- •Опорные конспекты лекций по дисциплине
- •Лектор: доц. Каф. Пр-1, к.Ф.- м.Н. Игорь Михайлович Колдаев.
- •Рекомендуемая литература:
- •Дополнительная литература:
- •Тема 1. Введение. Пассивные фотометирические методы.
- •1. Объект и предмет научного исследования; модели электромагнитного излучения
- •2. Научное исследование, его цели, задачи и этапы; принцип и метод научного исследования
- •3. Систематизация оптических методов исследований, критерии качества оптического метода
- •4 Взаимосвязь световых и энергетических параметров излучения.
- •5 Типовые погрешности оэип, погрешности косвенных измерений
- •6 Способы измерения основных фотометрических параметров. Светомерный шар
- •7 Способы измерения силы света удаленного источника и яркости объекта
- •8 Способы сравнения оптических параметров объекта с мерой
- •9 Фотоплетизмография в исследованиях медико-биологических объектов
- •Задачи к теме 1.
- •Тема 2. Активные фотометрические методы
- •10 Концентрационная колориметрия в исследованиях веществ
- •11 Оптическая плотность, ее аддитивность.
- •12 Спектрофотометрический анализ многокомпонентных систем
- •13 Оксигемометрия
- •14 Комбинированные методы: фото-каллориметрия, способы термо – оптические и оптико – акустические способы регистрации сигнала
- •15 Систематизация и классификация приборов фотометрии; визуальный фотометр, фотоэлектрические фотометры.
- •1 6. Влияние отклонений от закона Бугера - Бера – Ламберта на результаты колориметрических исследований
- •17 Нефелометрические методы исследований веществ и окружающей среды
- •18 Турбидиметрия в исследованиях дисперсных сред
- •19 Методы микроскопии в исследованиях рассеивающих сред
- •Задачи к теме 3
- •Тема 3 Спектральные методы научных исследований
- •20 Цели, задачи, классификация методов и областей спектрального анализа
- •21 Классификация спектральных элементов и приборов
- •22 Развитие атомно–эмиссионной спектроскопии
- •23 Естественная ширина спектральных линий
- •24 Приборы атомно - эмиссионной спектроскопии
- •25 Принципы атомно-абсорбционной спектроскопии
- •26 Приборы абсорбционной спектроскопии
- •27 Молекулярная спектроскопия
- •Задачи к теме 3
- •Тема 4 Люминесцентные и лазерные методы
- •28 Принципы люминесцентной спектроскопии, сравнение люминесцентных и спектральных методов.
- •29 Количественный люминесцентный анализ
- •30 Методы спектроскопии комбинационного рассеяния
- •31 Лазерные спектрометры, области лазерной спектроскопии
- •32 Лазерные методы исследования сверхбыстрых процессов на примере динамики белков
- •33 Принципы рефрактометрии; молекулярная рефракция, формула Лорентц - Лоренца.
- •34 Систематизация методов и приборов рефрактометрии
- •Способы определения направления луча:
- •35 Принципы интерферометрии и голографических исследований
- •36 Волоконно-оптические и интегрально-оптические интерферометрические датчики
- •37 Классические интерферометры в научных исследованиях
- •Задачи к теме 4
- •Тема 5 Поляризационные, эллипсометрические и квантовые методы
- •38 Систематизация поляризационных исследований
- •39 Поляриметрия
- •40 Спектрополяриметрический анализ; законе Био
- •41 Приборы на основе интерференционно-поляризационных явлений
- •42 Исследование двулучепреломляющих сред
- •43 Люминесцентно – поляризационный анализ
- •44 Эллипсометрия в исследованиях поверхностных слоев и пленок
- •45 Квантовые методы исследования нанообъектов
- •Задачи к теме 5
- •Экзаменационные вопросы
- •Объект и предмет научного исследования; модели электромагнитного излучения.
44 Эллипсометрия в исследованиях поверхностных слоев и пленок
Из основ оптики известно, что в падающем на поверхность раздела сред излучении ЕТЕ и ЕТН составляющие имеют коэффициенты отражения, и различные коэффициенты прохождения через границу раздела двух сред. Количественно эти параметры выражаются известными формулами Френеля:
;
.
;
Данные формулы позволяют определить параметры плеохроизма.
Параметры эллипса поляризации:
Ориентация оси эллипса
Δ = φ1 – φ2,
где φ1 – сдвиг фаз поляризации ЕТН;
φ2 – сдвиг фаз поляризации ЕТЕ.
Вытянутость эллипса ψ = arctg (ρТН / ρТЕ ),
где ρ – коэффициент отражения.
;
,
где ; .
Тогда ,
где , Δ = φ1 – φ2
В результате анализа эллипсометрических параметров получают значения:
и Δ = φ1 – φ2 ,
Таким образом определяются приповерхностные свойства исследуемых материалов. Схема эллипсометра приводится ниже.
1 – источник когерентного излучения (лазер); 2 – поляризатор; 3 – объект исследования; 4 – компенсатор разности фаз поляризованного излучения;
5 – анализатор; 6 – оптическая система; 7 – приемник излучения; 8 – вычислительная техника для обработки сигнала.
45 Квантовые методы исследования нанообъектов
Действие электронного микроскопа основано на просвечивании объектов пучком электронов. Схема прибора приведена на рисунке
Электронный просвечивающий микроскоп.
1 – источник электронов; 2 - электронная пушка; 3 – электронный пучок; 4 – образец;
5 – нанопозиционер (x, y, z); 6 – электронные линзы (электростатические и магнитные);
7 – люминесцирующий экран; 8 – фото-ПЗС; 9 – электронный блок.
Туннельные явления используют волновые свойства электронов, чем проявляют родство с оптическими волновыми явлениями.
Сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) позволяет получать изображения поверхности на атомном уровне за счет эффекта туннелирования заряда между зондом и поверхностным слоем проводящих материалов. Благодаря этому СТМ является исключительно полезным инструментом для изучения объектов на атомном уровне.
Формирование зонда СТМ.
Рассмотрим принципы туннельной микроскопии и спектроскопии.
Если имеется ступенчатый потенциальный барьер, высота которого больше энергии частицы (Е0>W), то с классической точки зрения частица будет отражаться от этого барьера.
Проникновение частицы через потенциальный барьер.
В то же время, волна частично проходит через указанную границу, при этом её амплитуда затухает экспоненциально по закону Бугера:
Квантовая частица описывается волновой функцией
Отрицательное значение энергии частицы под барьером W<0, означает, что квазиимпульс частицы – мнимое число. Волновая функция под барьером:
Видно, что вероятность проникновения экспоненциально убывает при увеличении толщины барьера х, туннельный ток экспоненциально зависит от расстояния:
,
где q – показатель ослабления, определяемый формой барьера и свойствами туннелирующих частиц:
В методах сканирующей туннельной микроскопии (СТМ) в роли потенциального барьера выступает зазор между остриём зонда и проводящей поверхностью. Поскольку поток электронов экспоненциально зависит от толщины барьера, удаётся с высокой точностью определять профиль поверхности по величине тока. При этом достигается разрешение уровня атомных размеров. Функциональная схема СТМ показана на рис
Рис. Функциональная схема СТМ.
1 – исследуемый объект; 2 – игла зонда; 3 – проводящий зонд; 4 – пьезо - манипулятор; 5 – контур обратной связи; 6 – схема обработки сигнала; 7 – устройство сканирования.
Метод туннельной микроскопии актуален в связи с развитием нанотехнологий. Исследования, проводимые в последнее время, показали возможность не только исследовать объект, но и внедрять атомы посредством переноса их зондом СТМ. Это открывает широкие возможности для развития новых направлений техники, например, квантовой микроэлектроники и фундаментальной медицины.