Определение спектров поглощения диэлектрических материалов используемых в современной электронике Лабораторная работа №1
Цель работы: изучение оптических свойств упорядоченных и неупорядоченных наноструктур, определение спектров поглощения тонких полимерных пленок.
Применяемое оборудование: автоматизированный оптический спектрометр отражения и пропускания, состоящий из источника белого света, монохроматора, системы фокусировки и построения изображения, приемника излучения, синхронного детектора.
Задание: освоить порядок работы на автоматизированном оптическом спектрометре, получить спектры отражения (пропускания) полимерных пленок, таких как: ПЭНД, фторопласт, лавсан, полиэтилен, полиимид, полипропилен, полистирол.
Подготовка к выполнению работы: ознакомиться с принципом работы отдельных узлов автоматизированного оптического спектрометра, ознакомиться с программой автоматизации спектрометра, освоить процедуру включения-выключения установки, изучить литературу, рекомендованную в библиографическом списке. Подготовить опытные образцы полимерных пленок.
Краткое теоретическое введение 1.1 Описание и работа спектрофотометра 1.2 Назначение Спектрофотометры предназначены для измерения спектральных коэффициентов направленного пропускания жидких и твердых прозрачных образцов. Спектрофотометры применяются при проведении биологических, биохимических, физических исследований, а также при контроле качества готовой продукции и контроле продукции по ходу технологического процесса в химической, микробиологической, фармацевтической и других отраслях промышленности.
1.3 Устройство и работа спектрофотометра
Принцип действия спектрофотометра основан на измерении отношения двух световых потоков: светового потока, прошедшего через исследуемый образец, и потока, падающего на исследуемый образец (или прошедшего через контрольный образец). В световой поток от источника излучения поочередно вводятся затвор для определения темнового сигнала, расположенный внутри спектрофотометра, контрольный образец и исследуемый образец. Коэффициент пропускания исследуемого образца рассчитывается по формуле Т = (I - IT)/(IK - IT), (1) где I - сигнал, пропорциональный световому потоку, прошедшему через исследуемый образец; IК - сигнал, пропорциональный световому потоку, прошедшему через контрольный образец; IТ - сигнал, пропорциональный темновому току приемника. Оптическая схема спектрофотометра состоит из оптических схем двух каналов («У» и «В»). Каждый из каналов представляет собой полихроматор, построенный на основе вогнутой дифракционной решетки с коррекцией аберраций. Свет от источника ультрафиолетового излучения, попадая на объектив, направляется им на образец и затем проецируется на входную щель канала «У» спектрофотометра. Затем световой пучок попадает на дифракционную решетку, после чего дифрагированный свет фокусируется на поверхности многоэлементного приемника. Аналогично, свет от источника видимого излучения, попадая на объектив, направляется на образец, проецируется на входную щель канала «В» спектрофотометра. Затем световой пучок направляется на дифракционную решетку, после чего дифрагированный свет фокусируется на поверхности многоэлементного приемника. Каждый из многоэлементных приемников регистрирует свой спектральный диапазон одновременно. Принцип работы многоэлементного приемника состоит в преобразовании светового сигнала в электрический, причем величина электрического сигнала прямо пропорциональна как величине светового сигнала, так и времени освещения приемника (экспозиции). Конструктивно спектрофотометр выполнен в виде единого блока в состав которого входят: -осветитель с двумя источниками излучения. При работе спектрофотометра осветитель закрыт защитным кожухом; -автоматизированное кюветное отделение; -полихроматор с двумя многоэлементными приемниками и двумя дифракционными решетками; -электронные блоки и модули, обеспечивающие функционирование спектрофотометра. Элементы оптической системы закрыты светонепроницаемым кожухом, который закреплен винтами на основании. Основание с полихроматором, осветителем и кюветным отделением, а также электронные блоки и модули размещены в поддоне, закрытом сверху кожухом с откидной крышкой, обеспечивающей доступ к кюветному отделению и рукояткам щелей. Съемный кожух обеспечивает доступ к источникам излучения. В обоих каналах спектрофотометра предусмотрены сменные щели. В каждой модели зафиксирован определенный вариант рабочих величин щелей, указанный в паспорте. Для смены щели следует отпустить два стопорных винта на фиксаторе щелей, снять фиксатор и поворотом рукояток и установить каждую щель в требуемое положение в соответствии с надписью под рукояткой. Кюветное отделение спектрофотометра снабжено подвижной кареткой, обеспечивающей возможность установки различных держателей жидких и твердых образцов. В спектрофотометре СФ-2000-02 имеется возможность термостатирования исследуемой жидкости в кювете с длиной оптического пути 10 мм и меньше при температуре (37±1) °С. Полимерные материалы
В последние годы возрос интерес к электропроводящим полимерам, которые получают специальными методами, и которые являются новым перспективным материалом для создания функциональных элементов электроники. Получение материалов с заданными электрическими характеристиками требует детального знания их строения, а также физико-химических свойств. В свою очередь, важной особенностью полимеров, которая накладывает отпечаток на их физические и химические свойства, является характер связей между атомами в молекуле. Поскольку основой матрицы большинства полимерных материалов является углерод, то закономерно, начать с некоторых особенностей химических связей различных форм углерода. Это тем более необходимо в случае рассмотрения пиролизованных или имплантированных полимеров, когда одним из результатов энергетического воздействия становится карбонизация материала, и его свойства определяются формированием углеродных фаз в полимерной матрице. Полимерными материалами в широком смысле этого понятия являются соединения, построенные из большого числа атомов или атомных групп, соединенных между собой валентными связями. Полимеры можно охарактеризовать так же, как высокомолекулярные соединения, макромолекулы которых состоят из большого числа повторяющихся групп (мономерных звеньев). Молекулярная масса полимеров может варьироваться от нескольких тысяч до нескольких миллионов, причем для большинства полимеров характерно очень широкое распределение по величине молекулярной массы.
В полимерах, в основном, реализуется два типа связей: σ-связи и π-связи. σ-Связь и π-связь могут образовывать двойную связь между соседними атомами в молекуле. Регулярное чередование простых и двойных связей ведет к образованию сопряженных систем в полимерах. Структуру сопряженных соединений удобно описать, рассмотрев строение бензола. Атом углерода в молекуле бензола характеризуется тремя тригональными гибридными sp2-орбиталями (углы между расположенными в плоскости молекулы σ-связями равны 120о), а также одной обособленной 2pz-орбиталью, ось которой перпендикулярна плоскости молекулы. Одна из трех гибридных орбиталей используется для образования связи с атомом водорода, а две другие - с двумя соседними атомами углерода. 2pz-орбитали соседних атомов перекрываются, образуя π-орбитали, и электронный заряд симметрично распределяется по ним, в результате чего возникают два заряженных шнура в форме шестиугольника, один из которых расположен над содержащей ядра атомов углерода плоскостью молекулы, а второй - под ней.
Ход работы
1. Включить питание лаборатории. 2. Включить компьютер. 3. Включить спектрофотометр. 4. Запустить программу «Сканирование». 5. Подготовить материалы для работы. 6. Поместить один слой образца в ячейку 1. 7. Поместить два слоя образца в ячейку 2 и т. д. до пяти слоёв. 8. После завершения прогревания запустить процесс сканирования в программе «Сканирование». 9. В открывшемся диалоговом окне: «Новый эксперимент» задать необходимый диапазон длин волн и шаг в соответствии с заданием. 10. Выбрать кюветы отметив их. 11. Подтвердить свой выбор. 12. Создать папку с названием группы и ФИО на рабочем столе для последующего сохранения данных по выполнению лабораторной работы. 13. Провести сравнительный анализ испытуемых образцов с эталонной зависимостью представленной в данной работе. 14. Определить толщину и вещество из которого изготовлен образец.
Контрольные вопросы 1. Какие источник и приемник светового излучения используется в оптическом спектрометре? Чем определяется их выбор? 2. Чем определяются рабочие ширины входной и выходной щелей монохроматора? 3. Как устроена система фокусировки и формирования изображения? С какой целью она используется? Построить ход лучей в системе фокусировки и формирования изображения. 4. Как рассчитать коэффициент пропускания? 5. Каков принцип детектирования сигналов синхронным детектором? С какой целью он используется в оптическом спектрометре? 6. Какими параметрами можно охарактеризовать степень упорядочения структуры? 7. Полимеры. Свойства, структура, характеристики. 8. Проводящие полимеры. 9. Сопряженные полимеры. 10. Применение полимерных материалов.
Список используемых источников 1. Звездин А.К. Квантовая механика плененных фотонов. Природа, №10, 2004 г. 2. Бутырин П.А., Васьковская Т.А., Каратаев В.В., Материкин С.В., Автоматизация физических исследований и эксперимента: компьютерные измерения и виртуальные приборы на основе LabView. 2005 г. 261 c.
|
