Współczesne metody eksperymentalne fizyki fazy skondensowanej - A.Oleś.pdf

(1146 KB) Pobierz
Współczesne metody eksperymentalne fizyki
fazy skondensowanej
Andrzej Oleś
Spis treści
1 Uwagi ogólne
2 Struktura
2.1 Metody dyfrakcyjne
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2 Metody niedyfrakcyjne
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3 Skład chemiczny
4 Defekty struktury i zmiany wywoływane promieniowaniem
2
5
5
8
14
17
5 Dynamika układów atomów i elektronów
19
5.1 Metody pomiaru rozkładu gęstości pędu elektronów w ciele stałym.
. . . . 23
6 Struktura elektronowa ciała stałego
24
6.1 Struktura elektronowa bez analizy spinowej
. . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
6.2 Struktura elektronowa z uwzględnieniem polaryzacji.
. . . . . . . . . . . . 26
7 Własności magnetyczne i elektryczne ciała stałego
27
7.1 Magnetyczne metody rezonansowe
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
7.2 Inne metody badania własności magnetycznych i elektrycznych
. . . . . . . 29
8 Własności elastyczne i termiczne ciała stałego
9 Wykaz skrótów spotykanych w literaturze
anglojęzycznej
34
37
1
1
Uwagi ogólne
Rola metod eksperymentalnych jest decydująca dla naszego poznania i rozwoju fizyki.
Można wyróżnić następujące etapy poznania będące wynikiem doświadczeń:
•
obserwacja i opis zjawisk
•
tworzenie hipotez tłumaczących obserwowane zjawiska i próba ujęcia ich w formuły
matematyczne
•
zastosowanie hipotez do przewidywania innych zjawisk i ilościowych wyników no-
wych, niezależnych doświadczeń.
Przegląd współczesnych metod doświadczalnych uwydatnia jedność fizyki. I to za-
równo jedność, mimo różnorodności działów fizyki, jak i jednolite spojrzenie na materię
korzystające z dualizmu cząstka – fala.
Rysunek 1: Poziomy energetyczne wzbudzonego atomu, jądra atomowego i nukleonu.
W poszczególnych działach fizyki uwidaczniają się analogiczne idee realizacji ekspe-
rymentu. Równocześnie spojrzenie kwantowe niewątpliwie zdominowało metody badaw-
cze Współczesne rozumienie materii pozwala na stosowanie do wiązek lecących cząstek
całej optyki falowej i to jest w pełni wykorzystywane. Pomyślmy np. o tak obecnie waż-
nej skaningowej mikroskopii tunelowej. Tam po raz pierwszy można oglądać bezpośred-
nio, wyliczone przez mechanikę kwantową chmury elektronowe otaczające jądra atomowe.
W metodach prowadzących do identyfikacji pierwiastków występujących w badanej prób-
ce korzysta się szeroko z występowania dyskretnych poziomów energetycznych elektronów
w atomach (Rysunek
1).
Podobnie jest w metodach wyznaczania struktury elektronowej
ciała stałego, czy współczesnych metodach badania dynamiki fazy skondensowanej i wy-
znaczania krzywych dyspersji kwazicząstek. Pięknie kwantowość ujawnia się w metodach,
gdzie korzysta się z magnetycznych rezonansów czy w niezwykle precyzyjnej metodzie
2
opartej na efekcie M¨ssbauera nie mówiąc już o badaniach dotyczących studni, pasków
o
czy kropek kwantowych.
Ostatnie dziesięciolecia cechuje dynamiczny rozwój metod fizyki. Już pierwszym sy-
gnałem nowości było odkrycie lasera i pojawienie się optyki nieliniowej. Następnie rady-
kalnie wkracza technika komputerowa modyfikując eksperyment. Dzięki nanotechnologii
i femtosekundowym źródłom promieniowania ukazuje się nowy obszar badawczy. Wraz
z konstrukcją skaningowego mikroskopu tunelowego utrwaliła się idea skanowania i ob-
razowania wyników. Ważne z punktu widzenia aktualnych kierunków badań są metody
obrazujące różne własności fizyczne powierzchni cienkich warstw czy obszarów między
warstwowych (tzw. interfaces). Pojawiły się tu metody rozpraszania lub dyfrakcji promie-
niowania X (o znacznych energiach) padającego pod bardzo małym kątem do powierzchni.
Na szeroką skalę stało się to możliwe dzięki powszechnemu wprowadzeniu promieniowania
synchrotronowego. Można zaryzykować twierdzenie, że zrewolucjonizowało ono współcze-
sne metody badań ciała stałego.
Do głosu doszła nowa gałąź fizyki. Oprócz fizyki doświadczalnej i teoretycznej po-
jawiła się zdecydowanie fizyka komputerowa. Komputer przeniknął zarówno do samego
eksperymentu i do opracowywania danych a także do symulacji procesów i doświadczeń
fizycznych. Pracujący ”on line” zastępuje często żmudne doglądanie i sterowanie przebie-
gu długotrwałego eksperymentu. Równocześnie dokonywana na bieżąco analiza wyników
pomiaru umożliwia natychmiastową zmianę warunków eksperymentu. W związku z zaleta-
mi komputera pojawiły się nowe rozwiązania doświadczalne, gdzie uciążliwe, szczegółowe
pomiary zastąpiono bardziej globalnymi, z których analiza komputerowa w rodzaju trans-
formacji fourierowskiej wydobywa interesujące dane. Niezwykle owocne jest przeglądanie
w internecie literatury bieżącej. Symulacja komputerowa jest obecnie bardzo pomocna.
Nie tylko teoria wychodząca z pierwszych zasad podpowiada kierunek badań eksperymen-
tatora, ale również komputer odgrywa ważną rolę. Należy jednak pamiętać, że zrodziło
się nowe niebezpieczeństwo. W erze zachwytu nad komputerem istnieje obawa przecenia-
nia wartości symulacji. Należy pamiętać, że rozstrzygającą rolę odgrywa zawsze fizyka
doświadczalna.
Przejdźmy obecnie do promieniowania synchrotronowego a w szczególności do moż-
liwości badawczych jakie oferują synchrotrony trzeciej generacji. Mowa tu o European
Synchrotron Radiation Facility (ESRF – Grenoble), Advanced Photon Source (APS –
Chicago) oraz Spring 8 (Japonia). Pojawiła się nowa jakość wiązki o dużym natężeniu
i szerokim widmie sięgającym twardych promieni X (energia generujących cząstek 6–8
GeV); wysokiej koherencji, ostrej kolimacji produkowanych wiązek o średnicy 1–2
µm
oraz polaryzacji. Nowe synchrotrony zaopatrzone są oczywiście w undulatory i wigglery.
Wiązki z undulatorów są lepiej skolimowane niż z laserów, są ściśle monoenergetyczne i
koherentne. Natomiast wigglery dostarczają nie tak skolimowanych wiązek ale o widmie
ciągłym. Celem dalszej kolimacji wiązki promieni X stosuje się fresnelowskie płytki stre-
fowe względnie wklęsłe, paraboliczne soczewki aluminiowe. Falowody uzyskujące wysoką
kolimację są szeroko stosowane. Układy występujące przed i za próbką uległy znacznej
poprawie. Tak np. po zastosowaniu odpowiednio wygiętych zwierciadeł ślad dawany przez
wiązkę może być sprowadzony do rozmiarów 50 nm. Również detektory, w szczególności
dwuwymiarowe, osiągają niespotykaną dotychczas zdolność rozdzielczą. Wiązki przenikają
kryształ informując o szczegółach budowy wnętrza. Długość fal stosowanego promienio-
wania może być bardzo mała, stąd dostępne są szczegóły o rozmiarach od 1 do kilku ˚.
A
Ponadto wiązki cechuje duża świetlność – dane doświadczalne gromadzi się bardzo szybko.
Niezwykle ważna jest wysoka koherencja – na niej opiera się szereg metod, gdzie korzysta
3
się z przesunięć fazowych. To jest zasadnicza nowość w metodach badawczych [34]. Z do-
tychczas znanymi technikami eksperymentalnymi konkurują nowe metody stymulowane
własnościami promieniowania synchrotronowego.
Reasumując trzecia generacja synchrotronów umożliwiła rozwój takich metod badaw-
czych jak holografia w promieniach X, obrazowanie w kontraście fazowym, tomografia
i mikrotomografia w promieniowaniu X, mikroskopia skaningowa w szerokim zakresie
długości fal, mikrodyfrakcja, spektroskopia korelacji fotonowej, i szereg innych. Bada-
nia dynamiki ciała stałego zostały wzbogacone metodami nieelastycznego rozpraszania
promieniowania X oraz akustycznych fal powierzchniowych. Istotnej poprawie uległy me-
tody badań magnetyzmu. Dzięki polaryzacji bogatych w fotony wiązek promieniowania
synchrotronowego możliwa jest niezależna analiza magnetycznego momentu orbitalnego
i spinowego. Dokonuje się obecnie obserwacji „in situ” samorzutnego powstawania kro-
pek kwantowych. Co więcej, dzięki dyfrakcji możliwe jest określanie ich struktury [34].
Pojawiły się nowe możliwości badania chaosu strukturalnego itp.
W rozdziale tym zwrócono w pierwszym rzędzie uwagę na metody badania powierzch-
ni ciała stałego jej topologii i składu, na badania cienkich warstw, układów wielowar-
stwowych, na rzeczywistą strukturę atomową i elektronową ciała stałego i jego własności
fizyczne. Na naszych oczach rodzą się nowe działy fizyki w skali nanometrów i femtose-
kund.
Przedstawione poniżej krótkie opisy metod mają na celu wskazanie zasady fizycznej
oraz powinny informować jakie dane można omawianą techniką uzyskać. Ponadto poda-
ne zostały skróty określające daną metodę, które stosowane są szeroko w anglojęzycznej
literaturze fachowej. Alfabetyczny wykaz skrótów załączono na końcu rozdziału. Wśród
opisanych metod można wyróżnić: analityczne, spektrometryczne, interferometryczne, dy-
frakcyjne, rezonansowe i in. W tym opracowaniu zastosowano inny podział, ważny dla
eksperymentatora, przed którym stoi określony problem badawczy.
Obszerniejsze informacje wraz z przykładami zastosowań oraz literaturą źródłową
znajdzie Czytelnik w książce: autora [23] oraz dla najnowszych metod w cytowanych
tu opracowaniach.
4
2
2.1
Struktura
Metody dyfrakcyjne
W celu wyznaczania struktury próbek krystalicznych charakteryzujących się uporządko-
waniem dalekiego zasięgu stosuje się metody dyfrakcyjne jak rentgenografia, neutrono-
grafia, elektronografia czy dyfrakcja jonów. Zasada fizyczna tych metod sprowadza się
do doświadczenia Younga, w którym na szczelinach następuje ugięcie promieniowania a
na ekranie obserwujemy natężenie interferujących wiązek. W przypadku kryształu rolę
szczelin odgrywają atomy, których amplituda rozpraszania jest różna dla różnych pier-
wiastków.
Dyfrakcja Lauego
1
(LD – Laue Diffraction) to pierwsza metoda badań dyfrakcyjnych.
Wiązka promieniowania polichromatycznego pada na monokryształ, a detekcja odbywa
się na kliszy umieszczonej za monokryształem. Atomy kryształu rozpraszają promienie
dając interferencję na trzech stożkach wokół trzech osi. Przecięcia stożków występujące dla
różnych długości fal określają kierunki najsilniejszej interferencji, co objawia się w postaci
naświetlonych plamek na kliszy. Metoda informuje o symetrii kryształu. Często służy do
przestrzennej orientacji monokryształu. Istnieje możliwość badań kinetyki strukturalnych
przemian fazowych. W promieniowaniu synchrotronowym (duże natężenie) pomiar trwa
około 10 ps. [12].
Określenie struktury wymaga wyznaczenia położeń atomów. Refleksy dyfrakcyjne ob-
serwujemy pod kątami spełniającymi równanie Bragga
2
:
nλ
= 2d sin Θ.
(1)
Amplituda fali rozproszonej na komórce elementarnej zawiera w sobie informację o położe-
niach atomów. Stąd niezbędne pomiary natężeń refleksów dyfrakcyjnych. Jest to generalna
zasada wszystkich metod dyfrakcyjnych, bez względu na rodzaj stosowanego promienio-
wania.
W przypadku złożonych struktur stosuje się próbki monokrystaliczne. We współcze-
snym dyfraktometrze, po zorientowaniu kryształu na główce goniometrycznej, wprowa-
dzeniu do komputera pracującego „on line” danych o symetrii próbki, o amplitudach
rozproszeń występujących atomów oraz o długości fali stosowanego promieniowania do-
konuje się automatycznie rejestracji tysięcy refleksów. Do sterowania pomiarem oraz do
analizy danych opracowane są odpowiednie programy komputerowe.
Rentgenografia (XRD – X-Ray Diffraction) to podstawowa metoda wyznaczania struk-
tury atomowej kryształów. (W.C. Roentgen – otrzymał pierwszy nagrodę Nobla w 1901 r.)
Ze względu na powszechność stosowania tej metody i liczne opracowania książkowe ogra-
niczymy się jedynie do krótkich stwierdzeń. Stosowane długości fali są porównywalne z
odległościami między atomami w ciele stałym (rzędu 1 ˚). Stąd dyfraktometry zaopatrzo-
A
ne są w lampy rentgenowskie. Korzystanie z promieniowania synchrotronowego stwarza
nowe możliwości (m.in. wyznaczania struktur magnetycznych). Wobec dużych natężeń
i krótkich impulsów rodzi się krystalografia w czasie rzeczywistym (TRC – Time Reso-
lved Crystallography). Wyznaczane i gromadzone w czasie przebiegu reakcji widma (czas
wyznaczania ps) określają stany pośrednie. Zmiana naprężeń refleksów braggowskich in-
formuje o ruchach atomów badanej struktury. Metoda stosowana m. i. przy obserwacji
wzrostu nanokryształów. Aparatura pomiarowa obrazująca wyniki jest dość złożona [8].
1
2
M.T.F. von Laue – 1914 nagroda Nobla
Bracia W.N. Bragg i W.L. Bragg – 1915 nagroda Nobla
5

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika:

Zgłoś jeśli naruszono regulamin