От лат evaporo испаряю и греч grapho пи­шу), метод получения изображений объектов в их собственном (обычно ик) тепловом излучении. Предложен нем

Вид материалаДокументы

Содержание


Электронный парамагнит­ный резонанс
N1, то под дей­ствием эл.-магн. поля система будет излучать энергию. Этот принцип по­ложен в основу работы квантовых генераторов
S может принимать любое кратное /2 значение (рис. 1, б, в)
Рис. 3. а — тонкая структура спектра ЭПР; б — сверхтонкая структура спектра ЭПР.
Рис. 4. Схема спектрометра ЭПР.
Электронный парамагнит­ный резонанс
М. Имамов.
Рис. 1. Электронограмма, полученная от текстуры.
Рис. 2. Кикучи-электронограмма, получен­ная методом «на отражение» (симметрично расположены тёмные и светлые кикучи-линии).
Электрон-фононное взаимо­действие
Э. М. Эпштейн.
Подобный материал:
1   ...   7   8   9   10   11   12   13   14   15
Перспективы развития Э. м. По­вышение PC в изображениях непериодич. объектов до 1 Å и более позволит регистрировать не только тяжёлые, но и лёгкие атомы и визуализировать органич. мир на атомарном уровне. Для создания Э. м. с подобным разре­шением повышают ускоряющее напря­жение, разрабатывают ЭЛ с малыми аберрациями, в частности криоген­ные линзы, в к-рых используется эф­фект сверхпроводимости при низких темп-рах, разрабатывают методы ис­правления аберраций ЭЛ и т. д. Ис­следование механизма формирования частотно-контрастных характеристик изображения в Э. м. привело к раз­работке методов улучшения и рекон­струкции изображения, к-рые осу­ществляются аналогично тому, как это делается в световой оптике, где подобные методы основаны на фурье-преобразованиях, а соответств. рас­чёты производятся на ЭВМ.

• Electron microscopy, 1978. Papers press 9-th international congress on electron mic­roscopy held in Toronto, v. 1—3, Toronto, 1978; Стоянов П. А. [и др.], Элект­ронный микроскоп предельного разрешения ЭМВ-100Л, «Изв. АН СССР. Сер. физ.», 1970, т. 34, № 7; Xокс П., Электронная оптика и электронная микроскопия, пер. с англ., М., 1974; Деркач В. П., Кияшко Г. Ф., Кухарчук М. С., Электроннозондовые устройства, К., 1974; Стоянова И. Г., Анаскин И. Ф., Физические основы методов просвечивающей электронной микроскопии, М., 1972; Прак­тическая растровая электронная микроско­пия, под ред. Д. Гоулдстейна и X. Яковица, пер. с англ., М., 1978.

П. А. Стоянов.

ЭЛЕКТРОННЫЙ ПАРАМАГНИТ­НЫЙ РЕЗОНАНС (ЭПР), резонансное поглощение эл.-магн. энергии в-вами, содержащими парамагн. ч-цы. ЭПР — один из методов радиоспектроско­пии, наблюдается обычно в сантимет­ровом и миллиметровом диапазонах длин волн  (30—2 мм) и явл. частным случаем магнитного резонанса. ЭПР открыл Е. К. Завойский в 1944. Объектами наблюдения являются: а) атомы и молекулы с нечётным чис­лом эл-нов (напр., атомы азота, водо­рода, молекулы NO); б) свободные ра­дикалы хим. соединений с неспарен­ными эл-нами (напр., СН3); в) ионы с частично заполненными внутр. обо­лочками (напр., ионы переходных элементов); г) центры окраски в кристаллах; д) электроны проводи­мости в металлах и полупроводниках. В постоянном магн. поле Н уровни энергии парамагн. ч-цы, напр. атома со спином 5 и магн. моментом , за счёт пространств. квантования рас­щепляются на 2S+1 магн. подуров­ня, различающихся по энергии на величину ξ = 2H (см. Зеемана эффект; рис. 1).



Рис. 1. Простран­ственное кванто­вание спинов S в магн. поле H и расщепление энер­гетич. уровней: а — свободного электрона; б — па­рамагн. ч-ц с неск. электронами со спином S=1; в — со спином S= 5/2.


В простейшем случае свободного эл-на (рис. 1, a) S = 1/2, магн. момент =gSMS, где gS=2,0023 (g-фактор свободного эл-на),  — магнетон Бора, MS1/2 (магн. квантовое число). В поле H энергия ξ эл-на может прини­мать два значения: ξ1=-1/2gSH и

1

ξ2=+1/2gSH. Переходы между магн. подуровнями возможны, когда квант эл.-магн. энергии ћ ( — частота) равен разности энергии ξ между ними:

889


ћ =ξ=gSH. (1)

Переход эл-на с одного подуровня на другой происходит с одновременным изменением направления спина: MS=±1. При переходе с нижнего уровня на верхний энергия поглощается, а при обратном переходе излучается (рис. 2). Вероятность этих процессов одинакова, но т. к. в условиях термо­динамич. равновесия, согласно Больцмана распределению, населённость нижнего уровня N1 больше, чем верх­него N2, то энергия поглощается.



Рис. 2.При ћ=ξ происходит погло­щение энергии пе­ременного электромагн. поля.


Если к.-л. образом создать инверсию населённостей N2> N1, то под дей­ствием эл.-магн. поля система будет излучать энергию. Этот принцип по­ложен в основу работы квантовых генераторов (см. Квантовая электро­ника).

Для ч-ц, содержащих неск. эл-нов, S может принимать любое кратное 1/2 значение (рис. 1, б, в), а энергия уровней ξ=gMSH, где MS может иметь (2S+1) значений: S, S-1,. . ., -(S-1),-S. Величина g-фактора определяется суммарным значением спинового и орбитального моментов количества движения электрона и мо­жет в неск. раз отличаться от gS. Между уровнями, отличающимися по MS на величину MS=±1, возможны магн. дипольные переходы, и условие резонанса будет по-прежнему описы­ваться формулой (1).

Вз-ствие эл-нов с электрич. внутрикристаллическим полем приводит для S1 к расщеплению уровней



Рис. 3. а — тонкая структура спектра ЭПР; б — сверхтонкая структура спектра ЭПР.


энергии с разными значениями │МS│ и без поля (при H=Q). В результате этого в спектре ЭПР появляется неск. линий поглощения (тонкая структура; рис. 3, а). Вз-ствие эл-нов с магн. моментом ядра парамагн. атома при-

водит к появлению в спектре ЭПР сверхтонкой структуры. Если спин ядра I, то количество сверх­тонких компонент равно 2I+1, что соответствует условию перехода МI=0 (MI — ядерное магн. квант. число; рис. 3, б). Вз-ствие эл-нов парамагн. ч-цы с магн. моментами ядер окружающих ионов также расщепляет линию ЭПР (суперсверхтонкая структура). Изучение сверхтонкой и суперсверхтонкой структур даёт возможность опре­делить место нахождения неспарен­ных эл-нов.

Ширина линии. Релаксац. про­цессы, восстанавливающие равнове­сие в системе электронных спинов, нарушенное в результате поглощения эл.-магн. энергии, характеризуются временами релаксации Т1 и T2. Ши­рина линии ЭПР  связана с ними соотношением:

=1/T1+1/T2 (2)

Время T2, наз. временем спин-спиновой релаксации, характеризует скорость восстановле­ния равновесия в спиновой системе и от темп-ры практически не зависит. Время спин-решёточной релаксации Т1 характеризует ско­рость восстановления равновесия меж­ду спиновой системой и решёткой; T1 определяется вз-ствием магн. мо­ментов ч-ц с колебаниями кристалли­ческой решётки. Т. к. при понижении темп-ры амплитуда тепловых колеба­ний уменьшается, то при этом так­же уменьшается и спин-решёточное вз-ствие. Для ионов переходных ме­таллов с большим вкладом орбиталь­ного момента, определяющего величи­ну спин-решёточного вз-ствия, линию ЭПР удаётся наблюдать только при низких темп-рах. В сильных пере­менных эл.-магн. полях (10-3—1 Вт) релаксац. процессы не в состоянии восстановить равновесное распреде­ление, и населённость уровней вырав­нивается (насыщение). Наблю­дающееся при этом уменьшение по­глощения используется для измере­ния времён парамагн. релаксации.

Экспериментальные методы. Для измерения ЭПР используют радио­спектрометры (спектрометры ЭПР), в к-рых при постоянной частоте и мед­ленном изменении магн. поля Н ре­гистрируется изменение поглощае­мой в образце мощности (рис. 4). В ЭПР прямого усиления высоко­частотные колебания от клистрона по волноводному тракту подаются в объёмный резонатор (размером ~), помещённый между полюсами элек­тромагнита. Прошедшие через резо­натор или отражённые от него эл.-магн. волны попадают на детектор. Изменение поглощаемой в образце мощности регистрируется по измене­нию тока детектора. Для повышения чувствительности поле Я модулируют с частотой ~30 Гц—1 МГц (см. Модуляция колебаний). При наличии в образце поглощения ток детектора также оказывается промодулированным, что позволяет использовать для усиления сигнала узкополосные уси­лители и наблюдать сигнал на экране осциллографа. В супергетеродинных спектрометрах ЭПР на детектор пода­ётся мощность от дополнит. клистрона (др. частоты). В этом случае сигнал с детектора усиливается на разностной частоте основного и дополнит. кли­стронов.



Рис. 4. Схема спектрометра ЭПР.


Наиболее хорошо изучены спектры ЭПР ионов переходных металлов. Для того чтобы устранить уширение линии, обусловленное дипольным вз-ствием с соседними парамагн. ионами, изме­рения проводят на монокристаллах, являющихся диамагн. диэлектри­ками, куда в качестве примесей (0,001%—0,1%) вводят парамагн. ионы. Симметрия внутрикрист. поля определяет симметрию g-фактора и констант тонкого и сверхтонкого вз-ствия, а его напряжённость — их величину.

Применение. По спектрам ЭПР можно определить валентность па­рамагн. иона, симметрию его окруже­ния, что в сочетании с данными рент­геновского структурного анализа даёт возможность определить положение парамагн. иона в крист. решётке. Зна­ние энергетич. уровней парамагн. иона позволяет сравнивать результаты ЭПР с данными оптич. спектров и вычислять магн. восприимчивости па­рамагнетиков.

Метод ЭПР позволяет определять природу и локализацию дефектов ре­шётки, напр. центров окраски. В ме­таллах и полупроводниках возможен также ЭПР, связанный с изменением ориентации спинов эл-нов проводи­мости. Метод ЭПР широко применяет­ся в химии и Оиологии, где в процес­се хим. реакций или под действием ионизирующего излучения могут об­разовываться молекулы с незапол­ненной хим. связью — свободные ра­дикалы. Их g-фактор обычно близок к gS, а ширина линии ЭПР  мала. Из-за этих качеств один из наиболее устойчивых свободных радикалов (-дифенил--пикрилгидразил), у к-рого g=2,0036, используется как стандарт при измерениях ЭПР. В биологии методом ЭПР изучаются ферменты, свободные радикалы в биол. системах и металлоорганич. соеди­нениях.

890


• Альтшулер С. А., Козырев Б. М., Электронный парамагнитный резо­нанс соединений элементов промежуточных групп, 2 изд., М., 1972; А б р а г а м А., Б л и н и Б., Электронный парамагнитный резонанс переходных ионов, пер. с англ., т. 1—2, М., 1972—73; П е й к Д. Э., Пара­магнитный резонанс, пер. с англ., М., 1965; Эткинс П., Саймонс М., Спектры ЭПР и строение неорганических радикалов, пер. с англ., М., 1970; Ингрэм Д., Электронный парамагнитный резонанс в био­логии, пер. с англ., М., 1972; Людвиг Дж., В у д б е р и Г., Электронный спи­новый резонанс в полупроводниках, пер. с англ., М., 1964.

В. Ф. Мещеряков.

ЭЛЕКТРОННЫЙ ПАРАМАГНИТ­НЫЙ РЕЗОНАНС акустический, см. Акустический парамагнитный резонанс.

ЭЛЕКТРОННЫЙ ПРОЕКТОР, авто­электронный микроскоп, безлинзовый электронно-оптич. прибор для полу­чения увеличенного в 105—106 раз изображения поверхности тв. тела. Э. п. был изобретён в 1936 нем. физи­ком Э. Мюллером. Осн. части Э. п.: катод в виде проволочки с точечным эмиттером на конце, радиус кривизны к-рого r~10-7—10-8 м; стеклянная сферич. или конусообразная колба, дно к-рой покрыто слоем люминофора; анод в виде проводящего слоя на стен­ках колбы или проволочного кольца, окружающего катод. Из колбы отка­чивается воздух (остаточное давле­ние ~10-9—10-11 мм рт. ст.). Когда на анод подают положит. напряжение в неск. тыс. В относительно располо­женного в центре колбы катода, на­пряжённость электрич. поля в не­посредств. близости от точечного эмит­тера (острия) достигает 107—108 В/см. Это обеспечивает интенсивную авто­электронную эмиссию. При обычной форме катода эл-ны эмитировались преим. с мест локального увеличения напряжённости поля над небольши­ми неровностями и выступами поверх­ности эмиттера. Применение точеч­ных эмиттеров, сглаженных поверх­ностной миграцией атомов металла при повышенных темп-рах в хорошем вакууме, позволило получить устой­чивые токи.

Эмитированные эл-ны, ускоряясь в радиальных (относительно острия) направлениях, бомбардируют экран, вызывая свечение люминофора, и создают на экране увеличенное конт­растное изображение поверхности катода, отражающее её крист. струк­туру (рис. 2, а к ст. Ионный проектор). Контраст автоэлектронного изображе­ния определяется плотностью эмис­сионного тока, к-рая зависит от ло­кальной работы выхода, изменяющей­ся в зависимости от кристаллогра­фич. строения поверхности эмиттера и от величины поля у поверхности эмиттера. Увеличение в Э. п. равно от­ношению R/r, где R — расстояние катод — экран,  — константа, за­висящая от геометрии трубки. Раз­решающую способность Э. п. огра­ничивают наличие тангенциальных составляющих скоростей автоэлектро­нов у кончика острия и (в меньшей степени) явление дифракции эл-нов. Предел разрешения Э. п. составляет

(2—3) •10-7 см, т. е. он не спосо­бен разрешать детали на атомарном уровне.

Э. п. применяются для изучения автоэлектронной эмиссии металлов и полупроводников, для определения работы выхода с разных граней моно­кристалла и пр. Для наблюдения фа­зовых превращений, изучения ад­сорбции атомов разл. в-в на металлич. или полупроводниковой поверхности и т. д. Э. п. используют весьма огра­ниченно, т. к. намного большие воз­можности в этих отношениях даёт применение ионного проектора.

ЭЛЕКТРОНОГРАФ, прибор для ис­следования ат. строения тв. тел и газовых молекул методами электро­нографии. Э.— вакуумный прибор, схема той его части, где форми­руется электронный пучок, близка к схеме электронного микроскопа. В колонне, осн. узле Э., эл-ны, ис­пускаемые раскалённой вольфрамо­вой нитью, разгоняются высоким на­пряжением (от 30 кВ и выше — быстрые эл-ны и до 1 кВ — медленные эл-ны). С помощью диафрагм и магн. линз формируется узкий электронный пу­чок, направляемый на исследуемый образец, находящийся в спец. камере объектов и установленный на спец. столике. Рассеянные эл-ны попадают в фотокамеру, и на фотопластинке (или экране) создаётся дифракц. изображе­ние (электронограмма). Зависимость интенсивности рассеянных эл-нов от угла рассеяния может измеряться с помощью электронных приборов. Э. снабжают разл. устройствами для нагревания, охлаждения, испарения образца, его деформации и т. д.

Э. включает также систему вакуумирования и блок электропитания, содержащий источники накала като­да, высокого напряжения, питания эл.-магн. линз и разл. устройств ка­меры объектов. Питающее устройство обеспечивает изменение ускоряющего потенциала по ступеням (напр., в Э. «ЭР-100» 4 ступени: 25, 50, 75 и 100 кВ). Разрешающая способность Э. составляет тысячные доли А и за­висит от энергии эл-нов, сечения элек­тронного пучка и расстояния от об­разца до экрана, к-рое в совр. Э. мо­жет изменяться в пределах 200— 600 мм. Управление совр. Э., как пра­вило, автоматизировано.

Р. М. Имамов.

ЭЛЕКТРОНОГРАФИЯ, метод изу­чения структуры в-ва, основанный на исследовании рассеяния образцом ускоренных эл-нов. Применяется для изучения ат. структуры кристаллов, аморфных тел и жидкостей, молекул газов и паров. Физ. основа Э.— ди­фракция эл-нов (см. Дифракция микро­частиц); при прохождении через в-во эл-ны, обладающие волновыми св-вами (см. Корпускулярно-волновой дуа­лизм), взаимодействуют с атомами, в результате чего образуются дифраги­рованные пучки, интенсивность и расположение к-рых связаны с ат.

структурой образца и др. структур­ными параметрами. Рассеяние эл-нов определяется электростатич. потен­циалом атомов, максимумы к-рого отвечают положениям ат. ядер.

В электронографах и электронных микроскопах формируется узкий све­тосильный пучок ускоренных эл-нов. Он направляется на объект и рассеи­вается им, дифракционная картина (электронограмма) либо фо­тографируется, либо регистрируется электронным устройством. Осн. ва­риантами метода явл. дифракция быстрых эл-нов (ускоряющее на­пряжение от 30—50 кВ и более) и дифракция медленных эл-нов (от неск. В до немногих сотен В).

Э. наряду с рентгеновским струк­турным анализом и нейтронографи­ей принадлежит к дифракц. методам структурного анализа. Сильное вз-ствие эл-нов с в-вом ограничивает толщину просвечиваемых образцов де­сятыми долями мкм (при напряжении 1000—2000 кВ макс. допустимая толщина неск. мкм). Поэтому мето­дами Э. изучают ат. структуру мелкокрист. в-в и монокристаллов значи­тельно меньших размеров, чем в рент­генографии и нейтронографии.

Вид электронограмм при дифракции быстрых эл-нов зависит от хар-ра исследуемых объектов. Электронограммы от плёнок, состоящих из кри­сталликов, обладающих взаимной ориентацией, или тонких монокрист.



Рис. 1. Электронограмма, полученная от текстуры.


пластинок образованы точками или пятнами (рефлексами) с правильным расположением, от текстур — дугами (рис. 1), от поликрист. образцов — равномерно зачернёнными окружно­стями (аналогично дебаеграммам), а при съёмке на движущуюся фотоплас­тинку — параллельными линиями. Эти типы электронограмм получаются в результате упругого, преим. одно­кратного, рассеяния (без обмена энер­гией с кристаллом). При многократном неупругом рассеянии возникают вто­ричные дифракц. картины от дифраги­рованных пучков (кикучи-электронограммы, рис. 2). Электронограммы от молекул газа содержат небольшое число диффузных ореолов.

В основе определения элем. крист. ячейки и симметрии кристалла ле-

891


жит измерение расположения реф­лексов на электронограммах. Меж­плоскостное расстояние d=L/r, где L — расстояние от образца до фото­пластинки, К — длина волны де Бройля эл-на, определяемая его энергией, r — расстояние от рефлекса до цент­рального пятна на электронограмме. Методы расчёта ат. структуры кри­сталлов в Э. близки к применяемым



Рис. 2. Кикучи-электронограмма, получен­ная методом «на отражение» (симметрично расположены тёмные и светлые кикучи-линии).


в рентг. структурном анализе. Так, ф-ла для распределения электростатич. потенциала (х, у, z) аналогична ф-ле для распределения электронной плот­ности (х, у, z) [ф-ла (2) в ст. Рентге­новский структурный анализ}. Рас­чёт значений (x, у, z), обычно прово­димый на ЭВМ, позволяет установить координаты х, у, z атомов, расстоя­ния между ними и т. д. (рис. 3).

Методами Э. были определены мн. ат. структуры, уточнены и дополне­ны рентгеноструктурные данные для



Рис. 3. Электрич. потенциал молекулы дикетопиразина в крист. структуре, получен­ный трёхмерным фурье-синтезом: а и b — оси симметрии молекулы. Сгущение линий соответствует положениям атомов.

большого числа в-в, в т. ч. мн. цеп­ных и циклич. углеводородов, в к-рых впервые были локализованы атомы водорода, нитридов переходных метал­лов (Fe, Cr,Ni, W), обширного класса оксидов Nb, V, Та с локализацией ато­мов N и О, а также 2- и 3-компонентных полупроводниковых соединений, глинистых минералов и слоистых структур. При помощи Э. изучают и

структуру дефектных кристаллов. В комплексе с электронной микроско­пией Э. позволяет изучать фазовый состав и степень совершенства струк­туры тонких крист. плёнок, используе­мых в разл. областях совр. техники. Для процессов эпитаксии существен­ным явл. контроль степени совер­шенства поверхности подложки до на­несения плёнок, к-рый выполняется с помощью кикучи-электронограмм: даже незначит. нарушения её струк­туры приводят к размытию кикучи-линий.

На электронограммах, получаемых от молекул газов, а также паров окси­дов, галогенидов и др. соединений, ди­фракц. пучки образуют диффузные кольцевые ореолы, диаметры и ин­тенсивность к-рых определяются рас­положением атомов в молекуле и ди­фракц, хар-ками атомов (их ат. ампли­тудами упругого и неупругого рас­сеяния). Методы газовой Э. позволя­ют определять структуры молекул с числом атомов до 10—20, а также ха­рактер их тепловых колебаний в ши­роком интервале темп-р. Аналогич­ным методом проводят анализ ат. структуры ближнего порядка (см. Дальний и ближний порядок) в аморф­ных телах, стёклах, жидкостях.

При использовании медленных эл-нов, к-рые вследствие малости энер­гии проникают лишь в самые верх. слои кристалла, их дифракция даёт сведения о структуре «двумерной» ре­шётки как атомов самого кристалла у его поверхности, так и адсорбирован­ных кристаллом атомов газов. При дифракции медленных эл-нов может также происходить оже-эффект и др. явления, возникающие вследствие сильного вз-ствия медленных эл-нов с атомами. Применение этого метода целесообразно в сочетании с масс-спектроскопией и оже-спектроскопией. Эти исследования позволяют изу­чать явления адсорбции, самые на­чальные стадии кристаллизации и др.

•Пинскер 3. Г., Дифракция электро­нов, М.— Л., 1949; Вайнштейн Б. К., Структурная электронография, М., 1956; Звягин Б.Б., Электронография и струк­турная кристаллография глинистых мине­ралов, М., 1964.

З. Г. Пинскер.

ЭЛЕКТРОН-ФОНОННОЕ ВЗАИМО­ДЕЙСТВИЕ, взаимодействие носите­лей заряда в тв. телах с колебаниями кристаллической решётки — фоно­нами. При распространении колеба­ний в решётке происходит изменение её периода, что приводит к локаль­ному изменению энергии носителей. Помимо этого деформац. механизма Э.-ф. в. возможны и другие. Так, в ионных кристаллах колебания ре­шётки сопровождаются появлением у элементарной ячейки кристалла пере­менного дипольного электрич. момен­та, влияющего на поведение носите­лей. В металлах имеет место плазмен­ный механизм, обусловленный электродинамич. вз-ствием эл-нов и ионов. В пьезоэлектриках деформация решёт­ки сопровождается возникновением

электрич. поля, что даёт дополнит. вклад в Э.-ф. в., к-рый в нек-рых слу­чаях (напр., в области низких час­тот) может быть доминирующим. В кристаллах с большим значением диэлектрич. проницаемости  су­щественный вклад в Э.-ф. в. вносит электрострикция.

Э.-ф. в. обусловливает ряд специ­фич. явлений в тв. телах: 1) движе­ние эл-нов в кристалле сопровожда­ется движением поля деформации (см. Полярон}; 2) эл-ны, испуская и по­глощая фононы, переходят из одного состояния в другое; 3) в нек-рых осо­бых случаях Э.-ф. в. приводит к по­явлению сверхпроводимости и др. Частный случай Э.-ф. в.— акустоэлектронное взаимодействие.

• П а й н с Д., Элементарные возбуждения в твердых телах, пер. с англ., М., 1965; Силин В. П., Рухадзе А. А., Электро­магнитные свойства плазмы и плазмоподобных сред, М., 1961. См. также лит. при ст. Полупроводники.

Э. М. Эпштейн.