Спектроскопия отражения

СПЕКТРОСКОПИЯ ОТРАЖЕНИЯ, раздел спектроскопии, изучающий закономерности отражения электромагн. излучения от разл. сред. Лежит в основе методов исследования в-в по спектрам отражения.

Различают спектры внеш. и внутр. отражения. Первые, в свою очередь, делятся на спектры зеркального отражения, когда падающий и отраженный лучи лежат в одной плоскости с нормалью к отражающей пов-сти, а угол отражения равен углу падения, и спектры диффузного отражения, когда отраженные лучи рассеиваются по разным направлениям. Характер внеш. отражения излучения определяется соотношением между длиной волны l падающего излучения и размерами неровностей отражающей пов-сти. При неровностях, размеры к-рых меньше l, наблюдается зеркальное отражение, в остальных случаях-диффузное отражение (рассеянное излучение). Практически отраженное излучение имеет смешанный характер; при специально выбранных условиях преобладает вклад того или иного вида отражения. Зеркальное отражение получают с применением гладкой плоской пов-сти, в частности при исследовании мол. структур слоев, нанесенных на разл. подложки, при изучении явлений адгезии, адсорбции, электрокатализа, ингибирова-ния коррозии, а также при определении оптич. постоянных (напр., действительной и мнимой частей показателя преломления). В последнем случае измеряют отражат. способность в-ва R(v) = I₀/I_п, где I₀ и I_п-интенсивности отраженного и падающего излучения соотв. для спектра с волновым числом l (v = 1/l). При этом пучок света должен; быть параллельным и падать на плоскую полированную пов-сть образца. Если угол падения равен 0, то соотношение между показателем отражения и комплексным показателем преломленияопределяется ф-лой Френеля:

где f(v)-разность фаз отраженного и падающего пучков; = n(v) — ik(v), i-мнимая единица, n(v)-обычный показатель преломления, k(v)-т. наз. показатель поглощения. При умножении этого ур-ния на комплексно-сопряженное получается выражение для отражат. способности:

Из приведенных ур-ний можно найти выражения для n(v) и k(v).

Разность фаз f(v) непосредственно из эксперим. данных определить нельзя. Для ее расчета выполняют ряд мат. преобразований.

Установив значения R, k, n и , можно определить диэлектрич. проницаемость анизотропных сред, к-рая в случае переменных электромагн. полей является комплексной величиной: и связана с комплексным показателем преломлениясоотношением Тангенс угла диэлектрич. потерь tgd равен отношению e:/e'. Т. обр., для нахождения всех этих оптич. постоянных достаточно измерить спектры отражения и определить величину R(v); все расчеты выполняют с помощью ЭВМ.

Зная оптич. постоянные в-в, можно в спектрах отражения выделить смещение и искажение форм спектральных полос и изменение их интенсивности, вызванные не оптич. эффектами, а изменениями структуры отражающей пов-сти или хим. р-циями. Так, напр., при исследовании спектра отражения пленки из полиметилметакрилата, нанесенной на подложку из золота, полоса, соответствующая валентному колебанию С=О, оказывается смещенной в высокочастотную область (примерно на 10 см^-1) и имеет асимметричную форму. Такие искажения возрастают при увеличении толщины пленки и уменьшении комплексного показателя преломления материала подложки. На искажение полос сильно влияет также угол падения излучения и поляризация падающего пучка. Для оценки искажений в спектрах отражения определяющую роль играет или действительная, или мнимая часть комплексного показателя преломления подложки в зависимости от оптич. св-в последней. При использовании поляризованного излучения можно определить пространств. ориентацию молекул, образующих пленку на отражающей подложке, и характер их взаимод. с подложкой. Однако необходимо предварительно тщательно учесть роль оптич. эффектов в искажении спектров отражения.

Спектры, полученные при зеркальном отражении, представляют собой суперпозицию спектров отражения и пропускания. Обычно наилучшие результаты получают при угле падения излучения ок. 45° и при толщине покрытий ок. 0,01 мм. При малых толщинах пленок (0,01 мм) и угле падения 90° спектры отражения не м.б. получены, т.к. образующаяся стоячая волна электрич. поля имеет на отражающей пов-сти узел и молекулы в-ва не могут взаимод. с излучением. Кол-во отраженной энергии при скользящем падении луча м. б. значительно больше, причем проникновение излучения будет более глубоким, т.е. будет исследоваться большая толщина образца.

Обычно при внеш. отражении падающий луч проникает в образец на глубину 10-20 мкм. С использованием ИК фурье-спектрофотометров м. б. исследованы-слои толщиной от 5 до 500 мкм при площади исследуемого образца до 1 мм² за время от 2 до 30 мин. В случае металлич. пов-стей интенсивность спектров отражения м.б. повышена путем использования излучения, поляризованного в плоскости, параллельной пов-сти металла.

Спектры диффузного отражения обычно малоинтенсивны, т. к. удается собрать и направить в спектральный прибор только очень малую часть рассеянного (отраженного) излучения. Поэтому в этом случае необходимо применять ИК фурье-спектрофотометры, обладающие высокими светосилой и соотношением сигнал:шум (ок. 10⁵). Получаемые при диффузном отражении спектры часто оказываются подобными спектрам пропускания. Исследуемыми образцами м. б. массивные твердые тела, порошки (иногда содержащие разл. наполнители - КВr, КСl, CsI, прозрачные в исследуемой области спектра), волокнистые (ткани, войлок) и ячеистые (напр., электроды с разл. наполнителями) материалы, пены, суспензии и аэрозоли, разрядные промежутки с электронными запалами для анализа возможных загрязнений и т.д. Перед исследованием твердый образец обычно натирают на наждачную бумагу на основе карбида кремния тонкого помола, спектр к-рого либо не проявляется в спектре исследуемого образца, либо м. б. вычтен из полученного спектра и использоваться как спектр сравнения. Спектры отражения при диффузном рассеянии могут наблюдаться от достаточно малых кол-в в-ва, напр. от пятен на хрома-тографич. пластине. Метод используют также для определения диэлектрич. св-в образцов.

Спектры внутреннег о отражения наблюдают, когда исследуемый образец находится в контакте с призмой из оптически менее плотного материала; излучение проходит сначала через призму и ее границу с образцом под углом, превышающим критический (т.е. угол падения, при к-ром преломление света в образец прекращается), а затем проникает в образец (на глубину до 1-2 мкм), где теряет часть своей энергии и отражается. Таким образом получаются спектры нарушенного полного внутреннего отражения (НПВО). В качестве материала призм используют прозрачные в разл. областях спектра материалы; в частности, кварц, оксиды цинка и магния, сапфир, кремний, фторид кальция, сульфид мышьяка, германий, Ge₃₅Se₅₀As₁₅, селе-ниды мышьяка и цинка, хлориды натрия, калия и серебра, бромиды калия и серебра, теллурид кадмия, алмаз.

При интерпретации спектров НПВО следует иметь в виду, что интенсивности полос повышаются по мере увеличения длины волны, что обусловлено более глубоким проникновением в образец более длинноволнового излучения. Кроме того, искажения формы полос и их смещения м. б. обусловлены дисперсией показателя преломления. Часто используют методику получения спектров многократно нарушенного полного внутреннего отражения (МНПВО), причем число отражений м. б. 25 и более. Длина призмы, находящейся в контакте с исследуемым образцом, может достигать более 500 мм при толщине до 2 мм. Угол падения излучения на кристалл можно варьировать, при этом меняется число отражений и соотв. изменяется интенсивность спектра МНПВО. Используя призму из материала (напр., германия) с высоким значением показателя преломления, при малом числе отражений можно получить хороший спектр МНПВО даже от резины с высоким содержанием сажи. Чем выше показатель преломления материала призмы, тем меньше глубина проникновения излучения в образец.

Метод МНПВО особенно полезен для качеств. анализа и успешно применяется для исследования пов-стей твердых тел и жидких образцов-водных р-ров (объемом до !25 мкл), вязких и клейких в-в, паст, поверхностных покрытий, пов-стей полимерных соед., слоистых пластиков, волокнистых и вспененных материалов, разл. осадков и шламов и т.п. Качество получаемых спектров МНПВО сильно зависит от контакта между кристаллич. призмой и образцом. Вследствие мягкости или хрупкости материалов призм, используемых в этом методе, исследуемые твердые образцы должны иметь гладкую плоскую пов-сть и не быть чрезмерно жесткими или шероховатыми.

Спектры отражения изучаются, как правило, в оптической (ИК, УФ и видимой) области с помощью спектрофотометров (см. Спектросротометрия), снабженных спец. устройствами. При исследовании зеркального отражения применяют обычно систему зеркал, к-рая отклоняет пучок излучения, направляет его на изучаемый объект и возвращает отраженное излучение вновь в спектральный прибор. Для наблюдения спектров НПВО используют такие же приставки, но с той разницей, что в этом случае излучение направляется на призму, находящуюся в контакте с исследуемым образцом. Для изучения спектров диффузного отражения обычно используют т. наз. полую фотометрич. сферу, внутр. пов-сть к-рой покрыта отражающим материалом, не поглощающим в исследуемой области спектра; для входа и выхода излучения и размещения образца в сфере предусматриваются соответствующие "окна".

Спектроскопия отражения-единств. метод получения количеств. оптич. характеристик в-в, для к-рых по тем или иным причинам (вследствие очень сильного поглощения, невозможности получить тонкие слои и т. п.) не м. б. получены спектры пропускания. Все физ. тела, к-рые сами не излучают в видимой области спектра, могут наблюдаться вследствие характерного для них спектра отражения. Спектроскопию отражения применяют для определения оптич. постоянных в-в, для исследования тонких пленок, в частности в оптич. пром-сти и микроэлектронике.

Лит.: Ландсберг Г.С., Оптика, 5 изд., М., 1976; Пришивалко А.П., Отражение света от поглощающих сред, Минск, 1963; Харрик Н., Спектроскопия внутреннего отражения, пер. с англ., М., 1970; Прикладная инфракрасная спектроскопия, под ред. Д. Кендалла, пер. с англ., М., 1970; Борн М., Вольф Э., Основы оптики, пер. с англ., 2 изд., М., 1973; Раков А. В., Спектро-фотометрия тонкопленочных полупроводниковых структур, М., 1975.

Э.Г. Тетерин.