RU2221236C1 - Способ анализа физических и/или химических свойств поверхностного слоя твердого тела (варианты) - Google Patents

Способ анализа физических и/или химических свойств поверхностного слоя твердого тела (варианты) Download PDF

Info

Publication number
RU2221236C1
RU2221236C1 RU2002125410/28A RU2002125410A RU2221236C1 RU 2221236 C1 RU2221236 C1 RU 2221236C1 RU 2002125410/28 A RU2002125410/28 A RU 2002125410/28A RU 2002125410 A RU2002125410 A RU 2002125410A RU 2221236 C1 RU2221236 C1 RU 2221236C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
surface layer
spectrum
solid body
sample
solid
Prior art date
Application number
RU2002125410/28A
Other languages
English (en)
Other versions
RU2002125410A (ru
Inventor
А.А. Калачев
Н.М. Блашенков
Ю.П. Иванов
В.А. Ковальский
сников А.Л. М
А.Л. Мясников
сникова Л.П. М
Л.П. Мясникова
Original Assignee
Калачев Алексей Александрович
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Калачев Алексей Александрович filed Critical Калачев Алексей Александрович
Priority to RU2002125410/28A priority Critical patent/RU2221236C1/ru
Priority to EP03795511A priority patent/EP1553397A4/en
Priority to AU2003252630A priority patent/AU2003252630A1/en
Priority to PCT/RU2003/000311 priority patent/WO2004025275A1/ru
Priority to US10/527,966 priority patent/US7309864B2/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2221236C1 publication Critical patent/RU2221236C1/ru
Publication of RU2002125410A publication Critical patent/RU2002125410A/ru
Priority to US11/957,603 priority patent/US7692145B2/en

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/71—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light thermally excited
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N23/00—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00
    • G01N23/22—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00 by measuring secondary emission from the material
    • G01N23/221—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00 by measuring secondary emission from the material by activation analysis
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N1/00—Sampling; Preparing specimens for investigation
    • G01N1/28—Preparing specimens for investigation including physical details of (bio-)chemical methods covered elsewhere, e.g. G01N33/50, C12Q
    • G01N1/32—Polishing; Etching
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N13/00—Investigating surface or boundary effects, e.g. wetting power; Investigating diffusion effects; Analysing materials by determining surface, boundary, or diffusion effects

Abstract

Использование - измерительная техника. Способ включает воздействие на поверхностный слой твердого тела излучением в виде атомарного пучка, и/или электронного пучка, и/или молекулярного пучка, и/или ионного пучка, и/или фотонного пучка, и/или их комбинации и последующую дезактивацию поверхностного слоя с регистрацией испускаемых вследствие этого квантов энергии. Воздействие производят единичным импульсом излучения, а дезактивацию поверхностного слоя твердого тела осуществляют по окончании воздействия на него излучением путем выдержки твердого тела при постоянной температуре и последующего нагрева, при этом спектр испускаемых поверхностным слоем твердого тела квантов энергии регистрируют в процессе дезактивации поверхностного слоя. Второй вариант способа включает воздействие на поверхностный слой твердого тела низкотемпературной плазмой. Технический результат - повышение точности. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 22 ил.

Description

Изобретение относится к области анализа структуры поверхностных и приповерхностных слоев твердых тел и их физических и химических свойств с использованием активирующих воздействий.
Поскольку структура поверхностного слоя твердого тела существенно отличается от структуры твердого тела в объеме и, практически, определяет его поведение в различных средах и в поле различных сил, то сведения о поверхностном слое твердого тела открывают путь к научно-обоснованной модификации поверхности твердого тела с целью получения материалов с желаемыми оптическими, механическими, адгезионными, электрическими, люминесцентными и другими свойствами, а также к управлению многими важными в практическом отношении процессами, такими как рост кристаллов, эпитаксиальное и плазмохимическое выращивание слоев, катализ, создание ультратонких пленочных покрытий методами Лэнгмюра-Блодже и молекулярной самосборки, упрочнение материалов и др., позволяют на более высоком уровне проводить контроль качества поверхности (поверхностную дефектоскопию) промышленных изделий, что особенно важно в таких областях, как защитные покрытия, микро- и наноэлектроника.
Известны способы анализа физических свойств твердого тела, а именно температур и энергий активации фазовых и релаксационных переходов в исследуемом материале посредством дифференциальной сканирующей калориметрии, см. Берштейн В. А., Егоров В.М. Дифференциальная сканирующая калориметрия в физикохимии полимеров. Л. , Химия, Ленинградское отделение, 1990, с.74-81, а также с помощью ядерного магнитного резонанса, см. Рабек Я. Экспериментальные методы в химии полимеров. т. 1, M., Мир, 1983, с.337.
Недостатком этих способов является то, что с их помощью получают информацию, относящуюся ко всему объему исследуемого образца и не отражающую в необходимой степени специфику его поверхностного слоя.
Известен способ анализа физических свойств поверхностного слоя твердого тела, в частности определения температур и энергий активации фазовых и релаксационных переходов, включающий бомбардировку поверхности первичными пучками нейтральных атомов, и/или электронов, и/или ионов, и/или фотонов, и/или рентгеновских лучей и регистрацию вторичных пучков тех же самых заряженных частиц, см. , например, Гзандерна А. Методы анализа поверхности. М., Мир, 1979, с.63-64, 76-77, 83-84, 88-89 (копия ссылки прилагается).
Данный способ принят за прототип настоящего изобретения согласно варианту по первому пункту формулы изобретения.
При зондировании (бомбардировке) поверхностного слоя твердого тела происходит эмиссия заряженных частиц (электронов, ионов), нейтральных частиц (атомов, молекул), фотонов. Исследование поверхностного слоя твердого тела осуществляют при его непрерывной бомбардировке, при этом регистрируют исходящие указанные выше частицы с учетом их количества, энергетического и пространственного (углов выхода) распределения. Однако указанный способ, при котором осуществляется постоянная и непрерывная бомбардировка поверхности, обусловливает нежелательное изменение (модификацию) исследуемого поверхностного слоя. Кроме того, поскольку исследования происходят, как правило, при фиксированном значении температуры твердого тела, никакой информации о температурах и энергиях фазовых и релаксационных переходов в поверхностном слое с помощью рассматриваемого способа нельзя; если же исследования производятся при нескольких значениях температуры образца, то происходит многократная бомбардировка его поверхностного слоя, что приводит к его недопустимым изменениям и, соответственно, недостоверным параметрам переходов.
Известен способ анализа физических свойств поверхностного слоя твердого тела, включающий воздействие на поверхностный слой твердого тела низкотемпературной плазмой (НТП) с последующей дезактивацией поверхностного слоя и регистрацией спектра термолюминесценции; НТП, используемая в этом способе, возбуждается немодулированным полем частоты 40,68 МГц и имеет давление плазмообразующего газа 0,1 мБар, продолжительность воздействия составляет от 10 с до 9 мин, см. A.A.Kalachev, etc., "Plasma-induced thermoluminescence - a new method of investigating supramolecular architectures and temperature transitions in polymers and other solid surfaces", Applied Surface Science 70/71 (1993), p.p.295-298 (копия прилагается).
Это техническое решение принято за прототип варианта способа по третьему пункту формулы изобретения.
Недостатком указанного способа является модифицирующее воздействие НТП с указанными выше параметрами на поверхностный слой исследуемого образца, что обусловливает недостаточно достоверную информацию о физических и химических свойствах этого слоя. В первую очередь это обусловлено жесткими условиями плазмы, использованными в прототипе, а именно высоким давлением плазмообразующего газа (0,1 мБар) и длительным (10 с и больше) воздействием плазмы на поверхность. Оба фактора приводят в чрезмерному разогреву поверхностного слоя и гибели возникающих активных состояний уже в ходе обработки. Например, как видно из фиг. 4 прототипа, интенсивность люминесценции, как правило, падает с увеличением времени обработки. Кроме того, упомянутые жесткие условия воздействия приводят к другим физико-химическим изменениям в анализируемом поверхностном слое.
Кроме того, в режиме изотермической люминесценции (см. fig.3 статьи A.A. Kalachev, etc. ) полученные согласно известному способу кривые, иллюстрирующие зависимость (спад) термолюминесценции от времени с момента прекращения воздействия НТП на исследуемый образец, не имеют каких-либо характерных особенностей; поэтому в данном способе за этот период времени какая-либо полезная информация о структуре поверхности или поверхностных физико-химических процессах не получена. Указанные кривые используют только как средство для определения момента для начала дезактивации поверхностного слоя твердого тела путем нагрева.
В основу настоящего изобретения положено решение задачи уменьшения модифицирующего воздействия активирующего излучения на поверхностный слой твердого тела, повышение информативности и точности измерений.
Согласно изобретению по первому варианту в способе анализа физических и/или химических свойств поверхностного слоя твердого тела, включающем воздействие на поверхностный слой твердого тела излучением в виде атомарного пучка, и/или электронного пучка, и/или молекулярного пучка, и/или ионного пучка, и/или фотонного пучка, и/или их комбинации, дезактивацию поверхностного слоя и регистрацию спектра испускаемых поверхностным слоем квантов энергии, воздействие на поверхностный слой производят единичным импульсом излучения, а дезактивацию поверхностного слоя твердого тела осуществляют по окончании воздействия на него излучением путем выдержки твердого тела при постоянной температуре и последующего нагрева, при этом спектр испускаемых поверхностным слоем твердого тела квантов энергии регистрируют в процессе дезактивации поверхностного слоя, так что зарегистрированный при постоянной температуре спектр испускаемых квантов энергии дает информацию о слабосвязанных состояниях поверхностного слоя и времени полураспада этих состояний, а зарегистрированный при нагреве спектр термолюминесценции позволяет судить о температурах фазовых и релаксационных переходов в поверхностном слое; в варианте по п.2 формулы изобретения импульс излучения, действующий на исследуемую поверхность, имеет мощность от 10-5 до 10-3 Вт/см2.
Реализация отличительных признаков первого варианта способа обусловливает появление у объекта важного нового свойства - исключение необходимости эмитирования исследуемым поверхностным слоем образца атомов, электронов, ионов и т.д., т.е. тех частиц, которыми осуществляют постоянную бомбардировку поверхностного слоя твердого тела в течение всего времени регистрации элементарных частиц. Благодаря воздействию на поверхностный слой твердого тела единичным импульсом излучения малой мощности, последующей дезактивации поверхностного слоя и регистрации испускаемых квантов энергии (световой) после окончания бомбардировки поверхностного слоя значительно снижается модифицирующее воздействие излучения, повышается точность и достоверность результатов измерений.
Согласно изобретению по второму варианту способа (п.3 формулы изобретения) в способе анализа физических и/или химических свойств поверхностного слоя твердого тела, включающем воздействие на поверхностный слой твердого тела низкотемпературной плазмой с последующей дезактивацией поверхностного слоя и регистрацией спектра термолюминесценции, используют низкотемпературную плазму с давлением плазмообразующего газа от 0,04 до 0,08 мБар в течение от 0,05 до 5 с, регистрируют спектры излучения при постоянной температуре образца и по кривым, иллюстрирующим спад изотермической люминесценции с момента прекращения воздействия низкотемпературной плазмы на образец, получают дополнительную информацию о физико-химических реакциях в поверхностном слое твердого тела. При реализации второго варианта способа предпочтительно использование плазмы с вкладываемой в объем мощностью от 10-5 до 10-3 Вт/см3.
Наряду с немодулированным высокочастотным полем (106-1012 Гц), возбуждающим плазму, в способе по данному изобретению могут быть использованы разряды постоянного тока, низкочастотные разряды (1-105 Гц) и высокочастотные разряды, модулированные низкой частотой. Могут использоваться также импульсные разряды с продолжительностями импульса и промежутка между импульсами в диапазоне 10-6-102 с. Кроме того, в способе по данному изобретению предусмотрена возможность изменения потенциала между держателем образца и плазмой.
Различные типы плазм приводят к различным плотностям возникающих люминесцентных поверхностных центров, к варьированию типов этих центров и их распределения по глубине поверхностного слоя, т.е. использование указанных различных типов разрядов или любых их комбинаций расширяет возможности технологии и позволяет расширить класс анализируемых объектов.
Реализация отличительных признаков второго варианта способа обеспечивает существенное снижение модифицирующего воздействия НТП на поверхностный слой твердого тела. Кроме того, при предложенном снижении давления плазмообразующего газа и одновременно с этим уменьшении экспозиции поверхностного слоя образца неожиданно возник новый, довольно парадоксальный эффект, который состоит в том, что в режиме изотермической люминесценции кривые, иллюстрирующие ее спад с момента прекращения воздействия НТП на образец, приобретают характерные особенности, дающие информацию о физико-химических реакциях в поверхностном слое твердого тела, которая не могла быть получена при параметрах НТП, использованных в прототипе.
Заявителем не выявлены источники, содержащие информацию о технических решениях, идентичных настоящему изобретению, что позволяет сделать вывод о его соответствии критерию "новизна".
Заявителем не обнаружены какие-либо источники информации, содержащие сведения о влиянии заявленных отличительных признаков на достигаемый вследствие их реализации технический результат. Это, по мнению заявителя, свидетельствует о соответствии данного технического решения критерию "изобретательский уровень".
Заявленный способ (варианты) иллюстрируется чертежами, на которых изображено:
на фиг.1 - блок-схема устройства для реализации данного способа;
на фиг.2 - спектр испускаемых поверхностным слоем образца квантов света при постоянной температуре после воздействия атомарного пучка (пример 1);
на фиг. 3 - спектр при воздействии атомарного пучка при нагреве (пример 1);
на фиг.4 - спектр испускаемых поверхностным слоем образца квантов света при постоянной температуре после воздействия атомарного пучка (пример 2);
на фиг. 5 - спектр при воздействии атомарного пучка при нагреве (пример 2);
на фиг.6 - спектр испускаемых поверхностным слоем образца квантов света при постоянной температуре после воздействия электронного пучка (пример 3);
на фиг.7 - спектр при воздействии электронного пучка при нагреве (пример 3);
на фиг.8 - спектр испускаемых поверхностным слоем образца квантов света при постоянной температуре после воздействия молекулярного пучка (пример 3);
на фиг. 9 - спектр при воздействии молекулярного пучка при нагреве (пример 3);
на фиг.10 - спектр испускаемых поверхностным слоем образца квантов света при постоянной температуре после воздействия ионного пучка (пример 3);
на фиг.11 - спектр при воздействии ионного пучка при нагреве (пример 3);
на фиг.12 - спектр испускаемых поверхностным слоем образца квантов света при постоянной температуре после воздействия фотонного пучка (пример 3);
на фиг. 13 - спектр при воздействии фотонного пучка при нагреве (пример 3);
на фиг.14 - спектр испускаемых поверхностным слоем образца квантов света при нагреве после последовательного воздействия атомарного, электронного, молекулярного, ионного и фотонного пучков (пример 4);
на фиг.15 - спектр испускаемых поверхностным слоем образца квантов света при нагреве после последовательного воздействия электронного, молекулярного и ионного пучков (пример 5);
на фиг.16 - спектр испускаемых поверхностным слоем образца квантов света при нагреве после последовательного воздействия электронного, фотонного и ионного пучков (пример 6);
на фиг.17 - спектр испускаемых поверхностным слоем образца квантов света при нагреве после последовательного воздействия атомарного и ионного пучков (пример 7);
на фиг.18 - спектр испускаемых поверхностным слоем образца квантов света при постоянной температуре после воздействия НТП (пример 8);
на фиг.19 - спектр при воздействии НТП при нагреве (пример 8);
на фиг.20 - спектр при облучении образца по примеру 8 НТП с параметрами, описанными в прототипе;
на фиг.21 - спектр испускаемых поверхностным слоем образца квантов света при постоянной температуре после воздействия НТП (пример 9);
на фиг.22 - спектр при воздействии НТП при нагреве (пример 9).
Для реализации способа в конкретном примере служит устройство, которое включает вакуумную камеру 1, выполненную из нержавеющей стали, снабженную оптическим окном 2, выполненным из оптического кварца. В вакуумной камере 1 расположен держатель образца, выполненный в виде емкости 3 из меди. На ее наружной поверхности закреплен исследуемый образец 4 твердого тела. В конкретном примере образец 4 закреплен с помощью пружинных колец (не показаны). Емкость 3 закрыта крышкой 5 с отверстием 6 для подачи хладагента, в частности жидкого азота. Внутри емкости 3 размещен нагреватель 7, а на ее наружной поверхности установлена хромель-алюмелевая термопара 8. Устройство также включает генератор 9, излучающий электромагнитные колебания с частотой 16 МГц. Электрод 10 генератора 9 расположен в вакуумной камере 1. Инициатор 11 электрического разряда представляет собой высоковольтный трансформатор; при замыкании-размыкании первичной обмотки он выдает со вторичной обмотки импульсы напряжением 20 кВ, которые подаются на электрод 12, расположенный в вакуумной камере 1. Длительность электрического разряда задается с помощью таймера (не показан). Датчик 13 низкого вакуума типа "баротрон" размещен на наружной поверхности вакуумной камеры 1 и сообщается с ее полостью. Вакуумная камера 1 снабжена магистралью 14 для создания в ней вакуума до 1•10-7 мм рт.ст., а также магистралью 15 для подачи газов в вакуумную камеру. В конкретном примере использован водород, но возможно использование кислорода, азота, инертных газов и др. Устройство содержит средство регистрации получаемой информации, которое включает компьютер 16 с монитором и блок 17 сопряжения компьютера 16 с шиной 18 сбора данных. Блок 17 содержит аналого-цифровой преобразователь типа AD-7858, микропроцессор AD8080 и источник питающих напряжений для элементов устройства, которые подаются на шину 19. На шину 19 подаются через блок 17 команды управления от компьютера 16.
Устройство содержит блок 20 формирования атомарного, и/или молекулярного, и/или ионного, и/или электронного, и/или фотонного пучков. Блок 20 содержит атомизатор с элементом формирования узконаправленного пучка, в виде совокупности капилляров с диаметром 20 мкм, систему формирования молекулярного пучка, включающую магистраль 21 для подачи газа и элемент в виде совокупности капилляров такого же диаметра, ионную пушку, электронную пушку и ртутную лампу типа ДРШ-100 для формирования фотонного пучка. Блок 20 содержит средство для создания единичных импульсов указанных пучков: клапаны, запирающие электроды и т.п. Выходная магистраль 22 блока 20 выведена в вакуумную камеру 1. Устройство в рассматриваемом частном случае, иллюстрирующем реализацию способа, также снабжено средством анализа по длинам волн квантов света, излучаемых поверхностным слоем образца 4, которое содержит монохроматор 23 типа МДР-3, к выходу которого подключен фотоумножитель 24 типа ФЭУ-68 (вместо монохроматора в частных случаях можно использовать светофильтры). Монохроматор 23 сопряжен с оптическим окном 2, которое имеет со стороны вакуумной камеры 1 экран 25 для отсечения излучения из вакуумной камеры, которое могло бы вызвать люминесценцию материала окна 2 или нарушение функций детектора в ходе активационной обработки (например, "ослепление" ФЭУ). Кроме того, устройство снабжено датчиком 26 высокого вакуума типа ПМИ-2, установленным на наружной поверхности вакуумной камеры 1 и сообщающимся с ее полостью. Устройство также содержит дополнительную емкость 27 для хладагента, снабженную крышкой 28 с отверстием 29 для подачи хладагента. Емкость 27 установлена внутри вакуумной камеры 1.
Способ по пункту 1 формулы изобретения реализуют следующим образом.
Образец 4 закрепляют на держателе образца в виде емкости 3 и помещают в вакуумную камеру 1; из вакуумной камеры 1 откачивают воздух через магистраль 14 до остаточного давления в вакуумной камере не более чем 1•10-7 мм рт.ст. Давление контролируется датчиком 26 высокого вакуума. Затем дополнительная емкость 27 заполняется хладагентом, при этом на ее поверхности адсорбируются остаточные газы и пары воды. При помощи экрана 25 оптическое окно 2 отсекают от излучения из вакуумной камеры. Затем из компьютера 16 через блок 17 по шине 19 подают необходимые команды на блок 20 формирования атомарного, и/или молекулярного, и/или ионного, и/или электронного, и/или фотонного пучков и производят воздействие на поверхностный слой образца единичным импульсом какого-либо пучка либо последовательно единичными импульсами различных пучков. Для создания атомарного и молекулярного пучков по магистрали 21 в блок 20 формирования пучков подают газ, в конкретном примере водород. Суммарная мощность излучения на единицу площади исследуемой поверхности находится в пределах от 10-5 до 10-3 Вт/см2. По окончании воздействия излучением твердое тело выдерживают при постоянной температуре и записывают спектр испускаемых поверхностным слоем твердого тела квантов энергии, в частности, света. Для записи и анализа квантов по длинам волн используют монохроматор 23 и фотоумножитель 24, выходной сигнал которого поступает на шину 18 сбора данных и далее через блок 17 в компьютер 16. Затем в конкретном примере производят нагрев образца 4 нагревателем 7, осуществляя контроль температуры образца термопарой 8; возможно в частных случаях использование других средств контроля температуры. Сигналы с термопары 8 и от фотоумножителя 24 поступают на шину 18 сбора данных и через блок 17 в память компьютера 16 для последующей обработки.
В примере 1 исследовалось воздействие на поверхностный слой полиэтилена низкого давления марки MOPLEN (Mw=114000), закристаллизованного при температуре, близкой к температуре плавления, излучения в виде единичного импульса атомарного пучка водорода. Мощность излучения, действовавшая на единицу площади исследуемой поверхности, составила 2•10-5 Вт/см. Зарегистрированный спектр испускаемых поверхностным слоем полиэтилена квантов энергии при постоянной температуре отображается графиком на фиг.2. На графике видны два максимума, которые дают информацию о слабосвязанных состояниях поверхностного слоя данного материала и времени полураспада этих состояний. При нагреве материала регистрировался спектр термолюминесценции (фиг.3). Положение максимумов на графике позволяет судить о температурах фазовых и релаксационных переходов в поверхностном слое исследуемого образца.
В примере 2 исследовался образец из закаленного полиэтилена той же марки при тех же условиях, что и в примере 1. Спектры испускаемых поверхностным слоем квантов света отображены на фиг.4 (при постоянной температуре) и на фиг.5 (в процессе нагрева).
Сопоставление спектров испускаемых квантов света одним и тем же материалом, но приготовленным различным образом, позволяет выявить существенную разницу в свойствах поверхностного слоя материала.
В примере 3 исследовался закаленный образец из полиэтилена марки MOPLEN (Мw= 114000). Осуществлялось последовательно воздействие на поверхностный слой образца единичными импульсами следующих пучков: электронного, молекулярного, ионного, фотонного; соответственно, последовательно регистрировались спектры испускаемых квантов света как при постоянной температуре, так и в процессе нагрева (фиг.6 и 7, 8 и 9, 10 и 11, 12 и 13 соответственно). Суммарная мощность излучения на единицу поверхности четырех указанных выше единичных импульсов составила 10-3 Вт/см. Каждый вид излучения возмущает определенные, специфические для него состояния поверхностного слоя образца; это позволяет более полно и точно судить о различных физических и химических свойствах поверхностного слоя (температурах фазовых и релаксационных переходов, энергиях активации этих переходов, временах полураспада слабосвязанных поверхностных состояний, протекании поверхностных химических реакций и их порядке, и т.д.)
Для этого используются известные зависимости, позволяющие осуществить переход от спектров излучения квантов света к свойствам поверхностного слоя твердого тела. Например, наиболее важный параметр - энергию активации релаксационного перехода (Ер) - можно находить из соотношения
Figure 00000002

где R - газовая постоянная;
Т' - температура высокотемпературной стороны максимума, где интенсивность люминесценции падает вдвое;
Tmax - температура высокотемпературной стороны максимума, где интенсивность люминесценции максимальна.
Порядок химической реакции, вызывающей изотермическую люминесценцию, определяют путем преобразования спектров, соответствующих испусканию квантов света при постоянной температуре в системе координат: lnI - t, где I - интенсивность люминесценции, t - время, а также в системе координат: I - 1/t2. Если зависимость линейная в первом случае, то химическая реакция имеет первый порядок (распад). Если зависимость линейная во втором случае, то химическая реакция имеет второй порядок (рекомбинация).
В примере 4 исследовалось суммарное воздействие последовательного облучения единичными импульсами атомарного, электронного, молекулярного, ионного и фотонного пучков на поверхностный слой полиэтилена низкого давления марки MOPLEN (Мw= 114000), закристаллизованного при температуре, близкой к температуре плавления. Суммарная мощность излучения на единицу поверхности образца составила 5•10-5 Вт/см2. При нагреве материала регистрировался спектр термолюминесценции (фиг. 14). Спектр содержит множественные пики, которые позволяют судить о температурах и энергиях релаксации фазовых и релаксационных переходов. Он отличается от спектров термолюминесценции, зарегистрированных при воздействии на такой же образец, единичных импульсов отдельных излучений. Каждый вид облучения возмущает определенные специфические для него состояния поверхностного слоя образца. Состояния, уже предварительно возбужденные каким-то одним облучением, иначе реагируют на воздействие другого облучения, что позволяет делать выводы о поведении поверхностного слоя в случае комбинированного воздействия, что часто реализуется при использовании высоких технологий.
В примере 5 исследовалось суммарное воздействие последовательного облучения единичными импульсами электронного, молекулярного и ионного пучков на поверхностный слой таким же образом приготовленного образца полиэтилена низкого давления марки MOPLEN (Mw=114000). Суммарная мощность излучения на единицу поверхности образца составила 3,7•10-5 Вт/см2. При нагреве материала регистрировался спектр термолюминесценции (фиг.15).
В примере 6 исследовалось суммарное воздействие последовательного облучения единичными импульсами электронного, фотонного и ионного пучков на поверхностный слой таким же образом приготовленного образца полиэтилена низкого давления марки MOPLEN (Mw=114000). Суммарная мощность излучения на единицу поверхности образца составила 3,2•10-5 Вт/см2. При нагреве материала регистрировался спектр термолюминесценции (фиг.16).
В примере 7 исследовалось суммарное воздействие последовательного облучения единичными импульсами атомарного и ионного пучков на поверхностный слой таким же образом приготовленного образца полиэтилена низкого давления марки MOPLEN (Мw=114000). Суммарная мощность излучения на единицу поверхности образца составила 2,5•10-5 вт/см2. При нагреве материала регистрировался спектр термолюминесценции (фиг.17).
Сравнение спектров термолюминесценции, зарегистрированных от образцов, приготовленных в одинаковых условиях, но подвергнутых воздействию последовательным облучением единичными импульсами электронного, фотонного, молекулярного, атомарного и ионного пучков в различных комбинациях, позволяет сделать вывод о характере возбуждения поверхностных состояний в каждом примере. По положению пиков оценивают температуры и энергетические характеристики фазовых и релаксационных переходов, происходящих при размораживании подвижности возбужденной поверхности.
Способ по пункту 3 формулы изобретения (второй вариант) осуществляют следующим образом.
Образец 4 закрепляют на держателе образца в виде емкости 3 и помещают в вакуумную камеру 1; из вакуумной камеры 1 откачивают воздух через магистраль 14 до остаточного давления в вакуумной камере не более чем 1•10-7 мм рт.ст. Давление контролируется датчиком 26 высокого вакуума. Затем дополнительная емкость 27 заполняется хладагентом, при этом на ее поверхности адсорбируются остаточные газы и пары воды. Затем по магистрали 15 в камеру 1 подают газ (водород) до давления в камере 1-0,1 мм рт.ст. Давление в камере 1 контролируется датчиком 13 низкого вакуума. Включают генератор 9, снабженный электродом 10, а также инициатор 11 электрического разряда, снабженный электродом 12, после зажигания разряда в камере инициатор 11 выключается, а генератор 9 поддерживает разряд в течение заданного с помощью таймера времени в пределах от 0,05 с до 5 с с давлением плазмообразующего газа от 0,04 до 0,08 мБар. Записывают спектр испускаемых поверхностным слоем образца квантов энергии (света) при постоянной температуре. Для записи спектров используют монохроматор 23 и фотоумножитель 24, сигнал от которого поступает на шину 18 сбора данных, далее через блок 17 в компьютер 16. Затем производят нагрев образца 4 нагревателем 7 с контролем температуры образца термопарой 8. Сигналы с термопары 8 и от фотоумножителя 24 поступают на шину 18 сбора данных и через блок 17 сопряжения в память компьютера 16 для последующей обработки.
В примере 8 исследовалось воздействие НТП на поверхностный слой люминофора марки К11. Использована НТП с давлением плазмообразующего газа 0,04 мБар с вкладываемой в ее объем мощностью 2•10-5 Вт/см3 в течение 0,05 с. Регистрировались спектры излучения квантов света при постоянной температуре образца (фиг. 18) и в режиме термолюминесценции (фиг.19). Методы обработки спектров те же самые, что и в вышеуказанных примерах. Отмечено минимальное модифицирующее воздействие излучения на поверхностный слой образца. Параметры НТП обусловили появление явно выраженной особенности спектра уже в самом начале регистрации люминесценции при постоянной температуре, что не наблюдалось при облучении образца того же самого материала (в порядке контроля) НПТ с параметрами, описанными в прототипе (фиг.20).
В примере 9 использована НТП с давлением плазмообразующего газа 0,06 мБар в течение 4,5 с. Облучался образец из полиэтилена марки MOPLEN (Mw= 114000), закристаллизованного при температуре, близкой к температуре плавления. Спектр излучения квантов света при постоянной температуре приведен на фиг.21, при нагреве - на фиг.22.
Предложенный способ (варианты) осуществляется с помощью оборудования, изготовляемого в заводских условиях с использованием известных материалов и комплектующих изделий. По мнению заявителя, изобретение соответствует критерию "промышленная применимость".

Claims (3)

1. Способ анализа физических и/или химических свойств поверхностного слоя твердого тела, включающий воздействие на поверхностный слой твердого тела излучением в виде атомарного пучка, и/или электронного пучка, и/или молекулярного пучка, и/или ионного пучка, и/или фотонного пучка, и/или их комбинации, дезактивацию поверхностного слоя и регистрацию спектра испускаемых поверхностным слоем квантов энергии, отличающийся тем, что воздействие на поверхностный слой производят единичным импульсом излучения, а дезактивацию поверхностного слоя твердого тела осуществляют по окончании воздействия на него излучением путем выдержки твердого тела при постоянной температуре и последующего нагрева, при этом спектр испускаемых поверхностным слоем твердого тела квантов энергии регистрируют в процессе дезактивации поверхностного слоя, так что зарегистрированный при постоянной температуре спектр испускаемых квантов энергии дает информацию о слабосвязанных состояниях поверхностного слоя и времени полураспада этих состояний, а зарегистрированный при нагреве спектр термолюминесценции позволяет судить о температурах фазовых и релаксационных переходов в поверхностном слое.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что импульс излучения, действующий на исследуемую поверхность, имеет мощность 10-5 - 10-3 Вт/см2.
3. Способ анализа физических и/или химических свойств поверхностного слоя твердого тела, включающий воздействие на поверхностный слой твердого тела низкотемпературной плазмой с последующей дезактивацией поверхностного слоя и регистрацией спектра термолюминесценции, отличающийся тем, что используют низкотемпературную плазму с давлением плазмообразующего газа 0,04 - 0,08 мБар в течение 0,05 - 5 с, регистрируют спектры излучения при постоянной температуре образца и по кривым, иллюстрирующим спад изотермической люминесценции с момента прекращения воздействия низкотемпературной плазмы на образец, получают дополнительную информацию о физико-химических реакциях в поверхностном слое твердого тела.
RU2002125410/28A 2002-09-16 2002-09-16 Способ анализа физических и/или химических свойств поверхностного слоя твердого тела (варианты) RU2221236C1 (ru)

Priority Applications (6)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2002125410/28A RU2221236C1 (ru) 2002-09-16 2002-09-16 Способ анализа физических и/или химических свойств поверхностного слоя твердого тела (варианты)
EP03795511A EP1553397A4 (en) 2002-09-16 2003-07-15 PROCESS FOR ANALYZING THE PHYSICAL AND / OR CHEMICAL PROPERTIES OF THE SURFACE LAYER OF A SOLID BODY (AND VARIANTS)
AU2003252630A AU2003252630A1 (en) 2002-09-16 2003-07-15 Method for analysing physical and/or chemical properties of the surface layer of a solid body (variants)
PCT/RU2003/000311 WO2004025275A1 (fr) 2002-09-16 2003-07-15 Procede d'analyse des proprietes physiques et/ou chimiques de la couche de surface d'un corps solide (et variantes)
US10/527,966 US7309864B2 (en) 2002-09-16 2003-07-15 Method for analysing physical and/or chemical properties of the surface layer of a solid body (variants)
US11/957,603 US7692145B2 (en) 2002-09-16 2007-12-17 Method to analyze physical and chemical properties on the surface layer of a solid

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2002125410/28A RU2221236C1 (ru) 2002-09-16 2002-09-16 Способ анализа физических и/или химических свойств поверхностного слоя твердого тела (варианты)

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2221236C1 true RU2221236C1 (ru) 2004-01-10
RU2002125410A RU2002125410A (ru) 2004-03-27

Family

ID=31989418

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2002125410/28A RU2221236C1 (ru) 2002-09-16 2002-09-16 Способ анализа физических и/или химических свойств поверхностного слоя твердого тела (варианты)

Country Status (5)

Country Link
US (2) US7309864B2 (ru)
EP (1) EP1553397A4 (ru)
AU (1) AU2003252630A1 (ru)
RU (1) RU2221236C1 (ru)
WO (1) WO2004025275A1 (ru)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2509299C1 (ru) * 2012-06-29 2014-03-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Рязанский государственный радиотехнический университет" Способ определения зарядового состояния атомов в субнанослойных пленках на поверхности металлов и полупроводников
RU2509301C1 (ru) * 2012-06-29 2014-03-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Рязанский государственный радиотехнический университет" Способ определения кристаллической фазы в аморфных пленках наноразмерной толщины
RU2522667C2 (ru) * 2012-07-30 2014-07-20 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" Способ определения элементного состава и толщины поверхностной пленки твердого тела при внешнем воздействии на поверхность
RU2629703C1 (ru) * 2016-05-16 2017-08-31 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт электрофизики Уральского отделения Российской академии наук (ИЭФ УрО РАН) Люминесцентный способ определения количественного содержания неоднородно распределенной дополнительной кристаллической фазы в сильнорассеивающих дисперсных двухфазных средах с примесными ионами-люминогенами

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7998537B2 (en) * 2002-03-01 2011-08-16 The Chinese University Of Hong Kong Method for selectively removing hydrogen from molecules
JP5783318B1 (ja) * 2014-11-28 2015-09-24 Ｊｆｅスチール株式会社 微量炭素定量分析装置および微量炭素定量分析方法

Family Cites Families (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3317727A (en) * 1963-06-18 1967-05-02 Mobil Oil Corp Characterizing thermoluminescent material by means of its isothermal decay of phosphorescence
SU928207A1 (ru) * 1980-05-23 1982-05-15 Московский Ордена Трудового Красного Знамени Институт Управления Способ измерени температур и энергий активации молекул рных переходов в полимерах
SU928204A1 (ru) 1980-07-14 1982-05-15 Предприятие П/Я Р-6681 Оптический элемент нарушенного полного внутреннего отражени
US4638163A (en) * 1984-09-20 1987-01-20 Peter F. Braunlich Method and apparatus for reading thermoluminescent phosphors
US4906848A (en) * 1984-09-20 1990-03-06 International Sensor Technology, Inc. Apparatuses and methods for laser reading of phosphors
US4873444A (en) * 1988-11-23 1989-10-10 The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy Detection of surface impurity phases in high TC superconductors using thermally stimulated luminescence
US5483338A (en) * 1994-05-26 1996-01-09 Martin Marietta Energy Systems, Inc. Method and apparatus for evaluating structural weakness in polymer matrix composites
US5683179A (en) * 1995-12-15 1997-11-04 Northrop Grumman Corporation Apparatus and method for thermoluminescent quench detection for superconducting devices
US6200531B1 (en) * 1998-05-11 2001-03-13 Igen International, Inc. Apparatus for carrying out electrochemiluminescence test measurements
JP2003518705A (ja) * 1998-06-05 2003-06-10 オブシェストヴォ・ス・オグラニチェンノイ・オトゥヴェストヴェンノスチュ・“ヴィソキー・テクノロジー” 光線を発生させる方法及びその装置
US5998146A (en) * 1998-07-17 1999-12-07 Wallac Oy Homogeneous luminescence assay method based on energy transfer
AT410600B (de) * 1999-12-02 2003-06-25 Hoffmann La Roche Messkammer mit lumineszenzoptischen sensorelementen
JP2002148157A (ja) * 2000-11-07 2002-05-22 Mitsubishi Chemicals Corp 表面分析方法
US6639360B2 (en) * 2001-01-31 2003-10-28 Gentex Corporation High power radiation emitter device and heat dissipating package for electronic components
US7067072B2 (en) * 2001-08-17 2006-06-27 Nomadics, Inc. Nanophase luminescence particulate material
US6979829B2 (en) * 2003-04-23 2005-12-27 Clearant Inc. Devices and methods for determining the amount of energy absorbed during irradiation

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ГЗАНДЕРНА А. Методы анализа поверхности. - М.: Мир, 1979, с. 63-64, 76-77, 83-84, 88-89. KALACHEV A.A. etc. Plasma-induced thermoluminescence - а new method of investigating supramolecular architectures and temperature transitions in polymers and other solid surfaces. Applied Surface Science 70/71 (1993), p.295-298. *

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2509299C1 (ru) * 2012-06-29 2014-03-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Рязанский государственный радиотехнический университет" Способ определения зарядового состояния атомов в субнанослойных пленках на поверхности металлов и полупроводников
RU2509301C1 (ru) * 2012-06-29 2014-03-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Рязанский государственный радиотехнический университет" Способ определения кристаллической фазы в аморфных пленках наноразмерной толщины
RU2522667C2 (ru) * 2012-07-30 2014-07-20 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" Способ определения элементного состава и толщины поверхностной пленки твердого тела при внешнем воздействии на поверхность
RU2629703C1 (ru) * 2016-05-16 2017-08-31 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт электрофизики Уральского отделения Российской академии наук (ИЭФ УрО РАН) Люминесцентный способ определения количественного содержания неоднородно распределенной дополнительной кристаллической фазы в сильнорассеивающих дисперсных двухфазных средах с примесными ионами-люминогенами

Also Published As

Publication number Publication date
US20060145067A1 (en) 2006-07-06
US20080237488A1 (en) 2008-10-02
EP1553397A4 (en) 2008-10-08
RU2002125410A (ru) 2004-03-27
US7692145B2 (en) 2010-04-06
EP1553397A1 (en) 2005-07-13
WO2004025275A1 (fr) 2004-03-25
US7309864B2 (en) 2007-12-18
AU2003252630A1 (en) 2004-04-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Kozlov et al. Spatio-temporally resolved spectroscopic diagnostics of the barrier discharge in air at atmospheric pressure
Harb et al. Production of ground state OH following electron impact on H 2 O
Mrkvičková et al. Fluorescence (TALIF) measurement of atomic hydrogen concentration in a coplanar surface dielectric barrier discharge
US7692145B2 (en) Method to analyze physical and chemical properties on the surface layer of a solid
Yue et al. Comparison on the absolute concentrations of hydroxyl and atomic oxygen generated by five different nonequilibrium atmospheric-pressure plasma jets
US5528150A (en) Gas sampling apparatus including a sealed chamber cooperative with a separate detector chamber
RU2212650C1 (ru) Устройство для анализа физических и/или химических свойств поверхностного слоя твердого тела
Dvořák et al. Evolution of N (4S) atoms produced under nitrogen streamer conditions: time-resolved TALIF study at reduced pressures
Cristofaro et al. Simultaneous measurements of work function and H‒density including caesiation of a converter surface
Bowden et al. Measurements of sheath electric fields in a high pressure helium radio frequency discharge
Vyacheslavov et al. Strong Langmuir turbulence with and without collapse: experimental study
Sahoo et al. Optimization of microwave-induced chemical etching for rapid development of neutron-induced recoil tracks in CR-39 detectors
EP2377246B1 (en) Apparatus and methods for optical emission spectroscopy
US4128336A (en) Spectroscopic apparatus and method
Wei et al. Accurate measurement of the T-shaped and linear Ar⋯ I2 (X, ν ″= 0) binding energies using vibronic-specific I2 (B, ν) fragment velocity-map imaging
Katsch et al. Charge carrier dynamics in a pulsed inductive RF discharge in oxygen
Todd Secondary ion emission from glycerol under continuous and pulsed primary ion current
Latyshev et al. A Method for Determining the Ionization Spectra of Monodispersed Clusters of Noble Metals Adsorbed on the Surfaces of Ionic–Covalent Crystals
Stiel et al. EUV-emission of xenon clusters excited by a high-repetition-rate burst-mode laser
McConkey et al. Detection of metastable atoms and molecules using rare gas matrices
Marchal et al. The study of VUV emissions of Ar* 2 excimers using three-photon absorption laser-induced fluorescence
Bates et al. The surface reaction of SO2 with adsorbed NO− 3 on Ag metal microstructures: A surface enhanced Raman scattering experiment
Chen et al. Cold Atmospheric Plasma (CAP)
RU2057322C1 (ru) Способ идентификации минералов и идентификатор минералов (его варианты)
Waszink et al. Determination of temperature and plasma composition in a high‐pressure CsI‐Hg‐Ar discharge

Legal Events

Date Code Title Description
RH4A Copy of patent granted that was duplicated for the russian federation

Effective date: 20060520

MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20180917