5.2. Структурная характеризация твердых тел

Под характеризацией в целом понимают получение информации о тех особенностях состава и структурного состояния материала, которые являются важными для каждого отдельного приготовления, изучения свойств или использования и достаточны для воспроизводства материала [4].

Методы получения информации о структурном состоянии твердых тел можно разбить на следующие основные группы:

1. Оптические.

2. Электронно-микроскопические.

3. Дифракционные.

4. Спектроскопические, в том числе резонансные.

Таблица 5. 1.

Структурная характеризация твердых тел [4]

Детали структуры	Методы получения информации
1. Морфология, иден-тификация фаз, природа аморфного и кристаллического состояния, сингония, пространственная группа симметрии, координаты атомов.	Рентгеновская, электронная, нейтронная дифракция; электронная микроскопия, протяженная (EXAFS, или ТСРП) и ближняя (XANES) тонкая структура рентгеновского поглощения.
2. Симметрия положения	Спектроскопия
3.Степень совершенства кристаллов	Микроскопия, рентгеновская дифракция и рентгеновская топография.
4. Амплитуды тепловых колебаний, частоты тепловых колебаний, частотные спектры, характеристическая температура.	Рентгеновская и нейтронная дифракция, мессбауэровская спектроскопия.
5. Фазовые переходы	Дифференциальный термический анализ (ДТА), рассеяние света и различные методы спектроскопии, дифракционные методы, измерения физических свойств, изменяющихся при переходе: электропроводность, тепловое расширение и т.д.
6. Зонная и электронная структура	Фотоэлектронная спектроскопия, Оже-элек-тронная спектроскопия и спектроскопия потерь электронной энергии. Построение распределения электронной плотности методом рентгеновской дифракции и спиновой плотности методом дифракции нейтронов.
7. Дефекты и упорядочение.	Термогравиметрия, трансмиссионная электронная микроскопия, рентгеновская и нейтронная дифракция, электронный парамагнитный резонанс (ЭПР), рентгеновская и оптическая микроскопия.
8. Магнитное упорядочение и спиновая конфигурация	Магнитная восприимчивость, дифракция нейтронов, мессбауэровская спектроскопия.
9. Химическое окружение ядра.	Различные методы спектроскопии, особенно ядерный магнитный резонанс (ЯМР) высокого разрешения, мессбауэровская спектроскопия, электронная спектроскопия, EXAFS, XANES.
10. Степень окисления металлов	Редокс-титрование, фотоэлектронная и Оже спектроскопия.

5.3. Оптические методы получения информации

Оптические методы - это методы исследования вещества под оптическим микроскопом.

Оптическими методами определяют показатели преломления, твердость и степень дефектности материалов (в частности плотность дислокаций), изучают фазовый состав и морфологические особенности структуры, например, определяют размеры и форму зерен и включений.

Твердые тела непрозрачны для световых лучей, и поэтому их исследования проводятся в отраженном свете. Оптические методы основаны на явлении отражения света зеркально отполированной и химически протравленной поверхностью образца.

На рис. 5.2 представлена упрощенная схема получения изображения в металлографическом микроскопе [5].

Отшлифованный до зеркальной поверхности и протравленный специальными реактивами образец (шлиф) помещается перпендикулярно оптической оси микроскопа. Он освещается почти параллельным пучком света, создаваемым конденсорной линзой, полупрозрачным зеркалом и линзой объектива. Отраженный поверхностью образца свет попадает в объектив и фокусируется линзой объектива в фокальной плоскости линзы окуляра (плоскость первого изображения). Конечное изображение образца создается окуляром. В объектив попадает свет, отраженный элементами образца, приблизительно перпендикулярными оптической оси микроскопа. Лучи, отраженные элементами, расположенными наклонно к оптической оси микроскопа, не попадут в объектив. В результате на конечном изображении образца, создаваемом окуляром, все элементы, нормальные оптической оси микроскопа, будут светлыми, а все наклоненные – темными.

Рис. 5. 2. Схема получения изображения объекта в металлографическом микроскопе

Для выявления таких областей поверхность шлифа обрабатывается специальными химическими реактивами (травителями), которые по-разному реагируют с различными структурными составляющими образцов.

Так, фазовый анализ, разработанный для изучения состава сталей и чугунов, основан на том, что различные по химическому составу компоненты (фазы) по-разному протравливаются [6].

Изучение морфологических особенностей – размеров и формы зерен в поликристаллах – возможно потому, что границы зерен вытравливаются в канавки, стенки которых расположены наклонно к оптической оси микроскопа.

Степень дефектности материалов оценивается по величине плотности дислокаций, представляющих собой линейные дефекты структуры кристалла [2]. Плотность дислокаций рассчитывается как число ямок, образующихся при обработке поверхности шлифа специальными химическими реактивами, на см². Контроль за величиной плотности дислокаций очень важен в современной технологии изготовления приборов твердотельной микроэлектроники: в ряде случаев необходимо выращивать практически бездислокационные кристаллы. Кроме того, симметрия ямок травления дает информацию о симметрии кристалла и ориентации зерен поликристалла.

В сегнетоэлектрических материалах оптические методы позволяют выявить сегнетоэлектрические домены, поскольку скорость их травления зависит от ориентации вектора поляризации относительно поверхности кристалла.

В ферромагнетиках домены выявляются путем нанесения на поверхность магнитного вещества.

Разрешающая способность микроскопа связана с длиной волны используемого излучения. Эффективная длина волны обычного белого света, используемого в оптической микроскопии, порядка 550 нм, что обеспечивает разрешение 220 нм.

Увеличить разрешение можно, уменьшив длину волны, однако использование электромагнитного излучения рентгеновского диапазона с длинами волн 0.5 – 5 нм в схеме обычной оптической микроскопии невозможно вследствие невозможности изготовления фокусирующих линз. Тем не менее, уже в 1947 г. впервые были получены изображения на плоских и вогнутых зеркалах, и зеркальная рентгеновская оптика скользящего падения начала интенсивно развиваться [7].