Исследование упругодеформированного состояния тонких алмазных пластин

Развитие технологий выращивания в лабораторных условиях монокристаллов алмаза высокого качества, его малое термическое расширение позволяют рассматривать этот материал как перспективный в качестве элементов рентгеновской оптики при создании лазеров на свободных электронах. Востребованы также алмазные кристалл-спектрометры различной толщины и радиуса изгиба. В связи с этим представляют интерес вопросы, касающиеся определения механических параметров упругодеформированных монокристаллов алмаза, в частности, критических напряжений, возникающих при деформации монокристалла, и минимальных радиусов изгиба пластин определенной геометрии. Цель работы — определение упругодеформированного состояния тонких алмазных пластин с параметрами, аналогичными тем, которые требуются в спектрометрах для неинвазивной диагностики спектров X-ray free-electron laser (XFEL). Образцы вырезали из кристалла типа IIa высочайшего качества, выращенного методом температурного градиента. В экспериментах исследовали алмазные пластины с кристаллографическими ориентациями (110) и (111). Получены зависимости напряжений и радиусов изгиба от величины деформации при изгибе тонких алмазных пластин толщиной 20 мкм. Экспериментальные деформации не превысили 1 мм. Определены также предельные (минимальные) радиусы изгиба тонких алмазных пластин: для направления (111) — 5,6 мм, а для направления (110) — 4,5 мм. Модули Юнга составили 1198 ГПа для направления (111) и 1034 ГПа для направления (110). Критические напряжения при изгибе тонких монокристаллов алмаза, при которых наступает их разрушение, превысило 2,4 ГПа. Определена зависимость радиусов изгиба кристаллов от их толщины при напряжении 2,0 ГПа. Результаты исследований позволили рассчитать допустимые деформации для тонких алмазных пластин произвольных формы и толщины. Полученные данные будут способствовать улучшению моделирования и качества производства изогнутых спектрометров.

1. Eremets M. I., et al. The strength of diamond / Appl. Phys. Lett. 2005. Vol. 87. N 14. P. 141902. DOI: 10.1063/1.2061853

2. Bloomer Ch., Rehm G., Salter P., Newton M. Single Crystal CVD Diamond X-ray Beam Diagnostic with Embedded Graphitic Wire Electrodes / SRI2018 AIP Conf. Proc. 2019. Vol. 2054. P. 060058-1 – 060058-6. DOI: 10.1063/1.5084689

3. Chernykh S. V., Chernykh A. V., Tarelkin S. A., et al. High-Pressure High-Temperature Single-Crystal Diamond Type IIa Characterization for Particle Detectors/ Phys. Status Solidi A. 2020. Vol. 217. P. 1900888. DOI: 10.1002/PSSA.201900888

4. Blank V. D., Boldyrev K. N., Denisov V. N., et al. Electronic band structure of phosphorus-doped single crystal diamond: Dynamic Jahn-Teller distortion of the tetrahedral donor ground state / Phys. Rev. B. 2020. Vol 102. P. 115153. DOI: 10.1103/PhysRevB.102.115153

5. Polyakov S., Denisov V., Kuzmin N., et al. Characterization of top-quality type IIa synthetic diamonds for new X-ray optics / Diamond Relat. Mater. 2011. Vol. 20. P. 726 – 728. DOI: 10.1016/j.diamond.2011.03.012

6. Boesenberg U., Samoylova L., Roth Th., et al. X-ray spectrometer based on a bent diamond crystal for high repetition rate free-electron laser applications / Opt. Express. 2017. Vol. 25. N 3. P. 2852 – 2862. DOI: 10.1364/OE.25.002852

7. Gasilov S., Mittone A., Dos Santos Rolo T., et al. Refraction and ultra-smallangle scattering of Xrays in a single-crystal diamond compound refractive lens/ J. Synchrotron Radiat. 2017. Vol. 24. N 6. P. 1137 – 1145. DOI: 10.1107/S1600577517012772

8. Gudilin D. Yu. European X-ray free electron laser: femtosecond resolution and other unique opportunities / Lab. Proizv. 2020. Vol. 1. P. 58 – 68 [in Russian]. DOI: 10.32757/2619-0923.2020.1.11.58.68

9. Shvid’ko Y., Stoupin S., Blank V., Terentyev S. Near-100 % Bragg reflectivity of X-rays / Nat. Photonics. 2011. Vol. 5. P. 539 – 542. DOI: 10.1038/nphoton.2011.197

10. Mimura H., Yumoto H., Matsuyama S. Generation of 1020 Wcm-2 hard X-ray free electron laser pulses with two-stage reflective focusing system / Nat. Commun. 2014. Vol. 5. P. 3539. DOI: 10.1038/ncomms4539

11. Kaganer V., Petrov I., Samoylova L. X-ray diffraction from strongly bent crystal and spectroscopy of X-ray free-electron laser / Acta Crystallogr. Sect. A: Found. Adv. 2020. Vol. 76. N 1. P. 55 – 69. DOI: 10.1107/S2053273319014347

12. Terentyev S., Blank V., Kolodziej T., Shvyd’ko Y. Curved diamond-crystal spectrographs for x-ray free-electron laser noninvasive diagnostics / Rev. Sci. Instrum. 2016. Vol. 87. P. 125117. DOI: 10.1063/1.4973326

13. Kaganer V., Petrov I., Samoylova L. Resolution of a bent-crystal spectrometer for X-ray free-electron laser pulses: diamond versus silicon / Acta Crystallogr. Sect. A: Found. Adv. 2021. Vol. 77. N 77. P. 268 – 276. DOI: 10.1107/S2053273321003697

14. Tolentino H., Baudelet F., Dartyge E., et al. Aberration-free and harmonic-free optics for time-resolved X-ray absorption spectroscopy using synchrotron radiation / Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A. 1990. Vol. 289. P. 307. DOI: 10.1103/physrevb.45.8091

15. Sorokin B. P., Kvashnin G. M., Telichko A. V., et al. Elastic properties of synthetic diamond single crystal / Izv. Vuzov. Khimiya Khim. Tekhnol. 2013. Vol. 56. N 7. P. 50 – 52 [in Russian].