Устройство для сканирующей радиочастотно-оптической модуляционной спектроскопии

Авторы патента:

G01N21/359 - Исследование или анализ материалов с помощью оптических средств, т.е. с использованием инфракрасных, видимых или ультрафиолетовых лучей (G01N 3/00-G01N 19/00 имеют преимущество; измерение механических напряжений вообще G01L 1/00; оптические элементы измерительных приборов G02B; анализ изображений путем обработки данных G06T)

Владельцы патента RU 2685076:

Протасеня Дмитрий Владимирович (BY)
Рябушкин Олег Алексеевич (RU)

Изобретение относится к области для определения металлических и диэлектрических параметров полупроводниковых гетероструктур. Устройство для сканирующей радиочастотно-оптической модуляционной спектроскопии содержит по крайней мере два металлических электрода, выполненных в виде стержней, расположеных внутри оптического волокна либо в светоотражающей оболочке, либо в защитном покрытии. Технический результат - повышение локальности измерений и возможность найти применение в качестве неразрушающего метода контроля металлических и диэлектрических полупроводниковых структур. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к модуляционной спектроскопии, в которой производят измерения зависимости спектров материалов от внешнего воздействия, при котором производят модуляцию параметра образца на низкой частоте и измеряют изменения в спектре оптического отражения. Таким параметром может быть электрическое поле, температура, механическое напряжение и т.д. Применение синхронного детектирования позволяет производить измерения с высокой точностью. В результате измерений можно получить информацию о встроенных электрических полях, температуре, электронных состояниях в поверхностном слое полупроводника, металла и диэлектрика, толщина которого определяется проникновением света в исследуемый материал.

В частности, изобретение относится к радиочастотной оптической модуляционной спектроскопии. В этом случае в качестве параметра выступает внешнее радиочастотное поле в диапазоне от 100 кГц до 100 МГц, дополнительно промодулированное на низкой частоте (100-1000 Гц).

Известно устройство и способ измерений, получивший название радиочастотное модуляционное отражение (РМО) [Рябушкин О.А., Сабликов В.А. «Модулированное радиочастотным полем отражения света в полупроводниковых гетероструктурах», Письма в ЖЭТФ, том. 67, вып. 3, стр. 217-221, 1998]. Полупроводниковую структуру с двумерным электронным газом помещают между пластинами плоского конденсатора. К металлическим пластинам прикладывают напряжение на частоте радио диапазона, которое модулируют по амплитуде. Зондирующий луч света подводится к образцу с помощью оптического волокна через отверстие в стенке конденсатора. Отраженный луч выводится наружу через такое же волокно. В результате получаются изменения спектра в диапазоне длин волн, соответствующем краю запрещенной зоны. Они обусловлены эффектами Франца-Келдыша и экситонными состояниями. Замечено, что сигнал возрастает с понижением температуры, поэтому данные измерения удобно проводить в области азотных или гелиевых температур. Особенностью данного метода, по сравнению с другими методами модуляционной спектроскопии, является взаимодействие внешнего излучения только с проводящими слоями структуры. Преимущество описанного метода, по сравнению с таким методом модуляционной спектроскопии, как фотоотражение, состоит в том, что отсутствует яркая люминесценция прямозонных полупроводников, которая нивелирует особенности спектра модуляционного отражения исследуемых структур. К тому же, в некоторых случаях появляется сигнал с энергией кванта меньшей, чем ширина запрещенной зоны, обусловленный акцепторными состояниями. Это дает возможность наблюдать легированные слои структуры.

Похожий способ измерений заключается в том, что структуру помещают в поля различных пространственных конфигураций [А.О. Волков, О.А. Рябушкин, М.С. Поволоцкий «Модуляция радиочастотным полем двух поляризаций отражения света от полупроводниковых гетероструктур» Письма в ЖТФ, 2001, Т. 27, вып. 18. С. 8-13]. Для этого одну из обкладок конденсатора заменяют металлической гребенкой. Это дает возможность прикладывать продольное или поперечное электрическое поле к структуре. Поля с разной эффективностью взаимодействуют с различными сломи структуры, что позволяет выделять вклады отдельных слоев.

Еще один способ измерений, при котором образец помещают в резонатор с металлическими стенками, в котором создается переменное СВЧ-поле, получил название Микроволновое модуляционное отражение (ММО) [М.А. Черников, О.А. Рябушкин «Микроволновое модуляционное отражение света полупроводников», Письма в ЖТФ, 2001, т. 27, вып. 24. С. 29-34]. Преимущество данного метода над предыдущими состоит в повышении эффективности разогрева полупроводника за счет высокой частоты поля. Кроме того, резонатор позволяет увеличить во много раз значение напряженности поля.

Разогревать электронный газ можно еще одним методом с помощью пропускания переменного тока через гетероструктуру («Current modulated light reflectance spectroscopy with submicronspatial resolution in semiconductor heterostructures» O.A. Ryabushkin, E.I. Lonskaya, Physica E 13 (2002) 374-376). Этот метод дает близкие к предыдущим методам спектры. Он удобнее в случае, когда образец имеет электрические контакты и значительно труднее для случая, когда этих контактов нет. Его преимущество в том, что разогреваются носители заряда только в тех слоях, через которые протекает ток, в отличие от РМО и ММО методов, где поле взаимодействует со всеми проводящими слоями.

Наиболее близким к данному изобретению является устройство, описанное в работе [A.O. Volkov and O.A. Ryabushkin «Spatial distribution of light reflectance modulated by near-field radio-frequency excitation in semiconductor structures)) Institute of Radio Engineering and Electronics, Russian Academy of Sciences, Compound Semiconductors 1998: Proceedings of the Twenty-Fifth International Symposium on Compound Semiconductors held in Nara, Japan, 12-16 October 1998.]. Образец кладется на металлическую пластину, которая является одним из электродов. Над поверхностью образца находятся два оптических волокна. Через одно из них освещается поверхность образца, а второе волокно принимает отраженный сигнал. Металлический цилиндрический стержень над поверхностью образца является вторым электродом. Это увеличивает локализацию радиочастотного поля и на порядок усиливает сигнал. Тем не менее, радиочастотное поле воздействует на все слои гетероструктуры.

Из вышесказанного следует, что все известные устройства, в том числе и прототип, реализующий описанные выше методы, предполагают воздействие электрическим полем на весь полупроводниковый образец, либо на его значительную часть, что затрудняет интерпретацию спектров отражения света для неоднородных образцов. К тому же, источниками электрического поля и света служат различные устройства, что создает дополнительные трудности совмещения их в пространстве.

Технической задачей, решаемой в предлагаемом изобретении, является создание устройства для воздействия высокочастотным электрическим полем на малую область образца и снятия оптических спектров отражения от этой области.

Техническим результатом является повышение разрешающей способности устройства за счет улучшения локальности воздействия.

Технический результат достигается тем, что устройство для сканирующей радиочастотно-оптической модуляционной спектроскопии, содержит по крайней мере два металлических электрода, выполненных в виде стержней, расположеных внутри оптического волокна либо в светоотражающей оболочке, либо в защитном покрытии.

Оптическое волокно может быть выполнено в виде усеченного конуса (тейпера), сужающегося к выходному торцу. Это позволяет произвести дальнейшее уменьшение области воздействия на образец, сохранив при этом возможности заведения излучения в волокно и прикладывания напряжения к электродам.

Устройство может содержать от 2-х до 6-ти металлических электродов, что позволяет подбирать оптимальное направление напряженности поля в образцах с анизотропной проводимостью.

Для заведения излучения накачки к оптическому волокну может быть присоединен тройной ответвитель. Это позволяет снимать как спектры радиочастотно-оптического модуляционного отражения, так и спектры фотоотражения.

Оптическое волокно для уменьшения внешнего электромагнитного воздействия (экранировки) может быть покрыто сверху металлическим слоем.

На фиг. 1 представлена схема устройства, где 1 - электроды, 2 -внутренняя светоотражающая оболочка, 3 - защитное покрытие (внешняя оболочка), 4 - световедущая сердцевина оптического волокна, на фиг. 2 - волоконная структура в форме тейпера. На фиг. 3 - вид с торца. На фиг. 4 изображена экспериментальная установка, где 5 - лампа, 6 - лазер, 7 - монохроматор, 8 - фотоприемник, 9 - синхронный детектор, 10 - высокочастотный генератор, 11 - персональный компьютер, 12 - оптическое волокно с электродами, 13 - исследуемый образец, 14 - оптические волокна, 15 - тройной ответвитель. Устройство работает следующим образом. Компьютер (11) управляет высокочастотным генератором (10), который прикладывает к электродам (1) высокочастотное промодулированное напряжение. Несущая частота составляет десятки мегагерц, а частота модуляции - сотни герц. Свет от галогеновой лампы (5) заводится в одно из волокон (14) тройного ответвителя (15) с помощью согласующей линзы. Отраженный от образца (13) свет направляется через другое волокно тройника в монохроматор (7). Их апертуры согласовываются при помощи объектива. Разрешение монохроматора не более одного мэВ для наблюдения осциллирующей структуры спектра. На выходе монохроматора установлен фотоприемник (8). Его полоса пропускания должна быть больше частоты модуляции (несколько килогерц). Сигнал с фотоприемника разделялся на переменную и постоянную составляющие. Переменная составляющая выделяется с помощью синхронного детектора. Опорная частота для него поступает с компьютера, она равна частоте модуляции. Затем обе составляющие оцифровываются и заносятся в память компьютера. Компьютер управляет положением дифракционной решетки монохроматора с помощью шагового двигателя. Для каждого положения решетки проводятся описанные выше измерения. Так осуществляется сканирование по спектру. Результатом измерений является величина ΔR(λ)/R, где R - коэффициент отражения, a ΔR - его изменение под действием приложенного поля.

Существует еще несколько способов, отличных от вышеописанного. Например, электрическое поле не модулируется, а его несущая частота составляет несколько мегагерц. При этом сигнал фотоприемника детектируется на несущей частоте. По сути, описанный способ является высокочастотным электроотражением. Его преимущество по сравнению с обычным электроотражением состоит в локальности и в возможности наблюдать отклик не только от изолирующих слоев, но и от тех проводящих слоев, где электроны не успевают перераспределиться за период поля.

Еще одним способом является периодическая оптическая накачка с помощью одного из волокон тройника и наблюдение отклика на частоте этой накачки. Это модификация известного метода фотоотражения. Она обладает тем преимуществом, что используется одно волокно для накачки, зондирования и заведения отраженного сигнала вместо трех различных волокон.

1. Устройство для сканирующей радиочастотно-оптической модуляционной спектроскопии, содержащее по крайней мере два металлических электрода, один из которых выполнен в виде стержня, и оптическое волокно, отличающееся тем, что второй электрод также выполнен в виде металлического стержня, при этом оба электрода расположены внутри оптического волокна либо в светоотражающей оболочке, либо в защитном покрытии.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что оптическое волокно выполнено в виде усеченного конуса (тейпера), сужающегося к выходному торцу.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что оно содержит от двух до шести металлических электродов.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что для заведения излучения накачки к оптическому волокну присоединен тройной ответвитель.

5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что оптическое волокно покрыто сверху металлическим слоем.

Изобретение относится к области геологии и касается способа выявления улучшенных коллекторских свойств высокоуглеродистых пород. Способ включает в себя отбор образцов керна из высокоуглеродистых пород, исследование образцов проб методом ИК-спектроскопии, получение ИК-спектров минеральной матрицы породы и сопоставление их с эталонными спектрами.

Способ определения линейного коэффициента теплового расширения тонкой прозрачной пленки // 2683879

Изобретение относится к области оптико-физических измерений, основанных на эллипсометрии, и предназначено для определения линейного коэффициента теплового расширения тонких прозрачных пленок.

Установка для исследования динамики всплытия пузырькового кластера в жидкости // 2683147

Изобретение относится к области разработки установок для лабораторных исследований физических процессов, в частности для исследования закономерностей всплытия компактного пузырькового кластера в жидкости.

Способ классификации посевного материала // 2682280

Изобретение относится к способу классификации и/или сортировки посевного материала при помощи терагерцевой спектроскопии с разрешением по времени. Способ содержит следующие этапы: воздействие на зерно посевного материала терагерцевым импульсом; измерение сигнала, создаваемого терагерцевым импульсом после прохождения через зерно посевного материала и/или отражения от зерна посевного материала; определение амплитуды, временной задержки, фазы и/или спектра сигнала, обусловленных этим прохождением и/или отражением; и отнесение зерна посевного материала к определенному классу посевного материала.

Способ определения серы в виде иона сульфата в водной вытяжке из почв и устройство для осуществления способа // 2681855

Изобретение относится к аналитической химии и может быть использовано для определения содержания иона сульфата в почвах сельскохозяйственного назначения. Для этого получают водную вытяжку из почвы, отбирают аликвоту, переносят в другую емкость и добавляют в нее точное количество раствора известной концентрации хлорида бария.

Неинвазивный анализ материала // 2681260

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для неинвазивного анализа материала. Раскрыты способ и система для анализа материала (100).

2-(4,4-дифтор-1,3,5,7-тетраметил-2,6-дисульфо-4-боро-3а,4а-диаза-s-индацен-8-ил)-бензойная кислота и ее производные, способ их получения и их применение для флуоресцентного мечения белковых молекул // 2680090

Изобретение относится к солям соединения формулы I с щелочными металлами, замещающими атомы водорода в обеих сульфогруппах , где R означает N-оксисукцинимидильную группу Также предложены способ получения солей и их применение.

Флуориметрический анализатор биологических микрочипов // 2679605

Изобретение относится к количественной люминесцентной микроскопии, применяемой в приборах, предназначенных для регистрации взаимодействий между биологическими молекулами, помеченными красителем, флуоресцирующим в видимой или инфракрасной области спектра, и молекулярными зондами, иммобилизованными в ячейках биологического микрочипа.

Показатель для определения качества цвета // 2678954

Изобретение относится к области колориметрии и касается способа определения показателя для характеризации качества настройки цветового тона лака по отношению к цветовому эталону.

Получение флюидальных характеристик пористых материалов с использованием спектроскопии возбуждения лазерным пробоем // 2677417

Изобретение относится к способу для количественного определения и получения характеристик флюидов, насыщающих пористые геологические материалы, с использованием спектроскопии возбуждения лазерным пробоем (laser-induced breakdown spectroscopy, LIBS).

Картридж для быстрого отбора пробы // 2685660

Изобретение относится к картриджу для обработки жидкой пробы, например, для выявления компонентов в пробе крови. Картридж содержит флюидальную систему с впускным (12) отверстием, ведущим через впускной (13) капиллярный канал в камеру (14) для хранения. Подающий (15) капиллярный канал ведет из камеры (14) для хранения в камеру (16) детектирования. Конструкция картриджа такова, что впускной (13) капиллярный канал, который соединяет впускное (12) отверстие с камерой (14) для хранения, имеет давление капиллярного всасывания, достаточно высокое для введения некоторой пробы из впускного отверстия в камеру для хранения, без необходимости в каком-либо дополнительном давлении. Кроме того, элемент (18, 19, 20) картриджа для контроля потока адаптирован для внешнего управления таким образом, чтобы пробу можно было вытягивать из камеры (14) для хранения в камеру (16) для обработки без какого-либо активного откачивания. Технический результат: обеспечение удобного и надежного управления пробами, ускорение получения проб. 5 н. и 13 з.п. ф-лы, 8 ил.

Способ проведения испытания капсулированных лекарственных препаратов в блистерной упаковке методом бик спектрометрии // 2685756

Изобретение относится к области фармации и касается способа проведения испытания капсулированных лекарственных препаратов в блистерной упаковке. Способ включает в себя формирование обучающего и проверочного наборов образцов, получение БИК спектров образцов через прозрачную часть блистера, визуальный анализ полученных спектров на наличие грубых погрешностей, разделение спектров на два набора согласно принадлежности капсул, предварительную обработку спектров и построение модели методами одноклассовой классификации на предобработанных спектрах обучающего набора. Построенная модель проверяется на степень принятия БИК спектров образцов обучающего и проверочного наборов. Далее проводится оценка степени отклонения моделью БИК спектров блистера капсул из обучающего набора, капсул, заполненных веществом, не имеющим полос поглощения в ближней ИК-области, капсул, заполненных основным наполнителем или смесью наполнителей и натрия хлорида вместо действующего вещества, воспроизведенных, фальсифицированных и/или недоброкачественных лекарственных препаратов. Технический результат заключается в получении универсального способа проведения испытания капсулированных лекарственных препаратов, обеспечивающего более точные и объективные результаты. 2 з.п. ф-лы, 10 ил., 2 табл.

Способ проведения испытания таблетированных лекарственных препаратов в блистерной упаковке методом бик спектрометрии // 2685758

Изобретение относится к области фармации и касается способа проведения испытания таблетированных лекарственных препаратов в блистерной упаковке. Способ включает в себя формирование обучающего и проверочного наборов образцов, получение БИК спектров образцов обучающего и проверочного наборов, визуальный анализ полученных спектров на наличие грубых погрешностей, разделение спектров на два набора согласно принадлежности капсул, предварительную обработку спектров и построение модели методами одноклассовой классификации на предобработанных спектрах обучающего набора. Построенная модель проверяется на степень принятия БИК спектров образцов обучающего и проверочного наборов. Далее проводится оценка степени отклонения моделью БИК спектров блистера таблеток из обучающего набора, спектров воспроизведенных, фальсифицированных и недоброкачественных лекарственных препаратов. Технический результат заключается в получении универсального способа проведения испытания таблетированных лекарственных препаратов, обеспечивающего более точные и объективные результаты. 2 з.п. ф-лы, 6 ил., 2 табл.

Кр-газоанализатор // 2686874

Изобретение относится к области измерительной техники и касается КР-газоанализатора. Газоанализатор включает в себя непрерывный лазер, газовую кювету, два объектива, голографический фильтр, блокирующий излучение в области длины волны лазера, спектральный прибор, сопряженный с многоканальным фотодетектором, и блок управления. Внутри кюветы установлены четыре идентичные собирающие линзы, расположенные на одной оптической оси, ориентированной параллельно щели спектрального прибора, таким образом, что расстояние между центральными линзами равно двойному фокусному расстоянию. В фокусе крайних линз установлены направленные навстречу друг другу торцы оптоволокна, а между соседними линзами, одна из которых является крайней, установлено поворотное зеркало таким образом, что лазерное излучение полностью направляется внутрь оптоволокна. Апертурный угол собирающих линз имеет величину не меньше угла, для которого выполняются условия полного внутреннего отражения при распространении лазерного излучения по оптоволокну. Технический результат заключается в повышении интенсивности регистрируемых сигналов. 1 ил.

Способ оценки качества терморасширения графита // 2686906

Изобретение может быть использовано для прогнозирования качества изделий из терморасширенного графита. Измельчают натуральный чешуйчатый графит с получением пачек параллельно уложенных пластин графита. Затем проводят интеркалирование и окисление, после чего пачки графита равномерно смачивают спиртовым раствором йода, выдерживают в закрытой емкости и нагревают до 200-250°С. После нагрева отбирают часть массы для исследования формоизменения пачек с помощью оптического микроскопа. Подсчитывают количество нетерморасширенных окисленных пачек, частично терморасширенных пачек до появления в центральной части элемента в виде червяка, частично терморасширенных пачек с почерневшими пластинками без взаимосвязи между ними и полностью терморасширенных пачек в виде элементов червеобразной формы. Затем остальную часть смеси графита со спиртовым раствором йода помещают в нагретую до 300-350°С печь и выдерживают при этой температуре до испарения газообразной составляющей продукта реакции и окончания изменения объема терморасширяющейся части графита. С помощью оптического микроскопа фиксируют последующие формоизменения графита. Определяют степень качества терморасширения исследуемых элементов графита по формуле: , где КТ - качество терморасширения исследуемого натурального чешуйчатого графита, %; Б - количество червеобразных элементов, не имеющих дефектных участков, шт.; Д - количество червеобразных элементов, имеющих дефектные участки, шт.; П - количество нетерморасширенных пачек, шт. Результаты этого расчёта учитывают при определении возможности использования терморасширенного графита. Отличная степень качества соответствует 90-100 %; хорошая - 80-90 %, удовлетворительная - 60-80 %, плохая - ниже 60 %. Изобретение позволяет повысить качество контроля терморасширенного графита и информируемость обо всех его видоизменениях. 8 ил., 1 табл.

Биодатчик, содержащий волновод // 2687847

Группа изобретений относится к оптическому устройству, устройству детектирования и способу, использующему волновод, которые можно использовать в областях биозондирования и секвенирования нуклеиновых кислот. Оптическое устройство содержит волноводную подложку, отражательную структуру и перфорированную структуру. Волноводная подложка содержит первую поверхность и вторую поверхность. Отражательная структура расположена на первой поверхности волноводной подложки. Перфорированная структура расположена на второй поверхности волноводной подложки. Перфорированная структура содержит апертуры, имеющие, по меньшей мере, в одном направлении диаметр, который меньше, чем характеристическая длина волны. Отражательная структура содержит дифракционную структуру внутри одной и той же самой комбинированной структуры. Дифракционная структура создает возможность дифрагирования света, входящего в подложку снаружи, в подложку и отражения света, распространяющегося в подложке. По меньшей мере одна из апертур перфорированной структуры является волноводом нулевой моды. Техническим результатом, достигаемым изобретением, является создание более эффективного и/или более точного средства для обработки оптических сигналов, в частности, в областях применения биозондирования. 5 н. и 11 з.п. ф-лы, 6 ил.

Спектральный анализ текучего неоднородного вещества в среднем инфракрасном диапазоне // 2688954

Изобретение относится к области спектрального анализа и касается способа определения компонентов текучего неоднородного образца молока. Способ включает в себя получение образца молока, измерение интерферометром значений затухания образца молока в среднем инфракрасном диапазоне и вычисление в блоке обработки данных показателя интересующего компонента в образце молока по измеренным значениям затухания в среднем инфракрасном диапазоне. При этом способ включает в себя одновременное взаимодействие излучения в среднем инфракрасном диапазоне с текучим образцом молока в области измерения и последующее измерение значений затухания для одного или более диапазонов волн. Этап измерения включает выполнение ряда измерений значений затухания для одного и того же диапазона или для нескольких диапазонов волн. При этом образец молока протекает со скоростью потока, выбранной для обеспечения замены по меньшей мере части образца молока в области измерения для каждого из ряда измерений. Технический результат заключается в повышении точности измерений. 1 з.п. ф-лы, 1 ил., 2 табл.

Датчик кислорода, содержащий оптическое волокно большого диаметра с покрытым наконечником // 2689286

Изобретение относится к датчикам кислорода и может использоваться в области авиации для топливных баков и модулей отделения воздуха. Устройство включает в себя чувствительный к кислороду флуоресцентный материал, содержащий чувствительный и не чувствительный к кислороду флуоресцентные красители. Флуоресцентный материал закреплен на конце оптического волокна. На другом конце оптического волокна располагается источник излучения для возбуждения флуорофоров, а также либо трихроичная призма с двумя детекторами, либо трехцветный датчик. Призма или датчик выполнены с возможностью разделения длин волн излучения и возбуждения красителей. В процессе самопроверки устройства сравнивают напряжения, в которые преобразуются излучения, создаваемые чувствительным и нечувствительным красителями. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 4 ил.