl. Cryst. 1999. Vol. 32. N 1. P. 36 – 50. DOI:10.1107/s0021889898009856