
- •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.
Программное обеспечение. Форма сохранения и выдачи информации
Программное обеспечение микроскопа СММ-2000Т позволяет осуществить: автоматический подвод зонда к поверхности образца до захвата туннельного тока (после ручного подвода на расстояние 0,5 мм); сканирование зонда по поверхности образца; преобразование полученного трёхмерного оцифрованного массива данных в пространственное изображение поверхности (рис. 6) и его математическую обработку.
Программное обеспечение даёт возможность представлять полученное изображение в двумерном виде, когда высоты рельефа поверхности образца отображаются 64 градациями цвета – от нулевой (обычно максимально тёмного цвета) до 63-й (обычно максимально светлого). Нулевой градации соответствует нижняя высота рельефа поверхности (впадина). Имеется возможность создания палитры различных цветов.
В программном обеспечении СММ-2000Т есть возможность вывода результатов и в трёхмерном виде с учётом освещения поверхности скана одним виртуальным (мнимым, созданным программным обеспечением) источником света с тенями, отходящими от бугорков и находящимися в ямках её рельефа.
Трёхмерное изображение скана можно поворачивать на различные углы относительно двух осей, при этом меняя высоту и угол освещения виртуального источника света.
Программное обеспечение позволяет на двумерном изображении поверхности производить метрологические измерения рельефа поверхности по высоте в любом направлении.
Программное обеспечение реализовано под операционную среду Windows, что обеспечивает возможность дальнейшей обработки информации любыми программами, в том числе графическими и текстовыми редакторами, совместимыми с системой Windows.
Использование компьютера в качестве управляющего, контролирующего, обрабатывающего устройства в технологическом процессе исследований на СТМ позволяет проводить эксперименты на СММ-2000Т в дистанционном режиме, в том числе применять СТМ в дистанционном обучении.
Возможность сохранения изображений поверхности образца в оцифрованном трёхмерном виде и записи на электронный носитель (дискета 3,5") позволяет выводить и обрабатывать изображение на устройствах обработки и вывода, расположенных там, где удобно исследователю.
Рис. 6. Пример информации, выдаваемой после проведения исследований на СТМ: а – двумерное изображение исследованной поверхности с проведённой на нём линией сечения; б – трёхмерное изображение поверхности объекта; в – профилограмма по сечению двумерного изображения; г – окно установки параметров измерения профиля по сечению.
Пример выдаваемой информации приведён на рис. 6: а – двумерное изображение поверхности с проведённой на нём линией сечения (окно Scanner); б – трёхмерное изображение поверхности объекта, где размеры изображения по оси X и Y отложены в микрометрах, по оси Z – в нанометрах (окно 3D-View); в – профилограмма по сечению двумерного изображения, где по горизонтальной оси отложена длина сечения в микрометрах, а по вертикальной - высота неровностей по оси Z в нанометрах (окно Profile); г – окно установки параметров измерения профиля по сечению, где в нижней части в разделе "Measure" между значками < > и < > приведено расстояние между точками профиля, ограниченными двумя вертикальными линиями на профилограмме: по горизонтальной оси (верхнее значение) в микрометрах и по вертикальной оси, оси Z (нижнее значение) – в нанометрах (окно 1D-Setup).