- •Конспект лекций по дисциплине «Физическая химия твердого тела» Направление подготовки
- •240100 Химическая технология
- •Магистерская программа
- •1. Введение. Основные цели и задачи физической химии твердого тела.
- •2. Кристаллография
- •Координаты точек и линий в элементарной ячейке.
- •Симметрия элементарной ячейки.
- •3. Кристаллохимия.
- •Основные виды гексагональных структур.
- •4.Дефекты кристаллической решетки. Точечные дефекты (дефекты I рода).
- •Температурные дефекты.
- •Структуры разрыхления. Дефекты по Шотки.
- •Структуры смещения. Дефекты по Френкелю.
- •Протяженные дефекты (дефекты II рода).
- •Дислокации. Дислокацией называется область дефектов решетки, простирающейся вдоль некоторой линии (линии дислокации). Краевые дислокации.
- •Винтовые диислокации.
- •Расчет дефектности.
- •Определение объема приходящегося на дефекты I и II рода.
- •Взаимодействие точечных и протяженных дефектов.
- •Источник Франка – Рида.
- •5. Методы исследования твердого тела Рентгенофазовый анализ
- •Возникновение непрерывного и линейчатого (атомного) спектра.
- •Закон Мозели.
- •Четыре квантовых числа.
- •Принцип Паули.
- •Основные сведения по физике рентгеновских лучей. Спектры испускания лучей.
- •Спектры поглощения рентгеновских лучей.
- •Рассеяние свободным электроном.
- •Эффект Комптона.
- •Фотоэффект.
- •Суммарное поглощение рентгеновского излучения веществом.
- •Спектры поглощения рентгеновского излучения.
- •Дифракция рентгновских лучей
- •Вывод уравнения Лауэ.
- •Вывод уравнения Вульфа – Брэгга.
- •Аппаратура для рентгененофазового анализа Принципиальная схема рентгеновской установки типа дрон.
- •Выбор основных параметров съемки дифрактограмм на рентгеновской установк типа дрон.
- •Приготовление образцов для проведения рентгенофазового анализа.
- •Съемка дифрактограмм. Метод Брентано.
- •Съемка рентгенограмм в монохроматическом излучении
- •Идентифкация вещества по межплоскостным расстояниям.
- •Индицирование рентгенограмм порошка.
- •Критерии правильности индицирования рентгенограмм.
- •Обратная решетка.
- •Индицирование рентгенограмм порошка. Индицирование рентгенограмм кубических веществ. Закон погасания.
- •Индицирование рентгенограмм в случае средних сингоний.
- •Аналитический метод индицирования рентгенограмм ромбических кристаллов (метод Хесса - Липсона).
- •Индицирование дебаеграмм методом Ито.
- •Метод подбора изоструктурного соединения.
- •Метод гомологии расшифровки рентгенограмм.
- •Переход от кубической ячейки к гексагональной.
- •Политипия. Интерпретация рентгенограмм слоистых структур со сложным характером чередования связей.
- •Источники ошибок в определении межплоскостных расстояний.
- •Зависимость точности в определении межплоскостного расстояния d от угла отражения .
- •Поправка на преломление.
- •Определение размеров кристаллитов и микронапряжений.
- •Метод определения областей когерентного рассеяния (окр).
- •Растровая электронная микроскопия (рэм, сэм) и рентгеноспектральный микроанализ (рсма).
- •Физические основы растровой электронной микроскопии
- •Формирование изображения в рэм.
- •Сканируемая область в зависимости от увеличения.
- •Глубина фокуса
- •Передача изобажения в цифровой форме и их обработка
- •Контраст
- •Контраст зависящий от атомного номера (контраст от состава, сигнал отраженных электронов)
- •Контраст от состава образца (режим вторичных электронов)
- •Компоненты контраста.
- •Ограничения разрешения.
- •Рентгеноспектральный микроанализ Физические основы рентгеноспектрального микороанализа
- •Устройство и работа рентгеноспектрального микроанализатора
- •Подготовка объектов для исследований и особые требования к ним
- •Технические возможности рентгеноспектрального микроанализатора
- •Технические возможности сканирующего туннельного микроскопа
- •Требования к объектам исследования и методы их подготовки
- •Области использования сканирующей туннельной микроскопии
- •Развитие микроскопии ближнего поля и расширение области её применения
- •Программное обеспечение. Форма сохранения и выдачи информации
- •Термический анализ.
- •Термогравиметрический анализ (тга).
- •Дифференциально – термический анализ (дта).
- •Применение дта и тга.
- •Пример разложения каолина Al4(Si4o10)(oh)8.
- •Изучение стеклообразования методом дта.
- •Некоторые особые области применения дта.
- •Спектральные методы исследования твердых тел
- •Спектроскопия видимого излучения и уф – спектроскопия.
- •Спектроскопия ямр (ядерно-магнитного резонанса).
- •Спектроскопия эпр(электронный парамагнитный резонанс).
- •Электронная спектроскопия эсха, рфс, уфс, Оже-спектроскопия, схпээ.
- •Ядерная - резонансная (Мессбауэровская ) спектроскопия.
- •Спектроскопия комбинационного рассеяния света (кр, крс, Раммановская спектроскопия).
- •Рассеяние света.
- •Колебания, модуляции, спекры.
- •Комбинационное рассеяние и поглощение света.
- •Основные параметры линий комбинационного рассеяния.
- •Применение комбинационного рассеяния в химии.
- •Установление химического строения молекул.
- •Исследование микроскопических образцов методом крс.
- •Основы зонной теории твердых тел Классификация твердых тел по величине электропроводности Твердое тело
- •Металлический кремний (Si) – 103 – 10-5 10-10 Ом-1см-1,
- •Уравнение Шредингера для твердого тела
- •Одноэлекторонное приближение
- •Функции Блоха
- •Свойства волнового вектора электрона в кристалле. Зоны Бриллюэна.
- •Построение зон Бриллюэна в простой кубической решетке с параметром а
- •Заполнение зон электронами. Металлы, диэлектрики, полупроводники
- •Физические свойства кристаллов и методвы их определения Электрические свойства тел. Основные свойства металлов. Электропроводность.
- •Температурная зависимость электропроводности
- •Влияние примесей и дефектов
- •Сверхпроводимость
- •Электропроводность металлов
- •Электрон в кристалле всегда подчиняется функции Блоха
- •Собственная проводимость полупроводников.
- •Концентрация носителей
- •Равновесная концентрация дырок в валентной зоне
- •Концентрация дырок, с учетом всех выкладок, будет равна
- •Подвижность в собственном полупроводнике
- •Проводимость примесных полупроводников
- •Концентрация носителей
- •Подвижность
- •Электропроводность диэлектриков.
Развитие микроскопии ближнего поля и расширение области её применения
Микроскопия ближнего поля – это методы исследования, принцип работы которых основан на использовании малой диафрагмы, обеспечивающей излучение малого диаметра, или зонда, выполняющего ту же роль, близко поднесённых к изучаемому объекту.
Сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) также относится к приборам микроскопии ближнего поля.
При наличии уникальных возможностей СТМ:
неразрушающий характер анализа поверхности материала, обусловленный отсутствием механического контакта образца и низкой энергией туннелирующих электронов;
разрешение на атомном уровне;
получение реального трёхмерного изображения рельефа поверхности;
работа не только в вакууме, но и на воздухе – область применения СТМ ограничивается проводящими объектами. Это ограничение связано с использованием эффекта туннелирования электронов для регистрирующего (сенсорного) и управляющего устройств. Использование сенсорных устройств, основанных на других физических принципах, позволяет расширить область применения микроскопов ближнего поля с остриём в качестве зонда.
Микроскопия ближнего поля бурно развивается. С каждым годом появляются новые конструкции микроскопов, которые благодаря своей относительной дешевизне внедряются не только в научно-исследовательские центры, но и на производстве. Рассмотрим принципы работы других, уже разработанных или только проектирующихся микроскопов ближнего поля [2].
Микроскоп атомных сил (МАС). В этом микроскопе в качестве сенсора использованы силы отталкивания (примерно 10-9 Н), которые возникают при приближении зонда к поверхности на межатомное расстояние и являются результатом взаимодействия волновых функций электронов атомов зонда и образца. Последнее достижение в этой области – создание лазерного силового микроскопа, который измеряет силы отталкивания до 10–11 Н на расстоянии до 20 нм, с разрешением порядка 5 нм. Такой инструмент удобен для исследования, например, неровностей поверхности элементов микросхем на всех этапах их изготовления.
Микроскоп магнитных сил (ММС). В приборе использован принцип силового микроскопа ближнего поля, где в качестве зонда применяется намагниченное острие. Его взаимодействие с поверхностью образца позволяет регистрировать магнитные микрополя и представлять их в качестве карты намагниченности. Разрешение микроскопа составляет около 25 нм, при размере доменов около 200 нм.
Микроскоп электростатических сил (МЭС). Острие и образец рассматриваются как конденсатор, а с помощью лазерного силового микроскопа измеряется изменение ёмкости до 10-22 Ф с полосой пропускания 1 Гц. Микроскоп позволяет изучать изменение потенциала вдоль поверхности образца бесконтактным методом.
Оптический микроскоп ближнего поля. Принцип ближнего поля – малой диафрагмы, поднесённой близко к рассматриваемому объекту, даёт возможность повысить разрешение микроскопа
Максимальная разрешающая способность оптического микроскопа соответствует условию
d = l/2 А, (5)
где l – длина волны света, А – числовая апертура объектива.
Для освещения объекта наиболее часто применяют белый свет, длину волны которого можно принять l 550 нм. Максимальное значение числовой апертуры, достигаемое при использовании иммерсии, составляет А = 1,44. В соответствии с условием (5), разрешающая способность оптического микроскопа будет равна d 200 нм.
Если освещать образец через диафрагму с диаметром отверстия d, намного меньшим длины волны падающего света и регистрировать интенсивность проходящего через объект или отражённого от него излучения, то размер диафрагмы будет определять разрешение прибора. Так, для d<<550 нм получено разрешение около 50 нм, что существенно выше, чем у оптического микроскопа.
Расширение области использования микроскопов ближнего поля предусматривает их применение для записи и воспроизведения информации. Все перечисленные выше способы получения изображения в принципе могут быть использованы для этой цели. В качестве элемента, несущего бит информации, в зависимости от используемого микроскопа могут выступать: искусственный рельеф с минимальным размером элемента, равным диаметру одного атома (МАС); магнитная структура поверхности с минимальным размером, равным величине магнитного домена (ММС); неоднородность потенциала или заряда (МЭС).