电子回旋共振等离子体及其在材料加工中的应用
电子回旋共振等离子体及其在材料加工中的应用
02级近代物理系等离子体谢会乔PB02203013
摘要
对ECR等离子体放电原理,特点,参数诊断,以及在薄膜沉积和刻蚀方面的应用做一简要调研.
关键词ECR Plasma?lm etching
目录
§1引言1
§2ECR等离子体概述2§2.1ECR放电原理 (2)
§2.2ECR等离子体源的优点 (2)
§3ECR等离子体实验参数3§3.1等离子体实验参数 (3)
§3.2利用双探针对射频偏置ECR–PECVD等离子体参数测量 (3)
§3.2.1实验装置 (3)
§3.2.2实验结果 (4)
§3.3栅网与偏压对ECR等离子体特性影响的测量 (4)
§3.3.1实验装置 (4)
§3.3.2实验结果 (5)
§4气体放电等离子体应用简介5§4.1等离子体表面改性 (6)
§4.1.1薄膜沉积 (6)
§4.1.2刻蚀 (7)
§4.2ECR等离子体活化CVD沉积CN x H y薄膜 (7)
§4.3ECR CCl2F2/Ar/O2等离子体放电刻蚀GaAs (8)
§5结论9参考文献9
§1引言
20世纪70年代晚期,Suzuki等[1]介绍了电子回旋共振（Electron Cyclotron Resonance:ECR）等离子体可以用在硅的亚显微结构刻蚀上.早期实验表明ECR放电可以在中低压强下（10?4?5×10?3Torr）产生高密度等离子体（N e～1011?1012/cm?3）,并同时保持较低的等离子体电势.
在这种处理工艺条件下,离子成为重要的一种化学活性粒子组分,此时离子平均自由程大于离子壳层厚度.所以,通过在基板电极上加入独立的射频（RF）偏压,离子速度大小和方向可控,直接通过基片离子壳打在基片上.离子在穿过离子壳层时没有碰撞,以正常方式撞击基片.通过调整微波能量可以控制离子流,通过调整基片电极偏压可以控制轰击能量,因为离子流垂直于基片表面,通过合适地调整阻挡层,可以在基片上实现方向性很好的基片亚显微刻蚀.
上世纪90年代,ECR等离子体工艺技术已经相当成熟.发展了多种ECR等离子体装置和等离子体源设计思想,并在众多低压等离子体工艺中得到应用[2].
§2ECR等离子体概述
在实验室中,有很多方法和途径可以产生等离子体,如气体放电、激光压缩、射线辐照及热电离等,但最常见和最主要的还是气体放电法.气体放电可分为电晕放电、辉光放电和电弧放电.辉光放电又可以分为直流辉光放电、射频辉光放电和微波放电.
微波放电是将微波能量转换为气体分子的内能,使之激发、电离以产生等离子体的一种放电方式.这种放电虽然与射频放电有许多相似之处,但能量的传输方式却不相同.在微波放电中,通常采用波导管或天线将由微波电源产生的微波耦合到放电管内,放电气体存在的少量初始电子被微波电场加速后,与气体分子发生非弹性碰撞并使之电离.若微波的输出的功率适当,便可以使气体击穿,实现持续放电.
电子回旋共振的诞生和发展直接来源于高功率微波源的实现.
§2.1ECR放电原理
图1为微波ECR等离子体放电装置示意图,这种放电装置分为两部分,即放电室和工作室.在放电
图1:微波ECR等离子体放电装置
室中,工作气体中的初始电子在由电流线圈产生的稳恒磁场的作用下,绕磁力线做回旋运动.电子的回
旋频率为
ωce=eB
m e
.(1)
其中,B为磁感应强度,e为电子电量,m e为电子质量.通过通过适当地调整磁场的空间分布,使得电子回旋频率在沿放电室的轴向上某一位置与微波的圆频率ω一致,那么就会产生共振现象,称为电子回旋共振.对于这种类型的放电装置,微波的频率一般为2.45GHz,那么发生共振的磁感应强度为875高斯.实际上,磁场沿着轴线是发散的.借助于发散磁场的梯度,可以将放电室中产生的等离子体输送到工作室中以供使用[2].
§2.2ECR等离子体源的优点
使用ECR等离子体源有很多显著优点,可以在较低气压下产生比较高密度的等离子体;由于气压较低,离子和活性粒子的平均自由程较长;等离子体电势较低;不需要放置在等离子体内电极,从而不会
产生电极蒸发污染.
在等离子体刻蚀和沉积方面,由于产生的等离子体电离率高,密度高,无电极污染,并具有丰富的高能电子与紫外光子,对刻蚀和沉积有很好的作用.离子可以不经过碰撞而达到基片上,可以保持很好的方向性,离子流和离子能量可以独立控制,这些特点对刻蚀工艺极为有利.在ECR–PECVD装置中可以对基片施加射频偏压来独立地控制轰击基片的离子能量,以进一步提高和改善薄膜的性能[2,3].
§3ECR等离子体实验参数
等离子体工艺中对各参数的诊断及测量,有助于进行等离子体物理研究,诊断技术的发展,以及对工艺参数的改进有很重要的作用.
§3.1等离子体实验参数
对低温等离子体实验参数的测量,可分为三种参数的测量:
1.对所处理材料的测量及其性质评估,包括刻蚀速率,刻蚀各项异性,沉积速率,沉积膜质量等.手段主
要有X射线衍射,SEM,STM,AFM等.
2.对等离子体产生控制参数的测量,包括电流,偏压,微波功率,微波频率,气压等.其主要测量手段都有
相应的仪器来进行测量,例如气压可以使用真空规管来测量,放电电流使用通常的电流计即可.
3.等离子体本身参数的诊断,包括等离子体密度,等离子体电子、离子温度等,可以使用探针诊断法,离
子能量分析器,光谱诊断法,质谱诊断法,微波干涉诊断法等.另外,对于等离子体中粒子种类及其组分的测量诊断也可使用例如光谱诊断法,质谱诊断法等.
下面以射频偏置ECR–PECVD等离子体参数测量[3]和栅网与偏压对CHF3电子回旋共振放电等离子体特性的影响[4]两个实验来简要说明对ECR等离子体工艺中参数的测量,及最佳参数的选择.
§3.2利用双探针对射频偏置ECR–PECVD等离子体参数测量
微波电子回旋共振等离子体增强气相沉积（ECR–PECVD）装置被广泛地应用于微电子、光学、平面显示和太阳能电池等领域的高性能薄膜的沉积.对基片附近的等离子体参数和离子行为参数的研究是了解离子对基片轰击的一种有效方法.从这些参数中可以得到通过等离子体鞘层的离子轰击能量和离子流密度等,而离子能量和离子流密度被认为是对薄膜沉积中影响薄膜性能最重要的参数.
§3.2.1实验装置
图2为基片射频偏置ECR–PECVD装置图,主要由真空系统、进气系统、微波系统、励磁系统、反应室、沉积室和射频基片架组成.实验中均使用Ar气作为工作气体.
图2:ECR–PECVD及测量装置示意图
1–反应室;2–励磁系统;3–微波源;4–真空系统;5–进气系统;
6–基片架;7–双探针;8–射频电源;9–沉积室.
由于装置中有磁场存在,所以采用双探针测量.双探针由两个表面积相同的探针组成,悬浮于等离子体中,工作电压加在两探针之间,测量工作电流I D 随两探针之间电压V D 的变化,就得到双探针的伏安特性曲线.当两探针完全相同时,I i 01=I i 02=I i 0,同时令I D =0,则可求得电子温度kT e 的计算公式:
kT e e =I i 02dI D dV D I D =0
.(2)知道电子温度T e 后,可以由正离子饱和电流I i 0和电子温度、电子密度的关系求出电子密度n e ,从而求得等离子体密度n 0:n e ≈n i ≈n 0=I i 00.61eA s kT e m i
1/2,
(3)式中,I i 0为离子饱和流;m i 为离子质量;A s 为探针表面积.
由于影响薄膜性能的区域是基片附近的等离子体鞘层,因此探针安装在基片架上(如图
2所示)来测量基片表面的等离子体参数,两个测量探针的材料为钨丝.
§3.2.2实验结果
实验结果表明,较小的射频功率不足以影响ECR 等离子体密度,等离子体密度主要由微波ECR 功率所决定;基片射频偏置对电子温度有明显的影响,射频功率的增加将导致电子温度的上升.
另外,在射频偏置下,微波功率、励磁电流和工作气压对等离子体参数的影响研究表明:在微波功率为400W,励磁电流为140A 和工作气压约为1.2×10?1Pa 时,等离子体密度和电子温度最高.§3.3栅网与偏压对ECR 等离子体特性影响的测量
在ECR–PECVD 技术沉积薄膜过程中,为了获得最佳的等离子体状态改善薄膜的结构和物性人们较多研究了宏观条件对放电等离子体特性的影响,如ECR–PECVD 中微波功率、气压对等离子体特性的影响.同时,人们也采用特殊的技术来控制等离子体特性,如脉冲ECR 放电技术,即利用脉冲施加和去除之间的差异获得不同的基团分布状态.但是在这些过程中,等离子体中的基团种类与密度分布较难控制.
为了提高薄膜质量,在ECR–PECVD 系统中通过增加栅网来控制离子能量和基团分布,或者以栅网材料作为掺杂元素来改变薄膜的性能,是ECR–PECVD 技术中的重要发展,对栅网的增加对等离子体特性影响的深入研究是很有必要的.
§3.3.1实验装置
实验中使用永磁多极场型微波ECR–PECVD 系统产生等离子体,实验装置如图3所示.微波源输出功率在300–1000W 之间连续可调.CHF 3工作气体的流量为3sccm.
图3:栅网与偏压对ECR–PECVD 等离子体特性影响
在放电室的出口处放置了单层不锈钢栅网,栅网采用绝缘基座对地悬浮,采取对地加+60V和-60V 两种偏压方式.在放置栅网后,微波反射功率的变化低于8%,因此栅网的增加对放电等离子体吸收微波能量的影响较小.
使用光强度测定的发射光谱技术研究了CHF3的ECR放电等离子体中基团的轴向分布状态,这是在碳氟气体放电等离子体研究中得到广泛应用的等离子体诊断方法.等离子体发射光谱用光纤光谱仪测量.采用专用软件包得到各特征谱线的相对发射强度I nr.
为了分析等离子体中各种基团的密度分布,实验中在CHF3中添加了0.1sccm的Ar,采用Ar的750.8nm激发谱线作为标定谱线.由于Ar的添加量较小(3%),对CHF3放电等离子体的影响可以忽略.根据各种基团发射谱线的相对强度I nr和Ar发射谱线的相对强度I nAr,由I nr/I nAr得到等离子体中各种基团的相对密度.
§3.3.2实验结果
图4为在600W微波入射功率下CHF3的ECR放电等离子体发射光谱.根据在300–900W不同入射功率下CHF3的等离子体发射光谱,由I nr/I nAr得到增加栅网前后和栅网上施加±60V偏压时等离子体中各种基团相对密度的分布状态.研究对ECR放电等离子体特性的影响.
图4:CHF3的ECR放电等离子体发射光谱图(微波入射功率为600W)
实验结果发现在300–500W低微波功率下栅网与偏压对等离子体中基团分布的影响较显著,并且栅网与偏压的存在使等离子体中基团相对密度随微波功率的变化关系发生较大改变.栅网的增加在等离子体空间引入了一个鞘电场区,同时偏压的施加使鞘电场发生变化.在低微波功率下,由于等离子体电子温度较低,这时鞘电场和偏压对电子能量的影响与之相当.在高微波功率下,电子温度提高,鞘电场和偏压的影响逐渐减小,因而分解行为主要受微波功率的控制.
§4气体放电等离子体应用简介
等离子体应用领域中非常重要的一个分支是分析光谱化学,在一些资料[5,6,7]里面有非常详尽的介绍,我们这里对这一方面不作介绍.等离子体有非常好的工业应用(表面改性,激光,照明等),但是人们对生活科学,环境方面,和生物医学方面的应用也非常赶兴趣.
从科学的观点看,等离子体产生粒子,动量,能量转变.事实上可以认为粒子,动量,能量可以认为注入等离子体中,进而又再次输出粒子(化学组分改变),动量(加速)或者能量(热,光).从这个观点出发,我们可以得到以下应用方向[8].
1.粒子转变,例如,等离子体化学,材料表面(表面改性,沉积,刻蚀等)或等离子体本身(尘埃形成,臭氧产
生,环境应用);
2.动量转变,例如,等离子体打孔,火箭推动;
3.能量转变,例如,光源制造,如灯具,等离子体显示器,激光.
等离子体表面改性的主要应用有,薄膜沉积,刻蚀,等离子体环境粒子注入,表面活化,等离子体聚合,清洁,氧化和表面硬化等.
§4.1等离子体表面改性
材料加工技术的一个重要手段就是等离子体表面改性.使用等离子体工艺,材料表面和结构的加工
结果是其他任何手段所不能达到的,并且是一些材料表面属性改进的唯一手段.主要集中介绍一下等离
子体沉积和刻蚀工艺.
§4.1.1薄膜沉积
等离子体体沉积工艺可以分为两类:溅射沉积(Sputter-deposition)和等离子体增强化学气相沉积(Plasma enhanced chemical vapor deposition:PECVD).
(1)溅射沉积包含物理溅射和反应溅射.物理溅射中,等离子体中的离子(和原子)轰击靶材,并将把材
料原子(或分子)释放出来.这就像原子尺度上的喷砂处理(sand-blasting).溅射出的原子分散到等离子体中,到达基片表面在基片表面沉积.反应溅射中使用分子气体.等离子体中的离子轰击溅射靶材,同时反应
气体的分裂产物和靶材反应.所以,基片表面沉积薄膜将包含反应气体和靶材的化合物.沉积作用机制如
图5所示[8].
图5:在基片上沉积薄膜的步骤
(a)单原子到达基片表面并自由迁移;(b)第二个原子到达并结合成对;(c)结核形成“原子岛”;
(d)原子岛增长;(e)原子岛结合;(f)形成连续薄膜.
(2)反应气体放电PECVD是沉积的另外一种手段.等离子体(主要是电子碰撞电离)中的化学反应
可以产生大量不同种类的离子和激活粒子,到达基片通过表面化学反应沉积.和普通CVD相比较主要
的优点是PECVD可以在非常低的温度下进行.PECVD中2–5eV的电子温度就足以引起分裂,而在普
通CVD中气体和表面反应是热激发的.这样在普通CVD中由于熔化等问题不能生长的膜在PECVD
中可以十分方便地生成.
多种等离子体源已经应用在PECVD中,从DC,AC,RF,脉冲放电到微波放电,ECR,ICP等. PECVD的两个最著名的应用就是无定形硅氢化合物(a:Si-H)和碳氢化合物(a:C-H)层的沉积[8].
§4.1.2刻蚀
等离子体刻蚀实际上就是把材料从表面移除.三个最重要的刻蚀参数是刻蚀速率的均匀性(uniformity),各相异性(anisotropy)和选择性(selectivity).
刻蚀速率均匀性是半导体工艺中的一个主要考虑因素.容性耦合系统中,干胶片周边电极的几何形
状对刻蚀速率均匀性有很大的影响,尤其在干胶片边缘区域.感性耦合等离子体系统中,基片背面空间延
伸射频耦合对整个干胶片的刻蚀速率均有影响.
各相异性刻蚀指材料刻蚀只在垂直方向上进行,而水平方向刻蚀速率为零(见图6a).相对于各向同
性刻蚀(见图6b),垂直和水平方向刻蚀速率相等,导致所谓的“凹侧(undercutting)”(见图6b).刻槽之间
距离的减小(亚微米结构)使得各向异性刻蚀是非常必要的.等离子体工艺是现在唯一的可以控制各向异
性刻蚀的商业制造手段,所以,各向异性成为驱动等离子体工艺技术的主要驱动力.
图6:各向异性和各向同性刻蚀失意图
(a)材料只在垂直方向上被移除;(b)垂直和水平方向上刻蚀速率相等,导致“凹侧”.
另一个重要的IC制造工艺参数是选择性(移除一种材料的同时留下另外的材料).通常高选择性等
离子体刻蚀工艺是不容易设计出的,并且选择性和各向异性在等离子体刻蚀工艺中经常相互冲突.
低温等离子体刻蚀主要有四个不同的机制,(1)溅射刻蚀(sputter-etching),(2)化学刻蚀(chemical etch-ing),(3)离子增强主动刻蚀(ion-enhanced energetic etching)和(4)离子增强抑制刻蚀(ion-enhanced inhibitor etching)[8].
§4.2ECR等离子体活化CVD沉积CN x H y薄膜
使用传统等离子体活化CVD(PACVD)沉积的碳氮化合物中,氮的相对含量在0.2≤N/C≤0.4之间,比C3N4化合物中需求和含量低几倍.这可能是由于通常使用的CVD工艺中,DC或RF等离子体
中化学活性氮原子的浓度相对较低所引起的.微波放电,特别是ECR等离子体可以有效地提高化学活
性粒子的浓度,从而在较低的气压下提高化学反应效率,增加薄膜生长速率.
L.R.Shaginyan[9]等人使用CH4+N2混合气体ECR PACVD)在Al-Si合金上沉积CN x H y薄膜.研
究了对氮组分的依赖性,增长速率,红外光谱,薄膜相对于微波源的亚微硬度(microhardness),混合气体的
氮浓度和基片偏压影响.给出了CN x H y薄膜的生长机制和主要沉积参数的作用.
实验中ECR PACVD生长CN x H y薄膜装置示意图如图7所示.微波等离子体CVD装置包含一根连
接到沉积室(直径260mm,长度200mm)的方形波导.基片载体使用水冷,可延沉积室轴向移动并相对于地
面电势悬浮.沉积室使用涡轮分子泵(1500升/秒)抽真空,本底气压为5×10?4Pa.等离子体室用石英玻璃制成,与沉积室相连,作为微波谐振腔.磁场线圈绕在等离子体室上,产生ECR所需的1500G磁场.线圈沿装
置轴向可以移动,我们可以改变线圈电流和从机械上改变ECR共振面.基片载体容性联结到13.56MHz
微波源或当使用直流偏压时直接连接到直流电源.ECR等离子体离子使用由于加在基片上的射频电源
产生的负自偏压(U RF)加速.RF电源在50–200W之间移调制U RF在-50～-200V范围内.
图7:ECR PACVD生长CN x H y薄膜装置示意图
薄膜的成分,光学,和机械性质使用电子微探针分析技术(electron microprobe analysis),红外光谱,和显微硬度测量进行研究.结果表明,直流偏压不能有效影响成膜的性质,薄膜具有高氮组分(N/C～0.6)和类聚合物结构.射频偏压强烈地影响成膜属性.射频偏压薄膜但含量低(N/C～0.2),硬度更高(4–7GPa),所有红外谱线均减弱有的谱线甚至消失.这个结果可以用离子轰击效应解释,这可以由CN x H y薄膜只在射频偏置基片有效理解.射频偏置CN x H y薄膜性质的变化与离子轰击对类聚合结构的破坏和包含碳氮原子的类石墨高度无规则结构的形成相关.射频偏压U RF在大约-100V,低N/C(<0.2)时,可以得到最好的摩擦表面薄膜材料.
§4.3ECR CCl2F2/Ar/O2等离子体放电刻蚀GaAs
ECR刻蚀技术可以提供材料表面无损伤各向异性刻蚀.ECR放电在干法III–V族半导体材料刻蚀有很多好处.由于高电离度,高离子密度(>1012/cm3),活化粒子和无电极、无污染等极好特性ECR刻蚀处理有非常重要的作用.此外,此技术相对其他干法刻蚀技术在产生低能量离子方面有很多优点.
图8:ECR刻蚀装置示意图
L.S.S.Singh等人[10]使用ECR CCl2F2/Ar和CCl2F2/Ar/O2放电,并在射频偏置下,对GaAs刻蚀.图8为所使用的ECR刻蚀系统示意图.采用RR160PQ ECR等离子体源,源中有一个等离子体室,以中性气体的电离和激发状态产生等离子体.等离子体室用不锈钢做成的直径160mm,高约120mm圆柱.微波是磁电管通过SM4451250W功率源产生,并通过波导传播.等离子体产生后,以气体流或扩散方式通过孔隙,孔隙和基片的典型距离在200mm左右并有25mm的活动范围.
图9为刻蚀后GaAs表面SEM照片.表面形态和刻蚀深度分别使用SEM和Dektek Pro?lometry进行研究.ECR和射频偏压环境的使用提供很好的刻蚀表面和高刻蚀速率.GaAs样品暴露在等离子后表面损坏使用红外光谱研究.GaAs刻蚀速率在多种等离子体参数下两种放电的依赖性,表明可以达到各向异性刻蚀并且刻蚀速率随时间增长.混合气体氧气含量的增加并不会在GaAs表面引入附加的氧化物.高的能量密度导致GaAs表面氯氟碳(chloro?uorocarbon)聚合物层污染,致使刻蚀速率降低.长时间刻蚀会引起更多的表面损坏,这是GaAs表面挥发物流失导致的.
图9:GaAs刻蚀表面SEM照片
§5结论
ECR等离子体技术作为等离子体源,在很多刻蚀和沉积应用领域得到广泛应用,例如,亚微米刻蚀,无损伤Si,III–V,II–VI刻蚀等.然而,在大多这些应用中,其他相竞争的非微波高密度等离子体源的发展起来并且对处理要求有不错的满足.所以,要做出适用何种等离子体源的选择,往往由一些其他因素决定,例如,用户友好性,低成本,系统可依赖性,以及该技术发展潜力,市场前景,以及用户评价等.所有这些条件对微波技术提出了更高的挑战.
虽然ECR技术已经成熟,为更好满足用户要求,使更多用户接受此技术,该技术的持续进步发展改善是十分有必要的.主要包括:1)反应堆控制改良,例如,不仅包括自动匹配,开始,关闭等,而且包括基于传感的完全智能自动化处理;2)总体功效改进,包括体积和位形最优化和缩减由于使用电磁体导致的额外开支等;3)反应装置材料选择减小系统建造和维护开支;4)低成本微波功率源的实用性[2];5)减少由于使用真空技术导致的开支等其他方面的改进.
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Document conversion by CT E X:https://www.wendangku.net/doc/1418963327.html,
微波段电子自旋共振实验报告
微波段电子自旋共振实验 电子自旋共振（ESR ）谱仪是根据电子自旋磁矩在磁场中的运动与外部高频电磁场相互作用，对电磁波共振吸收的原理而设计的。因为电子本身运动受物质微观结构的影响，所以电子自旋共振成为观察物质结构及其运动状态的一种手段。又因为电子自旋共振谱仪具有极高的灵敏度，并且观测时对样品没有破坏作用，所以电子自旋共振谱仪被广泛应用于物理、化学、生物和医学生命领域。 一. 实验目的 1. 本实验的目的是在了解电子自旋共振原理的基础上，学习用微波频段检测电子自旋共振信号的方法。 2. 通过有机自由基DPPH 的g 值和EPR 谱线共振线宽并测出DPPH 的共振频率，算出共振磁场，与特斯拉计测量的磁场对比。 3. 了解、掌握微波仪器和器件的应用。 4. 学习利用锁相放大器进行小信号测量的方法。 二. 实验原理 具有未成对电子的物质置于静磁场B 中，由于电子的自旋磁矩与外部磁场相互作用，导致电子的基态发生塞曼能级分裂，当在垂直于静磁场方向上所加横向电磁波的量子能量等于塞曼分裂所需要的能量，即满足共振条件B ?=γω，此时未成对电子发生能级跃迁。 Bloch 根据经典理论力学和部分量子力学的概念推导出Bloch 方程。Feynman 、Vernon 、Hellwarth 在推导二能级原子系统与电磁场作用时，从基本的薛定谔方程出发得到与Bloch 方程完全相同的结果，从而得出Bloch 方程适用于一切能级跃迁的理论，这种理论被称之为FVH 表象。 原子核具有磁矩： L ?=γμ； （1） γ称为回旋比，是一个参数；L 表示自旋的角动量； 原子核在磁场中受到力矩： B M ?=μ； （2）
电子自旋共振-完整版Word版
电子自旋共振 摘要：电子自旋共振是近代物理学的一个重要发现，该现象目前已经被广泛的应用。本文主要介绍基于FD-ESR-C 型微波电子自旋共振实验仪的实验原理、实验装置、实验方法、实验步骤等。 关键词：近代物理实验；微波；电子自旋共振；g 因子； 【1】引言 电子顺磁共振（电子自旋共振）是1944年由前苏联的扎伏伊斯基首先观察到的。它是指电子自旋磁矩在磁场中受到响应频率的电磁波作用时，在它们的磁能级之间发生的共振跃迁现象。这种现象在具有未成对自旋磁矩的顺磁物质（即含有未耦电子的化合物）中能够观察到，因此，电子顺磁共振是探测物质中未耦电子以及它们与周围原子相互作用，从而获得有关物质微观结构信息的重要方法。这种方法具有有很高的灵敏度和分辨率，能深入物质内部进行细致分析而不破坏样品结构以及对化学反应无干扰等优点。本实验要求观察电子自旋共振现象，测量DPPH 中电子的g 因子。 【2】实验原理 本实验采用含有自由基的有机物“DPPH ”，其分子式为 3226256)()NO H NC N H C ，称为“二苯基苦 酸基联氨”，其结构式如图所示：在第二个氮 原子上存在一个未成对电子——自由基，ESR 就是观测该电子的自旋共振现象。对于这种“自 由电子”没有轨道磁矩，只有自旋磁矩，因此实验中观察到的共振现象为ESR ，也就是电子自旋共振。这里需要指出这种“自由电子”也并不是完全自由的，它的 e g 值为(2.0023±0.0002)，DPPH 的ESR 信号很强，其e g 值常用作测量其值
接近
2.00的样品的一个标准信号，通过对各种顺磁物质的共振吸收谱线e g 因子的测量，可以精确测量电子能级的差异，从而获得原子结构的信息。 自由电子的自旋磁矩和外加恒定磁场 B 0相互作用将使基态能级发生分裂 , 2 个能级之间的能量差ΔE 与外加磁场 B 0 的大小成正比: 0B B μ g = E Δ （1） 式中g 的值是Lande 因子或劈裂因子。完全自由电子的 g 值是 2.00232 , 为一个无量纲的常量。he/4πe =μB 是Bohr 磁子。若在垂直于静磁场的方向加一个频率为ν的微波交变磁场 , 当微波频率ν与直流静磁场 B 0 满足关系式： g μ = E Δ =h νB0B （2） 时 , 将有少量处于低能级上的电子从微波磁场吸收能量，跃迁到高能级上去。这种现象称之为电子自旋共振或电子顺磁共振，式 ( 2 ) 称为共振条件 . 由式 ( 2 ) 得到： B /μh =g 0B (3) 可见 g 因子的测量精度决定于微波频率和共振磁场的准确测量。 原子中的电子在沿轨道运动的同时具有自旋，其自旋角动量为： （4） 其中S 是电子自旋量子数，S=1/2。 电子的自旋角动量P S 与自旋磁矩S μ间的关系为 （5） 其中：m e 为电子质量；g 的具体表达式为： （6）
电子回旋共振等离子体及其在材料加工中的应用
电子回旋共振等离子体及其在材料加工中的应用 02级近代物理系等离子体谢会乔PB02203013 摘要 对ECR等离子体放电原理,特点,参数诊断,以及在薄膜沉积和刻蚀方面的应用做一简要调研. 关键词ECR Plasma?lm etching 目录 §1引言1 §2ECR等离子体概述2§2.1ECR放电原理 (2) §2.2ECR等离子体源的优点 (2) §3ECR等离子体实验参数3§3.1等离子体实验参数 (3) §3.2利用双探针对射频偏置ECR–PECVD等离子体参数测量 (3) §3.2.1实验装置 (3) §3.2.2实验结果 (4) §3.3栅网与偏压对ECR等离子体特性影响的测量 (4) §3.3.1实验装置 (4) §3.3.2实验结果 (5) §4气体放电等离子体应用简介5§4.1等离子体表面改性 (6) §4.1.1薄膜沉积 (6) §4.1.2刻蚀 (7) §4.2ECR等离子体活化CVD沉积CN x H y薄膜 (7) §4.3ECR CCl2F2/Ar/O2等离子体放电刻蚀GaAs (8) §5结论9参考文献9 §1引言 20世纪70年代晚期,Suzuki等[1]介绍了电子回旋共振（Electron Cyclotron Resonance:ECR）等离子体可以用在硅的亚显微结构刻蚀上.早期实验表明ECR放电可以在中低压强下（10?4?5×10?3Torr）产生高密度等离子体（N e～1011?1012/cm?3）,并同时保持较低的等离子体电势.
在这种处理工艺条件下,离子成为重要的一种化学活性粒子组分,此时离子平均自由程大于离子壳层厚度.所以,通过在基板电极上加入独立的射频（RF）偏压,离子速度大小和方向可控,直接通过基片离子壳打在基片上.离子在穿过离子壳层时没有碰撞,以正常方式撞击基片.通过调整微波能量可以控制离子流,通过调整基片电极偏压可以控制轰击能量,因为离子流垂直于基片表面,通过合适地调整阻挡层,可以在基片上实现方向性很好的基片亚显微刻蚀. 上世纪90年代,ECR等离子体工艺技术已经相当成熟.发展了多种ECR等离子体装置和等离子体源设计思想,并在众多低压等离子体工艺中得到应用[2]. §2ECR等离子体概述 在实验室中,有很多方法和途径可以产生等离子体,如气体放电、激光压缩、射线辐照及热电离等,但最常见和最主要的还是气体放电法.气体放电可分为电晕放电、辉光放电和电弧放电.辉光放电又可以分为直流辉光放电、射频辉光放电和微波放电. 微波放电是将微波能量转换为气体分子的内能,使之激发、电离以产生等离子体的一种放电方式.这种放电虽然与射频放电有许多相似之处,但能量的传输方式却不相同.在微波放电中,通常采用波导管或天线将由微波电源产生的微波耦合到放电管内,放电气体存在的少量初始电子被微波电场加速后,与气体分子发生非弹性碰撞并使之电离.若微波的输出的功率适当,便可以使气体击穿,实现持续放电. 电子回旋共振的诞生和发展直接来源于高功率微波源的实现. §2.1ECR放电原理 图1为微波ECR等离子体放电装置示意图,这种放电装置分为两部分,即放电室和工作室.在放电 图1:微波ECR等离子体放电装置 室中,工作气体中的初始电子在由电流线圈产生的稳恒磁场的作用下,绕磁力线做回旋运动.电子的回 旋频率为 ωce=eB m e .(1) 其中,B为磁感应强度,e为电子电量,m e为电子质量.通过通过适当地调整磁场的空间分布,使得电子回旋频率在沿放电室的轴向上某一位置与微波的圆频率ω一致,那么就会产生共振现象,称为电子回旋共振.对于这种类型的放电装置,微波的频率一般为2.45GHz,那么发生共振的磁感应强度为875高斯.实际上,磁场沿着轴线是发散的.借助于发散磁场的梯度,可以将放电室中产生的等离子体输送到工作室中以供使用[2]. §2.2ECR等离子体源的优点 使用ECR等离子体源有很多显著优点,可以在较低气压下产生比较高密度的等离子体;由于气压较低,离子和活性粒子的平均自由程较长;等离子体电势较低;不需要放置在等离子体内电极,从而不会
电子自旋共振(射频) (340)
中国石油大学 近代物理实验 实验报告 成 绩： 班级：应用物理学09-2班 姓名：王国强 同组者：庄显丽 教师： 电子自旋共振（射频） 一、基础知识 原子中的电子在沿轨道运动的同时具有自旋，其自旋角动量为 () 1+=S S p S （7-2-1） 其中S 是电子自旋量子数，2/1=S 。 电子的自旋角动量S p 与自旋磁矩S μ 间的关系为 () ???? ?+=-=12S S g p m e g B S S e S μμμ （7-2-2） 其中：e m 为电子质量；e B m e 2 = μ，称为玻尔磁子；g 为电子的朗德因子，具体表示为 ) 1(2) 1()1()1(1++++-++ =J J S S L L J J g （7-2-3） J 和L 为原子的总角动量量子数和轨道角动量量子数，S L J ±=。对于单电子原子，原子的角动量和磁矩由单个电子决定；对于多电子原子，原子的角动量和磁矩由价电子决定。含有单电子或未偶电子的原子处于基态时，L=0，J=S=1/2，即原子的角动量和磁矩等价于单个电子的自旋角动量和自旋磁矩。 设g m e e 2= γ为电子的旋磁比，则 S S p γμ= （7-2-4） 电子自旋磁矩在外磁场B （z 轴方向）的作用下，会发生进动，进动角频率ω为 B γω= （7-2-5） 由于电子的自旋角动量S p 的空间取向是量子化的，在z 方向上只能取 m p z S = （S S S S m -+--=,1,,1, ） m 表示电子的磁量子数，由于S =1/2，所以m 可取±1/2。电子的磁矩与外磁场B 的相互作用能为 B B B E z S S γμμ2 1 ±==?= （7-2-6） 相邻塞曼能级间的能量差为
电子自旋共振
微波段电子自旋共振实验 【实验目的】 1. 了解和掌握各个微波波导器件的功能和调节方法。 2. 了解电子自旋共振的基本原理，比较电子自旋共振与核磁共振各自的特点。 3．观察在微波段电子自旋共振现象，测量DPPH样品自由基中电子的朗德因子。 4. 理解谐振腔中TE10波形成驻波的情况，调节样品腔长，测量不同的共振点，确定波导波长。 5．根据DPPH样品的谱线宽度，估算样品的横向弛豫时间。 【实验仪器】 FD-ESR-II型微波电子自旋共振实验仪，双踪示波器 【实验原理】 概述:电子自旋的概念是Pauli在1924年首先提出的。1925年，S.A.Goudsmit和G.Uhlenbeck 用它来解释某种元素的光谱精细结构获得成功。Stern和Ger1aok也以实验直接证明了电子自旋磁矩的存在。 电子自旋共振(Electron Spin Resonance)缩写为ESR，又称顺磁共振(缩写为EPR,Paramagnetic Resonance)。它是指处于恒定磁场中的电子自旋磁矩在射频电磁场作用下发生的一种磁能级间的共振跃迁现象。这种共振跃迁现象只能发生在原子的固有磁矩不为零的顺磁材料中，称为电子顺磁共振。1944年由前苏联的柴伏依斯基首先发现。它与核磁共振(NMR)现象十分相似，所以1945年Purcell、Paund、Bloch和Hanson等人提出的NMR实验技术后来也被用来观测ESR现象。 ESR己成功地被应用于顺磁物质的研究,目前它在化学、物理、生物和医学等各方面都获得了极其广泛的应用。例如发现过渡族元素的离子、研究半导体中的杂质和缺陷、离子晶体的结构、金属和半导体中电子交换的速度以及导电电子的性质等。所以，ESR是一种重要的近代物理实验技术。 ESR的研究对象是具有不成对电子的物质，如(1)具有奇数个电子的原子，象氢原子；(2)内电子壳层未被充满的离子，如过渡族元素的离子；(3)具有奇数个电子的分子，如NO；(4)某些虽不含奇数个电子，但总角动量不为零的分子，如O2；(5)在反应过程中或物质因受辐射作用产生的自由基；(6)金属半导体中的未成对电子等等，通过对电子自旋共振波谱的研究，即可得到有关分子、原子或离子中未偶电子的状态及其周围环境方面的信息，从而得到有关的物理结构和化学键方面的知识。 用电子自旋共振方法研究未成对的电子，可以获得其它方法不能得到或不能准确得到的数据。如电子所在的位置，游离基所占的百分数等等。 一、仪器简介 FD-ESR-II用来测量DPPH样品的ESR吸收谱线，测量g因子，并分析微波系统的特性。如图1所示。
表面等离子体共振原理及其化学应用
表面等离子体共振原理及其应用 李智豪 1.表面等离子体共振的物理学原理 人们对金属介质中等离子体激元的研究, 已经有50多年的历史。1957年Ritchie发现, 高能电子束穿透金属介质时, 能够激发出金属自由电子在正离子背景中的量子化振荡运动, 这就是等离子体激元。后来,人们发现金属薄膜在入射光波照射下, 当满足特定的条件时, 能够激发出表面等离子体激元, 这是一种光和自由电子紧密结合的局域化表面态电磁运动模式。由于金属材料的吸收性质,光波沿金属表面传播时将不断被吸收而逐渐衰减, 入射光波的能量大部分都损耗掉了, 造成反射光的能量为最小值, 这样就把反射光谱的极小值与金属薄膜的表面等离子体共振联系了起来。 1.1 基本原理[1] 光与金属物质的相互作用主要是来自于光波随时间与空间作周期性变化的电场与磁场对金属物质中的电荷所产生的影响,导致电荷密度在空间分布中的变化以及能级跃迁与极化等效应,这些效应所产生的电磁场与外来光波的电磁场耦合在一起后,表达出各种不同光学现象。 等离子体是描述由熔融状态的带电离子所构成的系统,由于金属的自由电子可当作高密度的电子流体被限制于金属块材的体积范围之内,因此亦可类似地将金属视为一种等离子体系统。当电磁波在金属中传播时,自由电子会随着电场的驱动而振荡,在适当条件下,金属中传播之电磁波其电场振荡可分成两种彼此独立的模态,其中包含电场或电子振荡方向凡垂直于电磁波相速度方向的横波模态,以及电场或电子振荡方向凡平行波的传播方向纵波模态。对于纵波模态,自由电子将会沿着电场方向产生纵向振荡的集体运动,造成自由电子密度的空间分布会随时间之变化形成一种纵波形式之振荡,这种集体运动即为金属中自由电子之体积等离子体振荡。 金属复介电常数的实部相对其虚部来说,往往是一个较大的负数,金属的这种光学性质,使金属和介质的界面处可传输表面等离子波,使夹于两介质中间的金属薄膜可传输长程表面等离子波。这两类表面波具有不同于光导波的独特性质,例如,有效折射率的存在范围大、具有场
表面等离子体共振实验
表面等离子体共振实验 姚付强 2012326690046 应用物理学12（2）班 实验目的： 1. 了解全反射中消逝波的概念。 2. 观察表面等离子体共振现象，研究共振角随液体折射率的变化关系。 3. 进一步熟悉和了解分光计的调节和使用。 实验原理： 当光线从光密介质照射到光疏介质，在入射角大于某个特定的角度（临界角）时，会发生全反射现象。但在全反射条件下光的电场强度在界面处并不立即减小为零，而会渗入光疏介质中产生消逝波。若光疏介质很纯净，不存在对消逝波的吸收或散射，则全反射的光强并不会衰减。反之，若光疏介质中存在能与消逝波产生作用的物质时，全反射光的强度将会被衰减，这种现象称为衰减全反射。 如果在这两种介质界面之间存在几十纳米的金属薄膜，那么全反射时产生的消逝波的P 偏振分量将会进入金属薄膜，与金属薄膜中的自由电子相互作用，激发出沿金属薄膜表面传播的表面等离子体波。表面等离子体共振原理如图所示。 对于某一特定入射角，消逝波平行于金属(电介质)界面的分量与表面等离子体波的波矢（或频率）完全相等，两种电磁波模式会强烈地耦合，消逝波在金属膜中透过并在金属膜与待测物质界面处发生等离子体共振，导致这部分入射光的能量被表面等离子体波吸收，能量发生转移，反射光强度显著降低，这种现象被称为表面等离子体波共振。 当发生共振时，表面等离子体共振角与液体折射率的关系由以下公式表示 2 2 122 10Re Re )sin(n n n sp +=εεθ 其中 sp θ 为共振角， 0n 为棱镜折射率，2n 为待测液体折射率，1Re ε 为金属介电
常数的实部。 实验仪器 表面等离子体共振实验仪器装置如图所示。主要由分光计、激励光源、偏振片、硅 光电池、光功率计、半圆柱棱镜（内充液体介质）。 实验内容 1. 调整分光计 2. SPR传感器中心调整 3. 测量某一液体的共振角 数据处理 最大光强为126 光强126 121 115 107 97 92 91 83 86 87 88 89 93 1.0 0.96 0.91 0.85 0.77 0.73 0.72 0.66 0.68 0.69 0.70 0.71 0.74 相对光 强 63 65 66.5 68 69.5 71 72.5 73 73.5 74 75.5 77 78.5 入射角 （°）
傅立叶变换_离子回旋共振质谱法在蛋白质分析中的应用
收稿日期:2002211204 基金项目:国家自然科学基金资助项目(20175034)作者简介:作者简介:刘晗青(1979～),女(汉族),江苏省常州市人,硕士研究生,分析化学专业3通讯作者:郭寅龙(1962～),男(回族),博士,研究员,分析化学专业,E 2m ail :ylguo @pub .si oc .ac .cn 第24卷第2期 2003年5月 质谱学报 Jou rnal of Ch inese M ass Spectrom etry Society V o l .24 N o .2M ay 2003 傅立叶变换-离子回旋共振质谱法在 蛋白质分析中的应用 刘晗青,郭寅龙3 (中国科学院上海有机化学研究所,上海 200032 ) [作者简介]:刘晗青,2001年毕 业于中国药科大学,2001级中科院上海有机化学研究所分析化学专业硕士研究生。主要进行生物质谱方向的研究。在郭寅龙研究员的指导下,进行生物样品微量分析的高灵敏间歇电喷雾方法学研究,在《化学学报》等刊物上发表论文两篇。 摘要:对傅立叶变换2离子回旋共振质谱(FT I CRM S )的 仪器特点及FT I CRM S 在研究蛋白质结构鉴定、蛋白质翻译后修饰和蛋白组学中的应用等方面进行了综述和讨论。给出参考文献45篇。 关键词:质谱学;蛋白质分析;综述;傅立叶变换2离子回旋共振质谱(FT I CRM S ) 中图分类号:O 657163;Q 51217 文献标识码:A 文章编号:100422997(2003)022363207 1 傅立叶变换-离子回旋共振质谱的仪器 特点 傅立叶变换2离子回旋共振质谱法(FT I CRM S )是离子回旋共振波谱法与现代计算机技术相结合的产物。傅立叶变换2离子回旋共振质谱法是基于离子在均匀磁场中的回旋运动,离子的回旋频率、半径、速度和能量是离子质量和离子电荷及磁场强度的函数,当对离子施加与其回旋频率相同的射频场作用时,离子将同相位加速至一较大的半径回旋,从而产生可被接受的类似电流的信号。傅立叶变换2离子回旋共振质谱法所采用的射频范围覆盖了欲测定的质量范围,所有离子同时被激发,所检测的信号经过傅立叶变换,转换为质谱图。 傅立叶变换2离子回旋共振质谱仪的优点十分突出[1],主要优点如下: (1)容易获得高分辨率。FT I CRM S 的分辨率在一个较宽的质荷比范围内极高,远远超过其 它类型的质谱仪[2]。在一定的频率范围内,只要在足够长的时间内进行采样,均可获得高分辨数据,这样就能获得高的质量准确性[3～5]。用FT I CRM S 可得到精度很高的精确质量数,这对于 得到离子的元素组成是很重要的。Schu rch 等[6]用N 2羧基苯邻二甲酰亚胺标记,鉴于FT I 2CRM S 的高分辨率,鉴定肽段时质量误差仅为0.003D 。Kelleher 等[7]根据FT I CRM S 的高分辨率,设计不用色谱分离直接鉴定出CH 3 CD 32标记的肽的方法; (2)便于实现串极质谱分析。可完成多级(时间上)串联质谱的操作,由于它可提供高分辨的数据,因而信息量更丰富。多级串联质谱中采用碰撞诱导解离(Co llisi on 2induced dissociati on ,C I D )技术,将待分析的多肽离子在碰撞阱中分离,选中合适的离子碎成碎片,并记录片段的离子谱图。理论上,任何一个多肽的C I D 谱包含了鉴定该蛋白质足够的信息[8,9](主要指低碰撞能
表面等离子体共振
表面等离子共振技术（Surface
张颖娱 综述
Plasmon Resonance SPR）
学号 10281036
生物物理系
摘要 : SPR 是一种物理光学现象，而且 SPR 对金属表面附近的折射率的变化极为敏感，利用这一性 质，将一束平面单色偏振光以一定角度入射到镀有薄层金膜的玻璃表面发生全反射时,若入射光的波向量与 金膜内表面电子的振荡频率匹配,光线即耦合入金膜引发电子共振,即表面等离子共振。以 SPR 原理设计的 生物传感器近来引起广泛的重视。 关键词 表面等离子共振 生物传感器 薄膜
1900 年,由 Wood 发现了光波通过光栅后,光频谱发生了小区域损失,这是关于 SPR 这一电磁场效应的最 早记载。1941 年,FanoU 发现这种“Wood 异常”是由于等离子波造成的。1958 年,Turbader 首先对金属薄膜 采用光的全反射激励的方法,观察表面等离子共振现象。 此后,至 60 年代 Otto 以及 1971 年 Kretschmann 分别 发表了里程碑性质的文章,激发了人们应用 SPR 于传感机制的热情,而 Kretschmann 结构也为 SPR 型传感器 奠定了基础。目前 SPR 被尝试用于测量各种物质的结构、特性及其的相互作用等。 1 SPR 生物传感器的基本原理： （如图 2 所示） 表面等离子振动是金属表面自由电子的一种集团运动,代表了一种表面带电的量子振动。在激励 SP 的 通常方法中,光入射在金属薄膜上,产生衰减场,衰减场的穿透深度 dp 为：
（1） 通常要求金属薄膜小于 60mm,达到衰减场中的 TM(横磁波)极化能量耦合并激发等离子态,耦合的数 量、 等离子体的强度受到了金属两侧材料的影响,如果在金属薄膜一侧加一层待测物质,试样与金属薄膜的耦 联影响了结构的折射率,从而影响了反射光、衰减以及等离子体共振。所以,可以把 SPR 型传感器看作等离 子体耦联效率的度量计。基原理如图 2 所示， 其中：
上述两个公式分别为沿表面传播的波矢量,其中:λ为入射光波长,εm 为金属介电常数 的实部,εd 为金属外介质的介电常数,np 为透镜的折射率,θ为入射光与表面法线的夹角。发生共振时,入射 光与法线的临界角为:
θ=arcsin[εmεd(εm+εd)εg]1/2
(4)
显然,共振角受到折射率(或介电常数)的影响,此时,金属膜外侧的衰减场为:
电子自旋共振 实验报告
电子自旋共振 【实验原理】 1. 电子的轨道磁矩和自旋磁矩 电子的轨道磁矩为 2l l e e P m μ=- l P 为电子轨道运动的角动量，e 为电子电荷，e m 为电子质量。轨道角动量和轨道磁矩分别为 l l P μ== 电子的自旋磁矩 s s e e P m μ=- s P 为电子自旋运动的角动量，e 为电子电荷，e m 为电子质量。自旋角动量和自旋磁矩分别为 s s P μ== 由公式可以看出电子自旋运动的磁矩与动量之间的比值是轨道轨道磁矩与角动量之间比值的2倍。 对于单电子的原子，总磁矩 j μ与总角动量 j P 之间有 j j e e g P m μ=-
其中()()() () 111121j j l l s s g j j +-+++=++。对单纯轨道运动g 为1，对于单纯自旋运 动g 为2。 引入旋磁比γ，即有 j j e P e g m μγγ==- 在外磁场中 j P 和 j μ都是量子化的，因此 j P 在外磁场方向上投影为 ()(),1,,1,2π = =----z mh P m j j j j 相应的磁矩 j μ在外磁场方向上的投影为 ()(),1,,1,2γμπ = =----z mh m j j j j 由以上公式可得 4z B e mgeh mg m μμπ=- =- 4B e eh m μπ= 为玻尔磁子 2. 电子自旋共振（电子顺磁共振） 由于原子总磁矩 j μ的空间取向是量子化的，因此原子处在外磁场B 中时，磁矩 与外磁场的相互作用也是量子化的，为 2j B mhB E B mg B γμμπ=-=- =- 相邻磁能级之间的能量差为 2hB E γπ?= 当向能量差为 20hB E γπ?= 的原子发射能量为20 hB h γνπ= 光子时，原子将这个光子 跃迁到高磁能级，这是发生在原子中的共振吸收跃迁现象，磁能级分裂是由电子
微波段电子自旋共振
微波段电子自旋共振 一、实验目的 1.本实验的目的是在了解电子自旋共振原理的基础上，学习用微波频段检测电子自旋 共振信号的方法。 2.通过有机自由基DPPH的g值和EPR谱线共振线宽并测出DPPH的共振频率，算出共 振磁场，与特斯拉计测量的磁场对比。 3.了解、掌握微波仪器和器件的应用。 4.学习利用锁相放大器进行小信号测量的方法。 二、实验仪器 本实验使用ＭＳＤ-Ⅱ型电子顺磁共振谱仪观测电子自旋共振信号。 该仪器采用微波边限振荡器自检，低频小调场、慢扫描磁场、锁相放大、计算机自动控制、数据采集、实时显示、数据处理等技术。 该仪器由主机、电磁铁和计算机组成。 整体结构框图如图11.3-2所示。共分为５部分：１．微波部分，２．调制部分，３．扫描部分，４．放大部分，５．测控及接口部分。主机核心部分是微波边限振荡自检系统。它由一端为可调短路活塞，另一端为短路块的３ｃｍ矩形标准波导所构成的变频谐振腔及安放在其中的Ｇｕｎｎ二极管组成，利用Ｇｕｎｎ二极管的负阻特性，可以使它产生Ｘ波段范围内的微波振荡，适当选择Ｇｕｎｎ二极管偏置电压（改变串接电阻）使其处于边限振荡状态（类似于ＮＭＲ中的边限振荡），调节短路活塞，改变腔长以改变微波振荡频率 其频率由安装在腔体上的波长表测量，待测样品粘贴在短路中心的样品杆（黄铜圆柱转杆）
上，它可以做０～３６０°的旋转，使待测样品晶轴对磁场有不同取向，从而研究晶体的各向异性。在靠近短路块内壁波导窄壁中央开有φ２ｍｍ的小孔，以便做参比法测量时，插入参比样品管。为保证待测样品和参比样品处于相同的微波场中，还可将参比样品与待测样品一起粘贴在样品杆上，Ｇｕｎｎ管除做微波源外，还兼做检波器（即当ＥＰＲ发生时，腔的Ｑ值下降，微波振荡电压下降），称为自检，为了提高信噪比和稳定性，Ｇｕｎｎ管装有良好的散热装置。 Ｇｕｎｎ管偏置电压（１０～１２Ｖ）可由干电池或稳压电源供给，本实验采用双路稳压电源，另一路做激磁电源，为电磁铁提供稳定的直流电流。 样品放置在靠近短路块内壁微波磁场Ｂ１最强最均匀处，且与恒磁场Ｂ垂直，满足磁共振对Ｂ和Ｂ１极化方向的要求。 用微波边振自检ＥＰＲ谱仪观测某物质的ＥＰＲ谱线，关键在于调节Gunn二极管的边限振荡状态，即必须使Gunn二极管工作在门限偏置电压Ｖth附近（Gunn二极管偏压略高于Ｖth）。 还有控制、数据采集及处理系统，计算机及专用软件包。 该谱仪可工作在程控扫描和自动扫描两种方式，谱仪通过串行口与微机进行通讯，可实现对扫描电流的控制和对数据进行累加和处理。软件采用ＶＢ编程，在Ｗｉｎｄｏｗｓ环境下运行。整个界面具有菜单式、汉字工作提示、实验数据实时屏幕绘图、实验参数实时显示
1.6 回旋共振及常见半导体的能带结构 -1
1.6 回旋共振及 常见半导体的能带结构
1. k 空间的等能面 22 ()(0)2n k E k E m * =+ 导带底E C 在k=0处，导带底附近 一维情况： 2 222 ()(0)()2x y z n E k E k k k m → * -=++ 三维情况： 当E (k )一定时，对应于多组不同的(k x , k y , k z )，将这些不同的(k x , k y , k z )连接起来构成一个封闭面，其上能值均相等，称为等能面。 等能面为球面 载流子的有效质量是各向同性时，等能面为球面 1) 能带极值在k =0
2222 y x z ()(0)() 2x y z k k k E k E m m m ***=+++ 椭球等能面 设导带极小值Ec 位于k=0处，取椭球主轴为坐标系，则导带底附近能带可表示为： 有效质量是各向异性时，等能面为椭球面。 0 222*11=???? ????=k x x k E m 0 222*11=???? ????=k y y k E m 0 222*11=???? ????=k y y k E m *** ,,z y x m m m 分别代表沿椭球三个主轴的有效质量：
旋转椭球等能面 t y x m m m ==** l m m =*z 坐标原点置于旋转椭球中心，并使k z 轴与旋转椭球长轴重合。横向有效质量；2222()(0)() 2x y z t l k k k E k E m m +=++ 则等能面可表示为： 纵向有效质量； y x k k ,沿 轴的有效质量相等： 沿 轴的有效质量：z k
电子自旋共振实验报告
电子自旋共振实验报告
电子自旋共振实验报告 一、实验目的 1．了解自旋共振的基本原理和实验方法 2．观察和研究电子自旋共振现象，测量二苯基—苦基肼基中电子的朗德因子g 因子 二、实验内容 1．观测电子自旋共振的共振波形，测量共振情况下的磁场0B ，并根据磁场计算g 因子 2．改变微波的频率，测量不同频率下的磁场0B ，并计算不同频率下的g 因子 三、实验原理 1．电子的轨道磁矩 电子的轨道磁矩为 2l l e e P m μ=- l P 为电子轨道运动的角动量，e 为电子电荷，e m 为电子质量。轨道角 动量和轨道磁矩分别为 l l P μ== 2．电子的自旋磁矩 s s e e P m μ=-
s P 为电子自旋运动的角动量，e 为电子电荷，e m 为电子质量。自旋角 动量和自旋磁矩分别为 s s P μ== 由公式可以看出电子自旋运动的磁矩与动量之间的比值是轨道轨道磁矩与角动量之间比值的2倍 3．电子的总磁矩 对于单电子的原子，总磁矩j μ 与总角动量j P 之间有 j j e e g P m μ=- 其中()()() () 111121j j l l s s g j j +-+++=+ +。对单纯轨道运动g 为1，对于 单纯自旋运动g 为2。 引入旋磁比γ，即有 j j e P e g m μγγ==- 在外磁场中j P 和j μ 都是量子化的，因此j P 在外磁场方向上投影为 ()()2,1,,1,z mh P m j j j j π= =---- 相应的磁矩j μ 在外磁场方向上的投影为 ()() 2,1,,1,z mh m j j j j γμπ = =----
电子顺磁共振 实验报告
电子顺磁共振实验报告 一、实验目的 1. 学习电子顺磁共振的基本原理和实验方法；； 2. 了解、掌握电子顺磁共振谱仪的调节与使用； 3.测定DMPO-OH的EPR 信号。 二、实验原理 1.电子顺磁共振（电子自旋共振） 电子自旋共振(Electron Spin Resonance, ESR)或电子顺磁共振(Electron Paramagnanetic Resonance,EPR)，是指在稳恒磁场作用下，含有未成对电子的原子、离子或分子的顺磁性物质,对微波发生的共振吸收。1944年，苏联物理学家扎沃伊斯基(Zavoisky)首次从CuCl2、MnCl2等顺磁性盐类发现。电子自旋共振（顺磁共振）研究主要对象是化学自由基、过渡金属离子和稀土离子及其化合物、固体中的杂质缺陷等，通过对这类顺磁物质电子自旋共振波谱的观测（测量因子、线宽、弛豫时间、超精细结构参数等），可了解这些物质中未成对电子状态及所处环境的信息，因而它是探索物质微观结构和运动状态的重要工具。由于这种方法不改变或破坏被研究对象本身的性质，因而对寿命短、化学活性高又很不稳定的自由基或三重态分子显得特别有用。近年来，一种新的高时间分辨ESR技术，被用来研究激光光解所产生的瞬态顺磁物质（光解自由基）的电子自旋极化机制，以获得分子激发态和自由基反应动力学信息，成为光物理与光化学研究中了解光与分子相互作的一种重要手段。电子自旋共振技术的这种独特作用，已经在物理学、化学、生物学、医学、考古等领域得到了广泛的应用。 2.EPR基本原理 EPR 是把电子的自旋磁矩作为探针，从电子自旋磁矩与物质中其它部分的相互作用导致EPR 谱的变化来研究物质结构的，所以只有具有电子自旋未完全配对，电子壳层只被部分填充（即分子轨道中有单个排列的电子或几个平行排列的电子）的物质，才适合作EPR 的研究。不成对电子有自旋运动，自旋运动产生自旋磁矩, 外加磁场后，自旋磁矩将平行或反平行磁场方向排列。经典电磁学可知，将磁矩为μ的小磁体放在外磁场H 中，它们的相互作用能为： E＝-μ· H = -μH cosθ 这里θ为μ与H之间的夹角,当θ= 0 时，E = -μH, 能量最低，体系最稳定。θ=π时，E=μH，能量最高。如果体系从低能量状态改变到高能量状态，需要外界提供能量；反之，如果体系由高能量状态改变为低能量状态，体系则向外释放能量。
辐射带离子回旋波和磁声波研究
辐射带离子回旋波和磁声波研究 辐射带中各种波动对其中电子通量的变化起着至关重要的作用。暴时热离子的注入会形成不稳定的离子分布,激发两种低频波动。 其一是电磁离子回旋波,它可以和相对论电子回旋共振,被认为是暴时相对论电子损失的重要因素。另一是磁声波,它可以和赤道附近的电子进行朗道共振,可以加速电子到极端相对论水平,也可以造成电子投掷角的蝶形分布。 本文介绍了对这两种波的相关研究。第一章阐述辐射带的结构,简述基本的动力学过程,解释相关的背景理论模型,介绍所使用的观测数据,给出了论文研究思路。 第二章针对斜传播电磁离子回旋波对高能电子的非线性散射进行了研究。电磁离子回旋波对高能电子的回旋共振散射被认为是辐射带高能电子快速沉降损失的重要因素。 波幅较大时波与电子发生非线性散射,偏离经典的准线性预期。已有研究揭示了在平行的电磁离子回旋波中电子的非线性散射特征。 但实际观测到的电磁离子回旋波可以有很大的法向角,在斜传播的波中电子的非线性散射行为还没有研究。利用试验粒子模拟和准线性理论计算,我们发现:斜电磁离子回旋波中,发生基频和谐频共振的电子都会出现显著的非线性效应,非线性电子损失的时间尺度比准线性的预期短。 随着波法向角增长,准线性和试验粒子输运系数的偏差逐渐缩小,损失的时间尺度之间的偏差也缩小。这些结果有助于发展辐射带模型,使模型对电磁离子回旋波损失电子的预测更加准确。 第三章利用范艾伦双星对磁声波进行了协同观测。磁声波是一种低频的哨声
模波动,可以通过朗道共振,局地加速赤道附近的磁镜捕获粒子,造成电子的蝶形投掷角分布。 之前的观测表明,磁声波辐射可以显著偏离当地质子回旋频率的整数倍,这些与局地激发理论产生矛盾的情况,可能是由磁声波传播所造成的。但是,受制于卫星观测条件和数据处理计算,很难验证这种猜测。 我们利用具有高分辨率的频率一时间特征的范艾伦探针数据,进行了磁声波的协同观测。观测发现:在更高的L壳,亚暴注入的热质子激发了分立的磁声波辐射,辐射线在频率一时间谱上呈现出清晰的上升调特征;在更内部的L壳,亚暴热质子并未注入其中,但磁声波几乎在同一时间被观测到,且波信号呈现出一致的频率一时间特征。 这些结果支持了磁声波局地激发理论和波传播的假设,有助于完善相关的磁声波模型,以便更准确地模拟辐射带中磁声波与电子的作用。第四章总结了本文关于电磁离子回旋波散射电子和磁声波传播的主要工作,并对将来的关于这些波的进一步工作进行展望。
FD-ESR-C型微波段电子自旋共振实验仪使用说明
仪器使用说明 TEACHER'S GUIDEBOOK FD-ESR-C 微波段电子自旋共振实验仪 中国.上海复旦天欣科教仪器有限公司Shanghai Fudan Tianxin Scientific_Education Instruments Co.,Ltd.
FD-ESR-C微波段电子自旋共振实验仪 一、概述 电子自旋共振(Electron Spin Resonance)缩写为ESR，又称顺磁共振(缩写为EPR,Paramagnetic Resonance)。它是指处于恒定磁场中的电子自旋磁矩在射频电磁场作用下发生的一种磁能级间的共振跃迁现象。这种共振跃迁现象只能发生在原子的固有磁矩不为零的顺磁材料中，称为电子顺磁共振。1944年由前苏联的柴伏依斯基首先发现。它与核磁共振(NMR)现象十分相似，所以1945年Purcell、Paund、Bloch和Hanson等人提出的NMR实验技术后来也被用来观测ESR现象。 ESR己成功地被应用于顺磁物质的研究,目前它在化学、物理、生物和医学等各方面都获得了极其广泛的应用。例如发现过渡族元素的离子、研究半导体中的杂质和缺陷、离子晶体的结构、金属和半导体中电子交换的速度以及导电电子的性质等。所以，ESR也是一种重要的近代物理实验技术。 由上海复旦天欣科教仪器有限公司生产的FD-ESR-C型微波段电子自旋共振实验仪是用来完成微波段电子自旋共振实验教学的近代物理实验仪器，它主要用来测量DPPH样品的ESR吸收谱线，测量g因子，并分析微波系统的特性。该仪器测量准确、稳定可靠、实验内容丰富，可以用于物理高年级学生专业实验以及近代物理实验。 二、仪器简介 FD-ESR-C型微波电子自旋共振实验仪主要由三部分组成：磁铁系统、微波系统、实验主机系统，如图1所示，另外实验时必须配有双踪示波器（选购件）。 图1 FD-ESR-C型微波段电子自旋共振实验仪 三、技术指标 1．短路活塞调节范围 0－65mm 2．样品管外径 4.8mm
表面等离子共振技术的研究
表面等离子共振技术的研究 摘要：通过对表面等离子共振技术的原理研究，从而深入介绍表面等离子共振传感技术在现代生物科技和医学上的广泛应用，以及探讨未来表面等离子共振技术的应用领域和趋势。 关键词：表面等离子共振技术生物应用医学应用 表面等离子共振技术，英文简写SPR。随着SPR技术成为分析生物化学、药物研究和食物监控领域[1-3]中的一个不可缺少的部分，SPR生物传感器的应用将更加趋向多样化，特别是它在小分子检测盒脂膜领域的新兴应用将使其在未来药物发现和膜生物学中扮演一个越来越重要的角色。近几年，其发展尤为迅猛，随着SPR仪器的不断完善和生物分子膜构建能力的不断增强，SPR生物传感器应用前景极为广阔。 一、表面等离子共振技术简介 表面等离子共振技术，英文简写SPR。1983 年，瑞典科学家Liedberg 首次将SPR 技术应用于抗体抗原相互作用的测定，由此产生了世界上第一只SPR 生物传感器[4]由于SPR生物传感器作为一种强有力的动态检测手段，具有实时检测、无需标记、耗样量少等突出优点，在生物工程、医学、食品工业等多个领域都有广阔的应用前景，引起了世界范围的研究热潮[5]。 1.表面等离子共振技术的原理 表面等离子体共振又称SPR（Surface Plasmon Resonance），是一种物理光学现象[6]，它是由于入射光激发表面等离子体产生表面等离子波而形成的。当一束p偏振光在一定角度范围内入射到两种不同介质界面，如端面蒸镀有一层约50nm厚金膜的棱镜端面时，在棱镜与金膜界面将产生表面等离子波，当入射光波的传播常数与表面等离子波的传播常数相匹配时，引起金膜内自由电子产生共振，即表面等离子共振，入射光的一部分能量在金属表面发生迁移，从而使反射光在一定角度范围内大大减弱，使反射光在一定角度内完全消失的入射角为共振角。如果用于检测分析分子之间的反应动态时，先在芯片表面固定一层生物分子识别膜，然后将待测样品流过芯片表面，如果样品中有能够与芯片表面的生物分子识别膜相互作用的分子，引起金膜表面样品质量和折射率变化，从而导致共振角变化。通过实时监测SPR共振角所反映的生物分子动态结合和解离过程，可以获得被分析物的浓度、亲和力、动力学常数和特异性等信息。 二、表面等离子共振技术的应用 SPR生物传感器由于具有无需标记、在线检测、可再生、无样品前处理等优点[7]，在生命科学、药物残留、食品检测、疾病机理等方面有着广泛的应用前景。
电子自旋实验报告
【摘要】 电子自旋的概念首先由Pauli于1924年提出，1925年S.A.Goudsmit与G.Uhlenbeek利用这个概念解释某些光谱的精细结构。近代观测核自旋共振技术，随后用它去观察电子自旋。本实验目的是观察电子自选共振现象，测量DPPH中电子的g因数。 【原理】 （一）电子的轨道磁矩与自旋磁矩 由原子物理可知，对于原子中电子的轨道运动，与它相应的轨道磁矩μl为 μl= —ep l/2m e 式中p l为电子轨道运动的角动量，e为电子电荷，m e为电子质量，其轨道磁矩方向与轨道角动量的方向相反，数值大小分别为 p l= (l(l+1))^0.5*h μl = (l(l+1))^0.5*eh/2m e 原子中电子除轨道运动外还存在自旋运动。根据狄拉克提出的电子的相对论性波动方程，电子自旋运动的量子数为S= 1/2，自选运动角动量p s与自旋磁矩μs μs =—ep s/m e 其数值大小分别为 p s= (s(s+1))^0.5*h μs = (s(s+1))^0.5*eh/m e 比较上式可知，自旋运动电子磁矩与角动量之间的比值是轨道运动磁矩与角动量之间比值的二倍。 原子中电子的轨道磁矩与自旋磁矩合成原子的总磁矩。对于单电子原子总磁矩μj与角动量p j之间有 μj=-gep j/2m e g = 1 + (j(j+1)-l(l+1)+s(s+1))/2j(j+1) g称为朗德g因数。对于单纯轨道运动g = 1，对于单纯自旋运动g = 2。引入回磁比γ， μj =-γp jγ =-ge/2m e 在外磁场中，μj和p j的空间去向是量子化的。p j在外磁场方向上的投影为 p z = mh m = j，j-1，……，-j 相应的磁矩μj在外磁场方向上的投影为 μz = γmh = mgμB μB称为波尔磁子，电子的磁矩通常都用玻尔磁子μB作单位来量度。 μB= 9.274009*10^-24J/T h = 6.626068*10^-34 J·S （二）电子顺磁共振 既然总磁矩uj的空间取向是量子化的，磁矩与外磁场B的相互作用也是不连续的，其能量为 E=-u j*B=mgu B B 不同量子数m所对应的状态上的电子具有不同的能量。各磁能级是等距分裂的，两磁能级之间的能量差为 E=γ?B 当垂直于磁场B的平面上同时存在一个交变的电磁场Bi，且其角频率ω满足△E=?ω即 ω=γ B 时，电子在相邻的磁能级之间将发生磁偶极共振跃迁。从上面分析可知，这种共振跃迁现象只能发生在原子的固有磁矩不为零的的顺磁材料当中，称为电子顺磁共振。 （三）电子顺磁共振研究的对象 对于许多原子来说，其基态J≠0，有固有磁矩，能观察到顺磁共振现象，但是当原子结合成分子和固体时，却很难找到J≠0的电子状态，这是因为具有惰性气体结构的离子晶体以及靠电子配对耦合成的共价键晶体都形成饱和的满壳层电子结构而没有固有磁矩。另外