Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы спектроскопических методов исследования. Учебное пособие (лабораторный практикум)
.pdf
Таблица 2.1
Положение
полосы,
см-1
Характерная
ширина,
см-1
Во сколько раз интенсивность
полосы выше интенсивности
полосы при 1332 см
-1*
1140
80
1 или 57
1200
100‒200
233
1300
130
233
1315‒1330
1332
7
1
1345‒1358
до 250
176
1430‒1480
80
233
1560‒1580
110
57
Основные полосы углерода, присутствующие на Рамановском спектре
*‒ при аналогичном содержании соответствующей фазы
В области 1200 и 1300 см-1 присутствуют полосы, наблюдаемые только в пленках NCD и UNCD алмаза, которые соответствуют
аморфному углероду, размещенному в граничной фазе. Интенсивность данных полос связана с долей граничной фазы в матрицах
NCD и UNCD.
Природа полосы в области 1332 см-1 установлена – это характеристический пик монокристаллического кубического алмаза, который описывается кривой лоуренциан-гауссиан. Типичная ширина
пика около 7 – 10 см-1, в случае перехода от MCD к NCD и далее к
UNCD ширина данного пика увеличивается и затем он исчезает, в
тетрагональных и аморфных пленках не проявляется совсем.
Для аморфных пленок алмазоподобного углерода характерна
полоса в области 1345 – 1358 см
-1
– так называемый D-пик, который
соответствует поликристаллическому графиту.
В интервале частот 1430 – 1480 см-1 возникает пик, характерный только для NCD или UNCD алмаза, и является характеристическим для этих материалов, так же как и пик 1180 см
-1.
Эти полосы
также приписывают аморфному углероду.
Полосы в области 1560 – 1580 см-1 – получили название G-пик.
Он присутствует в моно-, микро и нанокристаллическом графите, а
также графене и соответствует колебаниям углерода с sp2-типом гибридизации. Данный пик описывается гауссианом.
21
Оборудование и материалы
Для получения спектров КРС образцов используется спектрометр inVia Raman Microscope с длиной волны возбуждения 514 нм.
Спектрометр смонтирован на специализированном столе с виброустойчивыми опорами, что позволяет исключить неконтролируемые механические воздействия на точность сбора данных. Управление процессом сбора данных осуществляется персональным компьютером автоматически, при помощи программного обеспечения
WiRE 3.0, поставляемого производителем оборудования.
Технические характеристики прибора
Диапазон измерений: 0 – 9400 см-1.
Разрешение: 1см-1.
Кратность объективов: 5х, 20х, 50х.
Размер лазерного пятна: не более 2 мкм.
Режим сбора данных: нормальный, конфокальный.
Регистрирующее устройство: камера на элементах с зарядовой
связью (CCD камера).
Позиционирование образца по XYZ: в ручном режиме.
Лазер на ионах аргона.
Длина волны лазерного излучения: 514 нм.
Максимальная мощность: 30 млВт.
Диаметр луча (мм): 0,69 ± 5 %.
Расхождение луча (млрад): 0,95.
Порядок выполнения работы
Подготовка к выполнению работы:
ВНИМАНИЕ!!!
Перед проведением измерений необходимо убедиться, что ис-
пользуется лазер с длиной волны излучения 514 нм (Ar+).
Рекомендуемые режимы сбора данных (для всех образцов!) в
программе WiRE версии 3.0 или выше:
Диапазон сбора данных – расширенный (Extended), 100 –
4000 см-1.
ВНИМАНИЕ!!!
Режим сбора данных – стандартный (Standard).
Время накопления (Exposure time) – 10 сек.
Количество аккумуляций (Accumulations) – 1.
Кратность объектива (Objective) – 50.
22
Работу с образцами необходимо начинать после проведения
калибровки прибора.
Задание 1
Перед проведением измерения и анализа спектра КРС образец
должен храниться в таре, защищающей образец от пыли. Анализируемый образец, при помощи пинцета, помещают на поверхность
XYZ-столика прибора и проводят измерения (образцы габаритными
размерами менее 75×10 мм помещают на алюминиевую пластину и
затем перемещают на поверхность XYZ-столика).
Методика выполнения измерений:
1. Включить общее питание спектрометра inVia Raman
Microscope.
2. Включить питание лазера (повернуть ключ в положение «1»).
3. Включить компьютер.
4. Запустить программу для проведения измерений и анализа
спектров КРС WiRE 3.0 (двойной клик на ярлыке программы WiRE
на рабочем столе ).
Убедиться, что выбран режим «Reference un-referenced motors
only» и в появившемся окне нажать кнопку «ОК».
5. Поместить исследуемый образец на алюминиевую подставку
(при необходимости) и установить образец на предметном
XYZ-столике спектрометра.
23
6. Включить освещение образца. Установить заслонку на фрон-
тальной части спектрометра в положение «1», и перевести переключатель на верхней левой боковой части спектрометра в поло-
жение до щелчка.
7. Определить область для снятия спектра комбинационного
рассеивания при фокусировке 50-тикратным объективом микроскопа, при достижении оптимального фокусного расстояния вокруг
изображения образца появляется ореол ярко-голубого цвета).
8. Перевести заслонку на фронтальной части спектрометра в
положение «4», подать лазерный луч на образец, для этого перевести переключатель на верхней левой боковой части спектро-
метра в положение до щелчка.
ВНИМАНИЕ! При подаче лазерного луча на образец необхо-
димо учитывать, что лазерный луч большой мощности может привести к порче образца! Рекомендуется, до выставления оконча-
тельных параметров сбора данных для образца, установить мини-
мальный уровень мощности. В случае, если мощность лазера
30 мВт, рекомендуется начинать работу с мощности, не превышающей 0,3 мВт или 1 %.
24
ВНИМАНИЕ! Перед подачей лазерного излучения необхо-
димо убедиться в том, что заслонка установлена в положение «4»,
так как подача лазерного луча при открытой заслонке может привести к повреждению прибора.
9. В главном меню программы Wire 3.0 открыть Measurement/
New/ Spectral acquisition. В появившемся окне «Spectral acquisition
setup» установить параметры измерения:
- во вкладке «Range» выбрать расширенный диапазон измере-
ний «Extended» 100 – 3200 см-1. При условии, что для образцов достаточно проводить сбор данных только в определенном диапазоне,
рекомендуется установить следующие диапазоны для образцов:
а) Образец аморфного гидрогенизированного углерода (a-C:H)
- диапазон 100 – 2500 см-1.
б) Образец стеклоуглерода (glassy-C)
- диапазон 100 – 2500 см-1.
в) Образец нанокристаллического алмаза (UNCD/NCD)
- диапазон 100 – 2000 см-1.
г) Образец нанокристаллического графита (NCG)
- диапазон 500 – 2500 см-1.
д) Образец микрокристаллического алмаза (MCD)
- диапазон 100 – 3000 см-1.
е) Образец графита (ГРАФИТ)
- диапазон 100 – 2000 см-1.
- во вкладке «Acquisition» выбрать мощность лазера «Laser
power» 1 % с учетом того, что максимальная мощность лазера
30 мВт.
ВНИМАНИЕ!!! Если уровень шума в спектре комбинацион-
ного рассеяния превышает 1 % от максимального значения интенсивности в спектре комбинационного рассеяния, в исследуемом
диапазоне, то рекомендуется повысить мощность.
ВНИМАНИЕ!!! Образцы материалов на основе углерода
легко подвергаются под воздействием лазерного излучения, поэтому необходимо медленно повышать уровень мощности возбуждающего лазерного излучения.
Во избежание порчи образцов не рекомендуется превышать
уровни мощности лазерного излучения для образцов:
а) Образец аморфного гидрогенизированного углерода (a-C:H)
- мощность лазерного луча 1,5 мВт, (5 %).
25
б) Образец стеклоуглерода (glassy-C)
- мощность лазерного луча 3 мВт, (10 %).
в) Образец нанокристаллического алмаза (UNCD/NCD)
- мощность лазерного луча 0,3 мВт, (1 %).
г) Образец нанокристаллического графита (NCG)
- мощность лазерного луча 15 мВт, (50 %).
д) Образец микрокристаллического алмаза (MCD)
- мощность лазерного луча 0,3 мВт, (1 %).
е) Образец графита (ГРАФИТ)
- мощность лазерного луча 3 мВт, (10 %).
- во вкладке «File» задать имя файла данных и место его сохра-
нения.
Нажать кнопки «Apply» и «ОК».
10. Запустить процесс сбора данных нажатием кнопки Run .
11. По завершении процесса сбора данных отключить подачу
лазерного излучения кнопкой , установить заслонку на фронтальной части спектрометра в положение «1», и перевести пере-
ключатель на верхней левой боковой части спектрометра в положение до щелчка.
26
12. Для сохранения результатов эксперимента в формате сов-
Характеристика
Образец 1
Образец 2
Образец 3
Образец 4
Волновое число
максимума полосы
в спектре КРС
Интенсивность
полосы (I)
FWHM*, см-1
местимом с программой Microsoft Excel for Windows и другими программными продуктами выбрать пункт меню программы Wire 3.0
File\ Save file as… в появившейся вкладке выбрать формат для сохранения файла данных *.txt в поле «Save as a type …».
По окончании измерения выполнить обработку результатов из-
мерений, согласно поставленным задачам, сформулировать вывод и
оформить отчет.
Задание 2
Результаты обработки спектров КРС представить в таблице:
*FWHM – ширина на половине интенсивности полосы в спектре КРС КРС.
Сопоставить полученные спектры КРС со спектрами, приве-
денными в приложении А и сделать вывод о природе исследуемых
образцов.
Содержание отчета
1. Отчет должен иметь титульный лист с указанием ФИО сту-
дента, номера группы и даты выполнения работы.
2. Название и цель работы.
3. Кратко теория метода. Типичные спектры КРС углеродсо-
держащих пленок представлены в Приложении А.
4. Порядок выполнения измерений.
5. Таблицы и графики, построенные и заполненные по резуль-
татам измерений и аналитических расчетов.
6. Протоколы по форме, представленной в Приложении Б.
7. Выводы.
Контрольные вопросы
1. Что такое комбинационное рассеяния света?
2. В чем заключается суть метода анализа КРС?
27
3. В чем отличие стоксового и антистоксового рассеяния?
4. На какие особенности структуры указывают наличие D и G
пиков в углеродосодержащей пленке?
5. Из-за чего может быть затруднен анализ КРС спектра?
6. Какие основные параметры пика КРС спектра? За что они
отвечают?
Указания по технике безопасности
При выполнении измерений атомной доли водорода в тонких
углеродных пленках соблюдают следующие требования:
‒ электробезопасности при работе с электроустановками по
ГОСТ 12.1.019-79;
‒ лазерной безопасности по ГОСТ 12.1.040-83;
‒ безопасности, изложенные в технической документации
спектрометра inVia Raman Microscope, представленные ниже:
а) перед включением лазера необходимо удостовериться, что
все переключатели находились в положении «выключено».
ВНИМАНИЕ! Лазерное излучение при прямом или отражен-
ном попадании в глаза может вызвать их повреждение, поэтому при
работе с лазерными установками глаза необходимо защищать очками со светофильтрами по ГОСТ 12.4.153-85 (или аналогичными,
защищающими глаза от рассеянного лазерного излучения в диапазоне 380 – 650 нм);
б) необходимо наличие освещения в области работы лазера.
Это позволит уменьшить вероятность повреждения глаз лазерным
излучением за счет сокращения глазных зрачков оператора;
в) в помещении, где расположена установка, запрещается ис-
пользовать приборы и предметы с зеркальными поверхностями. Рабочий инструментарий должен иметь матовую поверхность.
Помещение должно соответствовать требованиям пожаробез-
опасности по ГОСТ 12.1.004-91 и иметь средства пожаротушения
по ГОСТ 12.4.009-83. Содержание вредных веществ в воздухе не
должно превышать допустимых значений по ГН 2.2.5.1313-03. Организация обучения работающих безопасности труда по ГОСТ
12.0.004-90.
28
Список литературы, рекомендуемый к использованию
по данной теме
1. Фабелинский, И. Л. Комбинационному рассеянию света –
70 лет / И. Л. Фабелинский // Успехи физических наук. 1998. Т. 168.
№ 2. С. 1341–1360.
2. Мандельштам, Л. И. Новое явление при рассеянии света
(предварительное сообщение) / Л. И. Мандельштам, Г. С. Ландсберг //
Журнал Русского физико-химического общества. 1928. Т. 60.
С. 335–338.
3. Фабелинский, И. Л. Открытие комбинационного рассеяния
света / И. Л. Фабелинский // Успехи физических наук. 1978. Т. 126.
№ 1. С. 124–152.
4. Грибов, Л. А. Введение в молекулярную спектроскопию /
Л. А. Грибов. – Москва : Наука, 1976. – 399 с.
5. Сущинский, М. М. Вынужденное рассеяние света /
М. М. Сущинский. – Москва : Наука, 1985. – 175 с.
6. Cardona, M. Light Scattering in Solids V: Superlattices and
Other Microstructures / M. Cardona, G. Günterodt. – Berlin : SpringerVerlag, 1989. – 351 p. – ISBN: 978-3-540-45998-9.
7. Gammon, D. High-resolution spectroscopy of individual quan-
tum dots in wells / D. Gammon // MRS Bulletin. 1998. 23. P. 44–48.
8. Donnet, С. Tribology of diamond-like carbon films: fundamen-
tals and applications / С. Donnet, А. Erdemir. – Heidelberg : Springer,
2008. – 664 p. – ISBN 978-0-387-30264-5.
9. Bonding in hydrogenated diamond-like carbon by Raman Spec-
troscopy / C. Casiraghi, F. Piazza, A. C. Ferrari [et al.] // Diamond &
Related materials. 2005. № 14. P. 1098–1102.
29
ПРИЛОЖЕНИЕ А
Типичные спектры КРС углеродсодержащих пленок
Различные типы углеродных материалов характеризуются уникаль-
ным набором пиков в спектре КРС или их суперпозицией. Отличительными признаками материала, содержащего углерод является наличие интенсивных полос в области 1330 – 1350 см-1 и в области 1580 – 1600 см-1,
известные как “D” и “G” пики, соответственно. Полимерные и микрокристаллические материалы на основе углерода характеризуются изгибом
спектра КРС с образованием угла наклона между базовой линией спектра
КРС и осью абсцисс.
А.1. Типичный спектр КРС алмаза монокристаллического (алмаз (брил-
лиант) ТУ 117-4.2099-2002), сертификат № 6900002367979).
30
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]