一种定量探测类钙钛矿薄膜的氧八面体旋转和电荷密度波晶格畸变的方法技术

本发明专利技术提供了一种定量探测类钙钛矿薄膜的氧八面体旋转和电荷密度波晶格畸变的方法，先在衬底上生长类钙钛矿薄膜，再退火得到产生氧缺陷及晶格畸变的薄膜样品；放在衍射仪中，通过设定不同(H,K,L)得到不同的半指数峰强度值I(H,K,L)。将氧原子位置(u

【技术实现步骤摘要】
一种定量探测类钙钛矿薄膜的氧八面体旋转和电荷密度波晶格畸变的方法
本专利技术涉及凝聚态物质结构探测领域，特别涉及一种定量探测类钙钛矿薄膜的氧八面体旋转和电荷密度波晶格畸变的方法。
技术介绍
凝聚态物质结构的精细探测是研究人员长期关注的挑战性课题。钙钛矿氧化物薄膜的电子结构和磁性等宏观性质与结构相关，特别是与氧八面体的扭曲及旋转有关。相比块状化合物，氧化物薄膜在应力、界面等作用下，通常表现出与块体不同的物理性质。低维导体Peierls相变和电荷密度波(CDW)最能体现电子-晶格相互作用和电子集体行为的宏观现象之一。CDW描述离子和电子密度的空间周期调制，即CDW传播过程中电子和离子的震荡空间概率。CDW具有很多奇异的非线性输运性质，如交直流干涉，瞬态响应，大的磁致电阻。晶格结构轻微扭曲，某些原子周围的局部晶体位置对称性就会改变，物质就会经历向CDW的转变。研究CDW现象，可以丰富低维系统的不稳定性和偶合电子行为的认识，有助于开发出CDW基新型场效应，大介电常数的电子元器件。因此对类钙钛矿氧化物薄膜的物质结构进行精细探索具有重要意义。由于氧原子的弱散射性质，直接测量氧八面体旋转和晶格畸变是具有挑战性的。如果无法精确解析氧化物薄膜的结构，就无法充分了解氧化物薄膜的新奇效应。因此，如何测量氧化物薄膜的氧八面体旋转和晶格畸变称为亟待解决的问题。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种定量探测类钙钛矿薄膜的氧八面体旋转和电荷密度波晶格畸变的方法。本专利技术提供的方法能够准确测定类钙钛矿氧化物薄膜的氧八面体旋转和电荷密度波晶格畸变。本专利技术提供了一种定量探测类钙钛矿薄膜的氧八面体旋转和电荷密度波晶格畸变的方法，包括以下步骤：a)在衬底上生长类钙钛矿氧化物ABO3薄膜后，进行退火，获得产生氧缺陷及晶格畸变的薄膜样品；所述薄膜样品中，形成了具有24个氧原子的超级单胞，且共有4个域，分别对应四种旋转方向，以Dj表示第j个域所对应旋转方向发生的概率；b)利用衍射仪测量所述薄膜样品的半指数峰强度值I(H,K,L)，将所述半指数峰强度I(H,K,L)与薄膜样品的氧八面体旋转角度(α，β，γ)和晶格畸变度Δ之间建立模型；所述建立模型的过程包括：将测量所得的半指数峰强度值I(H,K,L)代入衍射方程(1)，确定所述薄膜样品的单胞中24个氧原子的位置；其中，I0为入射光子通量；1/sin(η)为对光束足迹校正因子；1/sin(2θ)为对洛伦兹偏振校正因子；Dj为域体积分数，对应第j个域所对应旋转模式发生的概率；Fhkl为氧原子的结构因子；所述Fhkl为式(2)所示：其中，fO2-为O2-的形状因子，由公式(3)拟合得到；(H,K,L)为晶面指数；B为Debye-Waller因子；a为赝立方晶格常数；i为复数；(un，vn，wn)为第n个氧原子在实空间晶格中的位置；将所述(un，vn，wn)与薄膜样品的氧八面体旋转角度(α，β，γ)和晶格畸变度Δ之间建立模型，确定24个氧原子的位置(un，vn，wn)分别如下式a～L所示：其中，α，β，γ分别表示沿着a，b，c轴逆时针旋转的角度，-α，-β，-γ分别表示沿着a，b，c轴顺时针旋转的角度；L为所述类钙钛矿氧化物ABO3的晶格结构中B-O的平均键长；Δ为晶格畸变度；c)求解：将式a～L所示的氧原子的位置代入公式(1)(2)，并将多组I(H,K,L)代入方程(1)中，使用基于遗传算法的非线性寻优算法拟合得到氧八面体旋转角度(α，β，γ)和晶格畸变度Δ；所述多组I(H,K,L)为：通过设定不同的晶面指数(H,K,L)而得到的不同I(H,K,L)。优选的，所述步骤c)中，将式a～L所示的氧原子的位置代入公式(1)(2)的过程包括：c1)所述式a～L代入所述式(2)，得到每个域的对应的旋转方向及衍射强度项如下：D1域：旋转方向：(α，β，γ)衍射强度项：|exp[2πi(Hun+Kvn+Lwn)]|2＝4cos[π(-βH+αK+L)(1+Δ)]+4cos[π(-γH-K+αL)(1+Δ)]+4cos[π(-H+γK-βL)(1+Δ)]-4cos[π(βH-αK+L)(1-Δ)]-4cos[π(γH-K-αL)(1-Δ)]-4cos[π(-H-γK+βL)(1-Δ)]；D2域：旋转方向：(-α，β，γ)衍射强度项：|exp[2πi(Hun+Kvn+Lwn)]|2＝4cos[π(-βH-αK+L)(1+Δ)]+4cos[π(-γH-K-αL)(1+Δ)]+4cos[π(-H+γK-βL)(1+Δ)]-4cos[π(βH+αK+L)(1-Δ)]-4cos[π(γH-K+αL)(1-Δ)]-4cos[π(-H-γK+βL)(1-Δ)]；D3域：旋转方向：(α，-β，γ)衍射强度项：|exp[2πi(Hun+Kvn+Lwn)]|2＝4cos[π(βH+αK+L)(1+Δ)]+4cos[π(-γH-K+αL)(1+Δ)]+4cos[π(-H+γK+βL)(1+Δ)]-4cos[π(-βH-αK+L)(1-Δ)]-4cos[π(γH-K-αL)(1-Δ)]-4cos[π(-H-γK-βL)(1-Δ)]；D4域：旋转方向：(α，β，-γ)衍射强度项：|exp[2πi(Hun+Kvn+Lwn)]|2＝4cos[π(-βH+αK+L)(1+Δ)]+4cos[π(γH-K+αL)(1+Δ)]+4cos[π(-H-γK-βL)(1+Δ)]-4cos[π(βH-αK+L)(1-Δ)]-4cos[π(-γH-K-αL)(1-Δ)]-4cos[π(-H+γK+βL)(1-Δ)]；其中，α，β，γ分别表示沿着a，b，c轴逆时针旋转的角度，-α，-β，-γ分别表示沿着a，b，c轴顺时针旋转的角度；(H，K，L)为晶面指数；Δ为晶格畸变度。c2)再将步骤c1)所得衍射强度项代入公式(1)，形成I(H,K,L)与氧八面体旋转角度(α，β，γ)及晶格畸变度Δ之间的方程模型。优选的，所述步骤b)中，所述衍射仪为六圆衍射仪。优选的，所述超级单胞为2×2×2单胞。优选的，所述步骤c)中，所述基于遗传算法的非线性寻优算法求解衍射方程的过程包括：将所有待求解变量进行二进制编码，并拼接起来，然后初始化种群，计算个体适应度，并通过选择、交叉和变异算子找到最优个体；当迭代次数是十的整数倍时，采用非线性寻优算法，直至达到终止条件。优选的，所述钙钛矿氧化物ABO3为BaBiO3或LaCoO3。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种定量探测类钙钛矿薄膜的氧八面体旋转和电荷密度波晶格畸变的方法，其特征在于，包括以下步骤：/na)在衬底上生长类钙钛矿氧化物ABO

【技术特征摘要】
1.一种定量探测类钙钛矿薄膜的氧八面体旋转和电荷密度波晶格畸变的方法，其特征在于，包括以下步骤：
a)在衬底上生长类钙钛矿氧化物ABO3薄膜后，进行退火，获得产生氧缺陷及晶格畸变的薄膜样品；
所述薄膜样品中，形成了具有24个氧原子的超级单胞，且共有4个域，分别对应四种旋转方向，以Dj表示第j个域所对应旋转方向发生的概率；
b)利用衍射仪测量所述薄膜样品的半指数峰强度值I(H,K,L)，将所述半指数峰强度I(H,K,L)与薄膜样品的氧八面体旋转角度(α，β，γ)和晶格畸变度Δ之间建立模型；
所述建立模型的过程包括：
将测量所得的半指数峰强度值I(H,K,L)代入衍射方程(1)，确定所述薄膜样品的单胞中24个氧原子的位置；



其中，
I0为入射光子通量；
1/sin(η)为对光束足迹校正因子；
1/sin(2θ)为对洛伦兹偏振校正因子；
Dj为域体积分数，对应第j个域所对应旋转模式发生的概率；
Fhkl为氧原子的结构因子；
所述Fhkl为式(2)所示：






其中，
fO2-为O2-的形状因子，由公式(3)拟合得到；
(H,K,L)为晶面指数；
B为Debye-Waller因子；
a为赝立方晶格常数；
i为复数；
(un，vn，wn)为第n个氧原子在实空间晶格中的位置；
将所述(un，vn，wn)与薄膜样品的氧八面体旋转角度(α，β，γ)和晶格畸变度Δ之间建立模型，确定24个氧原子的位置(un，vn，wn)分别如下式a～L所示：




































其中，α，β，γ分别表示沿着a，b，c轴逆时针旋转的角度，-α，-β，-γ分别表示沿着a，b，c轴顺时针旋转的角度；L为所述类钙钛矿氧化物ABO3的晶格结构中B-O的平均键长；Δ为晶格畸变度；
c)求解：将式a～L所示的氧原子的位置代入公式(1)(2)，并将多组I(H,K,L)代入方程(1)中，使用基于遗传算法的非线性寻优算法拟合得到氧八面体旋转角度(α，β，γ)和晶格畸变度Δ；
所述多组I(H,K,L)为：通过设定不同的晶面指数(H,K,L)而得到的不同I(H,K,L)。


2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤c)中，将式a～L所示的氧原子的位置代入公式(1)(2)的过程包括：
c1)所述式a～L代入所述式(2)，得到每个域的对应的旋转方向及衍射强度项如下：
D1域：
旋转方向：(α，β，γ)
衍射强度项：|exp[2πi(Hun+Kvn+Lwn)]|2
＝4cos[π(-βH+αK+L)(1+Δ)]+4cos[π(-γH-K+αL)(1+Δ)]+4cos[π(-H+γK-βL)(1+Δ)]-4cos[π(βH-αK+L)(1-Δ)]-4cos[π(γH-K-αL)(1-Δ)]-4cos[...

【专利技术属性】
技术研发人员：翟晓芳，刘其鑫，曹慧，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34