Измерение скорости роста кристалла, растущего из водного раствора
Характеристика особенностей атомно-шероховатых поверхностей и атомно-гладких граней роста кристалла. Изучение вида объекта-микрометра под микроскопом. Рассмотрение снимков роста кристалла, полученных с помощью цифрового микроскопа Intel Play QX-3.
Рубрика | Физика и энергетика |
Вид | лабораторная работа |
Язык | русский |
Дата добавления | 22.03.2015 |
Размер файла | 954,3 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Размещено на http://www.allbest.ru/
Министерство образования и науки Российской Федерации
ФГАОУ ВПО Уральский Федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина
Кафедра технической физики
Лабораторная работа
Измерение скорости роста кристалла, растущего из водного раствора
Студенты: Грачева Ю.Ю.
Попов И.А.
Группы: Фт - 320204
Преподаватель: Бандо Р.Д.
Екатеринбург 2015
Введение
Кристаллы встречаются повсюду. Широко применение кристаллов в технике, где используются те или иные их свойства. В промышленности применяют также искусственные кристаллы, т.е. те, которых ранее в природе не существовало, например кристаллы кремния, арсенида галлия, германия. Для производства и использования кристаллов необходимо понимание механизмов их роста, распределения примесей и дефектов в них. Информацию об этом получают с помощью различных методов, как микроскопических, так и макроскопических. Важным для технологии получения и физики кристаллизации макроскопическим параметром является величина скорости роста кристалла. Ее определению и посвящена данная работа.
1. Теоретическая часть
Если химический потенциал частиц в кристалле меньше чем в окружающей среде, то это приведет к возникновению кристаллических зародышей. Чтобы вызвать кристаллизацию, необходимо создать разность химических потенциалов кристаллизующегося компонента между исходной фазой и кристаллической, т.е. либо быстро изменить температуру, давление, либо удалить часть растворителя.
Рост кристалла осуществляется в процессе присоединения к поверхности новых атомов, молекул или более сложных агрегатов. В зависимости от химической природы кристаллизующегося вещества и температуры рост кристалла происходит либо по нормальному, либо по послойному механизму.
Первый тип роста реализуется на атомно-шероховатых поверхностях. Присоединение новых частиц к таким поверхностям происходит практически в любой точке, так как практически все ее точки энергетически равноценны.
Второй тип роста реализуется на атомно-гладких гранях, где изломы сосредоточены лишь на ступенях. Пришедшие из окружающей среды частицы адсорбируются на поверхности кристалла и затем совершают перемещения (прыжки) благодаря тепловому движению, как вдоль поверхности, так и по нормали к ней. В результате они могут перескакивать в соседние положения адсорбции и покидать поверхность. Блуждая по грани, некоторые атомы могут попасть на ступени, где атом соединяется с кристаллом соответственно двумя и тремя связями.
Характер роста кристалла (по нормальному или послойному механизму) определяется мерой прочности связей в кристалле и температурой окружающей среды. Первый параметр непосредственно связан с теплотой кристаллизации (плавления) Q и ответственен за стремление кристалла сохранять в процессе роста наиболее плотную упаковку с наименьшим числом неоднородностей на поверхности. Энергия теплового движения kT способствует напротив увеличению беспорядка. Отношение Q и kT служит критерием определения механизма роста кристалла: если Q/kT>2, то поверхность атомно-гладкая, а если Q/kT<2 - шероховатая.
2. Описание экспериментальной установки
Для измерения скорости роста кристалла используется микроскоп Intel Play QX-3 (рис. 1). Данный микроскоп является цифровым и подключается к компьютеру через интерфейс USB. Это позволяет сохранять и затем анализировать видеофрагменты и фотоснимки. Существенным недостатком микроскопа является неудобная система фокусировки и, как следствие, невысокое качество изображения.
Рис. 1 - микроскоп Intel Play
Для начала использования микроскопа необходимо запустить программное обеспечение, которое автоматически инициализирует микроскоп (включится подсветка).
Далее необходимо выбрать препарат, положить его на предметный столик 3 и отрегулировать его положение винтом так, чтобы изображение стало достаточно резким. Вращая колесико 2 можно менять степень увеличения - в 10, 60, 200 раз.
Интерфейс программного обеспечения (рис. 2) выполнен очень просто: разрешение 640х480, крупные, интуитивно понятные значки. В центре экрана находится окно, в котором отображается то, что в данные момент находится в поле зрения устройства.
С помощью ползунка (brightness) можно управлять яркостью подсветки. Подсветку также можно устанавливать либо верхнюю (top), либо нижнюю (bottom) в зависимости от вида препарата. Программное обеспечение позволяет сохранить изображение (snapshot) или даже видеоряд (record movie) на жестком диске компьютера.
Для проведения лабораторной работы будет также необходим объект-микрометр - прибор, который позволяет точно и просто установить увеличение микроскопа. Для этого необходимо вынуть его из футляра и положить на предметный столик. После наведения на резкость появляется картинка, подобная рис. 3.
Рис. 2 - вид монитора при наблюдении в микроскоп Intel Play QX-3
Рис. 3 - вид объекта-микрометра под микроскопом
В объекте-микрометре расстояние, равное одному миллиметру, разделено на 100 частей, следовательно, расстояние между двумя ближайшими наиболее длинными делениями соответствует 0,1 миллиметру. С помощью этого приспособления легко установить истинное увеличение микроскопа, соотнести истинный физический размер с числом пикселей на экране компьютера. атомный кристалл микроскоп
3. Методика проведения эксперимента
Цель лабораторной работы - измерить скорость роста кристалла NaCl, кристаллизующегося из водного раствора.
Ход лабораторной работы
1. Ознакомьтесь с теоретическими основами роста кристаллов и устройством микроскопа.
2. Сфотографируйте объект-микрометр при увеличении 200х таким образом, чтобы он получился максимально четким и шкала была параллельна рамке рисунка.
3. Установите необходимую резкость изображения одного из старых образцов с кристаллами NaCl (увеличение 200х).
4. Приготовьте в кювете насыщенный водный раствор NaCl.
5. На чистое предметное стекло нанесите пипеткой несколько капель раствора и, осторожно размазывая пипеткой, добейтесь их различной толщины.
6. Поместите на предметный столик микроскопа образец.
7. При появлении первых микрокристаллов по возможности быстро расположите один из них а поле зрения микроскопа, при необходимости наведите резкость и сфотографируйте их рост через равные промежутки времени (7 - 15 секунд).
8. Повторяйте п. 7 пока не будет получено 3 последовательности снимков.
9. После получения снимков последовательно экспортируйте их в формат jpg.
10. Откройте полученные изображения в каком-либо графическом редакторе, в котором можно измерять координаты каждой точки изображения.
11. Используя изображение микрометра, определите число пикселей, приходящихся на 0,01 мм.
12. Последовательно открывая рисунки, запишите в таблицу расстояние между характерными точками в разные моменты времени. Рассчитайте расстояние между ними в миллиметрах.
13. Используя полученные данные, определите среднюю скорость роста кристалла внутри каждой серии и среднюю скорость по всем сериям с указанием доверительного интервала.
4. Опытные данные и обработка результатов измерений
Количество пикселей в миллиметре: 540
Время между снимками: 10 сек
Рис. 4. Первый кристалл с характерными точками
Таблица 1 Результаты измерений для серии №1
Номер опыта |
Координаты характерных точек, пиксель |
Расстояние между характерными точками |
Изменение расстояния между характерными точками, пиксель {(xi+1-xi)2+ +(yi+1-yi)2}1/2 |
Изменение расстояния между характерными точками, мм |
|||||
xi1 |
yi1 |
xi2 |
yi2 |
xi |
yi |
||||
1 |
234 |
137 |
233 |
320 |
1 |
183 |
|||
2 |
236 |
128 |
233 |
329 |
3 |
201 |
18,111 |
0,034 |
|
3 |
230 |
123 |
226 |
330 |
4 |
207 |
6,083 |
0,011 |
|
4 |
226 |
111 |
226 |
333 |
0 |
222 |
15,524 |
0,029 |
|
5 |
223 |
107 |
225 |
333 |
2 |
226 |
4,472 |
0,008 |
|
6 |
222 |
105 |
224 |
337 |
2 |
232 |
6,000 |
0,011 |
|
7 |
222 |
105 |
223 |
338 |
1 |
233 |
1,414 |
0,003 |
|
8 |
221 |
104 |
221 |
338 |
0 |
234 |
1,414 |
0,003 |
|
9 |
221 |
104 |
220 |
339 |
1 |
235 |
1,414 |
0,003 |
|
10 |
220 |
104 |
220 |
339 |
0 |
235 |
1,000 |
0,002 |
|
11 |
219 |
101 |
219 |
340 |
0 |
239 |
4,000 |
0,007 |
|
12 |
219 |
99 |
218 |
341 |
1 |
242 |
3,162 |
0,006 |
Среднее приращение за снимок: 0.009
Средняя скорость: Vср1 = 0.009/10 = 0.0009 мм/с = 0.9 мкм/с
Рис. 5. Второй кристалл с характерными точками
Таблица 2 Результаты измерений для серии №2
Номер опыта |
Координаты характерных точек, пиксель |
Расстояние между характерными точками |
Изменение расстояния между характерными точками, пиксель {(xi+1-xi)2+ +(yi+1-yi)2}1/2 |
Изменение расстояния между характерными точками, мм |
|||||
xi1 |
yi1 |
xi2 |
yi2 |
xi |
yi |
||||
1 |
214 |
265 |
340 |
176 |
126 |
89 |
|||
2 |
214 |
265 |
341 |
177 |
127 |
88 |
1,414 |
0,003 |
|
3 |
214 |
265 |
343 |
177 |
129 |
88 |
2,000 |
0,004 |
|
4 |
213 |
266 |
344 |
177 |
131 |
89 |
2,236 |
0,004 |
|
5 |
213 |
268 |
344 |
177 |
131 |
91 |
2,000 |
0,004 |
|
6 |
213 |
268 |
345 |
178 |
132 |
90 |
1,414 |
0,003 |
|
7 |
212 |
269 |
345 |
179 |
133 |
90 |
1,000 |
0,002 |
|
8 |
212 |
269 |
345 |
179 |
133 |
90 |
0,000 |
0,000 |
|
9 |
211 |
270 |
346 |
179 |
135 |
91 |
2,236 |
0,004 |
|
10 |
211 |
272 |
346 |
180 |
135 |
92 |
1,000 |
0,002 |
|
11 |
210 |
273 |
347 |
180 |
137 |
93 |
2,236 |
0,004 |
|
12 |
209 |
274 |
348 |
181 |
139 |
93 |
2,000 |
0,004 |
Среднее приращение за снимок: 0.003
Средняя скорость: Vср3 = 0.003/10 = 0.0003 мм/с = 0.3мкм/c
Средняя скорость: Vср2 = 0.003/10 = 0.0003 мм/с = 0.3мкм/с
Рис. 6. Третий кристалл с характерными точками
Таблица 3 Результаты измерений для серии №3
Номер опыта |
Координаты характерных точек, пиксель |
Расстояние между характерными точками |
Изменение расстояния между характерными точками, пиксель {(xi+1-xi)2+ +(yi+1-yi)2}1/2 |
Изменение расстояния между характерными точками, мм |
|||||
xi1 |
yi1 |
xi2 |
yi2 |
xi |
yi |
||||
1 |
99 |
142 |
345 |
189 |
246 |
47 |
|||
2 |
97 |
143 |
350 |
190 |
253 |
47 |
7,000 |
0,013 |
|
3 |
95 |
144 |
351 |
191 |
256 |
47 |
3,000 |
0,006 |
|
4 |
95 |
145 |
353 |
191 |
258 |
46 |
2,236 |
0,004 |
|
5 |
95 |
146 |
354 |
191 |
259 |
45 |
1,414 |
0,003 |
|
6 |
95 |
146 |
357 |
193 |
262 |
47 |
3,606 |
0,007 |
|
7 |
93 |
151 |
359 |
194 |
266 |
43 |
5,657 |
0,010 |
|
8 |
91 |
153 |
359 |
196 |
268 |
43 |
2,000 |
0,004 |
|
9 |
90 |
156 |
360 |
200 |
270 |
44 |
2,236 |
0,004 |
|
10 |
90 |
159 |
361 |
202 |
271 |
43 |
1,414 |
0,003 |
|
11 |
86 |
160 |
361 |
202 |
275 |
42 |
4,123 |
0,008 |
Среднее приращение за снимок: 0.006
Средняя скорость: Vср3 = 0.006/10 = 0.0006 мм/с = 0.6мкм/c
5. Расчет погрешностей
Средняя скорость по всем сериям:
Будем считать доверительный интервал при доверительном уровне 95%
Стандартные отклонения для всех серий:
у=
у1=0.01004
у2=0.00145
у3=0.00333
уобщее=0.0148
Предел погрешности равен: =Za/2 * у/v(n), где Za/2 = коэффициент доверия (где а = доверительный уровень), у = стандартное отклонение, а n = размер выборки. Тогда
=0.008126 =0.008 мкм/с
Средняя скорость роста кристалла по всем сериям:
Vср=(V1+ V2+ V3)/3=0.006 мкм/с
Окончательно:
Vср=1.8 ±0,008 мкм/с
Серия 1
?=0.003 мкм/с
V1=0.9 ± 0.009 мкм/с
Серия 2
?=0.002 мкм/с
V2=0.3 ± 0.003 мкм/с
Серия 3
?=0.005 мкм/с
V3=6.6 ± 0.006 мкм/с
Вывод
В ходе лабораторной работы с помощью цифрового микроскопа Intel Play QX-3 были получены четыре серии снимков роста кристалла, растущего из водного раствора соли. На основе этих снимков были проведены c помощью программы Paint.NET измерения роста кристаллов, затем сделаны расчеты по измерению скорости роста кристаллов в каждой из четырех серий, а так же средней скорости по всем сериям.
Скорости для каждой из серий в пределах погрешности получились различными. Это связано с разной концентрации соли в растворах и различной скорости испарения, которая прямо зависит от площади соприкосновения жидкости со стеклом.
Vср1 = 0.9 ± 0.009 мкм /с
Vср2 = 0.3 ± 0.003 мкм/с
Vср3 = 6.6 ± 0.006 мкм/с
Vср = 1.8 ±0,008 мкм/с
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Общие сведения об атомно-силовой микроскопии, принцип работы кантилевера. Режимы работы атомно-силового микроскопа: контактный, бесконтактный и полуконтактный. Использование микроскопа для изучения материалов и процессов с нанометровым разрешением.
реферат [167,4 K], добавлен 09.04.2018Знакомство с устройством и работой растрового электронного микроскопа, измерение размеров частиц порошка алюминия с примесью карбида тантала, анализ полученных данных. Получение снимков и статистическая обработка данных. Изучение калибровочного снимка.
лабораторная работа [1,4 M], добавлен 02.01.2015Понятие элементарной ячейки кристалла. Элементы симметрий: плоскость, центр, оси. Виды симметрий у октаэдра. Виды сингоний, относящиеся к высшему, низшему, среднему порядкам. Порядок сингонии, изотропность кристалла. Скорость прохождения света в веществе.
реферат [361,1 K], добавлен 12.01.2012Создание атомного силового микроскопа, принцип действия, преимущества и недостатки. Методы атомно-силовой микроскопии. Технические возможности атомного силового микроскопа. Применение атомно-силовой микроскопии для описания деформаций полимерных пленок.
курсовая работа [2,5 M], добавлен 14.11.2012Сканирующий туннельный микроскоп, применение. Принцип действия атомного силового микроскопа. Исследование биологических объектов – макромолекул (в том числе и молекул ДНК), вирусов и других биологических структур методом атомно-силовой микроскопии.
курсовая работа [2,7 M], добавлен 28.04.2014Динамика и теплоемкость кристаллической решетки. Особенности объяснения зависимости теплоемкости от температуры с помощью закона Дюлонга–Пти, модели Эйнштейна, модели приближения Дебая. Основные положения квантовой теории гармонического кристалла.
реферат [123,6 K], добавлен 06.09.2015Описание полупроводников, характеристика их основных свойств. Физические основы электронной проводимости. Строение кристалла кремния. Направленное движение электронов и дырок под действием электрического поля, p-n переход. Устройство транзисторов.
презентация [2,4 M], добавлен 20.04.2016Проблема зависимости цитотоксических свойств наночастиц от их кристаллической структуры. Изучение степени воздействия наночастиц на клеточную мембрану методом атомно-силовой спектроскопии. Качественное взаимодействие наночастиц TiO2 и эритроцитов.
курсовая работа [3,0 M], добавлен 13.06.2013Решение проблемы увеличения разрешающей способности микроскопов без разрушения или изменения исследуемого образца. История появления зондовой микроскопии. Атомно-силовой микроскоп и его конструктивные составляющие, обработка полученной информации.
реферат [692,6 K], добавлен 19.12.2015Метрологические характеристики и аналитические возможности атомно-абсорбционного метода. Способы монохроматизации и регистрации спектров. Индикаторные, мембранные и металлические электроды. Рентгеновская, атомно-флуоресцентная, электронная спектроскопия.
автореферат [3,1 M], добавлен 30.04.2015Кварцевые резонаторы с пьезоэлементом: общая характеристика и основные технические параметры, виды преобразования энергии и возникающих колебаний. Срезы кристалла, зависимость резонансной частоты от толщины пьезопластин. Резонанс и антирезонанс.
курсовая работа [1,0 M], добавлен 18.05.2013Анализ физических свойств перовскитов, в которых сосуществуют электрическая и магнитная дипольные структуры. Общая характеристика пленок феррита висмута BiFeO3. Особенности взаимодействия электромагнитной волны и спиновой подсистемой магнитного кристалла.
реферат [512,3 K], добавлен 20.06.2010Знакомство с технологией получения равномерно-легированного кристалла с применением метода Чохральского. Этапы расчета массы хрома, загружаемого в установку. Характеристика требований к материалу подложки. Особенности работы интегральных микросхем.
контрольная работа [481,0 K], добавлен 30.06.2014Измерение показателя преломления для плоско-параллельной пластинки. Измерение показателя преломления трехгранной призмы с помощью 4-х иголок. Изучение светопропускающих качеств разных материалов с помощью фотоэлемента. Определение увеличения микроскопа.
методичка [1009,3 K], добавлен 22.06.2015Представление кристалла в обратном пространстве, получение выражения для характеризующих кристаллическую решетку объемных, плоскостных, линейных и угловых параметров. Правило для определения индексов плоскости и индексов лежащего в ней направления.
презентация [255,5 K], добавлен 23.09.2013С ростом температуры кристалла за счет теплового расширения постоянная решетки увеличивается. Поэтому при повышении температуры у полупроводников, как правило, запрещенная зона уменьшается.
реферат [10,8 K], добавлен 22.04.2006Поворот плоскости поляризации света под действием магнитного поля. Характеристики оптических циркуляторов. Коэффициент отражения, использование эффекта Фарадея. Использование двулучепреломляющих элементов из кристалла рутила в качестве поляризаторов.
доклад [417,8 K], добавлен 13.07.2014Зондові наноскопічні установки з комп'ютерним управлінням і аналізом даних. Метод атомно-силової мікроскопії; принцип і режими роботи, фізичні основи. Зондові датчики АСМ: технологія виготовлення, керування, особливості застосування до нанооб’єктів.
курсовая работа [4,7 M], добавлен 22.12.2010Энергетический спектр электронов и плотность электронных состояний в низкоразмерных объектах. Важнейшие квантовомеханические характеристики тел. Спектр неограниченного кристалла 3D-электронного газа. Электронный газ в квантовой проволоке или точке.
лекция [484,6 K], добавлен 24.04.2014Электронное строение атомов переходных элементов. Физические свойства редкоземельных металлов, их применение. Решение уравнения Шредингера для кристалла. Современные методы расчета зонной структуры. Расчет электрона энергетического спектра неодима.
дипломная работа [1000,2 K], добавлен 27.08.2012