Дифракционные методы изучения реальной структуры кристаллов

Бакалавриат 2020/2021

Статус: Курс по выбору (Физика)

Направление: 03.03.02. Физика

Кто читает: Базовая кафедра физики конденсированных сред Института физики твердого тела РАН

Где читается: Факультет физики

Когда читается: 3-й курс, 1-3 модуль

Формат изучения: без онлайн-курса

Преподаватели: Суворов Эрнест Витальевич

Язык: русский

Кредиты: 4

Контактные часы: 78

Полная версия программы учебной дисциплины

Аннотация

Целями изучения дисциплины являются: - знакомство студентов с основными концепциями физики дифракции и ее применения для исследования структуры материалов; - знакомство студентов с основами кристаллографии и методами изучения структуры и состава материалов (структурная рентгенография, электронная микроскопия, растровая электронная микроскопия, рентгеноспектральный анализ атомного состава материалов; - овладение методами решения задач, описания физических явлений.

Цель освоения дисциплины

знакомство студентов с основными концепциями физики дифракции и ее применения для исследования структуры материалов;
знакомство студентов с основами кристаллографии и методами изучения структуры и состава материалов (структурная рентгенография, электронная микроскопия, растровая электронная микроскопия, рентгеноспектральный анализ атомного состава материалов;
овладение методами решения задач, описания физических явлений.

Планируемые результаты обучения

знает основные понятия геометрической кристаллографии Историческая справка, Методы изображения и описания элементов кристаллической решетки, Индексы Миллера, Обратная решетка и её свойства, Кристаллографические зоны, Кристаллографические проекции
умеет решать задачи на заданную тему
знает: Симметрия кристаллической решетки. Основные понятия, Понятие симметрии, Кристаллографические системы, Решетки Бравэ, Основные симметрические операции, Точечные группы симметрии, Трансляционная симметрия, Кристаллографические обозначения элементов симметрии, Пространственные группы симметрии
знает : Введение в физику рассеяния рентгеновских волн веществом, Основы физики дифракции, Рентгеновские лучи, Рассеяние рентгеновских лучей на свободных электронах, Рассеяние рентгеновских лучей на трехмерной периодической кристаллической решетке (кинематическое приближение). Интерференционная функция Лауэ (Функция распределения межатомных расстояний, Рассеяние на молекулах разреженного газа. Уравнение Дебая), Геометрическая интерпретация дифракции по Эвальду
знает Рассеяние на сложной решетке (решетка с базисом), Интерпретация явлений дифракции на основе понятий прямой и обратной решеток, Влияние температуры на амплитуду рассеяния. Температурный фактор рассеяния, Рассеяние рентгеновских волн на объектах с неупорядоченной структурой, Атомный фактор рассеяния (Рассеяние рентгеновских лучей на электронах атомных оболочек; Атомный фактор рассеяния для электронов; Амплитуда атомного рассеяния для нейтронов).
знает : Физические основы динамической теории рассеяния, Основные уравнения динамической теории рассеяния, Анализ дисперсионных уравнений, Основные следствия динамической теории рассеяния, Уравнения Такаги – Тапена
знает Получение структурных параметров исследуемого материала, Основные сведения о типе структур материалов, Анализ геометрии дифракционной картины, Наиболее распространённые фотометоды рентгеноструктурного анализа (Метод Лауэграмм; Метод рентгенограмм вращения (качания); Методы рентгеновского гониометра; Методы исследования поликристаллических образцов - метод ДебаяШеррера),
знает методы рентгеновской дифрактометрии. (Дифрактометры для исследования поликристаллов; Дифрактометры для монокристаллов; Методы сканирования узла обратной решетки),
знает : анализ массивов интенсивностей дифракционных рефлексов. Фазовая проблема структурного анализа; Роль фазы в синтезе Фурье; Метод проб и ошибок; Функции Паттерсона; Аналитические методы прямого определения фаз.
Исследование формы и тонкой структуры дифракционных рефлексов, Интегральные методы исследования реальной структуры. Дефекты кристаллической структуры и их роль в формировании макроскопических свойств твердого тела, знает: Прямые методы исследования дефектов в кристаллах. Рентгеновская топография. Физические принципы рентгеновской топографии; Метод Ланга; Метод Бормана; Основные достоинства и недостатки методов рентгеновской топографии.
знает рассеяние под малыми углами. Введение в физику «малоуглового рассеяния»
знает Основные характеристики оптических систем, Основы оптической микроскопии, Типы контраста (амплитудный и фазовый контраст), Формирование изображения в оптической системе, Микроскоп как дифракционный прибор. Подход Аббе, Передаточная функция оптической системы, Анализ аберраций в электронном микроскопе,
знает "Тонкий" фазовый объект в электронной микроскопии, Анализ передаточной функции электронного микроскопа, Метод оптического дифрактометра для экспериментального исследования передаточной функции, Методы численного моделирования изображения высокого разрешения на ЭВМ, Примеры использования методов электронной микроскопии высокого разрешения
знает: Устройство и принцип работы РЭМ Формирование электронного зонда Детекторы сигналов в РЭМ Взаимодействие электронного пучка с веществом Основные механизмы потерь энергии электронов в веществе (упругие и неупругие потери) Основные источники сигналов, используемых для формирования изображения в РЭМ Область взаимодействия электронов зонда с веществом мишени Формирование контраста в РЭМ Основные механизмы формирования изображения в РЭМ Методы обработки видеосигнала в РЭМ
знает: Рентгеновский микроанализ Методы регистрации рентгеновского спектра Основные поправки, вводимые в количественном анализе

Содержание учебной дисциплины

Основные понятия геометрической кристаллографии Историческая справка, Методы изображения и описания элементов кристаллической решетки, Индексы Миллера, Обратная решетка и её свойства, Кристаллографические зоны, Кристаллографические проекции
Симметрия кристаллической решетки. Основные понятия, Понятие симметрии, Кристаллографические системы, Решетки Бравэ, Основные симметрические операции, Точечные группы симметрии, Трансляционная симметрия, Кристаллографические обозначения элементов симметрии, Пространственные группы симметрии
Введение в физику рассеяния рентгеновских волн веществом, Основы физики дифракции, Рентгеновские лучи, Рассеяние рентгеновских лучей на свободных электронах, Рассеяние рентгеновских лучей на трехмерной периодической кристаллической решетке (кинематическое приближение). Интерференционная функция Лауэ (Функция распределения межатомных расстояний, Рассеяние на молекулах разреженного газа. Уравнение Дебая), Геометрическая интерпретация дифракции по Эвальду
Рассеяние на сложной решетке (решетка с базисом), Интерпретация явлений дифракции на основе понятий прямой и обратной решеток, Влияние температуры на амплитуду рассеяния. Температурный фактор рассеяния, Рассеяние рентгеновских волн на объектах с неупорядоченной структурой, Атомный фактор рассеяния (Рассеяние рентгеновских лучей на электронах атомных оболочек; Атомный фактор рассеяния для электронов; Амплитуда атомного рассеяния для нейтронов).
Физические основы динамической теории рассеяния, Основные уравнения динамической теории рассеяния, Анализ дисперсионных уравнений, Основные следствия динамической теории рассеяния, Уравнения Такаги – Тапена
Методы анализа дифракционной картины.
Получение структурных параметров исследуемого материала, Основные сведения о типе структур материалов, Анализ геометрии дифракционной картины, Наиболее распространённые фотометоды рентгеноструктурного анализа (Метод Лауэграмм; Метод рентгенограмм вращения (качания); Методы рентгеновского гониометра; Методы исследования поликристаллических образцов - метод ДебаяШеррера),Методы рентгеновской дифрактометрии. (Дифрактометры для исследования поликристаллов; Дифрактометры для монокристаллов; Методы сканирования узла обратной решетки), Влияние геометрических параметров эксперимента на величину измеренных интенсивностей дифракционных отражений. Поляризационный фактор и фактор Лоренца; Аппаратное уширение дифракционного рефлекса; Фактор повторяемости в структурном анализе поликристаллов.
Анализ массивов интенсивностей дифракционных рефлексов. Фазовая проблема структурного анализа; Роль фазы в синтезе Фурье; Метод проб и ошибок; Функции Паттерсона; Аналитические методы прямого определения фаз.
Исследование формы и тонкой структуры дифракционных рефлексов, Интегральные методы исследования реальной структуры. Дефекты кристаллической структуры и их роль в формировании макроскопических свойств твердого тела, Прямые методы исследования дефектов в кристаллах. Рентгеновская топография. Физические принципы рентгеновской топографии; Метод Ланга; Метод Бормана; Основные достоинства и недостатки методов рентгеновской топографии.
Рассеяние под малыми углами. Введение в физику «малоуглового рассеяния»
Электронная микроскопия высокого разрешения,
Основные характеристики оптических систем, Основы оптической микроскопии, Типы контраста (амплитудный и фазовый контраст), Формирование изображения в оптической системе, Микроскоп как дифракционный прибор. Подход Аббе, Передаточная функция оптической системы, Анализ аберраций в электронном микроскопе, "Тонкий" фазовый объект в электронной микроскопии, Анализ передаточной функции электронного микроскопа, Метод оптического дифрактометра для экспериментального исследования передаточной функции, Методы численного моделирования изображения высокого разрешения на ЭВМ, Примеры использования методов электронной микроскопии высокого разрешения
Основы растровой электронной микроскопии (РЭМ)
Устройство и принцип работы РЭМ Формирование электронного зонда Детекторы сигналов в РЭМ Взаимодействие электронного пучка с веществом Основные механизмы потерь энергии электронов в веществе (упругие и неупругие потери) Основные источники сигналов, используемых для формирования изображения в РЭМ Область взаимодействия электронов зонда с веществом мишени Формирование контраста в РЭМ Основные механизмы формирования изображения в РЭМ Методы обработки видеосигнала в РЭМ
Рентгеновский микроанализ Методы регистрации рентгеновского спектра Основные поправки, вводимые в количественном анализе
Примеры применения РЭМ

Элементы контроля

Домашнее задание
Контрольная работа
Экзамен

Промежуточная аттестация

Промежуточная аттестация (2 модуль)
0.3 * Домашнее задание + 0.7 * Контрольная работа
Промежуточная аттестация (3 модуль)
0.1 * Домашнее задание + 0.4 * Контрольная работа + 0.5 * Промежуточная аттестация (2 модуль)

Программа дисциплины