• A
  • A
  • A
  • АБB
  • АБB
  • АБB
  • А
  • А
  • А
  • А
  • А
Обычная версия сайта
Аспирантура 2019/2020

Экспериментальные методы исследования структуры и свойств материалов

Статус: Курс по выбору
Направление: 03.06.01. Физика и астрономия
Когда читается: 2-й курс, 1 семестр
Формат изучения: Full time
Преподаватели: Монахов Иван Сергеевич
Язык: русский
Кредиты: 4

Программа дисциплины

Аннотация

Настоящая программа учебной дисциплины устанавливает требования к знаниям и умениям аспиранта по направлению подготовки 03.06.01 Физика и астрономия, образовательной программы «Физика конденсированного состояния». Задачами дисциплины является развитие у аспирантов: • навыков анализа большого объема информации в процессе самостоятельной работы со справочной литературой и Интернет-ресурсами; • навыков грамотной обработки и интерпретации экспериментальных результатов; • навыков решения реальных задач в области исследования структуры, состава и физических свойств материалов; • навыков обработки данных дифракционных и спектральных экспериментов. • навыков работы с программными пакетами для математических расчетов и анализа рентгенодифракционных экспериментов; • культуры постановки и решения исследовательских задач. Текущий контроль состоит из практических занятий, домашнего задания и экзамена.
Цель освоения дисциплины

Цель освоения дисциплины

  • Целями освоения дисциплины «Экспериментальные методы исследования структуры и свойств материалов» являются получение аспирантами систематизированного представления о современных методах исследования структуры, состава и физических свойств широкого спектра материалов различного функционального назначения, овладение навыками комплексного применения изучаемых методов для решения практических задач в профессиональной деятельности.
Результаты освоения дисциплины

Результаты освоения дисциплины

  • знать области применения, возможности и ограничения таких методов, как РФА, РФЭС, ОЭС, МРСА, ВИМС
  • уметь анализировать результаты исследования элементного состава материалов, полученные различными методами
  • владеть навыками использования справочной литературы и интернет-источников при решении научных задач
  • знать основные положения и границы применимости кинематической и динамической теории рассеяния, физику дифракции рентгеновских лучей и электронов: свойства обратной решетки, уравнение Лауэ, построение Эвальда, формулу Вульфа-Брэгга
  • уметь применять комплекс методов исследования состава и структуры материалов при решении научных задач
  • владеть терминологией и математическим аппаратом, применяемым для описания дифракции рентгеновских лучей и электронов
  • знать современные способы математического описания шероховатых поверхностей, особенности рассеяния рентгеновских лучей на шероховатой поверхности и структуре пленка-подложка, многослойной структуре
  • уметь создавать физические модели исследуемых объектов и структур
  • владеть навыками обработки экспериментальных данных с помощью ПК
  • знать принцип работы и конструкцию аналитического оборудования, реализующего изучаемые методы
  • уметь разрабатывать методики экспериментального исследования конкретных объектов
  • владеть навыками подготовки образцов для экспериментальных исследований
Содержание учебной дисциплины

Содержание учебной дисциплины

  • Тема 1. Методы и приборы для определения элементного состава материалов.
    1.1. Введение. Предмет и задачи курса. Понятие структуры материалов. Определяющее значение аналитических методов в исследовательской практике и условиях производства для создания материалов с заданными свойствами и контроля качества материалов и приборов. 1.2. Рентгеноспектральный анализ элементного состава вещества. Методы возбуждения рентгеновских спектров. Сплошной и характеристический рентгеновский спектр. Работа рентгеновской трубки. Синхротронное излучение. Явления, сопровождающие прохождение рентгеновских лучей через вещество. Закон поглощения рентгеновских лучей, рентгеновская дефектоскопия и томография, фильтрация рентгеновского излучения. Тонкая структура спектров поглощения рентгеновских лучей. Метод EXAFS. Флуоресцентное излучение. Спектрометры рентгеновского излучения. Микрорентгеноспектральный анализ. 1.3. Исследования состава материалов методами электронной спектроскопии. Сущность методов электронной спектроскопии, Оже- электронные и рентгеновские фотоэлектронные спектры. 1.4. Исследование состава материалов методом вторичной ионной масс- спектрометрии (ВИМС). Физические основы метода ВИМС. Аппаратура метода и его аналитические характеристики.
  • Тема 2 . Методы и приборы для изучения структуры материалов.
    2.1. Теоретические основы дифракционных методов исследования структуры материалов. Кинематическая теория рассеяния, ее основные положения и область применения. Рассеяние на объектах с периодической структурой. Обратная решетка, связь между прямой и обратной решетками. Уравнение дифракции Лауэ. Формула Вульфа-Брэгга. Построение Эвальда. Рассеяние поликристаллами, аморфными телами. Элементы динамической теории рассеяния. Рассеяние идеальными кристаллами. 2.2. Рентгеновские методы исследования структуры материалов. Рассеяние рентгеновских лучей электроном. Поляризация рассеянного излучения. Рассеяние атомами вещества - атомная амплитуда когерентного рассеяния рентгеновских лучей. Рассеяние кристаллом - структурная амплитуда рассеяния. Влияние температуры на интенсивность дифракционной картины. Интегральный коэффициент отражения. Способы регистрации рентгеновской дифракционной картины. Работа рентгеновского дифрактометра. Метод поликристалла (Дебая-Шеррера). Геометрия рентгенограмм и интенсивность дифракционных максимумов на рентгенограммах поликристаллов. Расчет и индицирование рентгенограмм. Идентификация вещества по данным межплоскостных расстояний. Фазовый анализ материалов. Возможности количественного и качественного анализа. Прецизионное определение параметров кристаллической решетки и его приложения в материаловедении. Оценка точности. Анализ уширения профиля рентгеновских дифракционных максимумов. Оценка размеров нанокристаллов. Влияние текстуры на дифракционную картину поликристаллов. Понятие о полюсных фигурах. Работа и устройство двухкристального рентгеновского спектрометра. Использование высокоразрешающей рентгеновской дифрактометрии для изучения наноразмерных пленок, эпитаксиальных композиций, диффузионных и ионно-имплантированных слоев. 2.3. Методы, основанные на дифракции электронов. Электронография. Особенности рассеяния электронов атомами вещества. Принцип работы электронографа. Подготовка образцов. Применение электронографии. Симметрия точечных электронограмм. Расчет и индицирование электронограмм. Электронограммы поликристаллов, влияние текстуры. Трансмиссионная электронная микроскопия. Оптическая схема электронного микроскопа. Микродифракция. Разрешающая способность электронного микроскопа. Понятие о дифракционном контрасте. Возможности микродифракции. Абсорбционный контраст. Метод реплик. Исследование структуры поверхности кристаллов методом дифракции медленных элек¬тронов (ДМЭ). Схема эксперимента, формирование дифракционной картины. Анализ поверхностных сверхструктур. Основные результаты и области применения.
  • Тема 3. Методы и приборы для анализа геометрических параметров и размеров наночастиц.
    3.1. Растровая электронная микроскопия (РЭМ). Основные принципы электронно-зондового ана¬лиза и взаимодействие электронного пучка с образцом. Схема РЭМ и особенности формирования изображения. Виды контраста в РЭМ. Разрешающая способность и качество изображения. Подготовка образцов различных материалов для исследования с помощью РЭМ. Области применений. 3.2. Сканирующая зондовая микроскопия. Сканирующие туннельный и атомно-силовой микроскопы. Принципы построения и работы приборов. Режимы работы СТМ и АСМ. Дополнительные возможности сканирующей зондовой микроскопии. Применение метода для определения шероховатости сверхгладких поверхностей. 3.3. Трансмиссионная электронная микроскопия для определения геометрических параметров и размеров наночастиц. Сравнительный анализ возможностей методов микроскопии для изучения наноструктур и наночастиц. 3.4. Малоугловое рассеяние рентгеновских лучей. 3.5. Преломление и отражение рентгеновских лучей. Метод рентгеновской рефлектометрии для определения толщины, шероховатости поверхности, плотности и пористости наноразмерных пленок. Диффузное рассеяние рентгеновских лучей шероховатой поверхностью. Индикатриса рассеяния. Понятие о PSD-функции. Метод GISAXS.
  • Тема 4. Специальные методы исследования.
    Нейтронография. Возможности применения нейтронографии для изучения материалов. Эмиссионная микроскопия. Ионный проектор. Метод резерфордовского обратного рассеяния ионов.
Элементы контроля

Элементы контроля

  • неблокирующий практические занятия
  • неблокирующий домашнее задание
  • неблокирующий экзамен
Промежуточная аттестация

Промежуточная аттестация

  • Промежуточная аттестация (I семестр)
    0.3 * домашнее задание + 0.3 * практические занятия + 0.4 * экзамен
Список литературы

Список литературы

Рекомендуемая основная литература

  • Микроструктура материалов. Методы исследования и контроля : учеб. пособие, Брандон Д., Каплан У., 2004
  • Рентгенографический и электронно-оптический анализ : учеб. пособие для вузов, Горелик С. С., Скаков Ю. А., 2002

Рекомендуемая дополнительная литература

  • Основы сканирующей зондовой микроскопии : учеб. пособие для вузов, Миронов В. Л., 2005
  • Растровая электронная микроскопия для нанотехнологий : методы и применение, Жу Уэйли, 2013