Выбор компонент для получения композиционных материалов.

Данный аспект весьма важен, поскольку в процессе осаждения атомов на поверхность подложки влиять радикально на процессы, протекающие на этой поверхности, не представляется возможным. Более того, на подложку одновременно осаждаются как атомы металла (Co, Fe, Ni, Pt, Au, Ag и другие), так и атомы, предназначенные для формирования диэлектрической фазы (Al, Si такие оксидообразующие металлы как Pb, Mg, Ca и конечно же атомы кислорода).

Формирование нанокомпозитов происходит в результате процессов самоорганизации, то есть процессов протекающих самопроизвольно, но приводящих к уменьшению (к снижению энергии системы). Разделение фаз на диэлектрическую и металлическую и, соответственно, формирование гранулированной структуры происходит в результате миграционных перемещений атомов по поверхности подложки и определяется энергетическими приоритетами.

Когда на поверхность подложки осаждаются распыленные атомы мишени, они обладают избыточной энергией и способны перемещаться по поверхности, преодолевая локальные потенциальные барьеры. В процессе миграции каждый атом стремиться найти состояние, отвечающее минимуму свободной энергии. В конечном итоге, атом образует такую связь с другим атомом, которая обеспечивает минимум свободной энергии. В свою очередь значение энергии, характерное для образовавшейся химической связи, определяется элементами формирующими связь.

Графически это можно проиллюстрировать схемой на которой потенциальный рельеф поверхности подложки со всеми уже сконденсированными атомами представляет собой череду потенциальных ям и барьеров. Пока энергии атома достаточно для преодоления локальных барьеров он будет диффундировать по поверхности, пока не окажется в яме выбраться из которой уже не сможет. Самое главное, что для осажденных атомов разного сорта вид рельефа разный.

Когда мы рассматриваем систему, состоящую из атомов Si (или Al), кислорода и какого либо металла (Au, Pt, Co, Fe и т.п.) то энергетически более выгодным оказывается образование оксида Si (или Al), а не оксидов благородных или переходных металлов. Это известно из житейских соображений – как Si так и Al всегда самопроизвольно окисляются в атмосферных условиях, причем этот окисел устойчив к внешним воздействиям и разрушениям, чего нельзя сказать о чистых металлах (особенно благородных).

Свободная энергия (энергия Гельмгольца)

F=U-TS (U - внутренняя энергия,S - энтропия)

dF= -SdT-PdV убыль F при изотермическом процессе равна работе, совершаемой системой.

Внетр. энергия имеет смысл средней механической энергии (кинетической энергии и энергии взаимодействии) всех частиц, которые можно рассматривать как компоненты или фазы термодинамических систем. Если в термодинамическую систему входит электро-мегнитное поле, то его энергию включают в F.

Количественным критерием энергетической целесообразности формирования той или иной фазы может являться стандартная мольная энергия образования Гиббса. Это энергия, котрая выделяется при образовании моля данного химического соединения или энергия, которую необходимо затратить для разрушения этого химического соединения. Если сопоставить значения энергии Гиббса для различных соединений то становится очевидным, почему преимущественно формируются оксиды кремния или алюминия, а не оксиды металлов (Co или Fe).

Следует помнить, что мы не рассматриваем здесь взаимодействие между осаждаемыми атомами и атомами подложки, поскольку:

1 – влияние подложки сказывается только на формировании нескольких первых атомных слоёв, реальные композиты, которые исследуются, имеют толщины до нескольких мкм.

2 – в соотв. с литературными данными гранулированные структуры получены как на металлических подложках (поликристалл) так и на стеклянных, сапфировых и ситалловых подложках. Причем система одна и та-же Co-AlO.

Правомерен и другой подход в определении того, почему формируется гранулированная (не смешиваемая) структура. Гетерогенная структура будет формироваться в том случае, когда компоненты не смачиваются и не растворяются друг в друге.

Второй важный параметр, который нужно учитывать при создании наногранул в материале – это соотношение величин поверхностной энергии металлической и диэлектрической фаз. Если вещества – кандидаты в нанокомпозиты – имеют примерно одинаковую поверхностную энергию, то при конденсации атомов на подложке формируются плоские образования, напоминающие большие плоские льдины на водной поверхности реки. Наилучшие результаты в смысле формирования наноструктурных композитов возникают тогда, когда поверхностная энергия одного вещества значительно превышает поверхностную энергию другого. Так, например, легко формируются наногранулы металлических элементов или их сплавов в диэлектрической матрице потому, что поверхностная энергия подавляющего большинства металлов весьма высока, тогда как в диэлектриках (в оксидах, фторидах) поверхностная энергия значительно меньше.

Поверхностная энергия (Дж/м²)

Таким образом, создание структуры, состоящей из нанопространственных образований, вполне решаемая задача, хотя при этом необходимо использовать сложный комплекс физико-химических явлений, которые будут способствовать формированию нужного структурного состояния.

Билет 18

Билет18

Типы оптич резонаторов

РЕЗОНАТОР ОТКРЫТЫЙ(плоский резонатор) – колебательная система, образованная совокупностью зеркал, в которой могут поддерживаться слабо затухающие электромагнитные колебания с длиной волны λ во много раз меньшей, чем размеры зеркал и расстояния между ними. Первые открытые резонаторы в виде двух плоских параллельных зеркал предложил в 1958 г. А.М. Прохоров, а затем американские учёные Р. Дикке, А.Л. Шавлов и Ч. Таунс. Такие резонаторы называют плоскими резонаторами. По сравнению с замкнутыми объёмными резонаторами тех же размеров открытый резонатор имеет более редкий спектр собственных частот. В нём сравнительно легко удаётся реализовать дополнительное разрежение спектра введением специальных селектирующих элементов или подбором формы зеркал. Открытый резонатор для оптического диапазона называют оптическим резонатором.