У нас уже 176407 рефератов, курсовых и дипломных работ
Заказать диплом, курсовую, диссертацию


Быстрый переход к готовым работам

Мнение посетителей:

Понравилось
Не понравилось





Книга жалоб
и предложений

 





Название Разбитие метода рентгеновской флуоресценции 6 области полного внешнего отражения для нарактеризации многокомпонентный наноструктур
Количество страниц 174
ВУЗ МГИУ
Год сдачи 2010
Бесплатно Скачать 23282.doc 
Содержание Содержание

Введение. 5

1. Литературный обзор. Общие положения. 13

1.1. Рентгеновское отражение и характеристическое флуоресцентное излучение в области полного внешнего отражения. 13

1.1.1. Взаимодействие рентгеновского излучения со слоистыми средами. 13

1.1.2. Характеристическое флуоресцентное излучение. 25

1.1.3. Рентено-флуоресцентный анализ. 28

1.2. Структурно-чувствительная рентгеновская спектроскопия 34

1.3. Численное моделирование рентгеновского отражения

и выхода флуоресценции. 41

2. Использование рентгено-флуоресцентного анализа для изучения влияния условий формирования (рН субфазы) пленок Ленгмюра-Блоджетт на их элементный состав. 48

2.1. Введение 48

2.2. Экспериментальные результаты исследования ЛБ пленок

методом рентгено-флуоресцентного анализа. 54

2.2.1. Образцы. 54

2.2.2. Постановка экспериментального исследования пленок

Ленгмюра-Блоджетт с помощью рентгено-флуоресцентного анализа в ПВО. 54

2.2.3. Экспериментальные результаты и обсуждение. 57

2.3. Выводы . 61

3. Использование метода рентгеновской флуоресценции в области ПВО для исследования короткопериодных рентгеновских зеркал. 62 3.1. Обзор литературы. Короткопериодные рентгеновские зеркала. 62

3.2. Экспериментальные исследования коротко-периодных МС

методом рентгеновской флуоресценции в области ПВО. 69

3.2.1. Образцы. ' 69

3.2.2. Постановка экспериментальных измерений. 74

3.2.3. Результаты и обсуждение исследований многослойных структур Ti/Ni. 78

3.3. Выводы 83

4. Развитие метода рентгеновской флуоресценции в области ПВО для изучения ленгмюровских монослоев на поверхности жидкой субфазы. 84

4.1. Введение. Обзор'литературы. 84

¦ Белковые монослои на твердых подложках. 86

¦ Исследования распределения атомов в жидкости с помощью метода рентгеновской флуоресценции в области ПВО. 90

¦ Анализ угловых зависимостей выхода флуоресценции

от органических монослоев на поверхности жидкости. 94

4.2. Эксперименты по регистрации угловых зависимостей выхода

флуоресценции от атомов, входящих в состав органических монослоев на поверхности жидкости. 100

4.2.1. Объекты исследования. 100

4.2.2. Постановка эксперимента. 106

4.2.3. Регистрация рентгеновского отражения и выхода флуоресценции от органических монослоев на

поверхности жидкости и обсуждение результатов. 114

4.3. Выводы 121

5. Аппаратурно-методические разработки для реализации метода рентгеновской флуоресценции в области ПВО на лабораторных источниках и источниках синхротронного излучения. 122
5.1. Рентгеновский спектрометр, оснащенный ленгмюровской ванной, для
исследования жидких образцов. 126

5.1.1. Обзор литературы. Лабораторные рентгеновские спектрометры для исследования жидких образцов и границы

раздела жидкость/воздух. 126

5.1.2. Лабораторный рентгеновский спектрометр для

жидких образцов. 128

5.1.3. Апробация спектрометра. 132 Калибровка спектрометра. 132 Регистрация рентгеновского отражения и выхода флуоресценции от тестового образца. 134

5.2. Проект экспериментальной станции "Ленгмюр" для Курчатовского Центра синхротронного излучения и нанотехнологий. 136

5.2.1. Обзор литературы. Конструктивные особенности некоторых синхротронных станций, предназначенных

для исследования жидких образцов. 136

5.2.2. Проект синхротронной станции "Ленгмюр". 143

5.3. Разработка метода наклона пучка синхротронного

излучения в области ПВО к поверхности горизонтально расположенного образца. 153

5.3.1. Отклонение пучка двумя зеркалами. 153

5.3.2. Отклонение пучка двумя многослойными структурами. 159

5.3.3. Определение линейных размеров блока управления рентгеновским пучком. 162

5.4. Выводы 166 Основные результаты и выводы диссертации 167 Основные публикации результатов диссертации 170 Список используемых сокращений 173 Список цитируемой литературы 174



ВВЕДЕНИЕ. Актуальность работы.

В последнее время внимание во всем мире направлено на развитие нанотехнологий: комплекса методов и приемов контролируемого создания и модификации нанообъектов и материалов на их основе с заранее заданными свойствами. Существующие и разрабатываемые на настоящий момент нанообъекты крайне разнообразны. К ним относятся различные полупроводниковые и металлические многослойные и поверхностные структуры, используемые, в частности, как основа твердотельной наноэлектроники (сверхрешетки, квантовые точки и нити, квантовые контакты), органические наноматериалы и слоистые наноструктуры (например, пленки Ленгмюра-Блоджетт) — являющиеся основой молекулярной органической наноэлектроники, используемые для конструирования моделей клеточных биомембран (молекулярная архитектура), применяемые для создания различных газовых, хемо- и биосенсоров.

В настоящее время приняты следующие определения:

"Нанотехнология" — совокупность методов и приемов, обеспечивающих возможность контролируемым образом создавать и модифицировать объекты, включающие компоненты с размерами менее 100 нм, имеющие принципиально новые качества, обусловленные их размерами и позволяющие осуществлять их интеграцию в полноценно функционирующие системы большого масштаба. Отличие нанотехнологий от традиционных заключается в возможности создания материалов или систем сборкой в атомно-молекулярном масштабе (в том числе с использованием явления самоорганизации). "Наноматериалы" - материалы, содержащие структурные элементы геометрические размеры которых хотя бы в одном измерении не превышают 100 нм и благодаря этому обладающие качественно новыми свойствами, функциональными и эксплуатационными характеристиками.

Естественно, развитие нанотехнологий требует создания адекватных методов диагностики, благодаря которым будет возможно получать информацию о структуре и составе нанообъектов и систем на их основе.

На настоящий момент к базовым методам нанодиагностики относят:

- микроскопию: зондовую, электронную высокого разрешения;

- методики, связанные с рассеянием частиц с длинами волн нанометрового диапазона (тепловых нейтронов (А.~1-1ОА));

- комплекс методик, в основе которых лежит процесс рассеяния (и дифракции) электромагнитного излучения, длины волн которого сравнимы с размером изучаемых объектов (А,~0.1-100А), т.е. излучения от вакуумного ультрафиолета до жесткого рентгеновского. Для этих методик актуальным становится использование специализированных источников синхротронного излучения (СИ). Такое свойство СИ, как высокая яркость позволяет проводить исследования в условиях незначительного количества рассеивающего материала и, следовательно, малой интенсивности полезного сигнала: создавать микро- и нанопучки достаточной интенсивности, которыми можно исследовать отдельные нанообъекты; работать с поверхностью и приповерхностным слоем.

Для получения структурной информации о нанообъектах возможно использование различных поверхностно-чувствительных рентгеновских методов, однако, для диагностики многокомпонентных наноматериалов целесообразным является привлечение методов, дающих спектрально-селективную информацию. Такую возможность предоставляют, например, методы, связанные с регистрацией вторичных характеристических излучений от атомов, составляющих исследуемый образец, возбужденных при фотоэлектрическом поглощении падающих рентгеновских квантов.

На протяжении последних трех десятилетий развивается метод "структурно-чувствительной спектроскопии" сочетающий регистрацию угловых зависимостей рентгеновского отражения и выхода вторичного излучения в условиях формирования сложного нелинейного распределения волнового поля - в угловых диапазонах брэгговской дифракции и области полного внешнего отражения (ПВО), который дает спектрально-селективную структурную информацию о границе раздела и позволяет определять структурное положение атомов различных химических элементов с ангстремной или нанометровой точностью.

Большой вклад в разработку структурно-чувствительной спектроскопии был внесен российскими учеными. Представляемая работа является продолжением разработок, которые многие годы проводились в Институте кристаллографии имени А.В. Шубникова РАН и в лаборатории рентгеновской оптики и синхротронного излучения, в частности.

Поскольку данная работа связана с исследованиями в области полного внешнего отражения рентгеновского излучения, в дальнейшем рассматриваться будет только область ПВО.

Традиционный спектрально-селективный метод, реализуемый в условиях полного внешнего отражения — рентгено-флуоресцентный анализ, позволяет определить композиционный состав образца в ПВО, т.е. понять что находится в образце.

Логическим продолжением этого метода является метод рентгеновской флуоресценции в области ПВО, соединивший регистрацию угловых зависимостей интенсивности выхода флуоресценции и рентгеновского отражения при изменении угла падения излучения на образец и позволяющий определять местоположение атомов в приповерхностном слое в направлении нормали относительно границы раздела.

Особая привлекательность структурно-чувствительной спектроскопии, применяемой в области ПВО, заключается в том что возможно формирование волнового поля стоячая рентгеновская волна (СРВ)/эванесцентная волна на границе раздела любых гладких поверхностей, в том числе и на поверхности жидкости. Поэтому метод рентгеновской флуоресценции в условиях ПВО является перспективным для исследования различных планарных многокомпонентных нанообъектов, изучение которых представляет большой научный и практический интерес - это нанометровые моно- и многослойные пленки на твердых подложках, как органической, так и неорганической природы, а также органические монослои на поверхности жидкости.

Проведение исследований жидких образцов, в том числе органических монослоев на поверхности жидкости, требует развития методики рентгеновской флуоресценции в области полного внешнего отражения в применении к таким объектам и разработки соответствующей аппаратуры для
постановки экспериментов, как в лабораторных условиях, так и на источниках синхротронного излучения.

В мире на специализированных источниках синхротронного излучения существуют единичные станции, на которых возможно проведение подобных работ.

Основной целью " работы являлось развитие методической и экспериментальной базы ' неразрушающего спектрально-селективного поверхностно-чувствительного метода рентгеновской флуоресценции в области полного внешнего отражения для характеризации многокомпонентных наноструктур.

В соответствие с поставленной целью в работе решались задачи:

• Использование рентгено-флуоресцентного анализа для определения состава пленок Ленгмюра-Блоджетт (ЛБ-пленок) - моделей химических сенсоров -с целью определения наличия в пленках ионов металлов, "захваченных" из жидкой субфазы при их формировании.

• Разработка метода качественной характеризации короткопериодных многослойных рентгеновских зеркал при отработке режимов их получения с помощью регистрации угловых зависимостей характеристической рентгеновской флуоресценции от каждого из элементов, наносимых в процессе формирования структуры.

• Развитие метода регистрации угловых зависимостей выхода флуоресценции в области ПВО для характеризации органических монослоев на поверхности жидкости.

• Аппаратурно-методические разработки для исследования "жидких" образцов с помощью метода рентгеновской флуоресценции в области полного внешнего отражения на лабораторных источниках и источниках синхротронного излучения.

Научная новизна полученных результатов заключается в следующем:

• Впервые проведенное комплексное исследование ЛБ-пленок, на основе

сочетания результатов рентгено-флуоресцентного анализа в ПВО (давших
прямую информацию о наличии в пленках атомов металлов) с опосредованной информацией о составе органических монослоев, полученной из изотерм сжатия, позволило однозначно определить влияние рН субфазы на элементный состав ЛБ-пленок, являющихся прототипами химических сенсоров.

• Впервые продемонстрирована возможность получения информации о дискретности короткопериодных многослойных рентгеновских зеркал с малым числом периодов (неотожженных и подвергнутых термическому отжигу) на основе регистрации угловых зависимостей выхода флуоресценции от каждого из элементов, наносимых в процессе формирования структуры.

• Впервые на станции Troika II (линия ID 10B, ESRF, Франция) реализованы измерения характеристического флуоресцентного излучения от ленгмюровских монослоев. Получены экспериментальные угловые зависимости выхода флуоресценции от атомов, входящих в состав молекул органического монослоя, находящегося на поверхности жидкости.

• Проведены аппаратурно-методические разработки, включающие:

- создание лабораторного спектрометра, оснащенного ленгмюровской ванной и позволяющего проводить рентгеновские и рентгено-флуоресцентные измерения жидких образцов (находящихся в ленгмюровской ванне) и горизонтально расположенных твердотельных образцов в области ПВО;

- разработку метода управления монохроматизированным пучком синхротронного излучения в угловых диапазонах вблизи области ПВО, с использованием различных рентгенооптических элементов.

создание проекта экспериментальной станции, оснащенной ленгмюровской ванной для исследования жидких образцов для Курчатовского Центра синхротронного излучения и нанотехнологий (КЦСИиНт).

Практическая значимость.

Развитие метода рентгеновской флуоресценции в области ПВО, позволившее получить при характеризации неорганических и органических
наноструктур спектрально-селективную информацию различного уровня, и в особенности - проведенные исследования ленгмюровских монослоев на поверхности жидкости, открывают путь возможности изучения биологических объектов в условиях, приближенных к физиологическим.

Создание специализированной экспериментальной базы для исследования жидких образцов, в том числе, органических монослоев на поверхности жидкости, существенно расширяют возможности нанодиагностики разнообразных наносистем. Разработка уникального метода наклона синхротронного пучка к горизонтали позволяет проводить исследования жидкости при неподвижном образце, что существенно упрощает схему эксперимента.

На защиту выносятся:

1. Экспериментальные результаты рентгено-флуоресцентного анализа ЛБ-пленок на твердых подложках в условиях полного внешнего отражения рентгеновских лучей, позволившие впрямую определить состав органических пленок - моделей селективных химических сенсоров, -в зависимости от рН субфазы.

2. Методика качественного неразрушающего контроля коротко-периодных многослойных рентгеновских зеркал, основывающаяся на регистрации в области ПВО угловых зависимостей рентгеновской флуоресценции от каждого из элементов, наносимых в процессе формирования структуры, и позволяющая судить о дискретности слоев, составляющих образец.

3. Впервые зарегистрированные с применением синхротронного излучения (на станции Troika И, линия ID 10B, ESRF, Франция) экспериментальные угловые зависимости рентгеновской флуоресценции, модулированные сложным распределением электромагнитного поля в области ПВО -СРВ/эванесцентная волна, от модельных органических монослоев на поверхности жидкости, что позволяет определить структурную организацию монослоя на поверхности жидкости.

4. Аппаратурно-методические разработки для исследования "жидких образцов" методом рентгеновской флуоресценции в области ПВО на лабораторных источниках и источниках синхротронного излучения.
- лабораторный рентгеновский спектрометр, оснащенный ленгмюровской ванной;

- проект экспериментальной станции "Ленгмюр" для Курчатовского центра синхротронного излучения и нанотехнологий;

- метод наклона пучка синхротронного излучения к неподвижной ленгмюровской ванне с использованием различных рентгенооптических элементов.

Личный вклад автора.

Автором проведены эксперименты по рентгено-флуоресцентному анализу в области ПВО пленок Ленгмюра-Блоджетт (прототипов химических сенсоров) в условиях крайне малой интенсивности полезного флуоресцентного сигнала.

Автор участвовала в разработке метода качественного неразрушающего контроля многослойных коротко-периодных структур и проводила экспериментальные исследования коротко-периодных рентгеновских зеркал методом рентгеновской флуоресценции в области ПВО.

С ее непосредственным участием шла постановка экспериментов по регистрации угловых зависимостей рентгеновской флуоресценции от монослоев на поверхности жидкой субфазы, впервые проведенных на источнике синхротронного излучения (станции Troika И, ID 10B, ESRF, Франция). Она принимала активное участие в анализе полученных экспериментальных данных.

Автором проведен глубокий анализ экспериментального оборудования, используемого для исследования молекулярных монослоев на поверхности жидкости, как действующих в ряде синхротронных центров мира экспериментальных станций, так и лабораторных спектрометров. На основе этого, при активном участии автора, были проведены работы по разработке лабораторного рентгеновского спектрометра с вертикальной плоскостью рассеяния и проекта экспериментальной станции "Ленгмюр" в КЦСИиНТ, оснащенных ленгмюровской ванной и предназначенных для исследования жидких образцов. Автор также принимала участие в разработке метода наклона пучка синхротронного излучения к горизонтали, вела расчет
параметров блока управления пучком. Автором предложена оригинальная схема компенсации испарения жидкой субфазы.

Апробация работы.

Основные результаты диссертации докладывались на I - IV национальных конференциях по применению рентгеновского, синхротронного излучений, нейтронов и электронов для исследования материалов (РСНЭ) Москва 1997, 1999, 2001, 2003; рабочем совещании "Рентгеновская оптика -99"; XVIII международном съезде кристаллографов (UlCr XVIIIth General Assembly and International Congress of Crystallography, Glasgow, UK (1999)) и XX европейском съезде кристаллографов (20th European Crystallographic Meeting, Krakow, Poland (2001)). Surface Science 2000: Self-Organization at Interfaces and in Thin Films, ESRF Grenoble, France (2000). XIX международном съезде кристаллографов (UlCr XlXth General Assembly and International Congress of Crystallography, Geneva, Switzerland (2002)). VIII и IX конференции по рентгено-флуоресцентному анализу в условиях полного внешнего отражения (TXRF2000 — 8th Conference on Total Reflection X-ray Fluorescence Analysis and Related Methods'Vienna, Austria (2000), TXRF2002 - 9th Conference on TXRF and Related Methods, Madeira, Portugal (2002)). XII международной конференции по малоугловому рассеянию (Xllth International Conference on mall-Angle Scattering, Venice, Italy (2002)). XXI европейском съезде кристаллографов (21st European Crystallographic Meeting, Durban, South Africa (2003)).

Публикации.

По материалам диссертации 7 печатных работ опубликовано в периодических журналах, 9 работ опубликовано в трудах российских и международных конференций, в том числе, в виде тезисов.
Глава 1. Литературный обзор. Общие положения. /./. Рентгеновское отражение и характеристическое флуоресцентное излучение в области полного внешнего отражения.

1.1.1. Взаимодействие рентгеновского излучения со слоистыми средами.

Граница раздела двух сред.

Как известно из оптики света видимого диапазона, граница раздела двух сред с различными показателями преломления щ и ni, расщепляет падающую на нее плоскую электромагнитную волну Ео на отраженную ?, и прошедшую

(преломленную) Е2 (рис. 1.1), направление распространения которых определяется законом Снеллиуса:

а°=а> ' (1.1)

и, cos a, =n2cosor2

где «о, сс\, cti - углы падения, отражения и преломления, соответственно; а амплитуды (А) связаны соотношением Френеля [1], которое для малых углов скольжения 0=90° - «(рис. 1.1), примет вид [2]:

^ (12)

sin вх + п2 sin 02

где A, Ar — амплитуда падающего и отраженного излучений, соответственно; во, ви вх — углы скольжения, отражения и преломления, соответственно;

Для электромагнитного излучения рентгеновского диапазона длин волн показатель преломления вакуума п = 1. Поскольку собственная частота колебаний электронов большинства веществ меньше частоты электромагнитных колебаний рентгеновского излучения, показатель преломления среды (любого вещества) меньше единицы и является комплексной величиной

n=l-S+iJ3, (1.3)

где реальная часть определяет рассеяние, а мнимая - поглощение рентгеновского излучения в веществе.

Б. Взаимодействие рентгеновского излучения с отражающей поверхностью в условиях ПВО (0 < вс). к0 т- падающее, кх - отраженное и к2 - прошедшее излучения, соответственно.
где /0 + Д/' + /Д/" - атомный фактор рассеяния с дисперсионными поправками, найденными на основе квантовой теории дисперсии из сечений ионизации. Для примера, при длине волны 1 А для большинства веществ значения д и /? будут находиться в пределах величин 10"7 -г- 10"5. Таким образом, вакуум для рентгеновского излучения является оптически наиболее плотной средой.

В общем случае считается, что при проникновении рентгеновского излучения в материал его интенсивность ослабляется экспоненциально:

Коэффициент ослабления ju определяется длиной волны излучения, плотностью и другими свойствами материала. Ослабление излучения происходит за счет процессов поглощения и рассеяния:
(где г и а- массовые коэффициенты поглощения и рассеяния, соответственно), но по мере увеличения порядкового номера элемента и длины волны рентгеновского излучения доля поглощения возрастает и доминирует над рассеянием (так для Mg доля г составляет 95 %) [5]. Поэтому для тяжелых элементов ослабление считают идентичным поглощению.

Существуют области углов, для которых правило (1.8) не действительно: при углах падения рентгеновского излучения, отвечающих полному внешнему отражению (малые углы скольжения) и брэгговской дифракции, глубина проникновения рентгеновского излучения аномально мала [3].

По аналогии с оптикой видимого света, для которой существует полное внутреннее отражение при переходе из более плотной в оптически менее плотную среду, для рентгеновского излучения при отражении от границы {вакуум {п — 1)/вещество {щ < 1)} существует полное внешнее отражение — в пределах диапазона углов 0 ¦*- вс (0с — критический угол полного внешнего отражения), для которых в2 = О (рис. 1.1), т.е. рентгеновский пучок "вытесняется" из образца, практически полностью отражаясь от границы раздела. При этом под отражающей поверхностью распространяется преломленная волна, называемая эванесцентной, которая представляет собой плоскую неоднородную волну, распространяющуюся вдоль поверхности, с фазой, изменяющейся вдоль оси х, и амплитудой, экспоненциально убывающей вдоль оси z по-нормали к границе раздела. Величина критического угла ПВО вс определяется из закона (1.1):

cos6>c =\-8-ip если поглощением можно пренебречь, то

ве*ЛЕ ¦ (1.11)

Из формулы (1.4) (или (1.6)) следует, что критический угол ПВО зависит от длины волны и плотности отражающей поверхности. Например, для излучения с длиной волны 1.54 А (Си Ка) критический угол ПВО для алюминия составит 6% =4.113 мрад (0.23°), а для вольфрама- 6CW = 9.589 мрад (0.55°) (см. рис. 1.2).

Одна из интересных особенностей ПВО, на которую обратил внимание Парратт [2] - малость глубины проникновения преломленного излучения в
вещество. Глубина проникновения эванесцентной волны в вещество определяется как [6]:

1= , f v. • (1.12)

Согласно (1.12) глубина проникновения рентгеновского излучения при в ~ О крайне мала и определяется плотностью отражающего материала (см. формулы (1.4) и (1.11)). Вне области полного внешнего отражения (0> вс) преломленная волна проникает в материал на большую глубину, определяемую линейным коэффициентом поглощения //(формула (1.9)).

На рис. 1.2 приведены угловые зависимости глубины проникновения рентгеновского излучения с длиной волны 1.54 А (Си Ка) в различные материалы [7]. Видно, что выше критического угла значение глубины определяется обычным фотоэлектрическим поглощением (для каждого из элементов — своя величина критического угла и свое значение глубины проникновения в ПВО), при углах меньших критического — глубина проникновения определяется плотностью материала и составляет порядка нм. По мере увеличения угла, при возрастании глубины проникновения излучения в образец, интенсивность рентгеновского отражения соответственно спадает (см. рис. 1.3). Вид кривой представляет собой обращенную зависимость глубины проникновения (сравнить рис. 1.2 и рис. 1.3 с учетом положения критического угла ПВО).

Закономерности волнового электромагнитного поля, формируемого при взаимодействии рентгеновского излучения с гладкой отражающей поверхностью в области малых углов скольжения, рассматривались многими авторами. Одной из первых работ, посвященных этому вопросу, была статья Бекера и коллег [8].

В условиях полного внешнего отражения рентгеновского пучка от одной границы раздела над границей присутствуют две когерентных волны, сравнимых по интенсивности: падающая и зеркально отраженная. Интерференция между ними (рис. 1.4) приводит к формированию над отражающей поверхностью вдоль вертикальной оси z, нормальной к
Список литературы
Цена, в рублях:

(при оплате в другой валюте, пересчет по курсу центрального банка на день оплаты)		 1425
Скачать бесплатно 23282.doc 





Найти готовую работу


ЗАКАЗАТЬ

Обратная связь:


Связаться

Доставка любой диссертации из России и Украины

Вход для партнеров

Регистрация

Восстановить доступ

Материал для курсовых и дипломных работ


Ссылки:

Выполнение и продажа диссертаций, бесплатный каталог статей и авторефератов

Счетчики:

Besucherzahler
счетчик посещений

© 2006-2022. Все права защищены.
Выполнение уникальных качественных работ - от эссе и реферата до диссертации. Заказ готовых, сдававшихся ранее работ.