Лазерные методы исследования ленгмюровских мономолекулярных пленок: микроскопия и рефлектометрия под углом Брюстера тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ А К А Д Е М И Я Н А У К л ¡И Н С Т И Т У Т ОБШЕЙ ФИЗИКИ

НИКИТЕНКО АЛЕКСЕЙ АЛЬФРЕДОВИЧ

ЛАЗЕРНЫЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ .ЧШШШЗСКИХ МОНОМОЛЕКУЛЯРНЫХ ПЛЕНОК : МИКРСХЖОШ1Я И РЕФЛЕКТОМЕТР®? ПОД углом БИОСТЕРА

01.04.С г - лазерная Физика.

УДК 53.082.531:539.238

АВТОРЕФЕРАТ

диссертация не соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук.

МОСКВА - 1995 г.

Работа выполнена в Институте общей физики РАН - г. Москва.

Без научного руководителя.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор

Л. А. Кулевский, ИОФАН;

доктор физико-математических наук, профессор

' Л. А. Фейгин,

ИКАН.

Ведущая организация: Физический Институт РАН

Защита состоится

г. в

й?5

часов на

заседании Диссертационного совета К 003.49.02 при Институте общей физики РАН по адресу: г. Москва, ул. Вавилова 38, Институт общей физики РАН.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института общей физики РАН.

Автореферат разослан Сел^-ьГр^ 1995 г>

Отзывы об автореферате в одном экземпляре, заверенные ученым секретарем и скрепленные гербовой печатью, просим направлять пс адресу: 117942, Москва В-333, ул. Вавилова 38, ИОФ РАН.

Ученый секретарь

Диссертационного совета к. ф.-м. н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Аитуальиость темы. В настоящее время наблюдается значительный интерес к исследованию свойств ленгмкгоовских мономолскуляр-гь'х пленок, что связано с их уникальными особенностями к свойствами. Было проведено уже 7 международных конференций, посвящении обсуждению проблем монослойных структур.

Изучение динамики обрааоеачия ч?нгморовской пленки и про-1ессов, происходящих при ее перенесении на твердые подложки, меет большое значение для построения и успешного функционирова-[ия Ленгмюр-Блоджетт структур. Однако, при исследовании свойств юномолекулярных пленок, физики фазово - структурных изменений ¡а поверхности жидкой субфазы встречаются сложности в ингерпре-■ации результатов, несогласование данных, полученных в разных жепериментах к различными методиками. В связи с этим все более .ограстает роль одновременного использования в эксперименте нескольких взаимодополняющих Физических методов, что позволяет поучать наибол** полное представление о происходящих в пленках влениях.

Возможность одновременного применения различных методов при изучении свойств ленгмюровских пленок определяется следующими еловиями: для своего осуществления они не должны требовать

- контакта с мономолекулярным слоем

- какой-либо специальной подготовки суйЬазы

- внесения ь вещество формируемого монооаоя инородных доба-ок (например, флюоресцентных меток).

В данной работе рассматриваются сптические лазерные методы еследования пленок, удовлетворяющие этим условиям.

Цель диссертационной работы.

Разработка и развитие лазерных методов исследования мономо-екулярных слоев на твердых подложках и динамики их формирования а поверхности жидкой субфазы, позволяющих одновременно с ними спользовать другие известные методы. Исследование характеристик : условий применимости разработанных методов; их использование ля изучения свойств .денгмюровских мономолекулярных структур.

В данной работе предлагаемые методы связаны одной особен-остью - зондирующий лазерный пучок света падает на субфазу с онослоем под углом Врюстера.

В диссертации решена задача использования свойств отражения света под углом Брюстера для визуализации ленгмюровских структур на прозрачной твердой и жидкой подложках и для изучения процессов формирования мономолекулярной пленки на поверхности жидкой субфавы.

Научная новизна и практическая ценность работы.

1. Предложен новый физический механизм визуализации мономолекулярных структур в известном методе оптической микроскопии с наблюдением ленгмюровских пленок под углом Брюстера (в дальнейшем - микроскопия под углом Брюстера), заключающийся в следующем. Интенсивность отраженного от чистой подложки под углом Брюстера света с р-поляризалией определяется свойствами тонкого переходного слоя на поверхности подложки. Нанесение мономолекулярной пленки на подложку может быть рассмотрено как изменение свойств этого переходного слоя, что и ведет к изменению интенсивности отраженного света. Экспериментально показано, что визуализация монослоев в данном методе не может быть обусловлена изменением угла Брюстера после формирования монослоя на поверхности субфазы, как это было предположено ранее другими авторами [43

2. Метод микроскопии под углом Брюстера впервые применен для визуализации моно- и мультислойных ленгмюровских структур на твердых плоских прозрачных подложках и для контроля чистоты подложек перед нанесением монослоев. Экспериментально исследовано явление уменьшения контраста изображения мономолекулярных структур на твердых подложках при отклонении от угла Брюстера падающего на образец пучка света с р - поляризацией. Показано, что при углах падения, меньших угла Брюстера, контрастность изображения падает значительно медленнее, чем при углах, его превышающих. Предложен и реализован интерференционный способ контрастирования изображения ленгмюровских пленок.

3. Предложено физическое обоснование принципа работы метода рефлектометрш ленгмюровских пленок под углом Брюстера. Экспериментально исследована зависимость интенсивности отраженного под углом Брюстера р-полнризованного света от величины поверхностного давления в процессе формирования на поверхности воды монослоя красителя 7 ~ аминокумарина. Показано, что изменения интенсивности света, отраженного от монослоя, коррелируют с изменениями упругости пленки, измеренной в идентичных условиях. Определены границы применимости метода - формирование монослоя не должно сопровождаться образованием островковых фрагментов.

4. Предложен и реализован метод исследования изменения "эффективного- показателя"'преломления СЭШ.) прозрачной субфазы после формирования на ее поверхности мономолекулярного слоя, заключающийся в следующем. Изменение ЭШ1 вычисляется по значениям угла Врюстера до и после формирования монослоя на поверхности субфазы. i1 гол Брюстера определяется по сдвигу фаз между и s- компонентами эллиптической поляризации отраженного сьета, равному я/2 (по главному углу падения). Рассмотрены условия повышения чувствительности метода, йгэдеиени« НШ стеклянной подложки после внесения на ее поверхность мснослоя арахиновой кислоты оказалось неодинаковым по площади поверхности подложки и составляло in - 0.9 - 2.1 х ю~3 для разных участков поверхности.

5. Рассмотренные лазерные методы исследования ленгмюровских пленок под- углом Брюстера могут быть использованы совместно в экспериментах по изучению динамики формирования монослоев на поверхности жидкой субфазы и не препятствуют применений других физических методов.

Апробация материалов диссертации. Основные сягультчтн исе-зедонаний докладывались на семинарах очдчла ксда-Лякий обгоемос-ícbckom семинаре "Ленгмюровские пленки и ансамбли амфифильных «уюкул", обп^московском семинаре "Туннельная микроскопия и ка-гегехнелогия", на международны^" кичференпиях: international Tonfегепсе orí Advancer! and Laser Technologies ("ALT'92"). Моск-за, 8-11 сентября, 1992 г.; Second International Conference on Janometer Scale Science ana Technology f'HANO - 11"), Москва, '¿. - 6 августа 1993 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных >абот.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, че->ырех. глав и заключения. Объем работы - 187 страниц, включая S4 шеунка. В списке литературы - 111 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ.

Во введении обоснована актуальность диссертационной темы, формулированы задачи, научная новизна и практическая ценность заботы. Рассмотрено краткое содержание диссертации.

В первой главе рассмотрены литературные данные о структуре свойствах ленгмюровских пленок на поверхности жидкой субфазы и

- б -

на твердых подложках, способы переноса мономолекулярных слоев с поверхности воды на твердые подложки, различные молекулярные ориентации мультислоев.

Во второй главе рассмотрены свойства отражения и преломления света на границе раздела прозрачных сред вблизи угла Врюсте-ра. Особое внимание уделено отступлениям от формул Френеля:

а. Интенсивность отраженного света с поляризацией, параллельной плоскости падения (р-поляризацией) не спадает до нуля при угле Врюстера.

б. Свет, линейно поляризованный под углом к плоскости падения, при отражении в малой окрестности угла Врюстера становится поляризованным эллиптически.

Рассмотрены феноменологическая теория Ш и более подробно молекулярная теория [23 отражения и преломления света.

Согласно им, отступления от формул Френеля могут быть объяснены существованием на границе раздела двух сред тонкого (порядка нескольких ангстрем) переходного слоя со свойствами, отличными от свойств объемных сред.

Так, в молекулярной теории отражения и преломления света изучался вопрос о поле отраженной волны на расстояниях много больших по сравнению с межмолекулярными размерами среды, поэтому дискретные излучающие центры среды были • заменены непрерывно распределенными источниками, и введены два рода таких источников - объемные и поверхностные 121. Если на среду падает плоская монохроматическая волна, то вектор поляризации среды слагается из двух' составляющих:

а) однородной волны Р - Р0 ехр И (о>1 - кг)}. Каждый элемент объема среды с!У может рассматриваться как источник электромагнитных волн, излучающих как диполь Герца с дипольным моментом РйУ;

б) дополнительной поляризации переходного слоя. Вектор * - *о ехР ^ (<<>£ - кхх)} есть дополнительный дипольный.момент, приходящийся на единицу поверхности тела. Каждая площадка поверхности тела дает дополнительный вклад в отраженную волну как диполь Герца с дипольным моментом тЖ. Взаимодействие этих волн и дает поле отраженной волны.

В первом приближении теории (ограничиваясь линейными членами по к), были получены формулы, уточняющие коэффициенты Френеля для отраженного света. В частности, для волны с поляризацией,

- ? -

эраллельной-.плоскости- падения-""(р~полярнзация) было получено

Яр tg (ф-ф) r VxCOS2* - T2;Sin2(p N

---h + 2ik cost? ------(1)

£p tg (ф+ф) V СОБ^ф - Sirrip '

ie £p, Rp - амплитуды компонент электрического поля падающей и граженной волн с р-поляризацией; ф, Ф - углы падения и прелом-?ния, к - модуль волнового вектора.

Параметрами г>; - тох/ рох а г, - ta?/ Pos характеризуются в насматриваемом приближении свойства переходного слоя. Теория фаведлива при выполнении условий гх/ Н< 1 и г г/ * << 1.

Амплитуда электрического поля отраженной волны с поляриза-гей, перпендикулярной плоскости падения (s-поляризация), слабо шисит от т - параметров, как показывает соответствующая форму-

I [2].

Нами формула (1) была преобразована в формулу для амплитуды

■раженной волны Rv под углом Брюстера <рб. Учитывая, что

; + ФБ - И I? ;?Б - п. было получено:

/?р 1 COS £'Фе i J - ГС

— » - ikГгз-Гх) - - - i'K(Vz-íyj----pi-75-

Ер г cos <pp г (i+л )г'

i - показатель преломления еррды без учета переходного слоя). >рмула показывает, что интенсивность отраженного света с р-по-ризацией не спадает до.нуля и зависит от свойств переходного ш. Фаза отраженного спета сдвинута на 90°.

В третьей главе дан краткий обзор известных методов рефрак-метрии, используемых для изучения процессов, происходящих на аницах раздела сред и для исследования монослойных структур, иоаны.методы оллипсометрии, оптические методы измерения реоло-ческих параметров мономолекулярных пленок, техника исследова-я поглощения и отражения света от поверхностных слоев.

В четвертой главе рассмотрены развиваемые оптические методы д углом Брюстера и результаты исследований ленгмюровских пле-к с помощью этих методов. Глава состоит ив трех параграфов.

В первом параграфе рассмотрен метод оптической микроскопии ц углом Брюстера [3,43, впервые использованный нами для визуа-защга мономолекулярных структур на твердых прозрачных подлож-

Принципиальная схема установки изображена на рис.1. Луч лг

Рис.1.Оптическая схема установки. 1 - лазер, 2 - поляриза тор, 3 - объект, 4 - микрообъектив, 5 - анализатор, 6 - окуляр фото или видеокамера, 7 - только для способов контрастирования пластинка А/4 (в положении 1 или 2).

8 т 10 - рассмотрено в параграфе 3. 8 - зеркальная линза отверстием, 9 - окуляр, 10 - ФЭУ.

зера 1 через поляризатор 2 под углом Брюстера падает на образе 3 (на границу чистая подложка - подложка с монослоем). Поляриза тор 2 используется для формирования р-поляризованного световог пучка. .Интенсивность света, отраженного от чистой подложки, от личается от интенсивности света, отраженного от подложки с мо нослоем, что и позволяет визуализировать мономолекулярные плен ки. Далее свет собирается микрообъективом 4, формирующим изобра жение объекта. Анализатор 5 необходим для исследования поляриза ции отраженного света; б - окуляр, фотопленка или видеокамера; 1 - четвертьволновая пластинка (только для способов увеличена контраста) - может быть или в положении 1 или в положении 2 Часть установки 8-10 рассмотрена в третьем параграфе.

В установке использовался Не-Ие лазер X - 0,63 мкм, или аргоновый лазер А - 0,5145 мкм. Угол Брюстера определялся по минимуму отражения от образца света с р~поляризацией. Мощность падающего на образец лазерного пучка не превышала 5 мВт, при применении способов увеличения контраста изображения - 10 мВт.

Экспериментально показано, что визуализация монослойны структур в микроскопе не может быть объяснена изменением угл, Брюстера в результате нанесения монослоя на подложку, как зт предположено в С4]. Нанесение мономолекулярного ленгмюровског

слоя практически не меняет угол Брюстера, в то время,_как_интенсивность- отраженного-света"от подложки с монослоем меняется резко (рис.2). Предложенное нами обоснование принципа действия микроскопа под углом Брюстера заключается в следующем: визуализация чонослоев непосредственно связана с тем фактом, что интенсивность отраженного под углом Брюстера света с р~поляризацией не спадает до нуля.

эис. 2. Зависимость интенсив-гости отраженного света с р-юляризацией от угла падения р вблизи угла Брюстера <?б для 1 - чистой стеклянной подлож-от, б - подложи с монослоем.

%'№* % & %+йГ

При падении на чистую подложку под углом Брюстера плоской золны с р-поляризацией амплитуда отраженного света определится Еюрмулой (Я).

Пусть часть этой подложки покрыта монослоем какого-либо вещества. Переходный слой подложки с нанесенным монослоем можно считать поверхностным переходным слоем с другими параметрами Гх"'" и и .амплитуда отраженного света определяется формулой

:2) с этими новыми параметрами.

Определяя контраст изображения как К - (1тах - ¿лип) /¿так, [ами получено, что в этом случае часть подложки с монослойной шенкой будет визуализироваться на фоне чистой подложки с конт-)астом

К

V ПЛ _ V ПЛ

(3)

4 Тг "" Тх '

'+" - если пленка выглядит темнее чистой подложки, "-" - если светлее.

Микроскопия под углом Брюстера была применена для обнаруже-мя оптически разрешаемых дефектов, возникающих при переносе мо-гослоев с поверхности еоды на твердую подложку. Выяснено, что оявление дефектов зависит от типа и качества обработки поверх-

ности подложек (так, на полированные подложки пленка переносилась лучше, чем на неполированные, на кварцевые - лучше, чем на стекло), и от условий нанесения. Монослойкые структуры выглядят либо более светлыми, либо более темными по сравнению с чистой подложкой. Микроскоп под углом Брюстера был также использован для контроля чистоты плоских прозрачных подложек перед нанесением ленгмюровских пленок. В качестве образцов использованы мономолекулярные пленки стеариновой и арахиновой кислот, сополимера гептил а-цианакрилата с 1,1,2 трихлорбутандиеном на стеклянных и кварцевых подложках. Изготовление образцов осуществлялось методами Ленгмюра-Влоджетт и Шефера в лаборатории лазерной биофизики ИОФРАН Конфоркиной Т.В., Беловоловой Л.В. ив НШФП Матвеевой Н.К. В диссертации приведены фотографии мономолекулярных структур, границ монослойных покрытий.

Метод микроскопии под углом Брюстера применялся для исследования динамики формирования монослоев арахиновой кислоты и красителя 7-аминокумарина на поверхности воды в ленгмюровской ванне установки KSV 5000 LB Center.

Экспериментально исследовано уменьшение контраста изображения ленгмюровской пленки (монослоя арахиновой кислоты на стеклянной подложке) при отклонении от угла Брюстера падающего на образец пучка света. Обнаружено, что при углах падения, меньших угла Брюстера фб, контрастность изображения падает значительно медленнее, чем при углах, его превышающих. Так, снижение контраста изображения до 80% от максимального происходит при углах падения <ро.8 - ФБ - 0,75° и фо.8 - Фб + 0,35°; уменьшение контраста на 50% происходит при углах фо.5 - Фб - 1.3° и «ро.5 - Фб + 0,8°:

Был экспериментально реализован поляризационный способ контрастирования изображения L3]. В схему установки добавлена четвертьволновая пластинка 7, которая■может находиться или в положении 1, или в положении 2. Поляризатор 2 установлен таким образом, чтобы в падающем на исследуемый образец под углом Брюстера пучке света присутствовали и р-, и s~ составляющие поляризации. Рассмотрим четвертьволновую пластинку в положении 2. Тогда отраженный свет будет иметь эллиптические поляризации. При этом интенсивность р- компоненты волны, отраженной от подложки с пленкой будет отличаться от интенсивности отраженной волны от чистой подложки; s- компоненты практически не изменятся (рис.3| а,б). Четвертьволновой пластинкой эти эллиптические поляризации преобразуются в линейные (рис.3 в,г). Если четвертьволновая

г

м р

П '

Рис.3. Состояние поляризации света при поляризационном способе контрастирования изображений, а,б - поляризации света, отраженного от чистой подложки и от подложки с пленкой, перед четвертьволновой пластинкой, в,г - после четвертьволновой пластинки.

пластинка стоит в положении 1, тс она используется для создания такой поляризации падающего света, при которой после отражения от чистой поверхности подложки и от монослоя спет имеет линейные поляризации. Затем .анализатором Я одна из зтих линейных поляризаций гасится. Этим способом контраст изображения монослоя' ара-хиновой кислоты на фоне чистой подложки удалось поднять с К -0.2 до К - 0.7.

Нами предложен и акепериментально реализован интерференционный способ контрастирования. Необходимость этого способа определялась тем, что при наблюдении ленгмюровских структур на твердых прозрачных подложках отражение света от второй поверхности подложки мешало визуализации. Нам удалось не только избавиться от паразитной волны засветки, но и использовать ее для контрастирования изображения. Схема установки идентична поляризационному способу. Четвертьволновая пластинка находится в положении 1. Пусть отраженная волна интерферирует с дополнительной линейнопо-ляризованной волной Е, плоскость поляризации которой совпадает с, например, плоскостью поляризации части пучка, отраженного от чистой подложки /?чп (рис.4), и направление которой совпадает с направлением распространения отраженной волны. При положении плоскости анализатора 0-0' показанном на рисунке 4, проекции екторов Е и /?чп на плоскость анализатора 0-0' направлены син-

фазно и результирующая интенсивность возрастает. Составляющие векторов Е и /?пл вдоль плоскости анализатора взаимно гасят друг

раженного от подложки с пленкой £пл и от чистой подложки /?чп; Е - поляризация дополнительного пучка света; 1,2- проекции /?пл и /?чп на плоскость анализатора.

друга. При определенном положении плоскости анализатора результирующая интенсивность равна нулю'. В результате получено контрастирование изображения, аналогичное поляризационному' способу. Если направление распространения водны Е составляет некоторый угол с направлением распространения отраженной волны, то изображение визуализируется по сдвигу интерференционных полос. В качестве £ использовалась волна, отраженная от второй поверхности подложки.

В диссертации представлены фотографии мономолекулярных структур с увеличенным контрастом изображения с помощью этих двух способов.

В параграфе втором рассмотрен метод рефлектометрии под углом Брюстера.

Сообразно со сказанным в гл.2, нанесение мономолекулярной пленки на поверхность переходного слоя подложки может быть рассмотрено как изменение свойств этого переходного слоя, что ведет к изменению интенсивности отраженного под углом Брюстера света с р-поляризацией. Тогда фазово-структурным изменениям, происходящим в монослое в процессе его формирования на поверхности жидкой

субфазыг "также должны соответствовать изменения интенсивности отраженного света, т.к. изменение свойств мономолекулярной пленки должно вести к изменении] свойств совокупного переходкого слоя.

Впервые предложение использовать метод рефлектометрии под углом Брюстера для изучения динамики формирования ленгмюровских пленок встречается в [43, однако апробация метода на пример« арахиновой кислоты в вышеуказанной расою не принесла положительных результатов.

В наших экспериментах для формирования монослоя молекул на поверхности жидкой субфазы была использована производная красителя кумарин 102, 7-аминокумарин. Работа проводилась на установке HSV 50Q0 LB Center - фирма KSY Instruments Ltd., Финляндия. Слой формировался на поверхности водной субфазы с помощью подвижного барьера. Температура субфазы поддерживалась у, пределах Т - 21,8 i 0,Е°С к Т - 20,й J. 0,2°1!. Молекулы красителя наносились на ьодную >юверхйос. рь в растворе хлороформа. Поверхностно* давление контролировалось весами Вильгельми. Управление установкой осуществлялось Алексеевым A.C., КонФоркиной Т.В.

В эксперименте был использован аргоновый лазер ('X -514,5 нм). Р-поляризованный лазерный луч мощностью около 10 мВт и диаметром 2 мм падая под углом Брюстера на поверхность водной субфазы. Значение угла Брюстера определялось по минимуму отраженного света. Отраженный пучок регистрировался с помощью ЮУ-79.

Нам представлялось интересным сравнить изменения интенсивности света, отраженного под углом Брюстера от поверхности формируемого монослоя, с данными по изменению коэффициента упругости, полученными ранее Алексеевым A.C. [б]. С этой целью в настоящей работе были воспроизведены технологические параметры, приведенные в работе [51, а именно: исходная концентрация молекул красителя на поверхности субфазы, температура и pH субфазы, скорость движения барьера.

Было установлено, что изменения интенсивности отраженного под углом Брюстера света в процессе образования монослоя 7-ами-нокумарина на поверхности воды соответствуют фазово-структурным изменениям в пленке, определенным из тс - А изотерм. Более того, оказалось, что минимумы и максимумы интенсивности для данного вещества совпадают по своему положению с минимумами и максимумами коэффициента упругости монослоя в зависимости от величины приложенного поверхностного давления.

На рис.5 представлена одна из полученных зависимостей интенсивности отраженного света от величины поверхностного давления, изменявшегося по мере формирования монослоя молекул красителя. Здесь же для сравнения приведена зависимость коэффициента упругости молекул красителя в слое от величины приложенного поверхностного давления. При изменении температуры субфазы экстремумы обеих кривых сдвигались одинаково.

£ | с?*«н. ед. мН/м "

Рис.Б. Зависимости интенсивности отраженного под углом Брюстера света с р-поляризацией (1) и коэффициента упругости молекул красителя 7 - аминокумарина в монослое (2) от величины поверхностного давления Л при температуре 21,3° С.

ю го зо

Необходимо, однако, отметить, что метод рефлектометрии под углом Брюстера можно применять только для веществ, формирование монослоя которых при данных технологических параметрах не сопровождается образованием островковых фрагментов мономолекулярной пленки. Иначе изменение интенсивности отраженного света будет свидетельствовать исключительно о наличии или отсутствии подобного фрагмента под зондирующим лучом.

В параграфе третьем рассмотрен предложенный нами способ определения изменения эффективного показателя преломления (ЭПП) прозрачной подложки после нанесения на ее поверхность ленгмю-ровского монослоя. Изменение ЭПП вычисляется по значениям угла Брюстера до и после образования монослоя на поверхности субфазы. Однако, определение угла Брюстера по минимуму отраженного света не дает необходимой точности из-за "размытости" этого минимума. В нашем способе угол Брюстера определяется по сдвигу фаз между р- и з- компонентами эллиптической поляризации отраженного света. оавному 90° (по главному углу паления).

- 16 - _____________ -

Рассмотрим эллиптически.поляризованную'волну: • --- " "<"£р'- ар cos u»t. £'s - Д? cos («i + 5) r ac и % - амплитуды в.ьзкмодерпендикуляркых компонент поляризации. При сдвиге фаз 5 - 9ü° эллиптичность поляризации определяется соотношением ар и as, и направление осей эллипса совпадает ср- hs- осями (рис.в, а). При откжмшта сдвига фаз от 90° эллиптичность поляризации меняется, при этом оси эллипса поворачиваются относительно р- и s- осей (рис.6, В). .Зависимость угла

Рис.6. Изменение эллиптичности поляризации волны при отклонении сдвига фаз между ее составляющими от 90°.

А - сдвиг ФЯ8 Б -сдвиг

фаз о' 30°. V - угол полорога ?ллипса поляризации.

товорста осек эллипса от сдвига фаз между составляющими поляризации о определяется формулой С61.

я'.ЭрЗс

аР2 - as2

cos 5

!ем ближе начальный эллипс поляризации волны (рис.6,А) круго-юй поляризации, тем меньшее изменение раачости фаз б вызовет аределенный угол поворота ¥ осей эллипса Б. Подобная система •ллипсов оказывается крайне чувствительной к отклонен™ разности ¡аз от 90°. Например, при соотношении полуосей ар : а3 - 1:0,7 и = 89° - угол поворота осей эллипса ¥ =■ 1,4°; при ар : аг -:0,95 и 5 - 89° - ¥ уже будет равен 9,4°.

Используем рассмотренные свойства эллиптической поляризаций олны в нашем методе. Принципиальная схема установки изображена а рис.1. Луч лазера 1 (Не-Ие) через поляризатор 2 под углом рюстера падает на образец 3 - на границу "чистая подложка -одложка с моносдоем". Поляризатор 2 установлен таким образом, то в падающем пучке света присутствуют и р~, и ,5- составляющие

поляризации, причем после отражения от чистой подложки свет имеет эллиптическую поляризацию с заданным соотношением амплиту? электрического поля ар и а3, близким к единице. Точной подстройкой угла Брюстера сдвиг фаз мевду этими двумя компонентами эллиптической поляризации устанавливается равным 90° - юстировкой добиваемся параллельности р- и б- плоскостей и осей эллипса поляризации (рис.6, А). Отраженный пучок через объектив 4 и анализатор 5 падает на поверхность вогнутой зеркальной линзы 8, которая переносит изображение объекта к окуляру 9. В центре зеркальной линзы имеется отверстие в алюминированном слое, которое проецируется в поле зрения окуляра в виде небольшого темного участка и выполняет при фотометрировании роль фотометрической диафрагмы. Окуляр 9 служит для точного совмещения этой диафрагмы с выбранным участком поверхности объекта. Лучи света, прошедшие через отверстие в алюминированном слое, направляются на фотоэлектронный умножитель 10.

При отражении света от подложки с мономолекулярным покрытием угол Брюстера (и, следовательно, ЭПП) меняется. Учитывая резкое изменение фазы от 0° до 180° между р- и э- составлявшими поляризации в окрестностях угла Брюстера, малейшее изменение углг Брюстера вызывает изменение сдвига фаз между этими компонентами, что ведет к повороту эллипса поляризации (рис.б, Б). Следовательно, при перемещении фотометрической диафрагмы с чистой поверхности объекта на участок поверхности с- монослоем эллипс поляризации отраженного света повернется на определенный угол. Варьируя угол Брюстера, снова добиваемся параллельности осе* этого эллипса р- и э- плоскостям, и по тангенсу нового углг Брюстера вычисляем ЭПП системы подложка - монослой.

Исследования показали, что нанесение монослоя арахиновок кислоты (толщина 28 А) методом Ленгмюра-Блоджетт на стекляннук подложку увеличивало угол Брюстера неодинаково по площади подложки. Изменение угла составляло А<р - 1' т 2.2' для разных участков поверхности в пределах з оны, освещенной пучком светг (с! ^ 2мм). Это соответствует увеличению эффективного показателя преломления на Дп - (0,9 т 2,1) х ю-3. Данный метод был также использован для исследования поверхностей чистых плоских прозрачных подложек.

Точность определения значения показателя преломления в нашем случае составляла ± 2 х ю-4 и ограничивалась точностью измерения изменения угла Брюстера, равной ± 0.2'. Фотометрируем1 участок образовывал эллипс на поверхности образца, большая ос

которого равнялась-125-мим;/"а матая ось - 70 мкм.

"При изучении динамики формирования монослоя на поверхности шдкости изменение ЭДП может быть оценено по величине и знаку гаклона осей эллипса поляризации.

Выводы.

Основные результаты работы можно сформулировать следующим бравом:

1. Предложен физический механизм визуализации мономолеку-ирных структур на фоне чистой поверхности субфазы в методе оп-ической микроскопии под углом Брюстера с учетом свойств поверх-остного переходного слоя.

2. Создана экспериментальная установка микроскопа под углом рюстера. Определено влияние отклонения пучка света от угла рюстера на контраст изображения ленгмюрсвских структур. Разра-этан интерференционный способ контрастирования изображений.

Выявлены характерные дефекты в монослоях> возникающие при < перенесении с поверхности воды на твердые подложки. Появление ?фектов зависит от типа подложек, качества их обработки, чисто-,1 и условий нанесения.

3. Создана экспериментальная установка для рефлектометрии эд углом Брюстера ленгмюровских мсномодекулярных пленок в прочее их формирования на поверхности жидкой субфазы. Обоснован >ияцие работы метода рефлектометрии. Определены границы его ¡именимости.

Экспериментапьно обнаружено, что Фазово-структурным измене-нм, происходящим в монослое красителя 7-аминокумарина с увелитием поверхностного давления, соответствуют изменения интен-вности- отраженного под углом Брюстера света с р-поляризацией, тановлено, что минимумы и максимумы интенсивности по своему ложению совпадают с аналогичными изменениями коэффициента уп-гости формируемого монослоя.

4. Предложен способ исследования изменения эффективного по-зателя преломления (ЭПП) прозрачной субфазы в результате обра-вания на ее поверхности мономолекулярного слоя. Точность опре-яенин изменения ЭПП составляла Дп - ± 2 х ю~4. Эксперимен-пьно показано, что изменение ЭПП стеклянной подложки после на-зения на ее поверхность монослоя арахюювой кислоты неодинако-

по площади подложки и составляет Дп = (0,9 т 2,1) * Ю-3 для ных участков поверхности.

Цитируемая литература:

1. П. Друде. // Оптика. М.; Л., 1935. 462 с.

2. Д.В. Сивухик. Молекулярная теория отражения и преломления света // ЖЭТФ. 1948. Т.18. Вып.11. С. 976-994.

3. S. Henon, J. Meunier. Microscope at the Brewster Angle: Direct Observation of First-Order Phase Transinions in Monolayers // Rev. Sei. Instrum., 1991. V.62. N 4. P. 936 -939.

4. D. Honig, D. Möbius, Direct Visualization of Monolayers at the Air-Water Interface by Brewster Angle Microscopy. // J. Phys. Chem., 1991. V.95. N 12. P. 4590-4592.

5. A. Alekseev, J. Peltonen, V. Savransky. Formation of H Aggregates in a 7-Aminocoumarin Dye Monolayer: a Spectroscopy and Elasticity Study. // Thin Sol. Films, 1994. Y.247. P. 226-229.

6. M. Борн, Э. Вольф. // Основы оптики. Москва. 1973. 720 с.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. А.А.Никитенко, В.В.Савранский, Л.В.Беловолова, Н.К.Матвеева. Микроскопия ленгмюровских монослоев под углом Брюстера (Брюстеровская микроскопия). // Препринт ИОФ РАН N .7, 1992. 34 С.

2. A.A. Nikitenko, V.V. Savransky. Imaging of Monomolecular Films on Solid Substrates by Brewster Angle Microscopy. // GPI Preprint N 14, 1992, 17 P.

3. A.A. Nikitenko, V.V. Savransky. The Imaging of L-B Films by ' Brewster Angle Microscopy. International Conference on

Advanced and Laser Technologies. Moscow, 8-11 September, ' 1992. // Book of Summaries, Part 3. P. 94-97.

4. A.A. Никитенко, B.B. Савранский. Оптическая микроскопия ленгмюровских монослоев под углом Брюстера. // Опт. и спектр., 1993. Т.74. Вып.2. С. 327-330.

5. A.A. Никитенко, В.В. Савранский. Микроскопия под углом Брюстера. Свойства и способы увеличения контраста. // Опт. и спектр., 1993. Т.74. Вып.2. С. 322-326.

6. A.A. Nikitenko, V.V. Savransky, A.M. Prokhorov. The Observation of Monomolecular Structures by Brewster Angle Microscope. Second international Conference on Nanometer Scale Science and Technology. Moscow, August 2-6, 1993. // Abstracts. F/29. P. 41.

- 19 - _ _______________________

A. A. Nikitenko, V. V. Savransky.-- Imaging -of Monomolecular - -- -Films "orPSolid Substrates by Brewster Angle Microscopy. // Herald of Russian Acad. Tech. Sci., 1994. V.l. N7. P. 553-578.

А.А. Никитенко, В,В. Савранский. Оптическая микроскопия ленгмюровоккх монослоев под углом Брюстера. Характеристики и способы увеличения контраста изображения. // Сб. трудов ИОФАН., 1995. Т.49. С. 119-129.

А.А. Никитенко, В. ft «'«теранский. Измерение эффективного показателя преломления прозрачной подложки с нанесенным ленгмюровским монослоем с помощью микроскопа под углом Брюстера. // Опт. и спектр., 1994. Т.76. N 6. С. 1005-1007. 0. А.С. Алексеев. Т.В. Конфоркина, А.А. Никитенко. Отражение света .под углом Брюстера как метод регистрации фазово -структурных изменений при образовании мономолекулярного слоя. // Поверхность, 1995. N Я. С. 102*106.