Нанометрология (1027621), страница 24
Текст из файла (страница 24)
Если лазерноеизлучение в диапазоне длины волн от ближнего УФ до ближнего ИК(включая видимый участок) падает на образец, то фотоны, порождаемыеэластичным рассеянием молекул, образуют излучение с длиной волны, отличной от таковой у падающего пучка, и порождаемое изменениями движения молекул. Этот эффект был открыт в 1928 году индийским ученымРаманом и получил название рамановского рассеяния. Оно связано с изменением колебательной энергии молекул. Иными словами, имеет место рождение фонона (стоксов процесс) или его аннигиляция (антистоксов про119цесс).
Количество фононов в возбужденном состоянии зависит от температуры. Если возникновение рамановского эффекта, длящегося не более10-14 с, выглядит достаточно простым, то теория рамановского рассеяниядалеко не элементарна. Для ее объяснения необходимо привлечение аппарата теории групп и теории возмущений высоких порядков.Раман в качестве источника монохроматического излучения использовал отфильтрованное солнечное излучение, цветной фильтр в качествемонохроматора, а приемником излучения служил глаз. Поскольку интенсивность рассеянного рамановского излучения чрезвычайно мала, потребовался мощный источник монохроматического излучения, что стало возможным только после появления лазера (рис. 2.45).Рамановский спектрометр может быть дисперсионным или недисперсионным. Дисперсионные приборы содержат дифракционную решеткуили призму, разделяющие пучки на цветовые составляющие.
Недисперсионные приборы базируются на интерферометре Майкельсона и именуютсярамановскими спектрометрами с преобразованием Фурье (FT-Raman).В универсальных дисперсионных приборах используются двойные итройные монохроматоры. В усовершенствованные рамановские спектро120метры вводятся различные оптические элементы типа узкополосныхфильтров, конфокальных диафрагм, микроскопов и поляризаторов.Быстродействие рамановской спектроскопии позволяет исследоватьизменения фазы образцов (аморфных или кристаллических), изменения ихразмеров и механические напряжения в нанокристаллах.
Более того, применение соответствующего математического аппарата позволяет по формеи положению пика полосы первого порядка рамановского рассеяния определить напряжение внутри нанокристалла, а также его размер и кристаллический коэффициент (отношение). Введение в спектрометр линз и других оптических приборов, таких как, например, микроскоп и поляризатор,расширяет возможности использования рамановской спектроскопии. Поскольку эта методика поставляет информацию о фазовых изменениях материала (вещества), размерах и механических напряжениях, она широкоиспользуется при калибровке наноструктур.Фотолюминесцентная спектроскопия (ФЛС) целесообразна приизучении полупроводников, особенно тех, что применяются в оптоэлектронных приборах.
Она представляет собой простую, разностороннюю,бесконтактную, неразрушающую методику исследований электроннойструктуры материалов.Фотолюминесценция (ФЛ) основана на облучении изучаемого кристалла фотонами с энергиями, превышающими энергию его ширины запрещенной зоны. Поток фотонов направляется на образец, где он поглощается и передает избыточную энергию материалу в процессе возбужденияфотолюминесценции. Эта избыточная энергия может претерпеть диссипацию внутри образца и породить люминесценцию, которая в случае так называемого «фотовозбуждения» именуется фотолюминесценцией.
Интенсивность и спектральный состав излучения фотолюминесценции являютсявеличинами, характеризующими важнейшие свойства материала. Фотовозбуждение порождает электронно-дырочные пары внутри материала, перемещающиеся в зоны разрешенных возбужденных состояний.ФЛ является процессом спонтанного излучения при оптическом возбуждении (накачке) материала. Поскольку накачка является оптической,т.е. бесконтактной¸ то отсутствует необходимость в электрических контактах и соединениях, и возможно применение высокорезистивных материалов. Более того, ФЛ можно использовать фактически для исследованиялюбой поверхности при любых условиях окружающей среды, а также приизучении множества параметров материала, например, электрических121свойств образца и дискретных электронных состояний. Характерные особенности эмиссионного спектра могут быть использованы для идентификации поверхностных, пограничных и примесных уровней, а также приизмерении разупорядоченности сплавов и шероховатости поверхности.Интенсивность ФЛ-сигнала позволяет судить о качестве поверхностей играниц их разделов.
Более того, AKC нечувствительна к давлению в камере, где расположен образец, что позволяет изучать свойства поверхностипри относительно высоком давлении.Типичная ФЛС-установка состоит из трех основных частей: источника излучения, обеспечивающего возбуждение; дьюара для размещенияобразцов при низких температурах; приемника для сбора фотонов, излучаемых образцом, и устройства обработки получаемой информации (рис.2.46).Рис.
2.46. Структурная схема типичной ФЛС-установкиЭлектролюминесцентная спектроскопия. Явление электролюминесценции (ЭЛ) было обнаружено в 1936 году Г. Дестиау, когда он открыллюминофоры, светившиеся при высокой напряженности порядка 10 кВ/смэлектрического поля. Электролюминесценция (ЭЛ) отличается от фотолюминесценции процессом возбуждения: в ФЛ рождение и рекомбинацияэлектронно-дырочных пар происходит за счет оптического возбуждения(накачки) материала, в то время как в ЭЛ те же процессы нуждаются вэлектрическом возбуждении. Процессы излучения света в ЭЛ те же, что и вФЛ, т.е. излучение фотона имеет место при переходе электрона с верхнегоэнергетического уровня на нижний.
Это случается при переходах из зоныпроводимости в валентную зону, в примесные состояния или из донорского в акцепторный уровень. В ЭЛ носители могут быть возбуждены тремяспособами: электрической ионизацией внутри кристалла; инжекцией носи122телей или накоплением (аккумуляцией) носителей в определенной точкекристалла, т.е. увеличением их концентрации путем пропускания тока.Аппаратура ЭЛ идентична аппаратуре ФЛ, но с дополнением системы электрических измерений. Измерения можно проводить как при комнатной, так и криогенной (отрицательной) температурах. Головка криостата закрепляется на 3D-микропозиционирующем устройстве и имеет выходное окно для пропускания испускаемого излучения в монохроматор.Таблица 2.3Средства измерений параметров наночастиц, используемые в газовых и аэродисперсных средахСредствоизмеренийАнализатор на основе рассеяния илидифракции лазерного излученияДифференциальныйанализатор подвижности частицДиапазонизмеренияразмеровнаночастиц,нмДиапазонизмерениясчетнойконцентрации, см-310 – 200001 – 4·10376 – 10001 – 10Масс-спектрометр30 – 500НетданныхДиффузионныйспектрометр5 – 6001 – 10530 – 40000103 – 10510 – 500103 – 106Анализатор на основе интерференциисветаГенераторы частицаэрозоля (эталонныемеры)123Измеряемый диаметр наночастицыДифракционныйОсновной илидополнительный метод.Использованиев международных сличенияхДополнительныйДиффузионный(аэродинамичеОсновнойский)Рассчитанный по Использованиерезультатам сепе- в комплексе нерации по массе предполагаетсяприплотности31 г/смДиффузионный(аэродинамичеОновнойский)Эффективный (в Дополнительсвязи с оптиченыйской плотностью)Проекционный(определяется методами электронОсновнойной и атомносиловой микроскопии)Электролюминесценция играет важную роль в исследованиях электрических свойств электронных приборов в нанометрическом диапазоне.Она позволяет понять механизмы излучения света приборами на основе нанокристаллов.Весьма перспективными представляются атомно-спектральные измерения (АСИ).
Это особый вид оптико-физических измерений, основанных на преобразовании молекул в атоминизированную и/или ионизированную форму с последующим разделением, регистрацией и обработкойспектральных характеристик образующихся при этом потоков фотонов,ионов и электронов.Таблица 2.4Средства измерений параметров наночастиц,используемые в водных средахСредство измеренийЛазерный дифференциальный анализаторАнализатор на основе динамического рассеяниясветаАнализаторнаоснове интерференции светаДиапазонизмеренияразмеровнаночастицы, нмДиапазонизмерениясчетнойконцентрации, дм-320 – 10510 – 7·105ДифракционныйНе нормируетсяДиффузионный(гидродинамический)1 – 600020 – 100310 – 106Измеряемый диаметр наночастицыОсновной илидополнительный метод.Использованиевыбора методаОсновной.РезультатыВНИИФТРИОсновной.РезультатыВНИИФТРИЭффективный(в Дополнительсвязи с оптической ный. Результатыплотностью)ВНИИФТРИРазвивается и масс-спектрометрия как один из методов контроля идиагностики, направленной на определение химического состава веществ(примесей).
Метод основан на анализе зависимости ионного тока от отношения массы ионов исследуемого вещества к электрическому заряду этихионов. В работе [42] приведены (табл. 2.3 и 2.4) сведения о СИ для измерения параметров наночастиц в различных средах.Рассматривая задачи метрологического обеспечения измеренийспектральных характеристик лазеров [42], можно отметить, что созданиелазеров с управляемыми параметрами излучения – частоты, спектра, дли124тельности и мощности импульса – открыло новый этап в развитии спектроскопии высокого разрешения.
Лазер становится универсальным инструментом при решении научных и прикладных спектроскопических задач,причем коренным образом изменяются методы и схемы спектроскопиивысокого и сверхвысокого разрешения. Наряду с классической спектроскопией интенсивно развивается ее новая область – лазерная спектроскопия.Основные методы и применение лазерной спектроскопии, лазеры сперестраиваемой частотой и их характеристики, требования к спектральной аппаратуре постоянно меняются и ужесточаются.Лазерная спектроскопия внутри допплеровского контура с использованием лазеров с перестраиваемой частотой позволяет выявить тонкую и сверхтонкую структуру линии поглощения, скрытую допплеровскимуширением, проводить прецизионные измерения естественной ширины ивремена жизни уровней вращательных постоянных молекул.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
