Способ определения состава твердых растворов

 

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОСТАВА ТВЕРДЫХ РАСТВОРОВ, включающий зондирование исследуемого образца пучком излучения, регистрацию параметров прошедшего через исследуемый образец излучения, по результатам коToiftix определяют состав исследуемого образца, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что, с целью повышения точности определений состава, зондирование исследуемого образца осуществляют при периодической модуляции его температуры, при этом варьируют энергию квантов зондирующего излучения и фиксируют величину К-Ор , соответствующую максимальной глубине модуляции интенсивности зондирующего излучения, затем осуществляют с той же частотой модуляцию энергии квантов зондирующего излучения вблизи значения Ь изменяют амплитуду и фазу модуляции энергии квантов до величины, при которой результирующая глубина модуляции tp интенсивности зондирую (П щего излучения равна нулю, а о составе твердого раствора судят по вес тшчине отношения и по ве4П личине разности фаз Ч-г Ч , где дТ, л{Ь0() - амплитуды, а Ч т 1 Ч - фазы модуляции температур 1 образца и энергии квантов зондирующего излучения, роответствующие m 0.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

А (И)4 G 01 N 21/59

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

Г10 ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3698158/24-25 (22) 13. 12. 83 (46) 07. 11. 85. Бюл. № 41 (71) Ленинградский ордена Ленина .политехнический институт им. N.È. Калинина (72) Л.Е. Воробьев, В. И. Стафеев, В.А. Шалыгин и А.В. Штурбин (53) 535.24(088.8) (56) Акцептованная заявка Великобритании № 1302196, кл. 0 01 N 2 1/59, 1973.

Scott М.M. Energy Gap in

Hg< „ Cd„ Te by орйical Absorption.

Journal of Applied Physics, 1969, ч. 40, ¹ 10, р.р. 4077-4081. (54)(57) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОСТАВА

ТВЕРДЫХ РАСТВОРОВ, включающий зондирование исследуемого образца пучком . излучения, регистрацию -параметров прошедшего через исследуемый образец излучения, по результатам которых определяют состав исследуемого образца, о т л и ч а ю щ и й— с я тем, что, с целью повышения точ„„SU„„3 190241 ности определений состава, зондирование исследуемого образца осуществляют при периодической модуляции его температуры, при этом . варьируют энергию квантов зондирующего излучения и фиксируют величину 1 4, соответствующую максимальной глубине модуляции интенсивности зондирующего излучения, затем осуществляют с той же частотой модуляцию энергии квантов зондирующего излучения вблизи значения Ъ 1 t изю меняют амплитуду и фазу модуляции энергии квантов до величины, при которой результирующая глубина модуляции гр интенсивности зондирующего излучения равна нулю, а о сос,таве твердого раствора судят по веtl $41,) личине отношения и но ве4 ГВ личине разности фаз где 4Т1,, 4 j h91,) — амплитуды, а

Yz, Ч,1 — фазы модуляции температуры образца и энергии квантов зондирующего излучения, соответствующие е О.

COS(P - g<) =Sign

dl

1190241

Изобретение относится к области физических методов исследования состава веществ, конкретно к методам, в основе которых лежит анализ спектров оптического поглощения исследуемого вещества..

Целью изобретения является по,вышение точности определения твердых растворов.

При осуществлении периодического изменения температуры образца, например, по закону

Т=Т +4Т sin(2<+9ò ) (<) интенсивность света, прошедшего через образец, оказывается промодулированпой ио амплитуде с частотой Я, Амплитуда колебаний интенсивности света 4 1 зависит от энергии квантов зондирующего оптического излучения

4 l максимальна в точке, где производная кривой 1 (5q) достигает наибольшего значения. Обозначим это значение энергии квантов через

%40 °

Если одновременно с модуляцией температуры образца модулировать энергию квантов зондирующего излучения вблизи точки с частотой Я

Зная характер зависимости коэф5 фициента поглощения твердого раствора от его состава, а также вид спектральной и температурной зависимостей, можно установить однозначное соответствие между ве10 4h4 величиной отношения и вели4Т чиной разности фаз „, измеряе. мых в эксперименте в состоянии ком— пенсации, и составом Х твердого

15 раствора. Это позволяет по величи444 нам Т и Ч - Ч определять сосhÒ тав твердых растворов.

Способ осуществляется следующим образом.

Надо определить состав х пластины из твердого раствора Сс1 „Н „„ТР . Для этого материала завимость с((5-4 т) описывает1 ся соотношением Урбаха 0 = k> exP x х((М - E @ ) / о ), причем вблизи комнатной температуры оС (х) сою (x) 200схх ; (Х,Т) = 4, +y(x)7, 1,4 =44,.484 si,(qt+ V„), (2) то временная зависимость интенсивности 1 будет определяться величи.нами амплитуд 41 1, 4Т и разностью фаз Ч„ — . Если разность фаз выбрать такой, чтобы колебания интенсивности, связанные с модуляцией температуры (термомодуляция), и колебания интенсивности, обусловленные модуляцией энергии квантов (А = модуляция), оказались бы в противофазе, то, варьируя амплитуду

4h4, можно добиться взаимной компенсации термомодуляции и -модуляции (под состоянием компенсации подразумевается состояние, когда глубина модуляции результирующего сигнала равна О, и интенсивность излучения, прошедшего через образец неизменна во времени).

Условием противофазности указанных колебаний является

cats (V -× ) =1, при «О о11

ДТ сов (Ч -9

dI где ь - константа, принимающая различные значения в зависимости от технологии изготовления кристалла, 3®- параметр, медленно меняющийся с составом х и не зависящий от технологии (при изменении у от 0,2 до 1,0 у меняется от 2,1 10 эВВ/К до 1,4 10 эВ/К), Е (х,Т) — парау0 метр, имеющий смысл запрещенной эоны и зависящий от состава, давления и температуры.

В этом случае можно получить соотношение, устанавливающее однозначную связь между параметром 4) величиной разности фаз

1 47 и составом

50 4111 cos(v у4) db jd=50pcM471, cos (9 -ЧД d7

- Т(> „„=$6-1О (1-2х)-у(х)ЫООЗ, (М 17 )

55 где И вЂ” толщина, см.

Соотношение (4) указывает на возможность прямой калибровки изние попадает на исследуемый образец 9, который находится в контакте с электрической печью 10 сопротивления, подключенной к задающему генератору. Прошедшее через образец излучение зеркалом 11 фокусируется на фотоприемник 12, сигнал с послед" него усиливается резонансным усилителем 13, настроенным на частоту F .

Детектор 14 выделяет сигнал на частоте Я, величина последнего измеряется резонансным вольтметром

t5, настроенным на частоту Я

Термопара 16 и микровольтметр 17 служат для измерения амплитуды колебаний температуры образца. Амперметр 18 служит для измерения переменного тока в электромагните.

Выключателем 19 подключают печь

10 сопротивления к генератору 8 и после установления стационарного режима фиксируют амплитуду колебаний температуры образца CLT1, с помощью термопары 16 и микровольтметра 17.

Вращая барабан длин волн монохроматора 3, подбирают такое значение энергии квантов зондирующего излучения 84Î, при котором амплитуда сигнала, измеряемого вольтметром 15, достигает наибольшей величины, С помощью выключателя 20 ток от генератора 5 через аттенюатор 6 и фазовращатель 7 подают в электро- магнит 5.

Манипулируя фаэовращателем и аттенюатором, добиваются состояния компенсации, т. е. равенства нулю состав25! амплитуды сигнала, измеряемого вольтметром 1 5 . Фиксируют по ам пер†метру 18 величину тока 3 в электромагните 5 и по градуировочной таблице по значениям 5 4 и 3 опрео деляют амплитуду bb41, . По шкале фагчвращателя 7 определяют разность фаз —, вычисляют отношение

Ъ и по величинам Т„. 67 и q - y определяют состав твердого раствора аналогично описанному.

Экспериментальная установка собрана на базе монохроматора ИКМ-1 (с призмой NaC1 и зеркалом Литтрова).

В качестве источника излучения использован осветитель от инфракрасного спектроиетра ИКС-12, причем источником света служит глобар. В з 1190241 4 мерительной установки, предназначенной для определения величин вМ„ — и М вЂ” ч" по составу твердт„, т дого раствора 5

При этом абсолютная точность d" определения состава твердого раствора определяется той абсюлютной погрешностью, с которой может быть

10 измерена величина отношения

"1

Для модуляционных методик, работающих на синусоидальном сигнале с некогерентными источниками излуче- ния, минимально фиксируемые глуби- 15

/aI 1 ны модуляции ляют величину 10- . При такой величине в,„ абсолютная погрешность .Ь1 в измерении параметра 1 не

I аТ„ превышает 10. 6 эВ/К, что соответствует погрешности д< в определении состава твердого раствора СЫ Hg „ Те порядка 0,001.

Если не прибегать к методу прямой калибровки, .а при определении состава по величине параметра

° й9„ использовать непосредствен т„ 30 но соотношение (4), то необходимо .знать зависимость у (x) . В ли— тературе имеются данные только . для двух точек: у(0,2) = 2,1 х10- эВ/К и у (1,0) = 1,4 -1О эВ/К.

Можно в качестве первого приближения линейно экстраполировать ) (д) по этим точкам на весь интервал у. от О до 1.

Даже при такой грубой экстраполя- 4п ции погрешность в определении не превысит 0 005.

На чертеже .показан пример измерительной установки для нахождения И величии и М

ДТ

i5

1с

Оптическое излучение от осветителя 1 (5 — источник света) прерывается с частотой F обтюратором 2, после чего попадает на входную щель призменного монохроматора 3. Вращающееся зеркало 4 (О" ось вращения)

/ монохроматора управляется электромагнитом 5, синусоидальный ток в который поступает через аттенюа- у тор 6 и фазовращатель 7 от задающего генератора 8 (частота тока — ).

Я

Выходящее из монохроматора излуч 2

1190241

« 2=О, 2и

Х-"

Заказ 6971/45

Подписное

ВНИИПИ

Тираж 896 качестве модуль типа МГ-30. Обтюратор 2 модулирует излучение с частотой F 91 Гц. Сигнал, снимаемый с фотоприемника, подается на селективный микровольтметр типа В6-2.,: настроенный на частоту 91 Гц.

Эксперимент проводится на образце твердого раствора Col x H TP с неопределеннык составом (паспортное значение x 0,2) . Образец имеет площадь 1 см и толщину 0,6 мм, его плоские грани оптически отполированы. Образец 9 помещается в специальную тонкостенную медную камеру, что обеспечивает

его равномерный нагрев. Датчиком температуры. образца служит.термопара 16 медь-константан. В качестве источника 8 мадулирующих напряжений выступает отечественный генератор сигналов специальной формы

Гб-26 с последующим. транзисторным усилителем мощности. Частота тока, питающего печь 10 сопротивления и электромагнит 5, выбрана равной

10 Гц (что соответствует и = 2»10 з Гц) ° При такой частоте модуляции роль детектора 14 и измерителя 15 выполняет цифровой вольтметр В7-23. Измерение амплитуды колебания температуры образца осуществпяяется также на основе приборов постоянного тока (микровольтметр

В2-15 в сочетании с потенциометром

Р306 в качестве компенсатора). Аттенюатором. служит магазин сопротивлений РЗЗ. Толщина образца 8 состав" ляет 68011 мкм. Энергия кванта соответствующая наибольшей крутизне кривой пропускания, имеет величину

0,171+0,002 эВ. Амплитуда модуляции температурыл Гк образца в точке. компенсации составляет 16,82+0,02 К, а амплитуда модуляции энергии кван1О тов dh4< зондирующего излучения в точке компенсации — (3,91+0,01) х10 5 эВ.

Фазовый множитель ОФТ Ч )

f5 -+1

3 eos(Чт- Ч ) I

Полагая, что г = 2,1 10 эВ/К, и используя соотношение. (4), полу чаем

20 ДИ% СЮВРт-VV) 25 Абсолютная ошибка, определения состава д"() при этом не превышает

0,006. Следовательно, x = 0,226 +

+ 0,006.

Основной вклад в погрешность

ЗО полученного результата вносит член,. связанный с неопределенностью величины (Х). Если иметь эмпирическую зависимость величины у от состава, то, подставив ее в выражение (4), можно существенно увеличить точность результатов, полученных с помощью данной методики.

Филиал Kill "Патент", r.Ужгород, ул.Проектная, 4