Экспериментальные методы исследования структуры и свойств материалов

Аспирантура 2020/2021

Статус: Курс по выбору

Направление: 03.06.01. Физика и астрономия

Кто читает: Департамент электронной инженерии

Где читается: Московский институт электроники и математики им. А.Н. Тихонова

Когда читается: 2-й курс, 1 семестр

Формат изучения: без онлайн-курса

Преподаватели: Монахов Иван Сергеевич

Язык: русский

Кредиты: 4

Контактные часы: 40

Полная версия программы учебной 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 спектрометрических 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

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.

Планируемые результаты обучения

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

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 электронов (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

практические занятия
домашнее задание
экзамен

Промежуточная аттестация

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

Программа дисциплины