Описание метода определения концентрации нанообъктов с помощью оптогальванической спектроскопии

С развитием нанотехнологий в мировой промышленности резко увеличился объем производства нано-структурных материалов. В связи с этим вопрос контроля концентрации получаемых в различных средах нанообъектов стал иметь огромное значение для производства. На сегодняшний день существует множество методов контроля параметров нано-структурных материалов. Одним из современных и наиболее перспективных методов количественного анализа вещества является оптогальва-ническая спектроскопия, нацеленная на определение состава вещества и его концентрации.

Оптогальваническая спектроскопия (ОГС) основана на изменении под действием света электрических характеристик объекта. Этот эффект получил название опто-гальванического (ОГЭ). Причина эффекта состоит в том, что поглощение света производит перераспределение населенностей уровней атомов или молекул. В результате различных радиационных, и (или) столкновительных, и (или) коллективных процессов происходит изменение плотности заряженных частиц, их подвижности и энергии, что сказывается на ионизационном балансе и проводимости объекта. Ионизация происходит в результате дополнительных (по отношению к поглощению) процессов. Зависимость эффекта от длины волны излучения носит резонансный характер. Проводимость может меняться и просто за счет фотопроцессов. В конечном счете ОГЭ регистрируется по изменению тока I или напряжения U в электрической цепи, включающей исследуемый объект. В качестве меры ОГЭ используется также отношение величины изменения тока или напряжения во внешней цепи к энергии поглощенного света.

Оптогальваническая спектроскопия не нуждается в громоздких системах сборам выделения оптического сигнала и системах преобразования оптического сигнала в электрический.
Дальнейшее развитие метода регистрации ОГЭ, может быть выполнено путем использования твердотельной туннельно-резонансной структуры в качестве исследуемой среды.
Выполнение твердотельного измерительного элемента осуществляется на базе пластины полупроводникового материала (либо металла), из которого вырезают кристалл

1. На поверхности которого формируют диэлектрический слой 2 толщиной до 20 нм. При этом материал диэлектрика выбирают в зависимости от материала полупроводника из расчета близости их кристаллических структур. Варианты формирования диэлектрического слоя могут включать термическое окисление, термическое напыление, магнетронное напыление и т. д. Затем на поверхность диэлектрического слоя наносят слой нано-структурного материала - 3 (исследуемая среда). Причем способ нанесения выбирается исходя из термической стабильности нано-структурного материала. Варианты нанесения нано-структурного материала на слой диэлектрика: термическое напыление в вакууме, магнетронное напыление в вакууме. Далее на сформированный слой из исследуемого нано-материала методом магнетронного напыления в вакууме формируют диэлектрический слой 4, идентичный материалу диэлектрика слоя 2. Затем на поверхность последнего диэлектрического слоя термическим напылением в вакууме наносят прозрачный слой из проводящего материала (например оксид олова). В результате получают измерительную ячейку, представляющую собой резонансно-туннельную структуру, где квантово-размерный слой, формирующий потенциальную яму, находится между двумя барьерными слоями и сформирован из материала исследуемой среды. Затем полученную в результате вышеописанных операций резонансно-туннельную структуру подключают к схеме, состоящую из последовательно соединенных блока питания, регистратора тока, переменного резистора и параллельно подключенного к резонансно-туннельной структуре регистратора напряжения.

Излучение от контролируемого нанообъекта воздействует на слой 3 первичного измерительного преобразователя (ПИП), и при совпадении с энергиями квазистационарных уровней нанообъектов разрядный ток через структуру повышается. Это изменение тока регистрируется по изменению падения напряжения на балластном сопротивлении. Далее снимают вольт-амперную характеристику ВАХ структуры ПИП без электромагнитного излучения, затем с излучением. По разнице сначала идентифицируют наличие нанообъектов, а затем с помощью ОГС определяют концентрацию.

Список литературы

1. В. Н. Очкин, Н. Г. Преображенский и др. Оптогальванический эффект в плазме и газе // Успехи физических наук. – 1986 – том 148 вып. 3 – С. 473-475