Diffraction Methods for Studying the Real Structure of Crystals

2022/2023

Academic Year

RUS

Instruction in Russian

4

ECTS credits

Delivered at:

Joint Department of Condensed Matter Physics with the Institute of Solid State Physics (RAS)

Course type:

Elective course

When:

3 year, 1, 2 module

Instructor

Kuzmin, Alexey V.

Программа 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

• умеет решать задачи на заданную тему
• 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 : 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.
• 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 : Физические основы динамической теории рассеяния, Основные уравнения динамической теории рассеяния, Анализ дисперсионных уравнений, Основные следствия динамической теории рассеяния, Уравнения Такаги – Тапена
• знает методы рентгеновской дифрактометрии. (Дифрактометры для исследования поликристаллов; Дифрактометры для монокристаллов; Методы сканирования узла обратной решетки),
• 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
• 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 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 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 рассеяние под малыми углами. Введение в физику «малоуглового рассеяния»
• знает: Рентгеновский микроанализ Методы регистрации рентгеновского спектра Основные поправки, вводимые в количественном анализе
• 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: 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
• 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.

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.
• 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,
• Основы растровой электронной микроскопии (РЭМ)
• Рентгеновский микроанализ Методы регистрации рентгеновского спектра Основные поправки, вводимые в количественном анализе

Элементы контроля

• Контрольная работа
• Экзамен
  Экзамен проводится в форме письменной контрольной работы по всем темам курса.

Промежуточная аттестация

• 2022/2023 учебный год 2 модуль
  0.5 * Контрольная работа + 0.5 * Экзамен

Список литературы

Рекомендуемая основная литература

• Теория рассеяния рентгеновских лучей и тепловых нейтронов реальными кристаллами, Кривоглаз, М. А., 1967
• Физика дифракции, Каули, Дж., 1979

Рекомендуемая дополнительная литература

• Волновая оптика : учебное пособие для среднего профессионального образования / А. В. Михельсон, Т. И. Папушина, А. А. Повзнер, А. Г. Гофман ; под общей редакцией А. А. Повзнера. — Москва : Издательство Юрайт, 2019 ; Екатеринбург : Изд-во Урал. ун-та. — 118 с. — (Профессиональное образование). — ISBN 978-5-534-08093-3 (Издательство Юрайт). — ISBN 978-5-7996-1070-8 (Изд-во Урал. ун-та). — Текст : электронный // Образовательная платформа Юрайт [сайт]. — URL: https://urait.ru/bcode/441633 (дата обращения: 28.08.2023).
• Физика. Волновая оптика. Квантовая природа излучения. Элементы атомной и ядерной физики : учеб. пособие / С.И. Кузнецов, А.М. Лидер. — 3-е изд., перераб. и доп. — М. : Вузовский учебник : ИНФРА-М, 2019. — 212 с. - Режим доступа: http://znanium.com/catalog/product/1002478