OPTIČNE TEHNIKE ZA RAZISKAVE POVRŠIN

1. OPTIČNE TEHNIKE ZA RAZISKAVE POVRŠIN Podiplomski seminar Avtor: Klemen Kunstelj Mentorica: doc. dr. Irena Drevenšek Olenik Ljubljana, 12.4.2005

2. Uvod Odziv snovi na svetlobo Nelinearne optične tehnike Podvajanje frekvenc-SHG Seštevanje frekvenc-SFG Zaključek Vsebina

3. Površinske lastnosti materialov  novi tehnološki postopki in naprave. Adhezija, mazanje, adsorpcija površin; kemični, električni in magnetni vpliv na površino. Nove optične tehnike  Nelinearna optika: Podvajanje frekvenc Seštevanje frekvenc Linearna optika – bolj razširjena Uvod površinsko zelo občutljiva površinsko manj občutljiva

4. Vpadno elektromagnetno (EM) valovanje v snovi inducira polarizacijo  nastane novo EM valovanje z enako ali drugačno frekvenco. Odziv snovi na svetlobo • Potenčna vrsta inducirane polarizacije po prvotnem polju. Fourierove komponente polja z Geometrijski prikaz vpada svetlobe na monosloj med dvema centrosimetričnima medijema (zrak-1 in voda-2). - Linearna susceptibilnost - Nelinearna susceptibilnost

5. Podvajanje frekvenc ali second-harmonic generation (SHG) -vhodno EM valovanje s frekvenco   izhodno EM s frekvenco 2. - preučevanje elektronskih prehodov na površini - informacija o povprečni orientaciji molekul na površini Nelinearni optični pojavi • Seštevanje frekvenc ali sum-fequency generation (SFG) -vhodni EM valovanji z 1(vidno-V) in 2(infrardeče-IR) izhodno EM z 1+ 2. - IR valovanje  2je zvezno nastavljiva  resonančni odziv molekul na površini materiala. • Intenziteta SHG ali SFG: ni() - lomni količnik i-tega medija pri frekvenci . • e() – vektor polarizacije EM valovanja pri frekvenci  (s in p). • L() – Fresnelova matrika • Efektivna susceptibilnost 2eff:

6. Nelinearni optični pojavi • Fresnelova matrika L() je definirana kot: • L() – transmisijska matrika – prehod valovanja iz medija 1 v medij 2. Diagnonalni elementi L():

7. Laserski sistem - Ti:safir pulzni laser (=800nm, širina pulza 100 fs in repeticija 250 kHz). SHG eksperiment • Detekcijski sistem – fotopomnoževalka s števcem fotonov. • Tekočekristalne molekule 8CB (oktacianobifenil) adsorbirane na polimerno podlago: ζ

8. SHG eksperiment • Povezava med molekularno hiperpolarizabinostjo(2)in susceptibilnostjo (2)(če je površina sestavljena iz molekul): ζ - transformacija med laboratorijskim (x,y,z) in (,,)sistemom. NS-število molekul na površini. Struktura vzorca  zrcalna simetrija glede na xz ravnino in podolgovatost molekule ( >, ):

9. Odvisnost SHG signalaod azimutalne rotacije vzorca pri različnih polarizacijskih kombinacijah vhodnega in izhodnega valovanja. SHG eksperiment ζ Smer drgnjenja polimera

10. SHG eksperiment ζ • Informacija o orientaciji in porazdelitvi molekul na površini. • Gaussova porazdelitev po  - določimo parametra 0in : 0~77º in  = 6º • Fourierova vrsta za azimutalno porazdelitev:  Iz ostalih neodvisnih  določimo an do tretjega reda. • Parameter urejenosti drugega reda:

11. (1) Pulzni Nd:YAG laser (z =1064nm, širina pulza 25 ps in repeticijo 20 Hz).Vidno valovanje (frekvenčno podvojeno osnovno) z =532nm (E=1.5mJ)in IR valovanje z zvezno nastavljivo  med 2.6-3.7 m (E=70-110J). SFG eksperiment • Opazovanje dela molekule - urejanje polimernih molekul PVA (polivinil alkohol -CH2-CHOH-n)- Primer CH2skupina:  je normala CH2 ravnine,  je smer simetrijske osi CH2 molekule in  pravokotna na  in . (1) X. Wei, X. Zuang, S.C. Hong, T. Goto, Y.R. Shen, Phys. rev. Lett., vol. 82 (21), 4256 (1999);

12. CH2 vibracije: 2907 in 2940 cm-1simetrično in asimetrično raztezanje CH2 skupine. SSP SPS PPP SFG eksperiment • Simetrično pri 2907 cm-1: IR polarizacija v smeri simetrijske osi CH2 skupine. • Asimetrično pri 2940 cm-1: IR polarizacija v ravnini CH2 skupine pravokotna na njeno simetrijsko. • SFG spektri na območju CH vibracij PVA polimera za tri polarizacijske kombinacije: Simetijska os IR Vidni SFG

13. SFG eksperiment • Podrgnjena PVA površina: C1 simetrija  tenzor ima deset(xxz, yyz, zzz, xzx = zxx, yzy = zyy, xxx, yyx, zzx, xyy = yxy in xzz = zxz)in  pet neodvisnih neničelnih komponent: Simetričen Asimetričen • S pomočjo se da pokazati: • Efektivna susceptibilnosteff: • Po modelu (2) in (3) za CH2 vibracije velja: Vektorji polarizacije 0  4.5 10-38 m3CV-2 s-1 (2)C. Hirose, N. Akamatsu, and K. Domen, J. Chem. Phys. 96, 997 (1997); (3) C. Hirose, H. Yamamoto, N. Akamatsu, and K. Domen, J. Phys. Chem. 97, 10064 (1993);

14. SFG eksperiment • Relacija medin : Nihajni način • Gaussova porazdelitev molekul na površini: • Parametri, ki najbolje opisujejo površinsko porazdelitev: =265, = 275 = 355 in 0 = 2.50.7, 0=0=0.

15. SFG eksperiment • Teoretične (sklenjena črta)in izmerjene (simboli)porazdelitve SFG signala za posamezne polarizaciske kombinacije (SPS, SSP, PPP). • Tabela izmerjenih in izračunanihkomponent • Gaussova porazdelitevje dobra predpostavka. V enotah 10-21 mCV-2s-1

16. Zaključek • Linearne optične tehnike (slabo površinsko občutljive)  težko ločiti signal s površine od tistega iz notranjosti. • Nelinearneoptične tehnike (površinsko občutljive)  orientacija in dinamika površinskih molekul in zgradba površine. • Neinvazivnost in enostavna uporaba na vseh vzorcih dostopnih svetlobi. • Diagnostika materialov - uporabnost v vsebolj zapleteni in zahtevni sodobni tehnologiji.

17. Hvala za pozornost!