Разработка и постановка лабораторных работ по курсу "Наноматериалы и нанотехнологии"

Методика получения сегнетоэлектрических Sr-Bi-Ta – пленок (SBT – пленок) золь-гель методом. Зависимость размера частиц от типа подложки с использованием органического соединения тантала. Степень кристалличности SBT-пленки и факторы, на нее влияющие.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

Размещено на

Дипломная работа

Разработка и постановка лабораторных работ по курса «Наноматериалы и нанотехнологии»

Введение

Термин «нано» происходит от греческого слова «нанос» и соответствует одной миллиардной части единицы. Таким образом, нанотехнологии и наука о наноматериалах имеют дело с объектами вещества размером от 1 до 100 нм.

Спектр колебаний - это совокупность простых гармонических колебаний, на которые может быть разложено сложное колебательное движение. Спектроскопия - раздел физики, посвященный изучению спектров электромагнитного излучения. Колебательные движения заряженных частиц, входящих в состав атомов и молекул, сопровождаются поглощением и испусканием электромагнитных излучений. Вид спектра испущенного или поглощенного излучения определяется строением электронной оболочки атомов и молекул, влиянием ядер, а также внешними факторами: составом, температурой, давлением окружающей среды, внешними электрическими и магнитными полями. Большинство сведений о структуре атомов и молекул получено в результате спектроскопических исследований. Важнейшие области применения спектроскопии - физика атомов и молекул, анализ состава вещества, дистанционные методы изучения окружающей среды, астрофизика. Спектроскопия внесла выдающийся вклад в формирование важнейших физических и астрофизических концепций, в современный уровень понимания атомной и молекулярной физики, а также других естественных наук.

Спектроскопия сыграла решающую роль в создании мазеров и лазеров, развитии квантовой электроники. Но когда в начале 60_х годов нашего столетия были созданы лазеры, стало ясно, что с их использованием спектроскопия вступает в качественно новый этап развития. За прошедшие 35 лет был достигнут прогресс, соизмеримый с предыдущим этапом развития длиной в несколько столетий. Во многих случаях использование лазеров в спектроскопии приводит к значительно меньшим материальным и временным затратам.

1. Спектроскопия, теоретические основы, спектроскопия комбинационного рассеяния

Спектроскопия - раздел физики, посвященный изучению спектров электромагнитного излучения.

Свет - это электромагнитное излучение с длиной волны l от 10^-3 до 10^-8 м. Этот диапазон длин волн включает инфракрасную, видимую и ультрафиолетовую области. Инфракрасный интервал спектра подразделяется на дальнюю, среднюю и ближнюю области. При комнатной температуре любое материальное тело излучает в дальней инфракрасной области, при температуре белого каления излучение сдвигается в ближнюю инфракрасную, а затем и в видимую часть спектра. Видимый спектр простирается от 750 нм до 400 нм. Свет этих длин волн воспринимается человеческим глазом, и именно на эту область приходится большое число спектральных линий атомов. Диапазон от 400 до 200 нм соответствует ультрафиолетовой области, далее следует вакуумный ультрафиолет.

Каждый атом и молекула имеют уникальное строение, которому соответствует свой уникальный спектр.

Структура спектра атома, молекулы или образованной ими макросистемы определяется их энергетическими уровнями. Согласно законам квантовой механики, каждый энергетический уровень соответствует определенному квантовому состоянию. Электроны и ядра в таком состоянии совершают характерные периодические движения, для которых энергия, орбитальный момент количества движения и другие физические величины строго определены и квантованы, т.е. принимают лишь разрешенные дискретные значения, соответствующие целым и полуцелым значениям квантовых чисел. Если известны силы, связывающие электроны и ядра в единую систему, то по законам квантовой механики можно рассчитать ее уровни энергии и квантовые числа, а также предсказать интенсивности и частоты спектральных линий. С другой стороны, анализируя спектр конкретной системы, можно определить энергии и квантовые числа состояний, а также сделать выводы относительно действующих в ней сил. Таким образом, спектроскопия является основным источником сведений о квантово-механических величинах и о строении атомов и молекул.

В атоме наиболее сильное взаимодействие между ядром и электронами обусловлено электростатическими, или кулоновскими силами. Каждый электрон притягивается к ядру и отталкивается всеми остальными электронами. Это взаимодействие определяет структуру энергетических уровней электронов. Внешние электроны, переходя с уровня на уровень, испускают или поглощают излучение в ближней инфракрасной, видимой и ультрафиолетовой областях. Энергии переходов между уровнями внутренних оболочек соответствуют вакуумной ультрафиолетовой и рентгеновской областям спектра. Более слабым является воздействие электрического поля на магнитные моменты электронов. Это приводит к расщеплению электронных уровней энергии и, соответственно, каждой спектральной линии на компоненты. Кроме того, ядро, обладающее ядерным моментом, может взаимодействовать с электрическим полем орбитальных электронов, вызывая дополнительное сверхтонкое расщепление уровней энергии.

При сближении двух или более атомов между их электронами и ядрами начинают действовать силы взаимного притяжения и отталкивания. Итоговый баланс сил может привести к уменьшению полной энергии системы атомов - в этом случае образуется стабильная молекула. Строение молекулы в основном определяется валентными электронами атомов, а молекулярные связи подчиняются законам квантовой механики. В молекуле наиболее часто встречаются ионные и ковалентные связи. Атомы в молекуле испытывают непрерывные колебания, а сама молекула вращается как целое, поэтому у нее возникают новые энергетические уровни, отсутствующие в изолированных атомах. Энергии вращения меньше колебательных энергий, а колебательные - меньше электронных. Таким образом, в молекуле каждый электронный уровень энергии расщепляется на ряд близко расположенных колебательных уровней, а каждый колебательный уровень, в свою очередь, на тесно расположенные вращательные подуровни. В результате в молекулярных спектрах колебательные переходы имеют вращательную структуру, а электронные - колебательную и вращательную. Переходы между вращательными уровнями одного и того же колебательного состояния попадают в дальнюю инфракрасную и микроволновую области, а переходы между колебательными уровнями одного и того же электронного состояния соответствуют по частотам инфракрасной области. Благодаря расщеплению колебательных уровней на вращательные подуровни каждый переход распадается на множество колебательно-вращательных переходов, образуя полосы. Аналогично электронные спектры молекул представляют собой ряд электронных переходов, расщепленных тесно расположенными подуровнями колебательных и вращательных переходов.

Поскольку каждый атом является квантовой системой, его свойства, в том числе частоты и интенсивности спектральных линий, могут быть рассчитаны, если для данной конкретной системы задан ее гамильтониан. Гамильтониан Н - это полная энергия атома, представленная в операторной форме. Кинетическая энергия частицы с массой m и моментом р равна . Потенциальная энергия системы равна сумме энергий всех взаимодействий, связывающих систему в единое целое. Если гамильтониан задан, то энергию Е каждого квантового состояния можно найти, решив уравнение Шрёдингера Н = Е, где - волновая функция, описывающая квантовое состояние системы.

С точки зрения квантовой механики атом водорода и любой водородоподобный ион представляют собой простейшую систему, состоящую из одного электрона с массой m и зарядом

- e, который движется в кулоновском поле ядра, имеющего массу М и заряд +Ze. Если учитывать только электростатическое взаимодействие, то потенциальная энергия атома равна -, и гамильтониан будет иметь вид = , где . В дифференциальной форме оператор , где . Таким образом, уравнение Шрёдингера принимает вид

.

Решение этого уравнения определяет энергии стационарных состояний водородоподобного атома:

где n = 1, 2, 3…

, где R - постоянная Ридберга

= 13,6 эВ =109678 см^-1.

В рентгеновской спектроскопии ридберг часто используется в качестве единицы энергии.

Квантовые состояния атома характеризуется четырьмя квантовыми числами главным n, орбитальнымl, магнитным m_l и спиновым m_s. Одноэлектронную собственную функцию атома Ш_nlmlms называют атомной орбиталью.

Совокупность атомных орбиталей, соответствующих определенному значению главного квантового числа n, образует так называемый электронный слой, который обозначается буквой или цифрой:



Главное квантовое число, n	1	2	3	4	5	…
Обозначение слоя	K	L	M	N	O	…

Совокупность атомных орбиталей, соответствующих определенному значению орбитального квантового числаl, формирует так называемую электронную оболочку, обозначаемую следующим образом:

Орбитальное ква... Другие файлы: Методика проведения лекционных занятий по разделу "Наноматериалы и нанотехнологии" при изучении дисциплины "Материаловедение" Ознакомление с типами и дидактическими принципами лекционного занятия. Разработка календарно-тематического плана курса "Наноматериалы и нанотехнологии... Наноматериалы специальной техники Учебно-методический комплекс предназначен для подготовки магистров по тематическому направлению деятельности национальной нанотехнологической сети «На... Разработка методических материалов и лабораторных работ к специализированному курсу "Использование систем бизнес анализа" Разработка лабораторных работ, организованных как программный продукт – электронный учебник. Обзор компаний-лидеров в производстве и поставке систем у... Методические рекомендации по выполнению лабораторных работ по курсу "Информатика" Изучение структуры информатики; основные понятия информационных процессов, их применение. Разработка методов и приемов выполнения лабораторных работ:... Наноматериалы и нанотехнологии Понятие нанообъекта, наноматериала и нанотехнологии. Физические причины специфики наночастиц и наноматериалов. Синтез углеродных наноматериалов. Принц...