25.11.2017 
  


В связи с обновлением программного обеспечения сайт находится на реконструкции (некоторые страницы и сервисы могут быть недоступны)

ПРОГРАММА

для подготовки магистров по специальности "Физика",
Преподаватель Проф., дфмн Э.В.Суворов

32 часа

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ РЕАЛЬНОЙ СТРУКТУРЫ И СОСТАВА МАТЕРИАЛОВ

Цель курса: Обучить постановке и проведению исследований реальной структуры и состава материалов. Обучить постановке и проведению исследований структуры (атомной и электронной) и свойств неравновесных конденсированных систем, основам технологии получения и обработки таких материалов для достижения заданных свойств.

ПРАКТИЧЕСКИЕ НАВЫКИ, ПРИОБРЕТАЕМЫЕ СТУДЕНТАМИ:

1. Исследовать реальную структуру материалов (дефекты кристаллической структуры, их распределение, атомный состав)
2. Использовать современную вычислительную технику для анализа экспериментальных данных о структуре и свойствах неравновесных конденсированных системах.

ЛЕКЦИОННЫЙ КУРС:


Семестр

 

Лекции

14

Лабораторные занятия

12

Практические занятия

3

Семинары

3

Всего

32

Аннотация к курсу

В последние 15-20 лет появились принципиально новые материалы, такие как квазикристаллы, фуллерены, магнитные кристаллы с особыми свойствами, высокотемпературные сверхпроводящие керамики и монокристаллы, сегнетоэлектрики, сегнетоэластики, жидкие кристаллы, аморфные сплавы и пр., нашедшие применение в целом ряде направлений новой техники. Изучение их структуры и свойств требует, как правило, привлечения комплекса самых разнообразных физических методов исследования, взаимно дополняющих друг друга.
Курс разделен на пять разделов и имеет следующую структуру. В первом разделе приведены наиболее важные сведения по физике дифракции ретгеновских лучей, нейтронов и электронов. Во втором - рассмотрены методы интегральных характеристик, позволяющие по весьма простым дифракционным параметрам определять степень совершенства кристаллов. В третьем - описаны основные методы рентгеновской дифракционной топографии, позволяющие исследовать топографию дефектов в объеме кристаллов без его разрушения. Четвертый раздел посвящен описанию основ высокоразрешающей электронной микроскопии. И наконец пятый раздел содержит материал по основам растровой электронной микроскопии и рентгеновского микроанализа, рассматриваются основы тунельной и атомно-силовой микроскопии. Основное внимание в курсе уделяется физическим принципам, на которых основан каждый из описываемых методов. Данная дисциплина является фундаментальной и имеет теоретическую направленность. Вместе с тем она является теоретической базой для всех материаловедческих дисциплин и в этом смысле является профессионально ориентированной.

 

3. Приобретаемые компетентности

использовать методы дифракции рентгеновских лучей электронов и нейтронов для изучения реальной структуры кристаллов, (Л – 1.1; 1.2; 2.2; 2.4; 3.1) (ПЗ – 1-8); УК 1, УК 2, УК 3, УК 6, ПК 1.1, ПК 1.2, ПК1.3
составлять физические модели и математические уравнения, позволяющие описывать физико-химические свойства простых гомо- и гетероядерных молекул и ионных кристаллов. (Л – 1.1; 1.2; 2.1; 2.4-2.8; 3.1) (ПЗ - 1-8); УК1, УК 2, УК 3, УК 4, УК 6, УК7, УК8, УК9, УК10,УК11, ПК1.1,  ПК2.3, ПК3.1, ОПК3.2
использовать теоретические модели и структуры дефектовв кристаллов       (ПЗ - №1-8, ДЗ - 1); - методы математической физики для решения задач, связанных со строением кристаллов и физических свойств. (Л – 1.1, 1.2, 2.1-2.8, 3.1; ПЗ 1-8; ДЗ – 1) УК1, УК 2, УК 3, УК 4, УК 6, УК7, УК8, УК9, УК10,УК11, ПК1.1,  ПК2.3, ПК3.1, ПК3.2
описывать условия дифракционных экспериментов с целью получения количественной информации о структуре,  (Л – 1.1;1.2; 2.1-2.4; 3.2; 3.5; 3.6; 4.1-4.4) (ПЗ – 4-16); УК1, УК 2, УК 3, УК 4, УК 6, УК7, УК8, УК9, УК10,УК11, ПК1.1,  ПК2.3, ПК3.1, ПК3.2
находить необходимые экспериментальные методы изучения реальной структуры кристаллов, (Л – 9.1-9.4) (ПЗ – 33); УК1, УК 2, УК 3, УК 4, УК 6, УК7, УК8, УК9, УК10,УК11, ПК1.1,  ПК2.3, ПК3.1, ОПК3.2
осуществлять расчеты необходимых условий и геометрии экспериментов (Л – 1.1, 1.2; 2.4, 2.5, 2.7, 2.8; 3.1) (ПЗ – 1-8); УК1, УК 2, УК 3, УК 4, УК 6, УК7, УК8, УК9, УК10,УК11, ПК1.1,  ПК2.3, ПК3.1, ОПК3.2
анализировать литературу для поиска информации об отдельных определениях, понятиях, терминах и методах, используемых в квантовой механике и теории химической связи, свойствах атомов и молекул для решения теоретических типовых задач, связанных с дальнейшим обучением и профессиональной деятельностью (ДЗ все); УК1, УК 2, УК 3, УК 4, УК 6, УК7, УК8, УК9, УК10,УК11, ПК1.1,  ПК2.3, ПК3.1, ОПК3.2
приобретать навыки логического, творческого и системного мышления (ПЗ – все, ДЗ все); УК1, УК 2, УК 3, УК 4, УК 6, УК7, УК8, УК9, УК10,УК11, ПК1.1,  ПК2.3, ПК3.1, ОПК3.2
использовать информационные средства и технологии, в т.ч. для проведения теоретических расчетов и визуализации результатов. (ДЗ); УК1, УК 2, УК 3, УК 4, УК 6, УК7, УК8, УК9, УК10,УК11, ПК1.1,  ПК2.3, ПК3.1, ОПК3.2

ТЕМА 1. Дифракционные методы исследования реальной структуры материалов.

1. Введение. Основные положения кинематического приближения теории рассеяния. Интерференционная функция Лауэ. Обратная решетка. Геометрическая интерпретация условий дифракции. Структурная амплитуда.

2. Рассеяние в неупорядоченных системах. Рассеяние на случайных скоплениях атомов. Атомный фактор рассеяния. Влияние температуры Рассеяние молекулами разреженного газа. Уравнение Дебая. Радиальная функция межатомных расстояний. Рассеяние системами с непрерывным распределением межатомных расстояний. Основные положения динамического приближения теории рассеяния. Волновое поле в идеальном кристалле. Двухволновое приближение в совершенном кристалле. Важнейшие следствия динамической теории рассеяния. Волновое поле в кристалле с искажениями. Моделирование на ЭВМ дифракционного изображения дефектов.

3. Рентгеновская дифракционная микроскопия. Введение. Методы рентгеновской топографии. Основные характеристики методов. Классификация типов контраста. Примеры применения топографических методов.

3.1 Классические методы рентгеновской топографии (РТ) История вопроса. Основные идеи Берга лежащие в основе дифракционной топографии. Метод Берга Барретта Другие схемы РТ (метод Шульца, Ламбо, Гинье-Тенневина, метод Фудживаро) Линейное и угловое разрешение Основные механизмы дифракционного изображения кристаллов. Возможности количественных измерений локальных деформаций кристаллической решетки.

3.2 Рентгеновская топография высокого разрешения Метод Ланга его возможности Линейное и угловое разрешение Чувствительность к разориентациям решетки Методы аномального прохождения основанные на эффекте Бормана Секционная топография Физические основы теории контраста Методы моделирования и расчета изображений

3.3 Плосковолновая топография Возможность анализировать дисторсию решетки, (разделение влияния деформации (изменение параметров решетки) и разориентации. Двухкристальная рентгеновская топография и спектроскопия Трехкристальная топграфия Для чего требуются усложнения рентгеновских топографических схем Возможности и ограничения

3.4 Рентгеновская топография в синхротронном излучении Методы получения излучения, особенности спектра, величины интенсивности Топография в непрерывном спектре Фазовая топография основанная на преломлении рентгеновских лучей и ее возможности Двухкристальная и многокристальная топография Специальные возможности топографии в синхротронном излучении.

4. Рентгеновский дифракционный контраст дефектов. Природа дифракционного изображения дислокации. Дифракционный контраст, формируемый в дальнем поле дислокации. Фазово-экстинкционный контраст. Роль амплитудных эффектов в образовании дифракционного изображения дислокации. Механизмы формирования изображения ближнего поля дислокации. Прямое изображение дислокации -фокальное пятно дислокационной линзы. Эффекты каналирования и внутреннего отражения блоховских волн в изображении дислокации. Природа теневого изображения дислокации в условиях аномального прохождения рентгеновских лучей.

ТЕМА 2. Электронная микроскопия высокого разрешения.

5.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.

6. Анализ аберраций в электронном микроскопе “Тонкий” фазовый объект в электронной микроскопии. Анализ передаточной функции электронного микроскопа. Метод оптического дифрактометра для экспериментального исследования передаточной функции.

7. Методы численного моделирования изображения высокого разрешения на ЭВМ. Примеры использования методов электронной микроскопии высокого разрешения.

ТЕМА 3. Основы растровой электронной микроскопии (РЭМ).

8. Устройство и принцип работы РЭМ. Формирование электронного зонда. Детекторы сигналов в РЭМ.

9. 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 (отраженные электроны; вторичные электроны; рентгеновское излучение; оже-электроны; катодолюминесценция; наведенный ток). Область взаимодействия электронов зонда с веществом мишени.

10. Формирование контраста в РЭМ. Основные механизмы формирования изображения в РЭМ. Методы обработки видеосигнала в РЭМ.

11. Рентгеновский микроанализ. Методы регистрации рентгеновского спектра. Основные поправки, вводимые в количественном анализе

12. Примеры использования методов РЭМ.

ТЕМА 4. Методы исследования поверхности материала

13. Дифракция медленных электронов. Оже-спектроскопия. Вторично-ионная масс спектроскопия.

14. Основы сверхвысокого вакуума.

15. Основы туннельной микроскопии. Системы перемещения зонда. Обработка сигнала.

16. Атомно-силовая микроскопия. Области применения.

Тема 5. Основы техники высокого вакуума
Методы получения различных ступеней  выкуума. Методы измерения вакуума. Основные элементы вакуумных систем. Материалы используемые в вакуумной технике. Основы вакуумной гигиены.

ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ

1. Исследование дефектов в кристаллах методом Ланга.
2. Изучение структуры поверхности материалов методом растровой электронной микроскопии.
3. Изучение структуры тонких фолы с помощью просвечивающей электронной микроскопии и метода дифракции электронов.

СЕМИНАРНЫЕ ЗАНЯТИЯ

1. Анализ упругого поля вокруг идивидуальной дислокации и его влияния на магнитные свойства ферромагнетика.
2. Анализ погрешностей вносимых электронной оптической системой.
3. Решение задач по курсу.

ПРАКТИЧЕСКИЕ ЗАНЯТИЯ

1. Определение характера малоугловых границ, их разориентации и типа входящих в них дислокации с помощью фотографий электронно-микроскопических изображений с заданными дифракционными условиями.
2. Использование особенностей дифракционного контраста для анализа характеристик и природы дислокационных петель.
3. Анализ и обработка типичных дифракционных данных для аморфных материалов и других неравновесных конденсированных систем.
4. Моделирование изображения высокого разрешения кристаллической решетки на ЭВМ (по имеющейся в лаборатории программе).
5. Рассчет передаточной функции электронного микроскопа.

КОНТРОЛЬНЫЕ МЕРОПРИЯТИЯ

Коллоквиумы
1. Механизмы формирования дифракционного изображения в методах рентгеновской топографии.
2. Атомно-силовая микроскопия.

Затраты времени на самостоятельную работу по подготовке к практическим, семинарским, лабораторным занятиям и выполнению домашних заданий

 

В аудитории (час)

Самостоятельная работа (час)

Лекции

14

10

Практические занятия

4

5

Семинарские занятия

3

5

Лабораторные занятия

12

10

Итого

33

30

Использование ЭВМ в учебном процессе
Для обработки результатов и регулирования эксперимента ЭВМ используется в лабораторных работах N1-3.

РЕКОМЕНДУЕМАЯ
основная ЛИТЕРАТУРА

1. Э.В.Суворов Физические основы современных методов исследования реальной структуры кристаллов, Черноголовка, 1999, 231 с.
Рентгеновские и электронно-микроскопические методы анализа атомнокристаллической структуры материалов, под ред. В.Ш.Шехтмана, 2. Э.В.Суворова, Лабораторный практикум, Черноголовка, 2000, 138 с.
Томас Г., Гориндж М. Дж. Просвечивающая электронная микроскопия материалов, М., Наука, 1983, 320 с (стр. 40-47, 99-180, 195-203, 254-258, 270-271).
3. Дж.Каули, Физика дифракции, Москва, Мир, 1976, с.432
4. Морис Р., Мени X., Тиксье Р. Микроанализ и растровая электронная микроскопия М., Мир, 1985, 406.
5. Методы анализа поверхностей. Под редакцией А.Зайдерны. Пер. с англ. М., Мир, 1979, 582 с (стр. 201-215)
6. Розанов А.А. Вакуумная механика М., Высшая школа, 1982, 207 с (стр. 68-113, 121-137)

Дополнительная литература.

  1. А.А.Харкевич, Спектры и анализ, Москва, ГИ Физ.Мат.Лит.1962, с.234
  2. Г.Пейн Физика колебаний и волн, Москва, Мир, 1979, с.390
  3. Azaroff L.V. X-ray Diffraction, 1974, McGraw-Hill Book Company, New York, p.665
  4. Р.Джеймс, Оптические принципы дифракции рентгеновских лучей, Москва, ИЛ, 1950, с.572
  5. В.И.Иверонова, Г.П.Ревкевич, Теория рассеяния ренгеновских лучей, Москва, МГУ, 1978, с.278
  6. Г.С.Жданов, Основы рентгеноструктурного анализа, Москва, Гостехиздат, 1940, с.446
  7. А.М.Гинье, Рентгенография кристаллов, Москва, Физматгиз, 1961, с.604
  8. Б.Я.Пинес Лекции по структурному анализу, Харьков, ХГУ, 1957, с.476
  9. У.Вустер, Диффузное рассеяние рентгеновских лучей в кристаллах, Москва, ИЛ, 1963, с.
  10. Я.С.Уманский, Рентгенография металлов, Москва, Металлургия, 1967, с.236
  11. А.Ф.Скрышевский, Структурный анализ жидкостей, Москва, Мир, 1976, с.256
  12. М.А.Кривоглаз Дифракция рентгеновских лучей и нейтронов в неидеальных кристаллах, Киев, Наукова думка, 1983, с.251
  13. З.Г.Пинскер, Рентгеновская кристаллооптика, Москва, Наука, 1982, с.390

Программу составили проф., д.ф.-м.н. Э.В.Суворов

 

Контакты

Телефон:
8(496) 52 219-82
+7 906 095 4402

Факс:
+7(496) 522 8160
8(496) 522 8160

Почтовый адрес:
ИФТТ РАН, Черноголовка, Московская обл., ул.Академика Осипьяна д.2, 142432, Россия

E-mail:
Вебмастер
Ученый секретарь

WWW:
www.issp.ac.ru