Φως και Υλικά Μαρία Κατσικίνη Λέκτορας Τμήμα Φυσικής Τομέας Φυσικής Στερεάς Κατάστασης Πέμπτη 13-12 12-20072007
Work groups Πυρίτιο Πολυμερή (πλαστικά) Σύνθετα υλικά Σήμερα Εποχή του σιδήρου Εποχή του χαλκού Λίθινη εποχή
ΥΛΙΚΑ Μέταλλα Γυαλιά Κεραμικά Πολυμερή Ημιαγωγοί Μαγνητικά υλικά
ΥΛΙΚΑ Μηχανικές Ηλεκτρικές Σύνθεση & Κατεργασία Χαρακτηρισμός Εφαρμογές Ιδιότητες Μερικά υλικά χρησιμοποιούνται για την κατασκευή εκπομπών φωτός Μαγνητικές Θερμικές Οπτικές Δομικές Αλληλεπίδραση του φωτός με την ύλη
Αντίληψη του περιβάλλοντος Όραση Ακοή Γεύση Αφή Όσφρηση ΦΩΣ
ΦΩΣ Τι είναι ; y Β x Ε z Εγκάρσιο ηλεκτρομαγνητικό κύμα που ερεθίζει το μάτι
ΦΩΣ Τι είναι ; 1Å μήκος κύματος 1μm ακτίνες Χ υπεριώδες ορατό 1keV ενέργεια 1eV 400 nm 3.1eV ορατό υπέρυθρο 700nm 1.77eV 1mm 1meV 1cm E(eV ) = 1240 λ (nm )
ΦΩΣ... το ορατό βλέπουμε τα διάφορα αντικείμενα λόγω του φωτός...... που εκπέμπουν... που τα διαπερνά... που ανακλούν
ΦΩΣ...απορρόφηση και ανάκλαση του φωτός ΕΝΕΡΓΕΙΑ Ακτίνες Χ ένα απλό και αποτελεσματικό μοντέλο......το μοντέλο του απλού αρμονικού ταλαντωτή UV vis ηλεκτρόνια πυρήνας (ατομικός ταλαντωτής) μόριο (δονητικός ταλαντωτής) IR ω 0 = K μ 1 μ = 1 m + 1 1 m 2
ΦΩΣ...και πέρα από το ορατό Πολλές φορές λέμε... «δεν το πιστεύω αν δεν το δω με τα μάτια μου»......μήπωςόμωςυπάρχουνκαι πράγματα που δεν μπορούμε να τα δούμεμεταμάτιαμας;
ΦΩΣ...και πέρα από το ορατό ΘΕΡΜΟΓΡΑΦΙΑ UV vis IR 1730 o C εκπεμπόμενη ισχύς 1470 o C 1230 ο C μήκος κύματος www.brianbeauchamp.net
ΦΩΣ...και πέρα από το ορατό ΥΠΕΡΥΘΡΗ ΑΝΑΚΛΑΣΤΟΡΑΦΙΑ vis IR Το υπέρυθρο απορροφάται λιγότερο από τα εξωτερικά στρώματα της χρωστικής www.artic.edu The old guitarist (Picasso - 1903) Κατάλληλος ανιχνευτής IR καταγράφει τη διδιάστατη εικόνα
ΦΩΣ...και πέρα από το ορατό ΑΚΤΙΝΟΓΡΑΦΙΑ Προσπίπτουσα Ι 0 Διερχόμενη Ι x I 0 I = I 0 e μ x I x
ΦΩΣ...και πέρα από το ορατό I = I 0 e ΑΚΤΙΝΟΓΡΑΦΙΑ μ x συντελεστής απορρόφησης Z μ ρ E 3 3 ατομικός αριθμός ατομική πυκνότητα ενέργεια Μέσοςατομικόςαριθμός(Ζ eff ) Ιστοί: ~3.5 Οστά: ~10
ΑΚΤΙΝΕΣ Χ από συμβατικές λυχνίες ακτίνων Χ Τι είναι; Πως παράγεται; Ακτινοβολία υψηλής ενέργειας Με σύγκρουση ηλεκτρονίων υψηλής ενέργειας σε κάποιο υλικό π.χ. Μολυβδένιο Λυχνία ακτίνων Χ Εκπoμπή e - Επιτάχυνση e - άνοδος Εκπoμπή ακτίνων Χ hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
ΑΚΤΙΝΕΣ Χ...από Σύγχροτρον Τι είναι η ακτινοβολία Σύγχροτρον; Ακτινοβολία που παράγεται από ηλεκτρόνια τα οποία κινούνται σε κλειστές τροχιές και με ταχύτητες που πλησιάζουν την ταχύτητα του φωτός (0.985c) ESRF
ΑΚΤΙΝΕΣ Χ...από Σύγχροτρον Μερικά χαρακτηριστικά της ακτινοβολίας Σύγχοτρον: Συνεχές φάσμα του εκτείνεται από το IR ως τις σκληρές ακτίνες Χ Υψηλή ένταση (10 6 μεγαλύτερη από τις λυχνίες ακτίνων Χ) Δέσμη πολύ μικρής διατομής και μικρής γωνιακής απόκλισης Εφαρμογές Φυσική Επιστήμη υλικών Χημεία Επιστήμες υγείας Γεωλογία Επιστήμες περιβάλλοντος λαμπρότητα 10 15 10 12 10 9 10 6 10 3 10 0 10-3 10 1 10 2 10 3 10 4 10 5 E(eV)
ΑΚΤΙΝΕΣ Χ...από Σύγχροτρον Σε μια εγκατάσταση ακτινοβολίας Σύγχροτρον γίνονται πολλά πειράματα ταυτόχρονα σε διαφορετικά beamlines (γραμμές ακτινοβολίας) Κάθε beamline είναι σχεδιασμένο για διαφορετικό πείραμα BESSY
ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ Χαρακτηριστικά της ακτινοβολίας Σύγχοτρον: Εφαρμογές Συνεχές φάσμα του εκτείνεται από το IR ως τις σκληρές ακτίνες Χ Υψηλή ένταση (10 6 μεγαλύτερη από τις ακτίνες Χ) Δέσμη πολύ μικρής διατομής και μικρής γωνιακής απόκλισης 1 2 3 4 Φασματοσκοπία φθορισμού ακτίνων Χ σε ανθρώπινα νύχια Χαρτογράφηση φθορισμού υαλοποιημένων στερεών αποβλήτων Χαρτογράφηση φθορισμού για τον έλεγχο αυθεντικότητας χειρογράφων Φασματοσκοπία λεπτής υφής απορρόφησης ακτίνων Χ σε υλικά οπτοηλεκτρονικής
ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ 1 φθορισμός ακτίνων Χ εκπομπή φωτός από διεγερμένα άτομα η διέγερση γίνεται με απορρόφηση ακτίνων Χ άνοδος K L M άνοδος K L M 1 ο βήμα : απορρόφηση ακτίνων Χ διέγερση (φωτοηλεκτρικό φαινόμενο) 2 ο βήμα : αποδιέγερση εκπομπή ακτίνων Χ
ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ 1 Φασματοσκοπία φθορισμού ακτίνων Χ (XRF) Μελέτη της κατανομή της έντασης της εκπεμπόμενης ακτινοβολίας φθορισμού από ένα υλικό συναρτήσει της ενέργειας των εκπεμπόμενων φωτονίων Χ ένταση 1.0 0.8 0.6 0.4 ενέργεια διέγερσης 9.5keV Στοιχειακή ανάλυση I = I τωc 0 συγκέντρωση πιθανότητα φθορισμού 0.2 S Ca Fe 0.0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 ενέργεια (kev) ένταση προσπίπτουσας εμβαδό κορυφής πιθανότητα απορρόφησης
ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ Φασματοσκοπία φθορισμού ακτίνων Χ 1 7 Zn I/I sc 6 5 4 3 2 1 M1 K2 K1 F1 3859 2605 2543 2553 2630 2555 2637 S Cl Ca K Fe Cu 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Ενέργεια (kev) με μυκητίαση υγιή Περιεκτικότητα σε S Υγιή : 1315.4 ppm Με μύκητες : 518.7 ppm A. Μαυρομάτη - Διπλωματική ΠΜΣ
ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ 2 Χαρτογράφηση φθορισμού ακτίνων Χ (XRF - mapping) Καταγραφή της χωρικής κατανομής της συγκέντρωσης συγκεκριμένου στοιχείου στο υλικό ένταση (kcs) 200 150 100 50 Fe K α Fe K β Ορίζουμε ενεργειακό κανάλι για το στοιχείο που μας ενδιαφέρει Pb M α1 0 2 3 4 5 6 7 8 ενέργεια (kev) Διακριτική ικανότητα : 5μm
ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ Χαρτογράφηση 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 (SiO 2, Na 2 O) Τήξη του μίγματος Ταχεία ψύξη και υαλοποίηση
ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ Χαρτογράφηση φθορισμού ακτίνων Χ 2 60% τέφρα 25% SiO 2 15% Na 2 O ανόπτηση (440 o C) ανόπτηση (600 o C) μm 500 400 300 200 100 0-100 -200-300 -400 Fe -500-500 -400-300 -200-100 0 100 200 300 400 500 μm 0,20 0,28 0,36 0,44 0,52 0,60 0,68 0,76 0,84 0,92 1,0 μm 150 100 50 0-50 -100 Fe -150-150 -100-50 0 50 100 150 μm 0,20 0,28 0,36 0,44 0,52 0,60 0,68 0,76 0,84 0,92 1,0 Κρύσταλλοι αιματίτη (Fe 2 O 3 ) F. Pinakidou, M. Katsikini, E. C. Paloura, J. Appl. Phys. 102, (113512) 2007.
ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ 3 Ανίχνευση στοιχείων μεγάλου Ζ ( Fe, Cu, Sn, Sb, Ag) δεν απαιτεί την ύπαρξη υψηλού κενού 2D mapping από χειρόγραφα Ημελάνηπεριέχει μέταλλα σε μικρές περιεκτικότητες. Χαρτογράφηση φθορισμού ακτίνων Χ Σουηδία, 1499 Πλαστογράφηση με μελάνη υψηλής περιεκτικότητας σε Ca (Gäsmestad i Böre) Αρχική μελάνη υψηλής περιεκτικότητας σε Zn (Bǿtinge i Asbo) K. Janssens et al, X-ray spectrometry, 29, 73 (2000)
ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ 4 Φασματοσκοπία λεπτής υφής απορρόφησης ακτίνων Χ Προσπίπτουσα Ι 0 Διερχόμενη Ι I = I 0 e μ x x Συντελεστής απορρόφησης ακτίνων Χ μ=μ(ε) εξαρτάται από την ενέργεια
ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ 4 Φασματοσκοπία λεπτής υφής απορρόφησης ακτίνων Χ μ 1 E 3 M μ άνοδος K L E E σύνδεσης Ε 0 Ε φωτοηλεκτρικό φαινόμενο
ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ 4 Φασματοσκοπία λεπτής υφής απορρόφησης ακτίνων Χ αναμενόμενη συμπεριφορά παρατηρούμενη συμπεριφορά μ ακμή απορρόφησης Ν στο GaN μ Ε E Τι συμβαίνει;;;
ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ 4 Φασματοσκοπία λεπτής υφής απορρόφησης ακτίνων Χ L. de Broglie Τα ηλεκτρόνια έχουν κυματική συμπεριφορά Το μήκος κύματος εξαρτάται από την ορμή του λ = h p Το υλοκύμα του ηλεκτρονίου εμφανίζει παρόμοια συμπεριφορά με τα κύματα I = I ΣΥΜΒΟΛΗ (αρχή επαλληλίας κυμάτων) 1 + I2 + I1I2 cos ( k( x )) 2 x 2 1
ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ 4 Φασματοσκοπία λεπτής υφής απορρόφησης ακτίνων Χ 0.8 άτομο σκεδαζόμενο κύμα συντελεστής απορρόφησης 0.6 0.4 0.2 In K ακμή σφαιρικό υλοκύμα φωτοηλεκτρονίου 0.0 27800 28000 28200 28400 28600 28800 Eνέργεια (ev) EXAFS Extended X-ray absorption fine structure
ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ 4 Φασματοσκοπία λεπτής υφής απορρόφησης ακτίνων Χ (EXAFS) λ = k = h p 2π λ k = 2π p h k p 0.1 αποστάσεις ατόμων χ(k) 0.0-0.1 χ( k) = A j j ( k) N A j j F ( k) j ( k) e [ sin( 2kr + φ ( k) )] 2 j 2σ k 2 j ij 4 6 8 10 12 14 16 18 k(a -1 ) αριθμός συναρμογής παράγοντας αταξίας
ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ 4 Φασματοσκοπία λεπτής υφής απορρόφησης ακτίνων Χ (EXAFS) 1.0 0.5 0.0-0.5 sin(t) Μετασχηματισμός Fourier πλάτος 0.6 0.4 0.2 i2πft Y() f = X(t)e dt sin(t) f = 0.5sin(t) 1 T -1.0 0.5sin(t) 0 20 40 60 80 100 t(sec) Hz sec -1 επίδραση του πλάτους 0.0 0.0 0.1 0.2 0.3 f (Hz)
ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ 4 Φασματοσκοπία λεπτής υφής απορρόφησης ακτίνων Χ (EXAFS) Μετασχηματισμός Fourier 1,0 sin(0.2t) 0.8 sin(0.2t) 0,5 0.6 0,0-0,5-1,0 sin(0.5t) 0 20 40 60 80 100 t(sec) πλάτος 0.4 0.2 sin(0.5t) 0.0 0.0 0.1 0.2 0.3 f (Hz) επίδραση της συχνότητας
ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ 4 Φασματοσκοπία λεπτής υφής απορρόφησης ακτίνων Χ (EXAFS) 60 Ga R 2 FT 40 N R 2 R 1 20 R 1 0 0 1 2 3 4 5 6 R(Å) ρ(r) = 1 2π k k min min w(k) k 3 χ(k) e i2kr dk
ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ 4 Φασματοσκοπία λεπτής υφής απορρόφησης ακτίνων Χ (EXAFS) 4 4 Ga Ga 4 Εμφύτευση ιόντων In στο GaN 1x10 16 ιόντα In ανά cm 2 Σύνθεση νέων υλικών Εισαγωγή προσμίξεων FT {k 2 χ(k)} FT {k 2 χ(k)} 2 2 N N πριν πριν την την εμφύτευση ανόπτηση ανόπτηση στους στους 1000 1000 o C o C ανόπτηση στους 800 800 o C o C μετά μετά την την εμφύτευση 0 0 0 0 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 R(Å) A j (k) N F (k) e j j 2 σ 2 2 j k
ΣΥΝΟΨΗ Το φως αλληλεπιδρά με την ύλη με διάφορους μηχανισμούς Καθένας απ αυτούς είναι σημαντικός σε διαφορετική περιοχή ενεργειών Με υπέρυθρο φως μπορούμε να κάνουμε απεικόνιση σωμάτων ακόμα και στο σκοτάδι μπορούμε να μελετήσουμε βαθύτερες χρωματικές στρώσεις σε πίνακες γιατί έχει μεγαλύτερο βάθος διείσδυσης από το ορατό Οι ακτίνες Χ έχουν μεγάλο βάθος διείσδυσης και χρησιμοποιούνται στη ραδιογραφία Οι ακτίνες Χ που παράγονται σε εγκαταστάσεις Σύγχροτρον έχουν ιδιαίτερα χαρακτηριστικά όπως υψηλή ένταση, ευρύ ενεργειακό φάσμα, μικρή γωνιακή εκτροπή και χρησιμοποιούνται στη φασματοσκοπική και απεικονιστική μελέτη των υλικών.
ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ - ΑΠΘ ΤΟΜΕΑΣ ΦΥΣΙΚΗΣ ΣΤΕΡΕΑΣ ΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ ΟΜΑΔΑ ΦΑΣΜΑΤΟΣΚΟΠΙΑΣ Ε. Κ. Παλούρα: φασματοσκοπίες ακτίνων Χ (XAFS, XRF) Σ. Βες: φασματοσκοπία σκέδασης φωτός LASER (RAMAN) Σ. Λογοθετίδης: φασματοσκοπίες ορατού, UV (elipsometry) Κ. Παρασκευόπουλος: φασματοσκοπίες IR (FTIR)