Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы спектроскопических методов исследования. Учебное пособие (лабораторный практикум)
.pdf
МИНИCTEPCTBO НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ
УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
ОСНОВЫ СПЕКТРОСКОПИЧЕСКИХ
МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЯ
УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ
(ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ)
Направление подготовки 28.03.02 Наноинженерия
Направленность (профиль)
«Диагностика материалов и наносистем в промышленности»,
«Нанотехнологии и наноматериалы»
Квалификация выпускника – бакалавр
Ставрополь
2022
УДК 532.60:620.1 (075.8)
ББК 22.365 я73
О 75
Печатается по решению
редакционно-издательского совета
Северо-Кавказского федерального
университета
Рецензенты:
д-р физ.-мат. наук, доцент А. Р. Закинян,
канд. хим. наук, доцент О. А. Дюдюн (СтГМУ)
О 75 Основы спектроскопических методов исследования :
учебное пособие (лабораторный практикум) / авт-сост. :
В. А. Тарала, Д. С. Вакалов, М. Г. Амбарцумов, С. Э. Хорошилова, А. Г. Испирян. – Ставрополь : Из-во СКФУ, 2022. –
60 с.
Пособие составлено в соответствии с требованиями Федерального государственного образовательного стандарта высшего образования (ФГОС ВО 3++), в соответствии с рабочим учебным планом
и рабочей программой дисциплины В практикуме представлены
4 лабораторные работы, содержащиe краткие теоретические сведения по темам работ, методические указания по их выполнению,
планы составления отчета, контрольные вопросы и задания по изучаемой теме, списки рекомендуемой литературы.
Предназначено для бакалавров, обучающихся по направлению
подготовки бакалавров 28.03.02 Наноинженерия, по направленностям (профилям) «Диагностика материалов и наносистем в промышленности», «Нанотехнологии и наноматериалы».
УДК 532.60:620.1 (075.8)
ББК 22.365 я73
канд. физ-мат. наук, доцент Д. С. Вакалов,
Авторы-составители:
канд. хим. наук, доцент В. А. Тарала,
инженер М. Г. Амбарцумов,
вед. науч. сотр. С. Э. Хорошилова,
канд. физ-мат. наук А. Г. Испирян
© ФГАОУ ВО «Северо-Кавказский
федеральный университет», 2022
2
СОДЕРЖАНИЕ
Предисловие …………………………………………………..
4
1. Применение метода ИК-спектроскопии для качественной
оценки состава пленок нитрида алюминия на кремнии
(AlN/Si) ………………………………………………………..
5
2. Применение метода комбинационного рассеяния света
для идентификации состава материалов …………………….
18
3. Исследование пленок DLC методом комбинационного
рассеяния света ………………………………………………..
36
4. Определение ширины запрещенной зоны
диэлектрических материалов ………………………………..
46
3
ПРЕДИСЛОВИЕ
Лабораторный практикум составлен в соответствии с требованиями ФГОС ВО, рабочих учебных планов по программе бакалавриата, программы дисциплины «Основы спектроскопических
методов исследования».
Пособие включает в себя теоретическое обоснование, методику
и порядок выполнения лабораторных работ, указание по технике безопасности (ТБ), перечень контрольных вопросов, список рекомендованной литературы.
Основной целью изучения данной дисциплины является формирование у обучающихся набора компетенций ПК-1, ППК-1 через
ознакомление студентов с основами спектроскопических методов
исследования. Спектроскопические методы исследования получили широкое распространение в различных отраслях науки и техники в качестве методов качественного и количественного анализа
соединений.
Основные задачи: дать теоретические основы взаимодействия
излучения с веществом; закономерности, лежащие в основе физических процессов, протекающих в материале под воздействием излучения различной частоты; дать практические навыки работы на приборах, расшифровки полученных данных; дать понимание достоинств
и недостатков каждого из спектроскопических методов исследования
и границы их применения для тех или иных материалов.
4
1. ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА ИК-СПЕКТРОСКОПИИ
ДЛЯ КАЧЕСТВЕННОЙ ОЦЕНКИ СОСТАВА
ПЛЕНОК НИТРИДА АЛЮМИНИЯ НА КРЕМНИИ (ALN/SI)
Цель ‒ получить спектры светопропускания тонких пленок нитрида
алюминия на кремнии AlN/Si.
Задачи
1) получить спектры пропускания образцов пленок AlN на подложках
Si в диапазоне от 400 до 5500 см-1;
2) идентифицировать полосы ИК-поглощения и определить их при-
роду;
3) построить графики зависимости коэффициента поглощения от вол-
нового числа (ν, см-1);
4) на основе полученных данных о коэффициенте поглощения сде-
лать выводы о структуре исследуемых образцов.
Знания и умения, приобретаемые студентом в результате освое-
ния темы, формируемые компетенции или их части: ПК-1, ППК-1.
В результате освоения дисциплины обучающийся должен
знать об основах взаимодействия инфракрасного излучения с веще-
ством;
уметь идентифицировать полосы поглощения в ИК спектрах свето-
пропускания (поглощения);
владеть опытом работы с оборудованием для регистрации ИК спек-
тров, в частности опытом работы на Фурье-спектрометре ФСМ-1201.
Теоретическая часть
Инфракрасная спектроскопия (ИС) – раздел спектроскопии,
включающий получение, исследование и применение спектров испускания, поглощения и отражения в инфракрасной области спектра. ИС занимается главным образом изучением молекулярных
спектров, так как в ИК-области расположено большинство колебательных и вращательных спектров молекул [1‒3].
При прохождении ИК-излучения через вещество, часть его по-
глощается. При этом поглощение наблюдается на тех частотах, которые совпадают с характеристическими частотами колебания атомов в молекулах и вращения самих молекул [1‒3].
Схематично типичные спектры светопропускания исследуе-
мого вещества в инфракрасной области имеют вид, такой как представлен на рисунке 1.1.
5
У каждого вещества уникальный спектр ИК-поглощения с ин-
дивидуальным числом полос поглощения, их положением в спектре, шириной полос и формой спектра. Интенсивность поглощения
при различных длинах волн (частотах) зависит от природы (структура и химический состав) вещества, а также от температуры, давления и агрегатного состояния вещества.
Рисунок 1.1. Схематическая зависимость интенсивности падающего I0(ν)
и прошедшего через материал I(ν) излучения
ν1, ν2, ν3, – характеристические частоты
Связь между интенсивностью прошедшего (I) и падающего из-
лучения (I0) описывается законом Бугера – Ламберта – Бера. На
практике обычно ИК-спектр поглощения представляют графически
в виде зависимости коэффициента светопропускания от волнового
числа ν (или длины волны λ) [4, 5].
Таким образом, изучение ИК-спектров соединений позволяет
получить значительную информацию о строении, составе, взаимодействии структурных единиц (фрагментов), составляющих вещество как в твердом состоянии (кристаллическом или аморфном), так
и в растворе [4, 5].
Нитрид алюминия
Нитрид алюминия (АlN) – это материал с большой шириной
запрещенной зоны (6,2 эВ) [6], высокой теплопроводностью
(320 Вт/(м K)) [7], достаточно высокой химической инертностью.
Пленки этого материала перспективны для изготовления холодных
6
катодов [7 – 9], буферных слоев для роста высококачественных материалов [10], диэлектрических и пассивирующих слоев в полупроводниковых элементах [11], а также в создании газовых сенсоров,
УФ-светодиодов и фотодетекторов. Как правило, при температурах
более 1100 °С выращиваются эпитаксиальные пленки АlN, которые
используют как активные слои в электронных и оптоэлектронных
устройствах. При низких температурах (менее 300 °С) осаждаются
поликристаллические или аморфные слои, находящие широкое
применение как диэлектрические и пассивирующие покрытия изделий микроэлектроники [12]. Типичный ИК-спектр светопропускания АlN представлен на рисунке 1.2.
Рисунок 1.2. Типичный ИК-спектр светопропускания AlN
В зависимости от качества пленки (монокристаллическая, мик-
рокристаллическая или аморфная) нитрида алюминия, изменяется
ширина полосы поглощения. В случаях наличия примесей в ИКспектре могут наблюдаться дополнительные полосы поглощения
или у основной полосы могут формироваться так называемые
плечи.
Таким образом, при помощи ИК-спектрометрии можно анали-
зировать состав и структуру выращенных пленок AlN.
7
Оборудование и материалы
Для получения спектра светопропускания тонких пленок
AlN/Si в диапазоне 2,0 – 25,0 мкм используется Фурье-спектро-
метр ФСМ-1201.
Технические характеристики прибора:
• Рабочая область спектра: 400 – 5500 см
-1
(2 – 25 мкм).
• Спектральное разрешение: не более 1,0 см-1.
• Абсолютная погрешность шкалы волновых чисел: не более
± 0,1 см-1.
Блок-схема Фурье-спектрометра ФСМ-1201 для получения
спектров показана на рисунке 3. Излучение от излучателя падает на
полупрозрачную поверхность светоделителя и расщепляется на два
пучка. После отражения от соответствующих зеркал интерферометра излучение двух пучков складывается на светоделителе и
направляется на детектор, преобразующий его в электрический сиг-
нал. Если одно из зеркал двухлучевого интерферометра Майкельсона перемещать, то оптический путь для соответствующего пучка
будет изменяться, и в точке приема интенсивность излучения будет
меняться вследствие интерференции пучков, отражающихся от подвижного и неподвижного зеркала.
Рисунок 1.3. Блок-схема Фурье-спектрометра ФСМ-1201
для получения спектра
8
Примечание: допускается использование аналогичных средств
max
0
1
2 0 exp 2
2
x
S I x I i x dx
0
S
T
S
измерений, технических средств, не уступающих указанным по
метрологическим, техническим характеристикам.
Сущность метода регистрации ИК спектров
Зависимость регистрируемого сигнала (I(x)) от оптической раз-
ности хода пучков в интерферометре (x) называется интерферограммой. Максимум сигнала интерферограммы соответствует нулевой разности хода, так как в этом случае все спектральные составляющие излучения пучков приходят в точку приема в фазе. Интерферограмма содержит информацию о спектральном составе излучения [https://istina.msu.ru/media/publications/book/e11/4b2/1350003/
IR_2008.pdf]. Спектр интенсивности S(σ) рассчитывается с помощью обратного Фурье-преобразования интерферограммы:
, (1.1)
где σ – волновое число, x
– максимальная оптическая разность
max
хода.
Спектр интенсивности зависит от спектра излучателя, спек-
тральных характеристик элементов оптической схемы Фурье-спектрометра и детектора.
Спектр пропускания рассчитывается как отношение спектра
интенсивности излучения, прошедшего через образец S(σ), к спектру интенсивности излучения, падающего на образец S0(σ)
(1.2)
и является характеристикой, зависящей только от свойств исследуемого образца, пропускание обычно выражают в %.
Вспомогательные средства:
– бязь отбеленная ГОСТ 29298-2005;
– спирт этиловый ТУ 9392-010-74666306-2006 с изм. № 1;
– перчатки нитриловые ГОСТ 20010-93, ТУ 38.106140-9.1;
– пинцет металлический с пластиковыми губками (нестандар-
тизированный).
Порядок выполнения работы
Диапазон величин, измеряемых по данной методике, и прибор-
ные погрешности измерений приведены в таблице 1.1.
9
Таблица 1.1
Измеряемая
величина
Пределы
измерения
Погрешности
измерений
Интенсивность светопропускания AlN/Si в диапазоне 2,0 – 25,0 мкм
1 – 100 %
Абсолютная погрешность
измерений ± 0,5 %
Диапазон измеряемых величин и погрешности их измерения
Подготовка к измерению спектра светопропускания тонких
пленок AlN/Si в диапазоне 2,0 – 25,0 мкм на Фурье-спектрометре
ФСМ-1201
При измерении спектров светопропускания тонких пленок
AlN/Si в диапазоне 2,0 – 25,0 мкм на Фурье-спектрометре ФСМ1201 должны соблюдаться следующие условия:
• температура окружающей среды: 20 (± 5) °C;
• атмосферное давление: 84 – 106,7 кПа (630 – 800 мм рт. ст.);
• относительная влажность (при Т = 25 °C): 20 – 80 %;
• электрическое питание: 220 (‒33/+22) В, 50 (±0,5) Гц.
При измерении спектров светопропускания образцы должны
соответствовать следующим требованиям:
– габаритные размеры: в форме прямоугольных пластин – от
4×4×0,1 мм до 55×55×10 мм; в форме дисков – диаметр от 4 мм до
55 мм, толщина от 0,1 мм до 10 мм;
– среднее отклонение толщины образца по площади образца от
номинального значения – не более 5 %.
Важно!!! Убедиться, что установлены следующие параметры
измерения: Режим – Пропускание; Диапазон – 400 – 5500 см-1; Разрешение – 4,0 см-1, Сканов – 51; Спектр сравнения – Общий.
Задание 1
Порядок регистрации спектра светопропускания тонких пленок AlN/Si в диапазоне 2,0 – 25,0 мкм на Фурье-спектрометре
ФСМ-201
1. Установите образец сравнения (пластина кремния) в держа-
тель образцов.
2. Выберите режим работы Фурье-спектрометра ФСМ-201
«Пропускание», а для спектров сравнения общий.
3. Посредством нажатия кнопки «Пуск» приступите к реги-
страции спектров светопропускания образца сравнения.
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]