Φως και Υλικά - Aristotle University of ...users.auth.gr/katsiki/seminar13_12_07.pdf ·...

ΦωςκαιΥλικά

Μαρία ΚατσικίνηΛέκτορας

Τμήμα ΦυσικήςΤομέας Φυσικής Στερεάς Κατάστασης

ΠέμπτηΠέμπτη 1313--1212--20072007

Work groups

Λίθινη εποχή

Εποχή του χαλκού

Εποχή του σιδήρου

Σήμερα

Πυρίτιο

Σύνθετα υλικάΠολυμερή (πλαστικά)

ΥΛΙΚΑΥΛΙΚΑΜέταλλα

Γυαλιά

Κεραμικά

Πολυμερή

Ημιαγωγοί

Μαγνητικά υλικά

ΙδιότητεςΣύνθεση & Κατεργασία

Εφαρμογές

Χαρακτηρισμός

ΥΛΙΚΑΜηχανικές

Ηλεκτρικές

Μαγνητικές

ΟπτικέςΟπτικές

Θερμικές

Δομικές

Αλληλεπίδρασητου φωτός με

την ύληΜερικά υλικά

χρησιμοποιούνται γιατην κατασκευή

εκπομπών φωτός

Όραση Ακοή Γεύση Αφή Όσφρηση

Αντίληψη του περιβάλλοντος

ΦΩΣ

y

xz

ΦΩΣ Τι είναι ;

Ε

Β

Εγκάρσιο ηλεκτρομαγνητικό κύμα πουερεθίζει το μάτι

ΦΩΣ Τι είναι ;

υπεριώδες

ορατό

υπέρυθρο

1keV

1eV

1meV

μήκοςκύματος

1Å

1μm

1mm

1cm

ακτίνες Χ

ενέργεια

700nm

400 nm 3.1eV

1.77eV

ορατό

)nm(1240)eV(Eλ

=

ΦΩΣ ... το ορατό

βλέπουμε τα διάφορα αντικείμενα λόγω του φωτός ...

... που ανακλούν... που εκπέμπουν ... που τα διαπερνά

ΦΩΣ ...απορρόφηση και ανάκλαση του φωτός

IR

vis

UV

Ακτίνες Χ

ΕΝΕΡΓΕ

ΙΑ έναένα απλόαπλό καικαι αποτελεσματικόαποτελεσματικό μοντέλομοντέλο .........το μοντέλο του απλού αρμονικού ταλαντωτή

ηλεκτρόνια – πυρήνας(ατομικός ταλαντωτής)

μόριο(δονητικός ταλαντωτής)

μω K

=021

111mm

+=μ

ΦΩΣ

Πολλές φορές λέμε...«δεν το πιστεύω αν δεν το δω με τα μάτια μου»....

...και πέρα από το ορατό

...μήπως όμως υπάρχουν καιπράγματα που δεν μπορούμε να ταδούμε με τα μάτια μας;

ΦΩΣ ...και πέρα από το ορατό

www.brianbeauchamp.net

ΘΕΡΜΟΓΡΑΦΙΑ

UV vis

μήκος κύματος

εκπεμπόμενηισχύς

IR

1470oC

1730oC

1230οC

ΦΩΣ ...και πέρα από το ορατόΥΠΕΡΥΘΡΗΑΝΑΚΛΑΣΤΟΡΑΦΙΑ

The old guitarist (Picasso - 1903)

www.artic.edu

visIR

Το υπέρυθροαπορροφάταιλιγότερο από ταεξωτερικά στρώματατης χρωστικής

Κατάλληλοςανιχνευτής IRκαταγράφει τηδιδιάστατη εικόνα

ΦΩΣ ...και πέρα από το ορατόΑΚΤΙΝΟΓΡΑΦΙΑ

Προσπίπτουσα

Ι0

Διερχόμενη

Ι

x

xeII ⋅−= μ0

x

I

I0

ΦΩΣ ...και πέρα από το ορατόΑΚΤΙΝΟΓΡΑΦΙΑ

3

3

EZρμ ∝

ενέργεια

ατομικόςαριθμός

Μέσος ατομικός αριθμός (Ζeff)Ιστοί: ~3.5Οστά: ~10

ατομικήπυκνότητα

xeII ⋅−= μ0

συντελεστήςαπορρόφησης

ΑΚΤΙΝΕΣ ΧΤι είναι; Ακτινοβολία υψηλής ενέργειας

hyperphysics.phy-astr.gsu.edu

Πως παράγεται; Με σύγκρουση ηλεκτρονίων υψηλής ενέργειας σεκάποιο υλικό π.χ. Μολυβδένιο

Λυχνία ακτίνων Χ

Εκπoμπή e-Επιτάχυνση e-

Εκπoμπή ακτίνων Χ

άνοδος

…από συμβατικές λυχνίες ακτίνων Χ

ΑΚΤΙΝΕΣ Χ ...από Σύγχροτρον

Τι είναι η ακτινοβολία Σύγχροτρον;Ακτινοβολία που παράγεται από ηλεκτρόνια τα οποία κινούνται σε κλειστέςτροχιές και με ταχύτητες που πλησιάζουν την ταχύτητα του φωτός (0.985c)

ESRF


Μερικά χαρακτηριστικά της ακτινοβολίας Σύγχοτρον:

101 102 103 104 10510-3

100

103

106

109

1012

1015

λαμπ

ρότητα

E(eV)

Συνεχές φάσμα του εκτείνεται από το IR ως τις σκληρές ακτίνες Χ

Υψηλή ένταση (106 μεγαλύτερη από τις λυχνίες ακτίνων Χ)

Δέσμη πολύ μικρής διατομήςκαι μικρής γωνιακής απόκλισης

Φυσική

Επιστήμη υλικών

Χημεία

Επιστήμες υγείας

Γεωλογία

Επιστήμες περιβάλλοντος

Εφαρμογές


Σε μια εγκατάστασηακτινοβολίας Σύγχροτρονγίνονται πολλά πειράματα

ταυτόχρονα σεδιαφορετικά beamlines (γραμμές ακτινοβολίας)

Κάθε beamline είναισχεδιασμένο για

διαφορετικό πείραμα

BESSY

ΕΦΑΡΜΟΓΕΣΧαρακτηριστικά τηςακτινοβολίας Σύγχοτρον:

Συνεχές φάσμα τουεκτείνεται από το IR ως τιςσκληρές ακτίνες Χ

Υψηλή ένταση (106

μεγαλύτερη από τιςακτίνες Χ)

Δέσμη πολύ μικρήςδιατομήςκαι μικρής γωνιακήςαπόκλισης

Φασματοσκοπία φθορισμούακτίνων Χ σε ανθρώπινα νύχια1

Χαρτογράφηση φθορισμού γιατον έλεγχο αυθεντικότηταςχειρογράφων

2

3

Χαρτογράφηση φθορισμούυαλοποιημένων στερεώναποβλήτων

4 Φασματοσκοπία λεπτής υφήςαπορρόφησης ακτίνων Χ σευλικά οπτοηλεκτρονικής

Εφαρμογές

ΕΦΑΡΜΟΓΕΣφθορισμός ακτίνων Χ

1

εκπομπή φωτός απόδιεγερμένα άτομα

η διέγερση γίνεται μεαπορρόφηση ακτίνων Χ

1ο βήμα :απορρόφηση ακτίνων Χ διέγερση

(φωτοηλεκτρικό φαινόμενο)

άνοδοςK

LM

άνοδοςK

LM

2ο βήμα :αποδιέγερση εκπομπή ακτίνων Χ

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 110.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

ένταση

ενέργεια (keV)

ΕΦΑΡΜΟΓΕΣΦασματοσκοπία φθορισμού ακτίνων Χ (XRF)

1

Μελέτη της κατανομή της έντασης της εκπεμπόμενης ακτινοβολίας φθορισμούαπό ένα υλικό συναρτήσει της ενέργειας των εκπεμπόμενων φωτονίων Χ

Στοιχειακή ανάλυσηενέργεια διέγερσης9.5keV

S CaFe

CII τω0=

εμβαδό κορυφής

ένταση προσπίπτουσας

συγκέντρωση

πιθανότητα απορρόφησης

πιθανότητα φθορισμού

1 2 3 4 5 6 7 8 90

1

2

3

4

5

6

7

S

Zn

CuFeCa

Cl

F1

2605

2630

2543

2555

3859

2637

M1K2

I/I

sc

Ενέργεια (keV)

K1

2553

K

ΕΦΑΡΜΟΓΕΣΦασματοσκοπία φθορισμού ακτίνων Χ

1

A. Μαυρομάτη - Διπλωματική ΠΜΣ

υγιή

μεμυκητία

ση Περιεκτικότητα σε S

Υγιή : 1315.4 ppmΜε μύκητες : 518.7 ppm

ΕΦΑΡΜΟΓΕΣΧαρτογράφηση φθορισμού ακτίνων Χ (XRF - mapping)

2Καταγραφή της χωρικής κατανομής της συγκέντρωσης συγκεκριμένου

στοιχείου στο υλικό

2 3 4 5 6 7 80

50

100

150

200

Fe Kβ

Fe Kα

ένταση

(kcs

)

ενέργεια (keV)

Pb Mα1

Ορίζουμε ενεργειακόκανάλι για το στοιχείοπου μας ενδιαφέρει

Διακριτική ικανότητα : 5μm

ΕΦΑΡΜΟΓΕΣΧαρτογράφηση φθορισμού ακτίνων Χ

2

Υαλοποίηση στερεών αποβλήτων (Θ. Καρακώστας, ΤΦΣΚ)

Αποτέφρωση αποβλήτων εργοστασίων επεξεργασίας βενζίνης(περιέχει Pb και Fe σε μεγάλες ποσότητες).

Ανάμειξη με σκόνες οξειδίων (SiO2, Na2O)

Τήξη του μίγματος

Ταχεία ψύξη και υαλοποίηση

ΕΦΑΡΜΟΓΕΣΧαρτογράφηση φθορισμού ακτίνων Χ

2

F. Pinakidou, M. Katsikini, E. C. Paloura, J. Appl. Phys. 102, (113512) 2007.

-150 -100 -50 0 50 100 150-150

-100

-50

0

50

100

150

μmμm

0,200,280,360,440,520,600,680,760,840,921,0

-500 -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 500-500

-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

500

μm

μm

0,200,280,360,440,520,600,680,760,840,921,0

60% τέφρα – 25% SiO2 – 15% Na2O

ανόπτηση (440oC) ανόπτηση (600oC)

Fe Fe

Κρύσταλλοι αιματίτη (Fe2O3)

ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ 3

Αρχική μελάνη υψηλήςπεριεκτικότητας σε Zn(Bǿtinge i Asbo)

Σουηδία, 1499

Πλαστογράφηση με μελάνηυψηλής περιεκτικότητας σεCa (Gäsmestad i Böre)

Ανίχνευση στοιχείωνμεγάλου Ζ( Fe, Cu, Sn, Sb, Ag) δεν απαιτεί τηνύπαρξη υψηλούκενού 2Dmapping απόχειρόγραφα

Η μελάνη περιέχειμέταλλα σε μικρέςπεριεκτικότητες.

Χαρτογράφηση φθορισμού ακτίνων Χ

K. Janssens et al, X-ray spectrometry, 29, 73 (2000)

ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ 4Φασματοσκοπία λεπτής υφής απορρόφησης ακτίνων Χ

Προσπίπτουσα

Ι0

Διερχόμενη

Ι

xxeII ⋅−= μ0

μ=μ(Ε)εξαρτάται από την ενέργεια

Συντελεστής απορρόφησηςακτίνων Χ


3

1E

∝μ

μ

Ε

άνοδοςK

LM

νδεσηςσύEE ≥

Ε0φωτοηλεκτρικό φαινόμενο

E

μ


μ

Ε

αναμενόμενη συμπεριφορά παρατηρούμενη συμπεριφορά

Τι συμβαίνει;;;

ακμή απορρόφησης Νστο GaN


L. de Broglie Τα ηλεκτρόνια έχουν κυματική συμπεριφορά

Το μήκος κύματος εξαρτάταιαπό την ορμή του p

h=λ

Το υλοκύμα του ηλεκτρονίουεμφανίζει παρόμοια συμπεριφοράμε τα κύματα

ΣΥΜΒΟΛΗ(αρχή επαλληλίας κυμάτων)

( )( )122121 cos2 xxkIIIII −++=


άτομο

σφαιρικόυλοκύμαφωτοηλεκτρονίου

σκεδαζόμενοκύμα

27800 28000 28200 28400 28600 288000.0

0.2

0.4

0.6

0.8

συντελεστής απ

ορρόφη

σης

Eνέργεια (eV)

In K ακμή

E X A F SExtended X-ray absorption fine structure

4 6 8 10 12 14 16 18

-0.1

0.0

0.1

χ(k)

k(A-1)

ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ 4Φασματοσκοπία λεπτής υφής απορρόφησης ακτίνων Χ (EXAFS)

ph

=λ

λπ2

=kpkp

hk ∝⇒=

π2

( )[ ]222)()(

)(2sin)()(

kjjj

ijjj

j

jekFNkA

kkrkAk

σ

φχ

−∝

+⋅=∑

αποστάσεις ατόμων

αριθμόςσυναρμογής

παράγονταςαταξίας

0 20 40 60 80 100

-1.0

-0.5

0.0

0.5

1.0

0.5sin(t)

t(sec)

sin(t)


0.0 0.1 0.2 0.30.0

0.2

0.4

0.6

0.5sin(t)

sin(t)

f (Hz)πλάτος

Μετασχηματισμός Fourier

Hz sec-1

επίδραση του πλάτους

( ) dte)t(XfY ft2i∫∞

∞−

−= π

T1f =


Μετασχηματισμός Fourier

0 20 40 60 80 100

-1,0

-0,5

0,0

0,5

1,0

sin(0.5t)

t(sec)

sin(0.2t)

0.0 0.1 0.2 0.30.0

0.2

0.4

0.6

0.8

sin(0.5t)

sin(0.2t)

f (Hz)

πλάτος

επίδραση της συχνότητας

0 1 2 3 4 5 60

20

40

60 Ga

N

R(Å)

|FT|

ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ 4

Φασματοσκοπία λεπτής υφής απορρόφησης ακτίνων Χ (EXAFS)

∫ −⋅χ⋅π

=ρmin

min

k

k

kr2i3 dke)k(k)k(w21

)r(

R1

R1

R2

R2

0 1 2 3 4 5 6 7 80

2

4

ανόπτηση στους 1000oC

Ga

πριν την εμφύτευση

ανόπτηση στους 800oCμετά την εμφύτευση

|FT

k2 χ

(k)

|

R(Å)

N

0 1 2 3 4 5 6 7 80

2

4 Ga


|FT

k2 χ

(k)

|

R(Å)

N

0 1 2 3 4 5 6 7 80

2

4 Ga


μετά την εμφύτευση

|FT

k2 χ

(k)

|

R(Å)

N

0 1 2 3 4 5 6 7 80

2

4 Ga


|FT

k2 χ

(k)

|

R(Å)

N

0 1 2 3 4 5 6 7 80

2

4

ανόπτηση στους 1000oC

Ga



|FT

k2 χ

(k)

|

R(Å)

N

Εμφύτευση ιόντων In στο GaN 1x1016 ιόντα In ανά cm2


Σύνθεση νέων υλικώνΕισαγωγή προσμίξεων

22j k2

jjj e)k(FN)k(A σ−∝

ΣΥΝΟΨΗΤο φως αλληλεπιδρά με την ύλη με διάφορους μηχανισμούς

Καθένας απ αυτούς είναι σημαντικός σε διαφορετική περιοχή ενεργειών

Με υπέρυθρο φωςμπορούμε να κάνουμε απεικόνιση σωμάτων ακόμα και στοσκοτάδιμπορούμε να μελετήσουμε βαθύτερες χρωματικές στρώσεις σεπίνακες γιατί έχει μεγαλύτερο βάθος διείσδυσης από το ορατό

Οι ακτίνες Χ έχουν μεγάλο βάθος διείσδυσης και χρησιμοποιούνται στηραδιογραφία

Οι ακτίνες Χ που παράγονται σε εγκαταστάσεις Σύγχροτρον έχουνιδιαίτερα χαρακτηριστικά όπως υψηλή ένταση, ευρύ ενεργειακό φάσμα, μικρή γωνιακή εκτροπή και χρησιμοποιούνται στη φασματοσκοπική καιαπεικονιστική μελέτη των υλικών.

Ε. Κ. Παλούρα: φασματοσκοπίες ακτίνων Χ (XAFS, XRF)

Σ. Λογοθετίδης: φασματοσκοπίες ορατού, UV (elipsometry)

Κ. Παρασκευόπουλος: φασματοσκοπίες IR (FTIR)

Σ. Βες: φασματοσκοπία σκέδασης φωτός LASER (RAMAN)

ΤΟΜΕΑΣ ΦΥΣΙΚΗΣ ΣΤΕΡΕΑΣ ΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣΟ Μ Α Δ Α Φ Α Σ Μ Α Τ Ο Σ Κ Ο Π Ι Α Σ

Τ Μ Η Μ Α Φ Υ Σ Ι Κ Η Σ - Α Π Θ

Φως και Υλικά - Aristotle University of ...users.auth.gr/katsiki/seminar13_12_07.pdf ·...

Documents

Transcript of Φως και Υλικά - Aristotle University of ...users.auth.gr/katsiki/seminar13_12_07.pdf ·...