Исследовательские задачи при изучении конденсированного состояния вещества резонансными методами

УДК 378: 538.9

ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЕ ЗАДАЧИ ПРИ ИЗУЧЕНИИ КОНДЕНСИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ВЕЩЕСТВА РЕЗОНАНСНЫМИ

МЕТОДАМИ

И.П. Корнева

В статье описан опыт работы с магистрантами в ходе освоения ими современных физических методов исследования на примере изучения физики конденсированного состояния вещества. Показано, что выбранный предметный материал - физика стеклообразных полупроводников, имеет высокий уровень значимости для обучения теории и практике радиоспектроскопии ядерного квадрупольного резонанса в магистратуре, тем самым способствует реализации соответствующих образовательных технологий - предметно-ориетированной и личностно-ориентированной. Ключевые слова: бакалавриат, магистратура, современные физические методы, спектроскопия, полупроводники.

После присоединения России к Болонскому процессу, под которым следует понимать процесс единения образовательных систем европейских стран с целью создания единого высшего образования, возникла необходимость значительного обновления образовательной деятельности. Стратегия модернизации образования России предъявляет определенные требования к высшему образованию по созданию условий для профессионального развития студентов, их всесторонней реализации и востребованности в обществе.

России присоединилась к Болонскому процессу произошло в Берлине в2003 году во время встречи министров образования стран Европы. С этого момента в нашей стране реализуются основные задачи Болонского процесса: обеспечение доступности высшего образования, повышение эффективности высшего образования, обмен студентами, ориентация выпускников всех ступеней на профессиональный рынок труда.

Болонская система подразумевает уровневую систему подготовки при получении высшего образования: бакалавриат и магистратуру. Каждый уровень обеспечивается ФГОС ВПО (федеральными государственными образовательными стандартами).

В бакалавриате происходит обучение студентов с целью получения профессионально ориентированного образования, Бакалавры должны иметь начальный опыт научно-исследовательской, а также педагогической работы [1]. Выпускники-бакалавры могут занимать должности, на которых они выполняют исполнительские функции в определенной области деятельности. В последнее время предлагается ввести также программу прикладного бакалавриата. Так, Ирина Апыхтина, начальник отдела Министерства образования и науки в своем докладе «О формировании единых подходов к построению концепции и модели прикладного бакалавриата» отметила, что «с целью повышения качества программа высшего профессионального образования может быть сформирована в двух вариантах: как академический бакалавриат и как прикладной бакалавриат».

В магистратуре ведется подготовка высококвалифицированных специалистов, такая программа позволяет углубить знания, полученные в результате освоения бакалаврской программы, то есть получить фундаментальное образование и выйти на уровень самостоятельной научно-исследовательской и научно-педагогической деятельности [1]. Выпускники-магистры уже готовы к решению сложных профессиональных задач и к ведению самостоятельной аналитической работы.

Следующей ступенью высшего профессионального образования является подготовка кадров высшей квалификации. Поступить в аспирантуру могут только выпускники магистратуры или специалитета. Выпускники-бакалавры не обладают в достаточной мере ключевыми компетенциями для учебы на следующей ступени.

При обучении студентов в бакалавриате и магистратуре многие вузы сталкиваются с

проблемой набора читаемых в бакалавриате и магистратуре дисциплин, их содержания, особенно это касается специальных дисциплин. Как отмечают А. Фролкова и Л. Серафимова [2], решить эту проблему можно сохраняя переемственность в обучении, оптимально структурируя учебный материал, сокращая описательности в каждом предметном курсе. Многие ученые считают, что для создания в России полноценной системы многоуровнего образования потребуется продолжительный период времени. На современном этапе перед вузами стоит задача улучшения профессиональной подготовки бакалавров и магистров с целью плавного перехода к европейской системе образования.

Повышение качества подготовки выпускников можно осуществлять применяя различные педагогические подходы, в том числе компетентностный подход. Выпускники-бакалавры в большей мере должны владеть общекультурными компетенциями, а выпускники-магистры - профессиональными. На этапе подготовки специалистов высшего звена вузам необходимо проработать образовательные технологии с целью формирования у обучающихся таких компетенций. Одним из видов таких технологий является технология исследовательского обучения [3]. Формирование готовности к решению исследовательских задач у обучаемых является одной из главенствующих задач современной высшей школы. Этой проблеме были посвящены работы А.А. Самарского, В.И. Андреева, А.С. Кондратьева, Н.С. Пурышевой, С.Е. Каменецкого, В.В. Лаптева. С.Д. Ханина, В.В. Майера, В.Г. Разумовского, А.В. Усовой и др.

При обучении физике в бакалавриате и магистратуре можно использовать и другие подходы: исследовательский, практико-ориентированный и т.д. Но в тоже время логично было бы сочетать эти подходы как для качественной фундаментальной, так и профессиональной подготовки будущих выпускников.

С переходом к уровневому образованию в высшей школе содержание и организация процесса изучения предметного материала должны быть различны при обучении как бакалавров, так и магистров. Так, например, по стандартам третьего поколения по направлению «Радиофизика» для бакалавров и магистров разновидности профессиональной деятельности совпадают. К таким видам деятельности относятся: научно-исследовательская, организационно-управленческая, научно-инновационная, педагогическая и т.д. В тоже время профессиональные компетенции различаются по уровням образования.

Как отмечают В.Е. Шукшунов, В.Н. Лозовский, деятельность инженера должна соответствовать законам фундаментальной науки [4]. Законы физики главенствуют среди всех фундаментальных естественных наук, поэтому «знание этих законов также является обязательным атрибутом инженерного мышления. Любое противоречие предлагаемой новации какому-либо из законов природы делает эту новацию принципиально нереализуемой ...» [4, с.15]. Поэтому для формирования у выпускников профессионального мышления необходимо применять методы и приемы, используемые как в классической, так и в современной физике. Логико-гносеологические принципы физики являются фундаментальными, задают вектор развития современных технических наук, что в конечном итоге обусловливает изменение в научно-технической жизни общества. Особое место в данном контексте принадлежит освоению экспериментальных физических методов. Эксперимент можно рассматривать, как «форму практической деятельности человека в сфере научного познания, т.е. форму предметно-чувственного воздействия на объект путем изменения условий его существования с целью проверки теоретических предсказаний» [5, с. 8]. Характер современного физического эксперимента усложняется, осуществляется переход от деятельности субъекта к деятельности целого коллектива. В данном аспекте актуальным становится умение работать в коллективе, творчески подходить к решению нестандартных задач.

Рассмотрим возможные пути формирования готовности к освоению современных физических методов при обучении магистрантов на примере изучения физики конденсированного состояния вещества, а именно - аморфных полупроводников.

Структуру аморфных полупроводников исследуют, применяя резонансные методы. Эти методы постоянно совершенствуются, кроме того открываются все новые виды резонанса [6, 7]. В исследованиях структуры некристаллических полупроводников магистрантам предоставляется возможность выбора метода исследования. Любой метод имеет свои особенности, достоинства и недостатки. Однако, чтобы получить законченное представление о стеклообразном состоянии вещества, необходим единый подход ко всем известных стеклообразным полупроводникам, а также необходимо в конечном итоге объединить различные методы исследования.

Важнейшими резонансными методами изучения структуры неупорядоченных твердых тел являются такие известные методы как ядерный квадрупольный резонанс (ЯКР), ядерный магнитный резонанс (ЯМР) и электронный парамагнитный резонанс (ЭПР) [8 - 10]. Эти методы успешно применяются для исследования не только кристаллических материалов, но и стеклообразных, содержащих халькогены.

Согласно образовательной программе по направлению «Радиофизика» выпускникам магистратуры следует подготовиться к решению таких задач как «научные исследования поставленных проблем, формулировка новых задач, возникающих в ходе научных исследований, разработка новых методов исследований, выбор необходимых методов исследования, освоение новых методов научных исследований». Подготовить магистрантов к решению всех этих профессиональных задач можно, вовлекая их в проектно-исследовательскую деятельность, предметным материалом которой являются аморфные полупроводники. Эти вещества занимают значительное место в исследованиях в области химии и физики конденсированного состояния [10].

Для развития навыков научно-исследовательской работы экспериментального характера у магистрантов в процессе работы над проектом необходимо сформировать способность освоения ими работы на современных спектрометрах, в частности, на спектрометре ЯКР Tecmag Apollo.

Освоение импульсного спектрометра ЯКР Tecmag Apollo

Импульсный спектрометр ЯКР Tecmag Apollo позволяет исследовать параметры сигналов ЯКР с помощью импульсного метода. Вид импульсного спектрометра представлен на рис. 1.

Рис.1. Импульсный спектрометр ЯКР Tecmag Apollo.

Для обработки сигнала и управления спектрометром используется персональный компьютер с программным обеспечением на базе свободной лицензии программы NTNMR компании Tecmag inc. Пример окон программы NTNMR представлен на рис.2.

Рис. 2. Рабочие окна программы КТКМК

Становление исследовательской деятельности, формирование навыков работы на современном оборудовании является длительным процессом, начало которого должно быть положено при обучении студента в бакалавриате. Для успешного завершения процесса обучения необходимо применение соответствующих форм и методов организации учебного процесса, направленных на формирование и развитие профессиональных компетенций магистров. Магистры должны освоить теоретический и практический курсы ООП, проходя последовательно через изучение специальных дисциплин и приобретая навыки экспериментальной работы. Таким образом, освоение экспериментальной установки, а также обработка полученных результатов на современном уровне и проведение анализа являются признаками профессиональной подготовки магистра.

Выбор предметного материала для исследования

Одной из важнейших задач будущего инженера является выбор исследовательского материала. Перспективными материалами в этом плане являются халькогенидные стеклообразные полупроводники. Эти материалы включают химические соединения с одним или несколькими элементами 6-й группы системы элементов - S, Se, Те, называемых халькогенами. В процессе подготовки исследования магистрант анализирует современную литературу, содержащую сведения о свойствах, особенностях ХСП, методах исследования и т.д. Далее предстоит выбор конкретной системы (двух- или более компонентной), наименее изученной к настоящему времени. Например, в качестве модельных систем в настоящей работе были выбраны системы полупроводников составов АБ-Бе-Ое и Аз-Бе-БЬ. Такие материалы привлекательны для исследователей, работающих в области, как фундаментальных, так и прикладных исследований. Интерес обусловлен тем, что на многие вопросы относительно свойств некристаллических тел не получены однозначные ответы. Поэтому понимание микроскопической структуры, свойств и фазовых переходов в ХСП на

основе селена и других халькогенов еще не достигнуто вследствие их сложной структуры. С точки зрения применения в технике аморфные тела вызывают интерес из-за возможности конструирования материалов с заранее определенными свойствами. Практический интерес обусловливает необходимость исследования этих материалов. В этой связи начинающий исследователь должен придерживаться следующей схемы (рис. 3).

Состав ХСП

I

I

I

Применение СП

ч_;

Рис. З.Схема исследования ХСП.

Регистрация спектров ЯКР в халькогенидных стеклообразных полупроводниках

Спектроскопия ЯКР не часто используется для изучения структуры твердых неупорядоченных тел [11-16]. Значительно шире для этой цели применяется другой резонансный метод - метод спектроскопии электронного парамагнитного резонанса [10]. Эти два метода позволяют получать информацию о ближнем окружении, атомном порядке в стеклообразных твердых телах, поэтому изучение стеклообразных халькогенидов одновременно методами ЯКР и ЭПР должно позволить получение дополнительных знаний об электронной структуре и локальном порядке в вышеупомянутых материалах.

Частоты ЯКР в данной исследовательской работе измерялись при температуре жидкого азота (77 К). Спектры ЯКР 75Лб, 121БЬ и 123БЬ исследуемых соединений были получены с использованием импульсной последовательности спинового эха Хана. В результате исследования магистранты отмечали, что халькогенидные полупроводники имеют широкие спектры ЯКР 75As (около 20 МГц), что является характерной особенностью стеклообразных полупроводников. Вследствие очень широких линий, то радиочастотный импульс спектрометра возбуждает лишь часть линии. Форма сигналов спинового эха в этом случае существенно искажается, так как она зависит от отношения нутационной частоты ю1 к ширине измеряемой линии Дюо, то есть ю1/Дюо, и также от угла поворота намагниченности монохроматической группы В формировании эха

участвуют не только резонансные спины с частотой ю0 ~ ю что может вести к характерному "удвоению" сигналов спинового эха.

Спектры ЯКР 75Лб для образцов системы Лв-БЬ-Бе представлены на рис. 4. Для

75

сравнения на рис. 5 показаны спектры ЯКР Лб для системы ЛБ-Ое-Бе.

Рис. 4. Спектры ЯКР 75Лб системы As-Sb-Se Рис. 5. Спектры ЯКР 75Лб системы As-Ge-Se

при 77 К.

при 77 К.

Полученные спектры не являются самоцелью данного экспериментального исследования. Необходимо правильно интерпретировать результаты исследования с привлечением известных теоретических представлений. Как видно из представленных рисунков, изменение химического состава стекол системы Ge-As-Se приводит к различиям в спектрах ЯКР. Для интерпретации результатов магистрантам понадобится помощь научного руководителя, тем не менее, изучая литературные источники, можно прийти к ряду важных заключений.

75

Как известно, в кристаллическом ЛБ2Бе3 по данным ЯКР Лб [17,18] атом мышьяка имеет два неэквивалентных положения, сильно отличающихся по параметру асимметрии тензора ГЭП. В кристалле около одного атома мышьяка находятся три атома селена, а около другого - пять атомов селена, т.е. они отличаются координационными числами. Это приводит к двум разным константам квадрупольной связи е Qq. Параметр асимметрии больше для атома с большим координационным числом, что свидетельствует о низкой симметрии его окружения, а константа квадрупольной связи e2Qq для этого атома меньше.

Положение максимумов на спектре ЯКР трехкомпонентных халькогенидных стекол соответствует определенным структурным единицам. Удобно проводить сравнение исследуемых спектров со спектрами хорошо изученных материалов, таких как аморфный

АБгБез. Молекулярные единицы в аморфном Ав28е3 изображены на рис. 6. Проводя аналогии, можно сделать предположения о структуре более сложных стекол. Хотя согласно одной из гипотез структура аморфного триселенида мышьяка представляется в виде плотной упаковки молекулярных структурных единиц типа а-А848е6, а согласно другой гипотезе в этом материале существуют молекулярные единицы типа а-АБ48е4, плотно упакованные, случайно ориентированные и связанные между собой атомами Бе. Однако, последняя модель является сильно упрощенной, так как данный халькогенидный полупроводник может содержать и другие молекулы и фрагменты.

а Ь

Рис. 6. Молекулярные единицы As4Se6(a) и As4Se4 (b) в аморфном As2Se3.

Кроме того, представляется целесообразным проводить сравнение спектров изучаемых халькогенидов со спектрами кристаллических стекол и, таким образом, делать выводы о структуре и связях в аморфных материалах.

75

Хорошо известно [20], что спектр ЯКР As кристаллического As2Se3 состоит из двух узких линий (красные линии на рис. 4 и рис. 5), соответствующих двум неэквивалентным положениям атомов As в элементарной ячейке. Эти линии важны для интерпретации ЯКР частот исследуемых стеклообразных полупроводников. Кроме того, имеется три линии

121 123

ЯКР 121Sb и Sb кристаллического Sb2Se3 в диапазоне исследуемых частот (зеленые пунктирные линии на рис. 5) [20].

Большая ширина спектра ЯКР вызвана разбросом градиента электрического поля

(ГЭП), вызванным разбросом валентных углов в элементарных ячейках As2Se3 и Sb2Se3 в

стеклообразном состоянии. Частоты ЯКР систем As-Ge-Se уменьшаются с увеличением

концентрации мышьяка. Этот эффект не наблюдается в As-Sb-Se системах. Положение

сурьмы, мышьяка и селена в периодической системе элементов определяет ковалентный

характер взаимодействия между этими атомами [19]. На основании предыдущих

исследований можно предположить, что представленные системы состоят из сложных

структур. Основными структурными единицами в таких стеклах являются As2Se3 или

Sb2Se3. Как видно на рис. 5, в изучаемом диапазоне частот (48-69 МГц) имеется две линии

ЯКР сурьмы (соответствующие единицам Sb2Se3) и две линии ЯКР 75As (соответствующие

единицам As2Se3). Мы не наблюдаем при этом одну из всех пяти возможных линий ЯКР,

возможно, эта линия ЯКР 123 Sb не наблюдается, потому что ее интенсивность слишком

121

слаба (по сравнению с линией Sb) или некоторые из резонансных линий накладываются. Спектры ЯКР системы As-Ge-Se состоят только из двух линий ЯКР 75 As, сдвинутых по частоте относительно линий кристаллического As2Se3. Величина сдвига частоты зависит от состава стекол. Как видно из рис.6, чем меньше содержание германия в составе стекол, тем больше сдвигаются линии ЯКР в сторону более низких частот, по сравнению с кристаллическим As2Se3. Это можно объяснить увеличением в стекле числа структурных единиц As4Se4, имеющих связь As-As. Нельзя исключить наличия в структуре и кластеров As4Se6, возможно возникающих при нагревании в процессе приготовления стекла. В структурной единице As4Se6 отсутствуют связи As-As, но появляются новые неэквивалентные положения ядер мышьяка, дающие свой вклад в широкие линии спектра

ЯКР.

В результате выполнения исследовательского задания магистрантами получены спектры ЯКР 75As стеклообразных полупроводников (As2Se3)o,78(Sb2Se3)o,22, (As2Se3)o,75(Sb2Se3)o,25, (As2Se3)o,5(Sb2Se3)o,5, (As2Se3)o.9(GeSe2)o.i, (As2Se3)o.8(GeSe2)o.2 и (As2Se3)o.7(GeSe2)o.3 при температуре 77 K. Линии ЯКР были идентифицированы и интерпретированы на основе кластерной структуры стекла, состоящей из As2Se3, Sb2Se3 и более сложных структурных единиц подобных As4Se4 и As4Se6.

Данный предметный материал имеет большое значение для обучения теории и практике радиоспектроскопии ЯКР в магистратуре, тем самым является обеспечением реализации соответствующей образовательной технологии. Решение представленных исследовательских задач дает хорошую возможность расширения метода ЯКР для исследования неупорядоченных структур.

This article describes the experience of working with undergraduates in the development of modern physical methods in the study of condensed matter physics. It is shown that the physics of glassy semiconductors is the selected subject. The subject has a high level of significance for training in the theory and practice of radio spectroscopy of nuclear quadrupole resonance in the master, thus contributing to the implementation of relevant educational technologies - domain-oriented and personality-oriented. Key words: bachelor, master, modern physical methods, spectroscopy, semi-conductors

Список литературы

1. Б.Х. Фиапшев Образовательные стандарты, автономия высшей школы, академические свободы Монография: М.: Народное образование, 2007. 214 с.

2. А. Фролкова, Л. Серафимова Специальные дисциплины в много-уровневой системе // Высшее образование в России, 2002, № 1.

3. И.И. Хинич Научно-методическое обеспечение целостности и продуктивности в исследовательском обучении физике при подготовке педагогических кадров: монография. СПб.: Санкт-Петербург XXI век, 2009. 231 с.

4. В.Е. Шукшунов, В.Н. Лозовский Фундаментализация высшего технического образования - основной вектор его реформирования на современном этапе. М.: МАНВШ, 2009. 27 с.

5. В.С. Готт, В.Г. Сидоров Философия и прогресс физики. М.: Знание, 1986. 192 с.

6. В.И. Черепанов Резонансные методы исследования вещества // Соросовский образовательный журнал, № 9, 1997, с. 86-9o.

7. И.П. Корнева Резонансные методы исследования некристаллических полупроводников // Материалы международной научной конференции «Инновации в науке и образовании - 2006» Калининград. 2006 КГТУ, c. 237-239.

8. Л.А. Блюменфельд, А.Н. Тихонов Электронный парамагнитный резонанс // Соросовский образовательный журнал, № 9, 1997, с. 91-99.

9. В.К. Воронов Ядерный магнитный резонанс // Соросовский образовательный журнал, № 9, 1996, с. 70-75.

10. Л.Н. Блинов Химия и физика халькогенидных, галогенидных, галогенхалькогенидных и фуллеренхалькогенидных стеклообразных материалов. СПб.: Изд-во СПбГПУ, 2003. 210 с.

11. A. Feltz, Amorphe und glasartige anorganische ferstkorper, Akademie-Verlag, Berlin,

i983

12. E. F. Venger, A. V.Melnichuk, A. V.Stronski, Photostimulated processes in chalcogenide vitreous semiconductors and their applications, Kiev, Akademperiodika, 2oo7, 283 pp.

13. A. V. Stronski, M. Vkek, Journal of Optoelectronics and Advanced Materials, 4, № 3, 699

14. O. Glotova, I. Korneva, N. Sinyavsky, M. Ostafin, B. Nogaj, Magnetic Resonance in Chemistry, V. 49, Issue 7, P. 385-388, 2Q11.

15. E. Mammadov, P.C. Taylor, J. of Non-Crystal. Solids 354, 2732 - 2735 (2008).

16. I. P. Korneva, N. Ya. Sinyavski, M. Ostafin, and B. Nogaj, Semiconductors 40, № 9, 1093-1095 (2006).

17. G.K. Semin, T.A. Babushkina, G.G. Yakobson, Nuclear quadrupole resonance in chemistry, A Halsted Press Book, Keter Publishing House Jerusalem Ltd., 1975.

18. Buslaev Yu.A., Kolditz L., Kravchenko E.A. Nuclear Quadrupole Resonance in Inorganic Chemistry. Berlin: VEB Deutscher Verlag Wissenschaften, 1987. P. 1-237.

19. Борисова З.У. Халькогенидные полупроводниковые стекла. Л.: Изд-во Ленингр. ун-та, 1983, 344 с.

20. G.K. Semin, T.A. Babushkina, G.G. Yakobson, Nuclear quadrupole resonance in chemistry, A Halsted Press Book, Keter Publishing House Jerusalem Ltd., 1975.

Об авторе

Корнева И.П. - Балтийская государственная академия рыбопромыслового флота, ikorneva05@rambler. ru