Спектромикроскопия одиночных молекул и нанодиагностика неупорядоченных твердых сред, монография, Наумов А.В., 2015

Спектромикроскопия одиночных молекул и нанодиагностика неупорядоченных твердых сред, Монография, Наумов А.В., 2015.

   В монографии описывается научное направление «Диагностика макроскопических объемов твердотельных неупорядоченных сред с нанометровым пространственным разрешением по спектрам и флуоресцентным изображениям множества одиночных молекул-зондов», разработанное в рамках докторской диссертации автора. Рассматриваются возможности метода спектроскопии и флуоресцентной микроскопии одиночных молекул для исследования низкотемпературной динамики и локальной структуры неупорядоченных твердотельных сред: экспериментальные методы и теоретические подходы для описания экспериментальных данных. Приведены результаты экспериментальных и теоретических исследовании динамики широкого круга олиго- и полимеров, органических стекол и поликристаллов при низких температурах (1.5-40 К). Показано, как данный подход может быть использован в прикладной области для нанодиагностики материалов со сложной микроструктурой. Монография может использоваться в качестве учебного пособия и рассчитана на студентов старших курсов, аспирантов и начинающих исследователей, работающих в области селективной лазерной спектроскопии сложных органических соединений и наноструктур.




Универсальность динамических свойств аморфных сред.
Широкий круг некристаллических твердотельных материалов (от полимеров и стекол до биологических сред и нанообъектов) характеризуется сложной внутренней структурой, которая может сильно отличаться па микроскопическом уровне. Локальная неупорядоченность и неоднородности, присущие таким средам, приводят к появлению динамических свойств, фундаментально отличающихся от соответствующих характеристик высокоупорядоченных кристаллических веществ. Одной из наиболее поразительных и загадочных особенностей неупорядоченных твердотельных сред является ярко выраженная универсальность их свойств при низких (криогенных) температурах. Как показали многочисленные эксперименты (рис. 1.8), при низких температурах динамические свойства подавляющего большинства некристаллических диэлектрических материалов качественно не зависят от физической структуры и химического состава материалов [65].

Как уже обсуждалось выше, неупорядоченные твердотельные среды при температурах ниже 1-2 К проявляют такие аномальные свойства, как линейная зависимость удельной теплоемкости и квадратичная зависимость теплопроводности от температуры, аномалии в поглощении ультразвука и электромагнитного излучения, нелинейные эффекты типа насыщения поглощения и многие другие необычные явления (см., напр., [6, 7]). Аморфные материалы обладают рядом универсальных специфических свойств, отличающих их от кристаллических веществ и при более высоких температурах. К числу таких свойств, например, относятся: дополнительный к акустическим фононам и ДУС вклад в теплоемкость при температурах от единиц до нескольких десятков градусов Кельвина [30], наличие плато в температурной зависимости теплопроводности в области 10 К [31], линейное уменьшение скорости звука при повышении температуры в области выше нескольких градусов Кельвина [32], наличие бозонного пика в низкочастотном комбинационном рассеянии света [40, 42] и ряд других эффектов. Наблюдаемая в большом количестве экспериментов универсальность аномальных динамических свойств неупорядоченных твердотельных сред при низких температурах послужила одной из причин того факта, что в литературе все неупорядоченные диэлектрические материалы стали часто называть «стеклами».

ОГЛАВЛЕНИЕ.
Список сокращений.
Перечень рисунков и таблиц.
Список формул.
Введение.
Глава 1. Низкотемпературная динамика неупорядоченных твердых сред.
1.1. Неупорядоченные твердотельные среды.
1.2. Исследования аномальной динамики низкотемпературных стекол.
§1.2.1. Традиционные экспериментальные методы.
§1.2.2. Оптическая спектроскопия примесного центра.
§1.2.3. Универсальность динамических свойств аморфных сред.
1.3. Модели низкотемпературной динамики стекол.
§1.3.1. Модель туннелирующих двухуровневых систем (ДУС).
§1.3.2. Низкотемпературная колебательная динамика стекол.
§1.3.3. Локальные структурные релаксации при низких температурах.
1.4. Взаимодействие примесных молекул с матрицей.
§1.4.1. Электрон-фононное взаимодействие.
§1.4.2. Стохастическая модель случайных прыжков.
§1.4.3. Влияние примесных центров на динамику матрицы.
1.5. Выводы по главе 1.
Глава 2. Спектроскопия одиночных молекул (СОМ).
2.1. Основные принципы СОМ.
2.2. Экспериментальные схемы.
§2.2.1. Детектирование молекул и корреляционные методы.
§2.2.2. Спектры поглощения и возбуждения флуоресценции.
§2.2.3. Спектры излучения.
§2.2.4. Схемы освещения и сбора сигнала.
§2.2.5. Конфокальная схема с одноканальным детектором.
§2.2.6. Люминесцентный микроскоп с матричным детектором.
2.3. Теоретические аспекты СОМ в низкотемпературных стеклах.
§2.3.1. Текущее состояние теории.
§2.3.2. Стохастическая теория распределений форм оптических линий одиночных молекул в низкотемпературных стеклах.
§2.3.3. Динамическая теория спектров одиночных молекул.
2.4. Выводы по главе 2.
Глава 3. Экспериментальные основы СОМ применительно к исследованию низкотемпературной динамики стекол.
3.1. Спектры возбуждения флуоресценции одиночных молекул в неупорядоченных твердотельных средах.
§3.1.1. Методика регистрации меняющихся спектров одиночных молекул и их двумерного графического представления.
§3.1.2. Идентификация спектров различных одиночных молекул.
§3.1.3. Стандартное временное поведение спектров одиночных молекул, взаимодействующих с двухуровневыми системами.
§3.1.4. Ширина спектра одиночной молекулы в аморфной матрице.
§3.1.5. Преимущества техники повторяющегося измерения спектров.
3.2. Экспериментальная техника.
§3.2.1. Экспериментальные установки.
§3.2.2. Выбор мощности лазерного излучения.
3.3. Техника температурных циклов.
3.4. Объекты исследования и приготовление образцов.
§3.4.1. Полимерные пленки.
§3.4.2. Замороженные растворы органических жидкостей.
3.5. Выводы по главе 3.
Глава 4. Синхронная регистрация спектров множества одиночных молекул.
4.1. Проблемы использования люминесцентного микроскопа в СОМ.
4.2. Методика измерения спектров и координат множества молекул.
4.3. Синхронное измерение спектральных траекторий.
4.4. Преимущества методики.
4.5. Выводы по главе 4.
Глава 5. Низкотемпературная динамика стекол и полимеров на микроуровне- возможности спектроскопии одиночных молекул.
5.1. Прямое наблюдение переходов в двухуровневых системах.
5.2. Температурная зависимость формы спектра одиночной молекулы как источник информации об элементарных возбуждениях матрицы.
§5.2.1. Общий вид температурной зависимости параметров спектра одиночной молекулы в аморфном полимере.
§5.2.2. Индивидуальные параметры двухуровневых систем.
§5.2.3. Параметры низкочастотных колебательных мод.
5.3. «Аномальные» спектры одиночных молекул в полимерах.
§5.3.1. Трех- и многоуровневые системы.
§5.3.2. Взаимодействие ДУС между собой.
§5.3.3. Взаимодействие хромофоров с одной и той же ДУС.
§5.3.4. Мерцающая флуоресценция в спектрах одиночных молекул.
§5.3.5. Непрерывные спектральные дрейфы.
§5.3.6. Локальные структурные релаксации.
5.4. Локальная динамика в низкомолекулярных стеклах.
§5.4.1. Аномальная спектральная динамика одиночных молекул в низкомолекулярных органических стеклах.
§5.4.2. Связь динамики стекла с его структурой и химическим составом.
§5.4.3. Динамика олигомеров: зависимость от длины цепи.
5.5. Выводы по главе 5.
Глава 6. Статистический анализ параметров спектров одиночных молекул.
6.1. Сравнение экспериментальных и теоретических данных в СОМ.
§6.1.1. Распределения параметров спектров одиночных молекул.
§6.1.2. Концепция моментов и кумулянтов спектров.
6.2. Распределения ширины и моментов спектров одиночных молекул.
§6.2.1. Модельные расчеты спектров одиночных молекул.
§6.2.2. Распределения моментов спектров.
§6.2.3. Вклад ближних и дальних ДУС.
§6.2.4. Статистика Леви и распределения кумулянтов спектров.
§6.2.5. Распределение ширины и колебательная динамика матрицы.
6.3. Измерение энергетического спектра квазилокализованных низкочастотных колебательных мод.
§6.3.1. Методика измерений.
§6.3.2. Сравнение спектров плотности колебательных состояний, измеренных различными методами.
6.4. Дейтерирование молекул матрицы: изотопический эффект.
6.5. Частотная зависимость константы электрон-фононного взаимодействия.
6.6. Влияние примесных центров на динамику полимера.
§6.6.1. Динамика туннелирующих двухуровневых систем.
§6.6.2. Колебательная динамика.
6.7. Выводы по главе 6.
Глава 7. Одиночная молекула как спектральный наноинструмент.
7.1. Диагностика структуры твердотельных объектов.
7.2. Нанотермометр.
7.3. Электроизмерительный наноинструмент.
7.4. Выводы по главе 7.
Заключение.
Литература.

Купить .





Теги: учебник по нанотехнологии :: нанотехнология :: Наумов :: спектромикроскопия :: нанодиагностика