Сергеев А.Г. - Введение в нанометрологию (1027508), страница 26
Текст из файла (страница 26)
Практическоеиспользование спектроскопии СКР – дистанционный анализ газовых (втом числе загрязняющих) компонентов атмосферы – находит все большееприменение в исследовании оптических свойств атмосферы.Высокое разрешение спектров поглощения при помощи лазеров сперестраиваемой частотой дает возможность определить самое главное длягазовой среды – модель столкновений и величины, характеризующие элементарные акты столкновений, определить вращательные и центробежныепостоянные, электрические характеристики атомов и молекул. Эти данныепозволяют с высокой точностью решать прямую спектроскопическую за125дачу, практическая реализация которой, например, для газодинамики и атмосферной оптики имеет большое значение.На основе лазеров с перестраиваемой частотой и управлением других параметров излучения в настоящее время уже разработано нескольковариантов спектрометров линейной и нелинейной лазерной спектроскопиидля исследования тонкой и сверхтонкой структуры спектров поглощениявеществ, приборы для атомного и молекулярного флуоресцентного анализа.Лазеры с перестраиваемой частотой.
Для решения задач линейнойспектроскопии высокого разрешения с успехом применяются маломощныелазеры с малой шириной линии люминесценции и спектра излучения (менее 100 кГц), перестройка частоты излучения которых осуществляетсясмещением линии люминесценции. К таким лазерам относятся полупроводниковые лазеры на тройных соединениях и лазеры на спиновых переходах.При решении комплексных задач линейной, нелинейной и нестационарной спектроскопии эффективны лазеры, модификация конструкции резонатора которых позволяет сочетать мобильное изменение параметровизлучения – частоты, ширины спектра, длительности и мощности импульса – с вариацией спектроскопических методов, обеспечивающих широкийдиапазон чувствительности, например, к поглощению.
В этом отношениипредставляют несомненный интерес лазеры с широким контуром усиленияв сочетании с адсорбционным, оптико-акустическим методами, методоманализа спектра поглощения по тушению генерации лазера и методомспектроскопии внутри допплеровского контура. Такое сочетание обеспечивается: скоростным свипированием частоты в процессе генерации, возможностью смены методов в ходе эксперимента, широким динамическимдиапазоном чувствительности к поглощению (1 – 10-11 см-1), перестройкойв широких пределах длительности импульса и мощности излучения.
Такиевозможности представляют жидкостные, твердотельные, газовые лазерывысокого давления, а также параметрические генераторы света. Управление спектрально-кинематическими характеристиками излучения лазеровэтих типов осуществляется введением в резонатор диспергирующих элементов: призм, интерферометров различных типов, поглощающих селекторов, поляризационных фильтров или их комбинаций. Практически прииспользовании активных сред с широким контуром усиления и соответст126вующего нелинейного преобразования частоты когерентное излучениеможет быть получено на любой частоте видимого и инфракрасного диапазона. В табл. 2.
приведены типы и основные характеристики лазеров с перестройкой частоты излучения.Требования к аппаратуре. Эффективность использования методовлазерной спектроскопии в спектроскопических исследованиях и практических приложениях зависит от состояния измерений и контроля параметровлазерного излучения и, в первую очередь, спектрального состава и генерируемой длины волны. Для решения большого круга спектроскопическихзадач частоту и ширину спектра излучения нужно измерять с относительной погрешностью 10-7.
В отдельных случаях это значение должно бытьуменьшено до 10-8 – 10-9, что находится на уровне предельной точности абсолютных измерений длин волн. При решении ряда прикладных задач требования к точности значительно ниже (10-6 – 5·10-7).Метрологическое обеспечение перестраиваемых лазеров требует инового подхода к спектрометрии их частот. Если для лазеров с узкой шириной линии люминесценции (например, газовых), положение которой нашкале с точностью 106, достаточно производить относительные измеренияспектра (частотные интервалы и относительные интенсивности генерируемых частот), то неопределенность линии генерации перестраиваемых лазеров делает в большинстве случаев необходимой абсолютную привязкуспектра излучения к шкале длин волн.Таким образом, перед приборостроителями и метрологами ставятсяновые задачи.
Во-первых, необходимо создать новый вид спектральнойаппаратуры, отвечающей поставленным выше требованиям. Во-вторых,нужно разработать поверочную схему, предусматривающую соподчиненность существующих эталонов и вновь разрабатываемых рабочих и образцовых средств измерений, и методики передачи единицы длины волны вовсех звеньях схемы.2.6. Сравнительный анализ технических средствнанометрологииСовершенствование методов аналитической диагностики поверхности приводит к решению фундаментальных и прикладных задач наноиндустрии, связанных с описанием объектов по топологическим, морфологическим и электрофизическим параметрам.127Наиболее информативными методами решения этих задач являютсярастровая электронная микроскопия, сканирующая туннельная микроскопия, атомно-силовая микроскопия, электронная оже-спектроскопия, вторично-ионная масс-спектроскопия, спектроскопия и микроскопия на основе острофокусированных ионных пучков.
В основе данных методов лежитпринцип зондового сканирования поверхности объектов и регистрациичастиц, излучений, силовых и электростатических взаимодействий междузондом и исследуемой поверхностью.Сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) стал важнейшим инструментом нанотехнологий. Зондовые микроскопы, включающие сканирующие туннельные, атомно-силовые, магнитные и оптические микроскопы, позволяют не только видеть атомы и наночастицы, но и манипулировать ими, создавая новые наноструктуры.Зондовые методы исследований наноструктур связаны с решениямифундаментальных проблем физики катализа, электроники, коррозионнойстойкости, прочности и энергоемкости материалов.
Отличие данных методов заключается в природе физических явлений и эффектов, возникающихпри взаимодействии зонда с твердым телом.В табл. П1 приведены основные методы, средства и измеряемыесвойства нанообъектов.Изображения, получаемые с СЗМ, достаточно легко интерпретировать. В случае же электронной или оптической микроскопии изображениебазируется на сложных электромагнитных дифракционных эффектах. Поэтому иногда могут возникнуть затруднения при определении, является линекоторый элемент микрорельефа поверхности выступом или впадиной.На CЗМ-изображении выступ однозначно предстает выступом, а впадинаясно видна как впадина. Кроме того, на получаемых при помощи оптических или электронных микроскопов изображениях плоского образца, состоящего из чередующихся отражающих и поглощающих участков, могутвозникать искусственные изменения контрастности.
СЗМ же практическибезразличны к изменениям оптических или электронных свойств и даютинформацию об истинной топографии поверхности.СТМ имеют ряд уникальных возможностей, таких как:• неразрушающий характер анализа поверхности материала, обусловленный отсутствием механического контакта образца и низкой энергиейтуннелирующих электронов;• разрешение на атомном уровне;128• получение реального трехмерного изображения рельефа поверхности;• работа не только в вакууме, но и на воздухе.Однако область применения СТМ ограничивается проводящимиобъектами.При сопоставимых параметрах с РЭМ по чувствительности и локальности АСМ имеет ряд преимуществ, включая уникальные, присущиеСТМ:• возможность исследования материалов различной природы, включаядиэлектрики, которые не могут исследоваться методом РЭМ без потери вразрешающей способности вследствие «зарядки» поверхности образца;• проведение измерений при атмосферных условиях;• неразрушающий характер воздействия на образец;• возможность получения характеристик материалов, структур и приборов по электрофизическим параметрам.Кроме того, в отличие от РЭМ, который дает псевдотрехмерное изображение поверхности образца, АСМ позволяет получить истинно трехмерный рельеф поверхности.
Непроводящая поверхность, рассматриваемаяс помощью АСМ, не требует нанесения проводящего металлического покрытия, которое часто приводит к заметной деформации поверхности. Длянормальной работы РЭМ требуется вакуум, в то время как большинстворежимов АСМ могут быть реализованы на воздухе или даже в жидкости.Данное обстоятельство открывает возможность изучения биомакромолекул и живых клеток. В принципе АСМ способен дать более высокое разрешение, чем РЭМ. Например, АСМ в состоянии обеспечить реальное атомное разрешение в условиях сверхвысокого вакуума. Сверхвысоковакуумный АСМ по разрешению сравним со сканирующим туннельным микроскопом и просвечивающим электронным микроскопом.
Разрешение СЗМне ограничено дифракцией, ограничением является только размер объемавзаимодействия зонда и образца, т.е. несколько пикометров (10-12 м).К недостатку АСМ при его сравнении с РЭМ следует отнести небольшой размер поля сканирования. РЭМ в состоянии просканировать область поверхности размером несколько миллиметров в латеральной плоскости с перепадом высот в несколько миллиметров в вертикальной плоскости. У АСМ максимальный перепад высот составляет несколько микрон, амаксимальное поле сканирования в лучшем случае порядка 150¯150 мкм.Другая проблема заключается в том, что при высоком разрешении качест129во изображения определяется радиусом кривизны кончика зонда, что принеправильном выборе зонда приводит к появлению артефактов на получаемом изображении.Обычный АСМ не в состоянии сканировать изображения так же быстро, как это делает РЭМ.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
