Контрольные вопросы

1. Как проводится химический анализ методами аналитической химии?

2. Что такое количественный анализ?

3. На чем основано применение физических методов для химического анализа?

4. Как проводится спектральный анализ?

5. Какие материалы можно анализировать спектральным методом?

6. Как проводится рентгеновский микроанализ?

7. Какие ограничения имеет рентгеновский микроанализ?

8. Как проводится количественный рентгеновский анализ?

Рекомендуемая литература

1. Основы аналитической химии (под ред. Ю.А. Золотова). В 2-х кн. Общие вопросы. Методы разделения. Методы химического анализа. М.: Высшая школа. 2004.

2. Н. Л. Глинка Общая химия — М.: Интеграл-Пресс, 2008. — С. 728.

3. Мика Й., Гегуш Э. Эмиссионный спектральный анализ, пер. с англ., ч. 1-2, М., 1982

4. Семененко К.А., Зоров Н.Б., Методы спектрального анализа, М., 1990.

5. Микроанализ и растровая электронная микроскопия. Под ред. Ф. Морис, и др. Пер. с франц. М, Металлургия, 1985.

6. Практическая растровая электронная микроскопия. Под ред. Дж. Голдстейна и Х. Яковица, пер. с англ. М. Мир 1978

Практические занятия 7-8 Дифракционный анализ материалов с применением рентгеновского излучения и электронов

План занятия

1. Введение. Теоретические предпосылки дифракционных методов.

2. Особенности рассеяния рентгеновских лучей и электронов.

3. Практика рентгеноструктурных исследований

4. Рентгеновские методы и проблемы наноэлектронике.

5. Особенности и практика локальной электронографии.

Введение. Теоретические предпосылки дифракционных методов

Хотя в наноэлектронике и используются аморфные или поликристаллические объекты, её основой являются объекты монокристаллические, имеющие правильные атомные сетки, как это изображено на рисунке 1. Особенностью этих сеток является то, что межатомные расстояния по порядку вели чины (≈ 1 Å) совпадают с длинами волн рентгеновского излучения (≈ 1 Å) и многократно превышают длины электронных волн, которые обычно используемых энергиях электронов меньше, чем 0,05нм.

При падении плоской рентгеновской или электронной волны (характеризуемой волновым вектором ) на кристалл каждый атом в соответствии с правилом Гюйгенса становится центром рассеяния, порождая сферическую волну, что ведет к возникновению волнового поля; все атомы, лежащие на фронте плоской волны, рассеивают когерентно, и в результате интерференции волн, рассеянных разными атомами, появляются направления преимущественного распространения волн (c волновыми векторами ). Вращая рассеивающий кристалл, можно добиться, чтобы волновой фронт падающей волны совпадал с разными плоскостями hkl атомной решетки, каждый набор одноименных плоскостей hkl характеризуется своим межплоскостным расстоянием hkl, и в соответствии с правилом Брэгга sinθ = λ/2d (где θ – половина угла между направлениями падающей и рассеянной волны) каждому семейству плоскостей соответствует свой угол рассеяния.

Рисунок 1. Атомная структура объекта и закономерности формирования дифракционных картин. 1-1 – от элементарной ячейки – к структуре кристалла, атомная решетка кристалла CsCl, шары – ионы Cs⁺¹, точки – Cl^-1, α, β, γ – параметры ячейки, d₁, d₂, d₃, – периодичность в кристалле. 1-2 – механизм формирования дифракционной картины в соответствии с правилом Гюйгенса. 1-3 – от атомной сетки к атомным плоскостям; угол рассеяния условно характеризуется протяженностью вектора h.

Рассеяние создает Фурье-образ объекта, в котором каждая “атомная плоскость” отражается как максимум рассеяния, и трехмерному распределению рассеивающих центров отвечает трехмерная система максимумов. Максимумы имеют разные интенсивности, ибо закономерности интерференции зависят от углов рассеяния, а периодичность чередования максимумов в сетках обратна соответствующему межплоскостному расстоянию. Рассеяние создает Фурье-образ объекта, являющийся его полным и адекватным изображением объекта, поскольку периодичность центров рассеяния и нарушения этой периодичности отражаются на закономерностях интерференции, например, ограничения размеров объекта размывают максимумы.

Для анализа геометрии дифракционных картин используются представления об обратной решетке, геометрия которой отвечает геометрии дифракционных максимумов, и о сфере Эвальда, радиус которой равен 1/λ, где λ – длина воны излучения.

Рисунок 2. Обратная решетка и сфера Эвальда (сфера отражения). 2-1 – схема обратной решетки для кубической гранецентрированной структуры, указаны индексы узлов. В соответствии с Фурье-образом кристаллу с ГЦК структурой отвечает обратная объемно центрированная решетка. Хотя расстояние между плоскостями {001} больше расстояния между плоскостями {002}, узел обратной решетки 001, расположен ближе к узлу 000, чем узел 002. 2-2 – для того, чтобы возникло отражение hkl необходимо, чтобы сфера Эвальда, центр которой расположен в точке генерации волны, прошла через узел обратной решетки hkl (2-2-а). Это условие отражает правило Брэгга, иллюстрируемое схемой 2-2-б.