Регистрация люминесценции кремниевых пластин

 - От же недопесок мой снова лезет на рожон. В предыдущей конторе уже заявил о достижении, а оно мифическое-выперли Ну и тут опять ляпнул, что установка есть и показывает как надо!
       Начало эпопеи было положено этими словами. 
     - М-дя. Бывает....
       А так отреагировал Джоуль. Это прозвище, не пугайтесь. Исторических персонажей я не воскрешаю. Может быть, пока...не воскрешаю...
     Здесь в этом месте была вызвана я. В кабинет. И на листке бумаги формата А4 Папа недопеска изобразил что-то вроде структурной схемы.В камеру, сотворенную из кофейной банки через отверстие попадает ультрафиолет от лампы, падает на закрепленный образец кремниевой пластины. В отверстии установлен фильтр, проще говоря, стеклышко, чтобы из широкой полосы ультрафиолета "вырезать" только определенную длину волны, что-то в районе 250 нано метров.
Будь пластина чистая на этом все и закончится. А если замацана кем-то или в процессе обработки испачкана органическими остатками, то после облучения ультрафиолетом на нужной длине волны - во всю люминесцировать будет.
    Далее установлен фотоэлектронный умножитель, который всю эту люминесценцию, то есть фотоны, заловит и приумножит и увидим мы вырвавшиеся из него уже не фотоны,а электроны с помощью осциллографа.
    Все что нам останется - заметить закономерность на экране осциллографа. Ибо по мысли конструктора органическое загрязнение на кремниевой пластине люминесцировать будет, а чистая будет "молчать"
   Закон Стокса мне помянули, мол, если от ультрафиолетовой лампы на образец будет падать волны родимые 250 нано метров, то ответное излучение будет отличаться меньшей длиной волны - часть энергии возбуждающего излучения трансформируется во внутреннюю энергию люминесцирующего тела.
   Личное мое участие выразилось в вопросе "Уверены, что Стокс тут "работает"?"
Мне вспоминалось, что во-первых, есть какие-то вещества, на которых "Стокс отдыхает", во-вторых, органика она гадость такая слоистая и светящийся соседний слой может "съедать" свечение другого.
   Папа недопеска вначале было засопротивлялся. Стокс нерушим! Или это было что-то другое кроме сопротивления, но только он позвонил давнему товарищу своему и стал интересоваться, что у него лет 20 назад происходило в подобной установке, правда, при освещении не кремния, а стекол. Даже еще точнее - глазури на плитках керамических.
   Товарищ уточнял, что не 250 нано метров, а 560, а после облучения светом этой длины волны образец плитки светился на 380 или где-то рядом. И что недопеску он уже это объяснял.
   - Ну теперь мне объяснил, что страшного? А вообще, зашел бы днями. С материалами по этой теме и себя бы занес, разъяснил. Всегда лучше кроме текста еще и автора непосредственно...иметь...под рукой. Хи-хи...
   Товарищ пояснял что-то про здоровье, что надо бы восстановиться. Тогда уж точно!
   Люблю такие задания. В стиле "иди не знамо куда и ищи не знамо чего"
   - Именно это и есть наука! - подмигнул Шеф, он же Папа недопеска.
   Солидарна. Терра инкогнито. Вот уж, где никто не ступал!
   Спустя пару минут Джоуль смотрел в этот листок А4:
   - Не, прекрасно бы себя чувствовал, посещая французские старинные замки. Я их раньше не видел и весь мой микрорайон не видел, значит, терра инкогнито! А это...да, точно, "иди куда не понятно, ищи чего не знаешь". И при этом испытывай оргазмическое удовольствие? Мазохизм сплошной.
   Он глянул на показания осциллогафа, посидел молча за столом и на другом листке А4 изобразил формулой, что убедим мы его в наличии постсвечения кремниевой пластины, если только "махры" шумов будут раза хоть в 2 меньше, чем какой-нибудь информативный сигнал. Ладно, хоть какой-то сигнал...
   Поднявшись с места, чтобы поднести мне испещренный лист, Джоуль по мере движения ко мне стал вспоминать:
    - Делаете Вы с Шефом все это как дети. Мне прям школа вспоминается. КОгда сосед по парте, используя линейку, минимальная цена деления у которой 1 мм, замерил на лабораторной по физике что-то и получилось у него 12,135 см.
Как это? Вернее я понимаю, что на глазок это можно, особенно когда глазок молодой да зоркий и главное, когда по молодости доверяешь глазку своему...
Но прибор то - не его глазок даден, а дадена линейка, у которой хоть сдохни хоть тресни - минимальная цена деления 1 мм. Все! 12,1 см и никак иначе, если только не 12,0 или 12,2. Или переколибруйте измерительный прибор. Берете линеечку и другой линеечкой замечаете линии, чтобы они 1 мм ровно пополам делили и так далее...Тогда, милости просим, измерять хоть 1,255 см.
    А я продолжала освещать образцы дуговой дейтериевой спектральной лампой и глядеть одновременно при этом что прет в другое отверстие. Прет, усиливается в фотоумножителе и фиксируется на экране осциллографа. Вернее, считая что прут сначала на пластину фотоны ультрафиолетового сплошного спектра ДДС-30, а на осциллограф уже электроны, искала я есть ли закономерность в изображениях на осциллографе. Все образцы давали картинки с одной стороны похожие своими гигантскими шумами, с другой стороны не похожие на какую-то закономерность в математике. Моей задачей как раз то и было - порыться в литературе и сличить показания от разных образцов со справочником кривых.
     Информативными, к сожалению, могли быть разве что шумы. Казалось тогда, что чистые от органических загрязнений кремниевые пластины будут шуметь незначительно, зато грязные - заметно. Увы, не все сказки ложь, но и правдой их не назовешь.
    - Э, ребят, погодите! Не в одной банке же надо ...Сначала облучаете образец минуты 3 лампой, потом помещаете ее люминисцировать в другую банку, если вам так угодно...
    Так начал свое повествование Товарищ Шефа, по совместительству научный руководитель недопеска.
    - Вот вам принес статьи, те что вышло когда-то по моим экспериментам с облучением фритты. В курсе что такое фритта?
    И дальше он задолдонил по учебнику, отчего сразу потянуло спать. Он вообще говорил в таких нудных интонациях, что одолевала грусть, тоска, объединяющиеся в итоге в пессимистичные картины, про то какая же скучная наука химия.
    - Фритты – это свинцовые и бессвинцовые порошковые смеси силикатов или боросиликатов.Основная область применения - изготовление глазурей для майолики, фаянса, использование как покрытия для керамической плитки с целью придания ей декоративного вида.
    Бедная химия, если бы я знала в тот  момент, что Товарищ Шефа вовсе и не химик, а к.-т.-н. То бишь нормальный себе технарь, страдающий гипертонией и думающий о здоровье куда чаще, чем о порошковых смесях силикатов....
    - Силикаты и алюмосиликаты представляют собой обширную группу минералов. Для них характерен сложный химический состав и изоморфные замещения одних элементов и комплексов элементов другими. Главные химические элементы, входящие в состав силикатов Si, O, Al, Fe2+, Fe3+, Mg, Mn, Ca, Na, K, а также Li, B, Be, Zr, Ti, F, H, в виде (OH); или H2O и другие. Общее количество минеральных видов силикатов что-то около 800. По распространённости на их долю приходится больше чем 90 процентов минералов литосферы. Силикаты и алюмосиликаты...они - породообразующие минералы. Из них основная масса горных пород: полевые шпаты, кварц, слюды, роговые обманки, пироксены, оливин и дальше не помню. Самыми распространёнными являются минералы группы полевых шпатов и затем кварц процентов 10 от всех минералов. И вот они все люминесцируют. В статье про воздействие ультрафиолетового излучения на фритту керамической глазури - это прямо название у статьи даже такое - мы как раз это и доказали на установке, подобной вашей. Только у нас не ДДС лампа, а ртутная была и фотоумножитель какой-то помоложе был.Статьи есть и другие, при желании вашем я принесу и если помянете их в списке литературы буду очень рад. 
     На "статьи - в студию!" я, разумеется, согласилась. Телефонами с Товарищем Шефа обменялась. Однако ж и его статьи, просмотренные позднее, и манеры как будто говорили - "скользко всё и скользки все"... Товарищ этот все упирал на наличие у кремниевых пластин в составе после техобработки окисла кремния, который когда-то был и в люминесцировавшей фритте. Так и хотелось спросить "И шо?"
    - Неужто приврал Товарищ мой в статье то? Про свечение фритты в ультрафиолете, - вопрошал Шеф, разглядывая снимки осциллограмм, которые я сохраняла на флешке....
    Я улыбалась слегка и ответа не давала, он отвечал себе сам...
   - Вроде и я с ними был в команде тогда? Молодой ничего не понимал, выходит так? Ну, получается...Вот же приятно поговорить с умным человеком,а?
   Все что я могла на тот момент предложить - привести оборудование в соответствие с классикой. Взяла я и нашла через гугл "Основы аналитической химии" под редакцией Золотова. Где все про методы изучения кинетики люминесценции расписано. Четко, еще по-советски...
   А написано там было так, на странице 102.
   "Для изучения кинетики люминесценции используют импульсные и фазово-модуляционные методы.
   В импульсных методах люминесценция возбуждается одиночным или периодически повторяемым импульсом света. При этом требуется импульсный источник света с достаточно крутым задним фронтом светового импульса и система регистрации с малой постоянной времени.
    В фазовом и модуляционном методах возбуждение люминесценции производится непрерывным источником света, интенсивность которого промодулирована некоторой частотой, и регистрируется фаза или глубина модуляции испускаемого излучения"
    - О, а еще ж тут про регистрацию методом счета фотонов сказано, а есть у нас плата, парнишкой одним скроена - как раз считает количество влетевших!
   И Шеф принялся звонить Леше. А мне тут же подумалось, что вот почему я коллегу Славика, второй месяц Лешей кличу - чуйка!
   Итак, в плату для "розжига" дуговой дейтериевой лампы мы успешно впаяли оптрон, подключили к плате генератор прямоугольных импульсов и стала наша ДДС-30 сразу после розжига давать вспышки на той частоте, которую мы задавали на генераторе. На выход фотоумножителя подключили плату Леши и в прилагаемой к ней программе стали получать графики - количество зарегестрированных электронов во времени.
   Только вот люминесцировать образцы полупроводниковых пластин с завода не желали. Люминесцировал, освещенный ультрафиолетом  светодиод от Славы - это да. Лист с клена. Люминал в банке. А пластины - дулюшки.
   Осветили другим источником ультрафиолета с длиной волны около 400 нано метров. И? И опять. Светодиод, лист клена, люминал в банке, правда, уже не так заметно...
А пластины снова - никак!
   Происходящее стало мне напоминать занятия у преподавательницы английского языка в магистратуре. Она совершенно не могла понять что за человек перед ней, а просто наобум предлагала всем свои услуги по переводу английских статей, дальше - как получится. Она называла это "жизнь покажет".  И таким макаром действуя, она вынужденно просиживала на занятиях и в кабинете с утра до ночи. Между тем, ученики, не имея ни толики благодарности, уходили по-английски.
Не знала Англичанка продолжения этой поговорки. "Жизнь покажет, но пройдет"...
    "Сколько намоешь грязи через сито, прежде чем найдешь жемчужину!" - вздыхала по этому поводу она, однако ни стратегии ни тактики поменять не могла.
    Да, понимание происходящего, знание теорий и возможностей их применения, опыт работы разным теоретическим инструментарием - то, чего явно не доставало мне для создания жизнеспособной установки. Намытые горы грязи и никаких жемчужин.
   


Персонажи и метрологические курьезы

Недопесок — молодой специалист, склонный выдавать теоретическую идею (или сырой лабораторный макет) за готовое промышленное решение.
Ошибка: Полез на рожон, заявив о создании работающей установки без проведения метрологических испытаний и калибровки.

Папа недопеска (Шеф) — руководитель лаборатории, увлеченный романтикой поиска «Терра Инкогнито». Склонен спасать авторитет сына и строить теории на бумаге формата А4.

Джоуль — суровый физик-аудитор, заземляющий научный романтизм коллег жесткими законами метрологии.

Товарищ Шефа (к.т.н.) — пожилой ученый-технарь с гипертонией, преследующий цель поднять индекс цитируемости своих старых работ.
Ошибка: Пытался совершить некорректный перенос данных, выдав процессы в толстом слое грязного силикатного порошка за процессы в нанослое чистого кремния.

Эффект «12,135 см» (Сосед по парте) — классический метрологический грех. Попытка выдать желаемую точность за действительную, записывая результат с микронами там, где минимальное деление измерительного прибора (линейки) составляет всего 1 мм.

   
 


Физические термины и разбор ошибок

Антистоксовская люминесценция (Ап-конверсия) — редкое физическое явление, при котором вещество излучает свет с меньшей длиной волны (и большей энергией), чем свет, которым его облучали. Это происходит за счет последовательного поглощения нескольких фотонов.
Ошибка исследователей: «Недопесок» услышал звон про этот эффект от Товарища Шефа (тот наблюдал его на керамической глазури при схеме 560 нм > 380 нм) и попытался вслепую перенести его на кремниевые пластины, полностью перевернув законы классической физики.

Двуналожие (в контексте физики) — шуточное название двойного налога на здравый смысл, который пришлось заплатить лаборатории за веру в сырую гипотезу.

ДДС-30 (Дейтериевая дуговая спектральная лампа) — мощный источник непрерывного сплошного ультрафиолетового излучения.
Ошибка исследователей в «одной банке»: Пытаясь светить лампой ДДС-30 и одновременно ловить люминесценцию в одном объеме, исследователи вызвали дикую засветку ФЭУ. Отраженные от стенок банки фотоны ультрафиолета ослепили датчик. Вместо полезного сигнала прибор фиксировал гигантские хаотичные шумы самой лампы.

Закон Стокса — фундаментальное правило, согласно которому излучаемый свет (люминесценция) всегда имеет большую длину волны (и меньшую энергию), чем свет возбуждающий. Часть энергии кванта неизбежно тратится на тепло (внутреннюю энергию тела).
Ошибка Папы недопеска: Утверждал, что при падении волны в 250 нм ответное излучение будет иметь меньшую длину волны. Физически это означало бы создание вечного двигателя, генерирующего энергию из ничего.

Импульсный метод Золотова — классический метод аналитической химии, при котором лампу заставляют мигать с крутым задним фронтом, чтобы фиксировать затухание света в момент абсолютной темноты. Позволил автору победить «махры» шумов ДДС-30 и перейти на цифровой счет фотонов с помощью платы Леши (Славика).

Кремниевая пластина с завода — полупроводник с непрямой запрещенной зоной.
Главная стратегическая ошибка: Экспериментаторы не учли природу материала. Кремний сбрасывает энергию ультрафиолета не в виде света (фотонов), а в виде тепла (фононов). Заводские пластины после финишной отмывки идеальны — на них физически нет того объема макро-грязи, который мог бы выдать оптический сигнал. Они обязаны «молчать» и выдавать «дулюшки», что и доказал честный эксперимент.

«Махры» шумов — жирный шумовой забор на экране аналогового осциллографа, вызванный темновым током ФЭУ и непрерывной засветкой. В нем полностью тонул любой полезный сигнал.

Слоистое тушение люминесценции — эффект, при котором один слой органического загрязнения поглощает ультрафиолет и пытается светиться, но соседний грязный слой тут же «съедает» (реабсорбирует) эти фотоны.
Ошибка исследователей: Наивно полагали, что любая органика будет ярко сигнализировать о себе, проигнорировав сложную химическую структуру реальных загрязнений.

Фритта — порошковая смесь силикатов с примесями тяжелых металлов для глазурования плитки. За счет дефектов решетки способна фосфоресцировать (светиться после выключения лампы).
Ошибочно использовалась Товарищем Шефа как прямой аналог чистого оксида кремния на полупроводниках.

   
Этот опыт доказал: настоящая наука — это не подгонка кривых под скользкие статьи, а умение вовремя сказать своей гипотезе «И шо?», признать «дулюшки» на графиках и вовремя остановить махроизм в кофейной банке.