Получение спектров комбинационного рассеяния света углеродсодержащих пленок

Тип работы:
Курсовая
Предмет:
Физика


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1 Введение в рамановскую спектроскопию

1.2 Физические принципы комбинационного рассеяния света

1.3 Область применения метода комбинационного рассеяния света

2. МЕТОДИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

2.1 Описание оборудования и метода измерения

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

ПРИЛОЖЕНИЕ 3

ВВЕДЕНИЕ

Поликристаллические алмазные пленки, синтезируемые химическим осаждением из газовой фазы (chemical vapour deposition — CVD), являются перспективным материалом для изготовления сверхтвердых покрытий, оптических окон, электрохимических электродов, полевых электронных эмиттеров, фотонных переключателей в оптических схемах[7]. Благодаря своей высокой теплопроводности в сочетании с уникальными полупроводниковыми параметрами, алмазные пленки интересны для применений в высокотемпературной и силовой электронике. Каждое из перечисленных приложений требует оптимизации свойств алмазных пленок для наилучшего соответствия выполняемым функциям. Современные технологии синтеза CVD-алмаза позволяют создавать самый разнообразные алмазные материалы: от тонких пленок с характерным размером 5 нм (так называемых ультрананокристаллических алмазных пленок) до толстых (> 1 мм) монокристаллических пластин очень высокой чистоты[14].

Из-за малого размера зерна роль и влияние межзёренных границ на макроскопические свойства UNCD (ультрананокристаллиского алмазного) материала становится определяющей. Свойства UNCD пленок сильно зависят от наноструктуры межзеренных границ, определяемой внедрением в них примесных атомов, таких как водород, азот, кремний в процессе синтеза при вводе соответствующих газов в CH4/Ar плазму[16].

Настоящая работа посвящена исследованию методами комбинационного рассеяния света (КРС) ультрананокристаллических алмазных пленок. Актуальность данной темы обусловлена перспективностью UNCD пленок как нового наноматериала для применения в электронике, электрохимии, оптике, биосенсорике, а так же тем обстоятельством, что их структура все еще не достаточно изучена.

UNCD пленки впервые были синтезированы в разряде постоянного тока и в СВЧ (сверхвысокочастотной) плазме. Позже было интересное свойство этого материала: при добавлении азота в ростовую газовую смесь электропроводность UNCD пленок сильно возрастает, причем это увеличение может достигать 12 порядков величины[4].

Целью данной работы является исследование методом измерения спектра КРС пленок ультрананокристаллического углерода. Были поставлены задачи:

— идентифицировать UNCD с помощью спектра КРС

— определить влияние мощности лазерного излучения на информативность спектров КРС

рассеяние свет углеродсодержащий пленка

1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1 Введение в рамановскую спектроскопию

В качестве, одного из самых информативных методов, для исследования структуры пленок углерода, наиболее часто используется метод комбинационного рассеяния света.

В 1928 году Сэр Раман открыл явление неупругого рассеяния света. Излучение, рассеиваемое молекулами, содержит фотоны той же частоты, что и падающее излучение, а также некоторое количество фотонов с измененной или смещенной частотой. Спектроскопический процесс измерения этих смещенных фотонов был назван в честь Сэра Рамана, само изменение частоты известно как «эффект Рамана» (Рамановский эффект), а излучение со смещенными частотами называют «Рамановским излучением». К концу 1930-х гг. Рамановская спектроскопия стала основным методом неразрушающего химического анализа. ИК (инфракрасная) спектроскопия вытеснила Рамановскую спектроскопию после Второй Мировой войны, когда развитие чувствительных ИК детекторов и достижения в области электроники сделали ИК спектроскопию более простой в использовании. Измерения с помощью ИК спектроскопии стали рутинными, тогда как для Рамановской спектроскопии все еще требовалось сложное оборудование, квалифицированные операторы и наличие темной комнаты[9].

С развитием лазеров в 1960х гг. вновь возник интерес к рамановскому методу, но его применение ограничивалось исследовательскими лабораториями. Все еще требовались квалифицированные операторы для сбора простых спектров, а сам процесс был довольно трудоемким.

Сегодня, наиболее совершенные Раман-спектрометры представляют собой единые модули с компьютерным управлением, оснащенные автоматической блокировкой лазера, имеют автоматические процедуры калибровки и широкий набор спектральных библиотек. Эти преимущества делают процедуру получения и использования Раман-спектров рутинным процессом[5].

Спектроскопия комбинационного рассеяния света или рамановская спектроскопия является разделом оптической спектроскопии, изучающая взаимодействия монохроматического излучения с веществом, сопровождающееся изменением энергии рассеянного излучения по сравнению с энергией падающего на объект (возбуждающего) излучения. Комбинационное рассеяние обусловлено неупругими столкновениями фотонов с молекулами (или ионами), в ходе которых они обмениваются энергией. По изменению энергии фотона можно судить об изменении энергии молекулы, то есть о переходе ее на новый энергетический уровень[2]. Сущность комбинационного рассеяния света (КРС) состоит в появлении в спектре рассеянного света новых частот, являющихся комбинациями частот падающего излучения и собственных частот молекулы (колебательных и вращательных). Число и расположение появляющихся линий (называемых комбинационными линиями) определяется молекулярным строением вещества[10].

Рамановская спектроскопия имеет значительные преимущества по сравнению с другими аналитическими методами. Важнейшими из них являются простота пробоподготовки и большой объем получаемой информации.

Рамановская спектроскопия — метод, основанный на рассеянии света, поэтому все, что требуется для сбора спектра — это направить падающий луч точно на образец, а затем собрать рассеянный свет.

Толщина образца не вызывает проблем для Раман спектроскопии (в отличие от ИК спектроскопии при анализа образцов на пропускание), также окружающая атмосфера вносит незначительный вклад в Раман спектры. Поэтому не требуется вакуумирование или осушка кюветного отделения для образцов. Стекло, вода, и пластиковая упаковка сами по себе имеют очень слабые рамановские спектры, что еще более упрощает использование метода. Часто образцы можно анализировать прямо в стеклянной бутылке или пластиковом пакете, не открывая упаковку и без риска загрязнения. Водные растворы готовы для анализа, т. е. не требуется удалять воду для получения спектра растворенного образца, а поскольку атмосферная влажность не играет роли, нет необходимости продувать спектрометр[4].

Более того, не существует двух молекул, которые имеют одинаковые Рамановские спектры, а интенсивность рассеянного света связана с количеством вещества. Это позволяет просто получать как количественную, так и качественную информацию об образце, дает возможность интерпретировать спектр, пользоваться библиотекой спектров, обрабатывать данные с применением компьютерных методов количественного анализа.

Рамановская спектроскопия — это неразрушающий метод анализа. Нет необходимости растворять твердые тела, прессовать таблетки, прижимать образец к оптическим элементам или иным образом менять физическую или химическую структуру образца. Таким образом, рамановская спектроскопия широко используется для анализа таких физических свойств, как кристалличность, фазовые переходы и полиморфные состояния. Отсутствие пробоподготовки приводит к отсутствию необходимости очистки подложек и держателей, а также отсутствию перекрестного загрязнения. Рамановская спектроскопия имеет несколько дополнительных преимуществ по сравнению с другими колебательными методами, поскольку спектральный диапазон не зависит от изучаемых колебательных особенностей. Другие колебательные методы требуют набора частот, который напрямую соответствует изучаемым частотам[10].

Рамановская спектроскопия является наилучшим выбором для исследователей, поскольку работает в широком диапазоне от УФ до ближней ИК области, позволяя выбрать наиболее удобный диапазон для данного образца и получения наилучших результатов. Рамановская спектроскопия позволяет изучать колебательные состояния, связанные с частотами в дальней инфракрасной области, которые трудно изучать другими методами. Раман микроскопы имеют пространственное разрешение лучше 1 мкм, Раман спектрометры работают с волоконной оптикой, позволяя получать информацию о колебательных состояниях в диапазоне длин волн от 2 до 100 мкм. Получение таких результатов с использованием собственных частот является почти неразрешимой задачей, но Раман делает это легко[11].

Раман спектрометры основаны на одном из двух способов получения спектров: дисперсионная Раман спектроскопия или Раман спектроскопия с Фурье преобразованием. Каждый из способов имеет уникальные преимущества и идеально подходит для выполнения определенных задач[8].

Для получения Рамановского спектра необходимо разделить собранное рассеянное излучение на отдельные длины волн. В дисперсиионных Раман спектрометрах это выполняется фокусированием Раман сигнала на решетке, которая пространственно разделяет излучение на различные длины волн. Этот разделенный луч направляется на CCD (Charge Coupled Devices) детектор.

Рисунок 1 — Разделение собранного рассеянного излучение на отдельные длины волн

Дисперсионный Раман обычно использует лазеры в видимой области. Типичные длины волн лазеров 780 нм, 633 нм, 532 нм и 483 нм, хотя могут использоваться и другие. Одним из преимуществ использования более коротковолновых лазеров является увеличение Рамановского сигнала, которое происходит при более коротких длинах волн. Эффективность Рамановского рассеяния пропорциональна, поэтому происходит значительное увеличение сигнала при уменьшении длины волны излучения лазера[18].

На первый взгляд представляется, что Раман спектрометры должны использовать более коротковолновые лазеры. Однако существует явление, которое препятствует широкой практике использования Рамановской спектроскопии — это непредсказуемая флуоресценция. Флуоресценция представляет собой сильное излучение образца, которое в несколько раз сильнее, чем Рамановский сигнал, даже незначительная флуоресценция может перекрывать исследуемый Рамановский сигнал. Флуоресценция происходит, если виртуальный энергетический уровень перекрывает верхний электронный уровень. Таким образом, при увеличении энергии лазера (более короткие длины волн) увеличивается и вероятность флуоресценции. Это явление зависит от длины волны возбуждающего лазера. Поэтому образцы, флуоресцирующие на одной длине волны, могут не флуоресцировать на других длинах волн. Следовательно при выборе прибора очень важно принимать во внимание насколько быстро и просто можно произвести смену возбуждающих лазеров[13]. Решетка имеет сильное влияние на спектральное разрешение и светопропускание, а так же имеет большое количество штрихов или прорезей, «выжженных» на поверхности, которые рассеивают входящее излучение. Чем выше число штрихов на решетке, тем шире угол дисперсии выходящего излучения. Для приборов высокого разрешения необходимо иметь решетку с большим количеством штрихов (например, 1800 или 2400 линий/мм), что позволяет различать близкие длины волн. А для приборов с низким разрешением нужны решетки с меньшим количеством штрихов (300 или 600 линий/мм). Чем выше дисперсия выходящего излучения, тем больше зона на детекторе, на которой расположены все длины волн.

Для детекторов с фиксированным размером существует значение (разрешение), выше которого не все Рамановские длины волн попадают на детектор. В случае более высокой дисперсии (более высокого разрешения) необходимо передвигать либо решетку, либо детектор, чтобы последовательно собирать области спектра.

Отклик решетки также зависит от длины волны, поэтому дисперсия (разрешение) по оси длин волн не линейна, и дисперсия становится выше при более высоких волновых числах (см-1). По этой причине спектральное разрешение должно быть указано для определенных волновых чисел и может изменяться вдоль спектра[12].

В заключение решетки выжигаются для оптимального светопропускания в относительно узком спектральном диапазоне, поэтому они должны выбираться с зависимости от желаемого разрешения и соответствовать длине волны лазера. Использование одной решетки для больше чем одного лазера или разрешения требует компромисса в светосиле прибора и чувствительности. Идеально, решетки должны быть подобраны в соответствии с лазером и условиями эксперимента[17].

Обычно для дисперсионных Раман спектрометров используются кремниевые устройства с очень высокой чувствительностью, называемые детекторы ПЗС (прибор с зарядовой связью). Детектирующая поверхность ПЗС представляет собой двумерную матрицу светочувствительных элементов, которые называются пикселями (обычно каждый пиксель менее 30 мкм). Каждый пиксель работает как индивидуальный детектор, поэтому каждая рассеянная длина волны детектируется определенным пикселем (или близкорасположенной группой пикселей).

ПЗС детекторы имеют отклик по широкому диапазону длин волн, обычно от 400 до 1000 нм. Для получения максимума информации из Рамановского спектра, важно получать спектр во всем диапазоне от 100 до 3100 см-1 при всех длинах волн лазера[19].

Рамановская спектроскопия с Фурье преобразованием была разработана для преодоления проблем, которые обычно встречаются в дисперсионной Рамановской спектроскопии. Одно из важных преимуществ Фурье-Раман спектроскопии заключается в практически полном отсутствии флуоресценции образцов.

В Фурье-Раман спектроскопии используют индий галлий арсенид (InGaAs) детектор или охлаждаемый жидким азотом германиевый (Ge) детектор. Это очень чувствительные детекторы, но тем не менее они менее чувствительны по отношению к излучению в ближней ИК области, чем ПЗС детектор по отношению к видимому излучению. Для обеспечения достаточной чувствительности при получении функциональной спектральной информации из сигнала низкой чувствительности необходимы преимущества Фурье преобразования[8].

В силу преимуществ спектроскопии с Фурье преобразованием, Фурье-Раман спектрометры предлагают:

— Высокое разрешение с минимальной потерей светопропускания

— Измерение всех длин волн одновременно

— Улучшенное соотношение сигнал-шум при усреднении сигнала

— Превосходная точность установки длин волн из-за внутренней калибровки интерферометра

Фурье-Раман спектроскопия использует интерферометр для получения интерферограммы, которая «кодирует» уникальные частоты Рамановского рассеяния в единичный сигнал. Сигнал измеряется очень быстро (обычно в течение одной секунды), производя усреднение сигнала быстро и точно. После индивидуальные частоты декодируются из интерферограммы с использованием хорошо известного математического алгоритма Фурье преобразования. Это преобразование выполняет компьютер, и на экран выводится желаемая спектральная информация[1].

1.2 Физические принципы комбинационного рассеяния света

Основные физические принципы, на которых строится классическая теория комбинационного рассеяния света (КРС), могут быть сформулированы следующим образом:

1. Рассеяние света возникает вследствие вынужденных колебаний дипольного момента молекулы, индуцируемого полем падающей ЭМ волны.

2. Свет в видимой и ближней ультрафиолетовой областях спектра рассеивается в основном электронной оболочкой молекулы; ядра атомов, образующие «скелет» молекулы, смещаются незначительно.

3. Комбинационное рассеяние света возникает вследствие того, что движение электронов в молекуле связано с движением ее ядер, а именно: взаимное расположение ядер определяет то внутреннее поле, в котором находится электронное облако. Способность электронного облака деформироваться под действием электрического поля световой волны зависит от конфигурации ядер в данный момент. При колебаниях ядер около положения равновесия (и других видах периодического движения, например при вращении молекулы) способность электронного облака деформироваться изменяется с частотой колебаний ядер. В свою очередь при деформации электронного облака могут возникнуть колебания скелета молекулы. Таким образом, имеет место сложное взаимодействие атомных остовов и электронов. С вышеизложенной общей точки зрения комбинационное рассеяние света можно рассматривать как результат модуляции индуцированного дипольного момента колебаниями скелета молекулы[20].

КРС, возникающее при переходе молекулы из невозбуждённого колебательного состояния, характеризуемого колебательным квантовым числом х = 0, в возбуждённое колебательном состояние с х = 1, х = 2 и т. д., называется стоксовым КРС. Если же до воздействия света молекула находилась в возбуждённом колебательном состоянии, например, характеризуемом х = 1, то при КРС она может перейти в невозбуждённое колебательное состояние с х = 0, причём энергия рассеянного светового кванта — антистоксово КРС. Всё сказанное относится и к КРС с изменением вращательного состояния молекулы, характеризуемого вращательным квантовыми числами. Соотношение между энергиями падающего и рассеянного фотонов в случае стоксова КРС имеет вид:

и в случае антистоксова КРС —, где представляет собой энергию возбужденного колебательного (или вращательного) состояния молекулы[21].

Вероятность w КРС (а следовательно, интенсивность линий КРС) зависит от интенсивностей возбуждающего IB0B и рассеянного I излучения: w= aIB0B (b + J), где, а и b — некоторые постоянные; при возбуждении КРС обычными источниками света (например, ртутной лампой) второй член мал и им можно пренебречь. Интенсивность линий КРС в большинстве случаев весьма мала, причём при обычных температурах интенсивность антистоксовых линий IBacтB, как правило, значительно меньше интенсивности стоксовых линий IBcтB (рисунок 5)[7].

Рисунок 5 — Схематичное расположение стоксовских и антистоксов-ских компонент КРС относительно линии рэлеевского упругого рассеяния света

1.3 Область применения метода комбинационного рассеяния света

Рамановские спектрометры и микроскопы находят широкое применение:

— в материаловедении для исследования любых типов неорганических и органических материалов, включая полупроводниковые элементы;

— в нанотехнологиях для исследования любых типов наноструктур; - в геммологии, минералогии для изучения драгоценных камней, минералов;

— в органической химии для изучения механизмов реакций и характеризации продуктов синтеза;

— при разработке и контроле различных производственных процессов;

— при проведении криминалистической и таможенной экспертиз;

— в фармацевтике при разработке и контроле производства таблетированных форм и кремов;

— в косметологии для оценки эффективности косметических средств;

— в биологии для изучения культур микроорганизмов, клеточных культур, тканей и природных волокон.

В области материаловедения и нанотехнологий Рамановская спектроскопия решает задачи:

— изучения эффектов легирования полупроводников;

— получения распределений напряжений на субмикронном уровне;

— определения дефектов решетки;

— определения степени структурного беспорядка;

— изучения сверхпроводниковых свойств;

— определения среднего размера кластеров;

— определения размера и хиральности нанотрубок;

— изучения фотолюминесценции и катодолюминесценции;

— идентификация и исследовании структуры различных материалов, пленок, волокон;

— изучения процессов коррозии [22].

Спектры КРС каждого соединения настолько специфичны, что могут служить для идентификации этого соединения и обнаружения его в смесях.

Качественный и количественный анализ по спектрам КРС широко применяют в аналитической практике, особенно при анализе смесей углеводородов[3].

2. МЕТОДИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

2.1 Описание оборудования и метода измерения

Для получения спектров КРС углеродсодержащих пленок используется спектрометр inVia Raman Microscope с длиной волны возбуждения лазера 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;

Схема спектрометраInVia Raman Microscope фирмы Renishaw Inc (Великобритания) приведена на рисунке 6.

Рисунок 6 — Схема спектрометра: A — объективы микроскопа и предметный столик, подвижный в 3-х направлениях; B — устройство входной щели спектрометра; C — блок с дифракционной решеткой; D — голографический фильтр всплесков на спектре; E — расширитель луча; F — детектор ПЗС

Вспомогательные материалы:

— Пинцет — ТУ 2−222 342. 05−86;

— Перчатки хирургические резиновые ГОСТ 3–88;

— Воздушная груша — Giottos Rocket G-AA1900;

— Алюминиевая пластина, используемая в качестве предметной для образцов малого размера (менее 75Ч10 мм).

— Очки со светофильтрами для работы с лазерами.

Квалификация персонала должна соответствовать требованиям (приложение 1).

При выполнении измерений в лаборатории должны быть соблюдены следующие условия:

— температура воздуха (205) С;

— атмосферное давление (84,0−106,7) кПа ((630−800) мм рт. ст.);

— влажность воздуха не более 80% при температуре 25 С;

— напряжение в сети от 187 до 242 В;

— частота переменного тока (501) Гц.

Экспериментатор должен быть ознакомлен с требованиями по безопасности и охране окружающей среды, приведенными в приложении 2.

Методика проведения измерений приведена в приложение 3.

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Исследуемая пленка UNCD получена методом CVD-осаждения из газовой фазы. Осаждение проводилось в смесях СН4-Н2 с малой долей (несколько процентов) метана и в присутствии атомарного водорода, подавляющего развитие неалмазных форм углерода (графита).

Полученный пик (рисунок 7) возникает только в том случае если размеры кристаллитов менее 100 нм, и это единственное условие его возникновения. Размеры UNCD как раз расположены ниже 100 нм[18].

Рисунок 7 — Спектр КРС пленки ультрананокристаллического углерода при длине волны лазера 514,5 нм и мощности лазерного излучения 17,5 мВт

Пленки UNCD (ультрананокристаллического алмаза) имеют широкие спектры представляющие собой суперпозицию нескольких полос поглощения. Сам факт наличия широких полос поглощения указывает на присутствие кластеров с различной структурой.

Для получения Рамановских спектрометров используются лазеры, работающие на различных длинах волн. При этом в зависимости от типа лазера спектр комбинационного рассеяния меняется, изменяется как интенсивность полос (пиков) так и положение максимумов рассеяния. На рисунке 8, представлены Рамановские спектры одного образца пленки UNCD (размер кристаллитов 3−5 нм), полученные с использованием трёх лазеров в инфракрасном, зеленом и ультрафиолетовом диапазонах[4].

Рисунок 8 — Рамановские спектры снятые с одного и того же образца UNCD

Таблица 1 — Основные пики углерода, проявляемые на Рамановском спектре

Functional Group/ Vibration

Region

Raman

х (C=N)

1610 — 1680 cm-1

strong

х (C=C)

1500 — 1900 cm-1

strong

х (C=O)

1680 — 1820 cm-1

medium

х (C?C)

2100 — 2250 cm-1

strong

х (C?N)

2220 — 2255 cm-1

medium

х (-S-H)

2550 — 2600 cm-1

strong

х (C?З)

2800 — 3000 cm-1

strong

х (=(C-H))

3000 — 3100 cm-1

strong

х (?(C-H))

3300 cm-1

weak

Были проведены измерения спектра КРС пленки UNCD по мощности лазерного излучения 0,035 мВт (рисунок 9), 1,75 мВт (рисунок 10), 17,5мВт (рисунок 7).

Рисунок 9 — Спектр КРС пленки ультрананокристаллического углерода при длине волны лазера 514,5 нм и мощности лазерного излучения 0,035 мВт.

Из рисунка 9 видно, что при мощности лазерного излучения 0,035 мВт в КРС спектре появляется много шумов. Их причиной является маленькая мощность излучения лазера. Подобный спектр не подлежит исследованию из-за большой вероятности возникновения погрешностей.

На рисунке 10 представлен спектр КРС полученный при мощности излучения лазера 1,75 мВт. Шумы существенно уменьшились, но тем не менее и такой спектр не является достаточно достоверным источником информации.

Рисунок 10 — спектр КРС пленки ультрананокристаллического углерода при длине волны лазера 514,5 нм и мощности лазерного излучения 1,75 мВт

Спектр КРС полученный при мощности лазера 17,5 мВт (рисунок 7) содержит минимальное количество шумов и может быть использован для проведения исследований.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Рамановская спектроскопия является мощным аналитическим инструментом с широким набором возможностей. Метод отличается простотой использования, поскольку практически не требуется пробоподготовка, а получаемая спектральная информация может использоваться как для идентификации, так и для количественного анализа.

Так как, данный метод является неразрушающим и может быть использован в дальнейшем для оценки качества синтезируемых материалов, то одной из первоочередных задач, связанных с изучением проблемы управления микроструктурой алмазоподобных материалов должна стать разработка методики качественного и количественного анализа структуры методом Рамановской спектрометрии.

В данной работе по спектру КРС подтвердили, что исследуемая пленка действительно является пленкой ультрананокристаллического углерода. UNCD пленка была получена методом CVD-осаждения из газовой фазы.

Провели измерение спектра КРС при разных мощностях излучения лазера и убедились, что только полученный при больших мощностях излучения лазера спектр подходит для дальнейших измерений, так как практически не имеет шумов. Слишком мощное излучение лазера так же не подходит для измерения спектра так как повреждает исследуемые пленки.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Баранов А. В. Резонансное КР углеводородных пленок, осажденных из ацетиленовой плазмы / Коншина Е. А. // Oпт. И спектр. — 1988. — Т. 65. — С. 856?860.

2. Брандмюллер Н., Мозор Г. Введение в спектроскопию комбинационного рассеяния света, М., Изд-во Мир, 1964.

3. Иванов-Омский В.И., Сморгонская Э. А. ФТП, 1998. — 931.

4. Пашнев В. К., Опалев О. А., Грицына В. И., Бизюков Ю. А., Брык В. В., Стрельницкий В. Е., Колупаева З. И. Осаждение алмазных покрытий с использованием тлеющего разряда, стабилизированного магнитным полем//Физическая инженерия поверхности.- 2003.- Т. 1, № 1. — С. 49−55.

5. Кольрауш К. «Спекры комбинационного рассеяния», М ЦЛ, 1952 г.

6. Сморгонская Э. А., Звонарева Т. К., Иванова Е. И., Новак И. И., Иванов-Омский В.И. ФТТ, 2003. — 156

7. Стрельницкий В. Е., Аксенов И. И. Пленки алмазоподобного углерода. Харьков.: ИПП «Контраст», 2006. — 344 с.

8. Третьяк Л. Н. Обработка прямых измерений с многократными наблюдениями: Учебное пособие — Оренбург: ИПК ОГУ, 2002.

9. Харрик Н. Спектроскопия внутреннего отражения. М.: Мир,? 1970. — с. 335.

10. Benedic F., Mohasseb F., Bruno P., Silva F., Lombardi G., Hassouni K., Gicquel A. Synthesis of nanocrystalline diamond films in Ar/H2/CH4 microwave discharges, in D.M. Gruen et al (eds), Synthesis, Properties and Applications of Ultrananocrystalline Diamond, Springer, 2005, pp. 79−92.

11. Chen H. C., Palnitkar U., Sundaravel B., Lin I.N. et al. Enhancement of field emission properties in nanocrystalline diamond films upon 100 MeV silver ion irradiation//Diamond & Related Materials — 2009. — Vol. 18. — P. 164−168.

12. Fan X., Dickey E.C., Pennicook S.J., Sunkara M.K. Appl J. Phys. Lett., 1999. -274.

13. Gan L., Bolker A., Saguy C., Kalish R. et al. The effect of grain boundaries and adsorbates on the electrical properties of hydrogenated ultra nano crystalline diamond//Diamond & Related Materials. — 2009. — Vol. 18. — P. 1118 -1122.

14. Gruen D.M. Nanocrystalline diamond films// Annu. Rev. Mater. Sci. — 1999, — Vol. 29. -P. 211−259.

15. Gruen D.M., Shenderova O.A. and Alexander Ya. Vul'. Electronic Properties and Applications of Ultrananocrystalline Diamond, in Synthesis, Properties and Applications of Unltrananocrystalline Diamond, NATO Science Series. V. 192. 2005. P. 373−382.

16. Huang S.V., Hsu H.C., You M.S., Hong F.C. Growth of diamond films with high surface smoothness//Diamond & Related Materials. — 2006. — Vol. 15. — P. 22−28.

17. Kuptsov А.Н. Applications of Fourier Transform Raman spectroscopy in forensic science. Journal of Forensic Sciences, USA, 1994, v. 39, № 2, pp~. 305−318.

18. Kuptsov A.H. Fourier Transform Raman spectroscopic investigation of paper. Vibrational spectroscopy, 1994, v. 7, pp. 185−190..

19. Thune E., Carpene E., Sauthoff K., Seibt M., Reinke P., Appl J. Phys., 2005. — 304.

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

Требование к квалификации персонала

К выполнению измерений и обработке их результатов допускают специалиста, имеющего высшее или среднее специальное образование или опыт работы в лаборатории спектральных методов исследования, опыт работы с электрооборудованием и источниками лазерного излучения, прошедшего соответствующий инструктаж, освоившего метод в процессе обучения, уложившегося в нормативы оперативного контроля при выполнении процедур контроля погрешности и владеющего английским языком на уровне «чтение и перевод со словарем».

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

Требования по безопасности и охране окружающей среды

При выполнении записи спектра КРС необходимо соблюдать требования электробезопасности при работе с электроустановками по ГОСТ 12.1. 019−79, требования лазерной безопасности по ГОСТ 12.1. 040−83 и требования безопасности, изложенные в технической документации спектрометра inVia Raman Microscope:

а) Перед включением лазера необходимо удостовериться, что все переключатели находились в положении «выключено».

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 использовать приборы и предметы с зеркальными поверхностями. Рабочий инструментарий должен иметь матовую поверхность.

Помещение должно соответствовать требованиям пожаробезопасности 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.

ПРИЛОЖЕНИЕ 3

Методика проведения измерений

Подготовка спектрометра комбинационного рассеяния света к работе проводится в соответствии с Руководством по эксплуатации.

Калибровка спектрометра inVia Raman Microscope

Для калибровки прибора используют стандартный образец монокристаллического кремния, поставляемый производителем.

1) Включить общее питание установки (кнопка с красным индикатором на правой боковой панели спектрометра).

2) Включить питание лазера (повернуть ключ в положение «1»).

3) Включить компьютер.

4) Запустить программу для проведения измерений и анализа WiRE 3. 0

Убедиться, что выбран режим «Reference un-referenced motors only» и в появившемся окне нажать кнопку «ОК».

5) Установить тестовый образец на предметном XYZ_столике спектрометра. Включить освещение образца.

6) Определить область для калибровки прибора с применением пятидесятикратного объектива. Условием достижения оптимального фокусного расстояния является ореол ярко-голубого цвета.

7) Отключить освещение образца и открыть доступ к образцу для лазерного луча.

Для процесса калибровки установить максимальный уровень мощности лазерного излучения.

8) Выполнить центрирование лазерного луча в ручном режиме

9) Выполнить автоматическое выпрямление хода луча

Далее необходимо внимательно отвечать на запросы программы об установке тестового образца и ширине щели, о каких либо изменениях конфигураций прибора не контролируемых программно. Необходимо убедится еще раз в том, что тестовый образец кремния находится на предметном столике под объективом спектрометра и нажать «ОК».

Убедиться в том, что щель открыта на 65 мкм. Если спектрометр был ранее переведен в конфокальный режим работы, то необходимо перейти к режиму regular (нормальный).

Проверить начальные и конечные диапазоны настроек для линз. Они должны приблизительно совпадать.

10) Выполнить быструю калибровку

После получения сообщения об окончании калибровки спектрометра провести исследование тестовых образцов мощность лазера 10%

Работу с образцами необходимо начинать после проведения калибровки прибора.

Подготовка образца к анализу: перед проведением измерения и анализа спектра КРС образец должен храниться в таре защищающей образец от пыли. Анализируемый образец, при помощи пинцета, поместить на поверхность XYZ_столика прибора и провести измерения.

Выполнение измерений:

Включить общее питание спектрометра inVia Raman Microscope.

Включить питание лазера (повернуть ключ в положение «1»).

Включить компьютер.

Запустить программу для проведения измерений и анализа спектров КРС WiRE 3. 0

5) Поместить исследуемый образец на алюминиевую подставку (при необходимости) и установить образец на предметном XYZ_столике спектрометра.

6) Включить освещение образца.

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) Подать лазерный луч на образец.

При подаче лазерного луча на образец необходимо учитывать, что лазерный луч большой мощности может привести к порче образца. Рекомендуется, до выставления окончательных параметров сбора данных для образца, установить минимальный уровень мощности. В случае если мощность лазера 30мВт, рекомендуется начинать работу с мощности не превышающей 0,3 мВт или 1%.

9) Вглавномменюпрограммы Wire 3.0 открыть Measurement/ New/ Spectral acquisition. В появившемся окне «Spectralacquisitionsetup» установить параметры измерения:

— во вкладке «Range» выбрать расширенный диапазон измерений «Extended» 100 — 2500 см-1.

— во вкладке «Acquisition» выбрать мощность лазера «Laser power» 1% с учетом того, что максимальная мощность лазера 30 мВт.

— мощность лазерного луча 1,5 мВт, (5%).

— во вкладке «File» выбрать имя файла необходимо указать имя файла данных и место его сохранения.

10) Запустить процесс сбора данных.

11) По завершении процесса сбора данных отключить подачу лазерного излучения

12) Сохранить результаты эксперимента в формате совместимом с программой Microsoft Excel for Windows и другими программными продуктами.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой