Alexgordya

Alexgordya

пикабушница
поставилa 721 плюс и 15 минусов
проголосовалa за 0 редактирований
сообщества:
1500 рейтинг 79 подписчиков 641 комментарий 1 пост 1 в горячем
117

Моя наука ради науки (физика твёрдого тела)

Привет Пикабу! Я учёный-физик, обожаю свою работу и люблю читать Пикабу, очень нравятся посты про области, которые мне не понять: рассказы биологов, врачей, юристов. Решила поделиться своей работой.


Как я сказала выше, я физик и занимаюсь физикой твёрдого тела и более узко материаловедением. Верю что современную науку может понять каждый и что физика - очень красивая штука! Хочу немного показать из этой красоты.

Основной метод, который я использую - лазерная абляция. В вакуумную камеру посещаются подложка, на которую будет выращиваться плёнка, и мишень - шайба из материала будущей пленки. Подложка располагается над мишенью. Лазер ударяет по мишени и превращает маленькую часть материала мишени в плазму(похоже на «выпаривание» только очень быстро, в маленьком объеме и с преобразованием свойств вещества). Плазма поднимается вверх и часть оседает на подложке. Так каждый выстрел лазера наращивает тонкий слой плёнки на подложку. Видео показывает небольшой кусочек выращивания одной плёнки(обычно это процесс от 10 до 60 минут).




На первом фото несколько плёнок одного и того же материала - диоксида титана(TiO2), выращенные в разных условиях(при разном давлении кислорода, при разной температуре, с разной скоростью). Все эти пленки выращены на подложке из сапфира(квадратики 10х10 мм из Al2O3) и они все одинаковой толщины(эти примерно один микрон, остальные в моей работе обычно тоньше, около 150 нанометров). Разный цвет обусловлен разным фазовым составом: грубо говоря, кристаллы по-разному ориентированы и связаны между собой, это влияет на другие свойства плёнок, но цвет - это самое заметное. Цвет тонких плёнок диоксида титана может быть жёлтым, зелёным, красновато-коричневым, голубым, розовым, причём это чистые поёном без примесей, так что цвет зависит только от свойств полученного кристалла.

Моя наука ради науки (физика твёрдого тела) Физика, Наука, Познавательно, Видео, Длиннопост

На следующем фото немного более красивая плёнка. На самом деле она дефективная - у неё разная толщина с двух сторон из-за того что при выращивании использовался новый держатель подложки с непродуманным дизайном. Я хотела выращивать несколько плёнок за раз и не учла, что когда подложки находятся не в центре держателя они крутятся не вокруг своей оси, а вокруг центральной точки и соответственно толщина планки выше ближе к центру, куда ударяет основной пучок частиц.

Моя наука ради науки (физика твёрдого тела) Физика, Наука, Познавательно, Видео, Длиннопост

Ещё одна дефектная плёнка получилась «блёстками», причём фаза плёнки очень чистая, что в моем эксперименте получалось редко. Повторить её не удалось, с чем такие свойства связаны не знаю. Выглядит она так из-за того что вышла очень негладкий, причём отдельные «чешуйки» обладают очень высокой гладкостью («гладкость» или шорошховатость поверхности измерялась при помощи атомно-силового микроскопа). Скорее всего это произошло из-за загрязнения вакуумной камеры перед выращиванием этой пленки, я этот экземпляр храню и объясняю студентам почему для нас так важно делать полную уборку лаборатории два раза в неделю. У нас очень чисто, как говорил один мой коллега «Пол такой чистый, что я бы с него есть не стал, но руководителю бы это сделать позволил!»

Моя наука ради науки (физика твёрдого тела) Физика, Наука, Познавательно, Видео, Длиннопост



Дальше покажу этот плохо продуманный держатель. Как я радовалась, что так сокращу время выращивания плёнок! Какое было разочарование, когда я поняла свою ошибку после боле 80 часов обработки данных по полученным плёнкам!

Моя наука ради науки (физика твёрдого тела) Физика, Наука, Познавательно, Видео, Длиннопост

Тут добавлю ещё одно фото: ещё один минус этого нового(не заводского, а изготовленного по моим чертежам) держателя в том, что выемки для подложек были на несколько десятков микрон недостаточно глубокими и при нагнетании вакуума подложки как бы выпрыгивали из держателя. Поэтому сверху я на них стала класть диск из кремния. На держатель тоже оседала часть абонированного материала, получился такой красивый и бесполезный держатель.

Моя наука ради науки (физика твёрдого тела) Физика, Наука, Познавательно, Видео, Длиннопост

Чтобы было лучше понятно покажу заводской держатель подложек. Отдельного фото у меня нет, но есть фото трёх таких держателей в переходной камере, которую можно открыть, поместить в неё подложки в держателях, закрыть, откачать воздух и получить вакуум, затем открыть дверь между этой камерой и основной камерой, в которой поддерживается сверхвысокий вакуум.

Моя наука ради науки (физика твёрдого тела) Физика, Наука, Познавательно, Видео, Длиннопост

После выращивания плёнки она обрабатывается: я их «выпекаю» в вакуумной печи(там небольшой вакуум, который позволяет мне контролировать количество и состав газа, в котором происходит выпекание) при разных давлениях, температурах, разные отрезки времени, даже скорость повышения температуры может повлиять на конечные свойства плёнок!

Дальше происходит самое интересное для меня и не самое зрелищное: анализ плёнок и сравнение их разных качеств в зависимости от условий выращивания и пост-обработки. Я измеряла толщину каждой плёнки, гладкость поверхности(не для всех, потому что они у меня получились ну ОЧЕНЬ гладкие, лучше чем наши приборы могли фиксировать и просто не было смысла сравнивать их), измеряла фазу(при помощи рентгеновской спектроскопии. Фаза в данном контексте - это ориентация и связь микро-кристаллов в составе плёнки), измеряла прозрачность, фотоактивность и другие свойства.

Моя наука ради науки (физика твёрдого тела) Физика, Наука, Познавательно, Видео, Длиннопост


Фотоактивность(фотокаталитическая активность) - одно из самых интересных свойств плёнок диоксида титана. Грубо говоря, диоксид титана под действием ультрафиолета может разлагать воду на ионы Н+ и (ОН)-, последний нельзя называть кислотой, но ведёт он себя почти как кислота и как бы разъедает органические молекулы на более мелкие органические «ошмётки», делая их не токсичными и просто упрощая их выведение с поверхности или из жидкости. На последнем фото две колбы: одна с простым раствором оранжевой органической краски(которая в моих экспериментах имитировала загрязнение воды), во второй колбе тот же раствор, но на дно я бросила одну из своих плёнок и освещала её ультрафиолетовым диодом в течение шести часов - оранжевый краситель почти полностью удалён. Это не очень быстро, но очень дёшево и безопасно. Тут оговорюсь, что условно диоксид титана считают канцерогеном так как это оксид тяжелого металла, но он встречается повсеместно: он очень-очень белый (во время защиты своей кандидатской я неудачно пошутила « представьте что вам похитили инопланетяне и проводят дисекцию, цвет стен в операционной - ВОТ ТАКОЙ БЕЛЫЙ». Комиссия была не в восторге) и его добавляют в зубную пасту, многие белые конфеты вроде тик-так, почти все красные конфеты, белые таблетки, в отбеленные батоны, обезжиренное молоко(интересно что диоксид титана ему придаёт не только цвет, но и ощущение жирности!). Почти любая косметика, которая придаёт лицу ровный тон и «здоровое сияние» имеет в составе диоксид титана. Почти любое средство от загара его содержит тоже. Этот материал имеет огромное количество применений(я перечислила только то, где он может влиять на здоровье человека) и очень хорошо изучен. Тем не менее есть огромное количество вопросов и заблуждений с ним связанных.

Очень люблю свою работу (я в шоке что мне за неё ещё и деньги платят!), тут рассказала только про один её этап. Попробую ещё написать про подготовку подложек, их очистку, загрузку в вакуумную камеру, обжиг и разные методики измерения свойств плёнок. Лаборатория у нас очень большая и есть аппараты, которыми я регулярно не пользуюсь, но про них интересно рассказать. Я тружусь в техасском университете и могу рассказать про свой опыт работу здесь и в России ранее, но это, наверное, просто где-нибудь в комментариях.

Показать полностью 7 1
Отличная работа, все прочитано!