МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»

(НИТУ «МИСиС»)

ИНСТИТУТ	Новых материалов и нанотехнологий
КАФЕДРА	Технологии материалов электроники
НАПРАВЛЕНИЕ (ПРОФИЛЬ)	28.03.01 Нанотехнологии и микросистемная техника (Нанотехнологии, материалы микро- и наносистемной техники)

КУРСОВАЯ РАБОТА

Дисциплина: Оборудование микро- и нанотехнологий

Тема:

Методы и оборудование для получения тонких пленок.

					Обучающийся (группы)		БНМТ-19-2			Попов К.А.
							(аббревиатура)			(Фамилия И.О.)
					Преподаватель		Доцент, к.т.н			Муратов Д.Г.
							(должность)			(Фамилия И.О.)
Оценка с учетом защиты
					(оценка)					(дата)
							(подпись)			(Фамилия И.О.)
					Члены комиссии
							(подпись)			(Фамилия И.О.)

---

Москва 2022

1. 
   Спектроскопия комбинационного рассеяния света
   

1.1 Эффект комбинационного рассеяния света.
Впервые появление новых линий в спектре рассеянного света на кристаллах кварца наблюдали в 1928 году советские ученые Г. С. Ландсберг и Л. И. Мандельштам, которые назвали увиденное явление комбинационным рассеянием света. На неделю позже советских ученых комбинационное рассеяние наблюдали индийские ученые Ч. В. Раман и К. С. Кришнан на жидкостях, используя солнечные лучи в качестве источников света. Название «комбинационное» рассеяние означает, что спектр рассеяния представляет собой комбинацию частот возбуждающего света и собственных колебаний молекулы.

Явление комбинационного рассеяния основано на эффекте неупругого (рамановского или комбинационного) рассеяния оптического излучения на молекулах вещества. При обычном (упругом или рэлеевсокм) рассеянии свет после взаимодействия с веществом обладает той же энергией, что и возбуждающий луч, следовательно, и частота (и длина волны) излучения не менятся. При неупругом рассеянии в результате взаимодействия света с молекулами вещества частота излучения меняется. В основном свет рассеивается на молекулах вещества без изменения частоты, но небольшая часть фотонов все же изменяет свою частоту, что выражается в появлении дополнительных линий на спектре рассеяния. Схематично явления комбинационного рассеяния изображено на рисунке 1.


Рисунок 1. Рассеяние света на молекуле (желтый круг), устройство спектров комбинационного рассеяния и схема переходов между колебательными подуровнями и электронными уровнями молекулы.
и – основной и первый возбужденные электронные урони со структурой колебательных подуровней. Серой пунктирной линией обозначен виртуальный подуровень (в случае, если энергии кванта не хватает для перехода на существующий подуровень.

1 – Поглощение инфракрасного (ИК)-кванта приводит к переходу молекулы на новый колебательный подуровень. 2 – Стоксово комбинационное рассеяние наблюдается в случае

---

, если молекула находится в невозбужденном состоянии и при взаимодействии со светом переходит на более высокий колебательный подуровень. Энергия рассеянного света при этом меньше энергии возбуждающего света (зеленый – оранжевый). 3 – Рэлеевское рассеяние, не приводящее к изменению энергии возбуждающего света. 4 – Антистоксово комбинационное рассеяние наблюдается в случае, если молекула находится в возбужденном состоянии и при взаимодействии со светом переходит на нижний колебательный подуровень. В этом случае энергия рассеянного света будет больше энергии возбуждающего света (зеленый – синий). Происходит гораздо реже стоксового из-за разности в заселенности уровней. 5 – Флуоресценция: квант света вызывает электронно-колебательный переход, после чего наблюдается релаксация (бордовая фигурная стрелка) и испускание света с меньшей энергией (синий – красный).

Под взаимодействием света с молекулой подразумевается энергетический обмен между фотонами и колебательными подуровнями энергии молекулы. Это означает, что спектр комбинационного рассеяния несет в себе информацию о колебаниях атомов в молекулах исследуемого вещества. Разность частот возбуждающего и рассеянного света (Δv) характеризует нормальные частоты колебаний молекулы в целом. Большинство пиков на спектре комбинационного рассеяния обусловлено колебаниями сразу нескольких химических связей в молекуле. Но некоторые пики описывают колебания совершенно определенных групп атомов. Например, положение максимумов пиков на спектре комбинационного рассеяния, характеризующих колебания одинарной С – С, двойной С = С и тройной С ≡ С связей, будет отличаться. Также на спектре хорошо различаются пики С = О, ароматических колец, тиолов и многих других групп атомов. С помощью таких ключевых колебаний можно определить, с чем мы имеем дело: с липидами, белками, ДНК, порфиринами или другими молекулами (рисунок 2). И для каждой молекулы будет неповторимый спектр КР. Таким образом, спектр комбинационного рассеяния – это точный индивидуальный «отпечаток пальцев» молекулы.


Рисунок 2. Выявление различных веществ по ключевым пикам на спектре комбинационного рассеяния сложной смеси
Основное преимущество спектроскопии комбинационного рассеяния — неинвазивность. Во-первых, с помощью комбинационного рассеяния можно изучать состав, не разрушая исследуемый объект. Подобную информацию можно получить только «разрушающими» технологиями, такими как масс-спектрометрия и хроматография. Во-вторых, не нужно использовать метки или зонды, как для флуоресцентной микроскопии. Это означает, что мы исследуем систему в естественных условиях. А это крайне важно, учитывая, что многие из существующих меток (как флуоресцентных, так и изотопных) являются токсичными. К тому же исчезает проблема выцветания меток и появляется возможность исследовать небольшие молекулы, к которым трудно пришить метку.

---

1.2 Модификации метода комбинационного рассеяния.
Как и любой другой метод КР-спектроскопия имеет свои ограничения. В первую очередь, это низкая интенсивность сигнала. Именно эту проблему решают различными модификациями метода комбинационного рассеяния, представленными на рисунке 3.


Рисунок 3. Методы, позволяющие усилить сигнал КР. Обозначения: ν₁ — частота возбуждения, ν₂ — стоксово КР, ν₃ — антистоксово КР, ν_’ — переменная частота. Желтый круг — исследуемая молекула, серый многогранник — наночастица.
Первый способ усилить сигнал комбинационного рассеяния – использовать резонансную частоту возбуждения. т.е. когда частота возбуждения попадает в область поглощения вещества, то наблюдается резонансное комбинационное рассеяние, интенсивность которого на несколько порядков превышает обычное комбинационное рассеяние.

Второй способ усиления сигнала – спектроскопия комбинационного рассеяния с оптическим пинцетом (RSOT), которая позволяет увеличивать интенсивность комбинационного рассеяния за счет увеличения времени накопления сигнала от одиночных молекул или клеток в растворе, при этом не осаждая и не фиксируя их. Оптический пинцет – это прибор, который позволяет манипулировать микроскопическими объектами с помощью лазерного света: частички попадают в фокус лазерного луча как в ловушку. Для исследования клеток чаще всего используют два лазерных луча-ловушки, чтобы избежать флуктуаций и вращения объекта (рисунок 4).


Рисунок 4. Схема установки для изучения одиночных клеток методом RSOT с двумя лучами захвата.
Также с помощью двух лучей можно растягивать клетку. Например, для эритроцита было показано, что растяжение клетки приводит к деоксигенации гемоглобина.

Как было показано на рисунке 1, стоксовые линии КР (ν₀−Δν) гораздо интенсивнее антистоксовых (ν₀+Δν). При этом антистоксовые линии представляют больший интерес, потому что в этой области отсутствует люминесценция образца из-за Стоксова сдвига. Для получения интенсивного спектра антистоксового комбинационного рассеяния используется метод КАРС – когерентное антистоксовое рассеяние света.

---

В КАРС-спектроскопии используется не один источник света, а три: первый источник называется волной накачки (ритр) – v1, второй представляет собой излучение со стоксовой частотой v2, а третий – это пробный луч, частота которого плавно изменяется v’. Эти лучи взаимодействуют друг с другом, а также с колебаниями молекул исследуемого вещества. Если разность частот v1 – v2 входит в резонанс с собственными колебательными частотами молекулы, то возникает интенсивное когерентное (т.е. согласованное в фазе колебаний) антистоксово излучение.

Самый мощный способ добиться усиление сигнала комбинационного рассеяния – поместить молекулу вблизи наночастиц благородных металлов. Для этого есть два способа: поместить наночастицу на поверхность иглы атомно-силового микроскопа и зондировать исследуемые молекулы, регистрируя с них сигнал комбинационного рассеяния. В этом случае метод будет называться TERS (tip-enhanced Raman spectroscopy). Во втором случае исследуемые молекулы помещают на поверхность наночастиц металла и регистрируют комбинационное рассеяние обычным способом. Этот метод называется гигантское комбинационное рассеяние (ГКР). ГКР позволяет получать наибольшее усиление сигнала и обладает множеством практических применений.

Метод ГКР основан на эффекте плазмонного резонанса. Плазмонный резонанс – резонанс частоты падающего света и частоты коллективных колебаний свободных поверхностных электронов металла (квант таких колебаний называется плазмон). Плазмонный резонанс приводит к многократному усилению электрического поля вблизи наночастиц металла – таким образом, наночастицы металла выступают в качестве «наноантенн». И теоретически это усиление может достигать 14 порядков, т.е. 100 триллионов раз.

2. 
   Спектроскопия – как метод анализа структуры углеродных материалов
   

2.1 Исследование углеродных материалов методом КР спектроскопии
Метод комбинационного рассеяния на сегодняшний день является одним из наиболее мощных аналитических методов, применяемых при исследовании и разработке новых материалов: композитных, полупроводниковых, сверхпроводниковых, наноструктурных.

КР-спектроскопия – спектроскопический метод изучения колебательных, вращательных и иных низкочастотных волн исследуемого вещества в интервале приблизительно от 2 до 4000 см

---

Смотрите также файлы

• Культура электронного общения.docx

• Конспект Общая характеристика закономерности возрастного развития. В конспекте должны быть отражены следующие моменты.docx

• Еще один герой командир разведывательной группы специального назначения старший лейтенант Константин Салихов.docx

• Тема. Солнечный свет на Земле.docx

• Организация электромонтажных работ.doc