Дэвид Кокейн | |
---|---|
Дата рождения | 19 марта 1942 |
Место рождения | |
Дата смерти | 22 декабря 2010[1] (68 лет) |
Место смерти | |
Страна | |
Род деятельности | физик |
Научная сфера | материаловедение |
Место работы | |
Награды и премии |
Дэвид Джон Хью Кокейн (англ. David John Hugh Cockayne; 19 марта 1942 — 22 декабря 2010) — английский и австралийский физик. Член Лондонского королевского общества с 1999 года. Основным вкладом в науку Кокейна является развитие метода темнопольной (слаболучевой) просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) и разработка прецизионного метода дифракции электронов в электронном микроскопе. Был директором подразделения Электронной микроскопии Сиднейского университета (1974—1999) и значительно помог в его развитии. Являлся президентом Международной федерации обществ электронной микроскопии с 2003 по 2007 годы[3].
Дэвид Джон Хью Кокейн родился 19 марта 1942 в Лондоне. Был средним ребёнком в семье Джона Генри Кокейна и Иви Кокейн (в девичестве Хэттон). Его отец был полицейским в Лондоне во время Второй мировой войны, мать работала на почте. Когда Дэвиду было 8 лет, его семья эмигрировала в Австралию, поселившись в городе Джелонг, штат Виктория. Кокейн хорошо учился в школе, поэтому в 1953 году был зачислен в гимназию при Англиканской церкви Джелонга на стипендиальной основе.
В 1961 году Кокейн поступил в Мельбурнский университет, где изучал физику, и закончил его с отличием в 1964 году. Он был первым членом его семьи, получившим высшее образование. На четвёртом году обучения Кокейн посещал курс Дж. Коули по электронной дифракции и после поступления в магистратуру стал работать в научной группе, занимавшейся исследованием дифракционных явлений. Кокейн с отличием закончил магистратуру в Мельбурнском университете и был награждён Конкурсной стипендией профессора Кернота за свою диссертацию. Он также был удостоен стипендии Содружества на получение степени доктора наук в колледже Магдалины в Оксфорде.
В сентябре 1966 Кокейн стал аспирантом на кафедре металлургии в Оксфорде и присоединился к исследовательской группе под руководством доктора М. Дж. Уилана, где занимался изучением изображений дефектов кристаллических решеток, полученных на электронном микроскопе.
В июне 1974 в возрасте 32 лет Кокейн занял пост директора Отдела электронной микроскопии Сиднейского университета. Ему также было присвоено звание доцента. В 1986 году за его выдающиеся заслуги в руководстве подразделением Кокейн был повышен до профессора, а затем в 1992 до заслуженного профессора (профессор физических наук в области электронной микроскопии и микроанализа). Помимо этого, в 1990-х годах Кокейн был назначен в несколько университетских комитетов. В частности, в 1990 году он присоединился к Исследовательскому комитету Сиднейского университета. Стал его председателем в 1994 году и занимал этот пост до своего отъезда в Оксфорд в 2000 году, где стал профессором Физических методов исследования материалов на кафедре Материаловедения, а также продолжил свои исследования. В сентябре 2009 года Кокейн ушел в отставку. Его уходу с должности была посвящена конференция, где присутствовало около сотни делегатов, многие из которых приехали из-за границы (см. Hirsch et al. 2010). Кокейн умер в 2010 году от рака лёгких.
После поступления в магистратуру Кокейн присоединился к научной группе, занимавшейся исследованиями дифракционных явлений, и принимал участие в усовершенствовании многослоевой теории дифракции электронов и оптимизации работы оборудования для проведения экспериментов в рамках этой теории[4].
В своей магистерской диссертации «Численные расчеты многолучевого решения задачи о дифракции электронов и их экспериментальная проверка с использованием дифракции в сходящихся пучках»[5] Кокейн достаточно подробно описал развитие многолучевой динамической теории дифракции электронов и привел к виду, удобному для компьютерных расчетов, а также продемонстрировал их высокую точность и хорошее согласие с экспериментом; провёл оценку точности и пригодности различных широко используемых приближений, например, «приближения фазовой решетки»; рассмотрел коэффициент распространения в многолучевой динамической теории.
В Оксфорде Кокейн приступил к разработке методов исследования сильных деформаций вблизи центров дислокаций, так как те, что существовали тогда, не позволяли ответить на некоторые вопросы, в частности, касавшиеся природы ядра дислокации и разделения частичных дислокаций, образованных диссоциацией.
На момент, когда Кокейн начал свою работу, другие исследователи уже получали качественные дифракционные изображения дислокаций в кристаллических решетках различных структур (Parsons & Hoelke 1969). Предполагалась прямая зависимость между положением линий на дифракционной картине и плоскостями кристаллической решетки, и это позволяло изучать искажения, находящиеся рядом с ядром дислокации. Однако в своем теоретическом исследовании Кокейн показал, что не всегда линия дислокации и её искривление имеют взаимно однозначное отношение к распределению плоскостей решетки. Кроме того, изменения в геометрии дифракции вызывают изменения в количестве линий и их искривлении, которые никак не связаны с геометрией плоскости решетки. Проведенный теоретический анализ позже был подтвержден экспериментально[6].
При расчётах дифракционной картины с учётом как слабо возбуждённых рефлексов, так и сильных Кокейн заметил, что иногда лучи, имеющие низкие интенсивности в областях кристалла, близких к идеальным, являются более интенсивными на небольших участках рядом с дислокациями. При конкретных условиях максимум интенсивности такого луча может соответствовать дислокации, и её положение может быть определено с точностью, которая на порядок выше по сравнению с традиционным сильнолучевым методом электронной микроскопии. В результате данных исследований был разработан темнопольный (слаболучевой) метод, ставший классическим методом изучения сложных дефектных геометрий кристаллических решеток[7].
Кокейн вместе с коллегами обнаружил, что одним из возможных применений слаболучевой техники анализа является определение энергии дефекта упаковки (γ), и показал это на примере различных кристаллических структур[7][8][9][10][11][12]. Другой областью применения разработанного метода стало изучение природы и геометрии небольших дислокационных петель в структуре закаленных или облученных материалов[13]. Также исследования Кокейна во многом помогли выяснить природу дислокаций в полупроводниках[9][14][15].
Таким образом, метод электронной микроскопии, разработанный Кокейном и теоретически, и экспериментально, оказал значимое влияние на понимание структуры и свойств дефектов кристаллических решеток многих материалов и стал рутинным инструментом анализа, широко применяемым во всем мире в настоящий момент[16][17].
Темами исследований Кокейна в данный период были такие, как спинодальное разложение сплавов, изучение структуры тонких пленок, высокотемпературные сверхпроводники, а также анализ контраста изображения в зависимости от дефектов упаковки для фуллеренов, минералов и почв. Однако основное направление его работы сосредоточено на двух областях: (1) изучение снятия напряжения с помощью дислокаций несоответствия в полупроводниковых гетероструктурах, и (2) исследование аморфных материалов с помощью электронной дифракции.
Основное внимание уделялось изучению снятия напряжения за счёт дислокаций несоответствия на границах раздела в полупроводниковых гетероструктурах.
В исследовании с Дж. Цзоу[18] была рассмотрена равновесная конфигурация диссоциации в низко/слабо деформированных одиночных гетероструктурах In0.1Ga0.9As / GaAs с помощью метода электронной микроскопии высокого разрешения (HREM). Было установлено расположение дислокаций несоответствия друг относительно друга.
Цзоу и Кокейн[19] продолжили изучение образования дислокаций несоответствия за счет диссоциированных 60-градусных пронизывающих дислокаций в гетероструктурах с квантовыми колодцами. В другой работе[20] было показано, что принятое условие для критической толщины дислокации, предложенное Мэтьюзом и др., (см. Matthewset al. 1976) нуждалось в модификации в эпитаксиальных слоях с большими несоответствиями, если граница раздела эпитаксиальный слой/подложка была перехвачена во время зарождения расширяющейся петли до достижения ею критического радиуса при самопроизвольном расширении.
В 1997 году Кокейном было проведено исследование профиля состава поверхности гетероструктуры (GaAs/Al0,6Ga0,4As) с использованием нового тогда метода моделирования изображений для сканирующей просвечивающей электронной микроскопии (STEM) высокоуглового кольцевого темного поля (HAADF)[21] и сравнение результатов с так называемым подходом химического картирования Урмазда (см. Ourmazd et al. 1989).
В совместной работе с Чоу Кокейн также исследовал стержневидные дефекты {311} в облученном Si в условиях слабого пучка, вызывающие интерес из-за их связи с временным явлением повышенной диффузии, которое ограничивает миниатюризацию Si-устройств[22][23].
В конце 1990-х Кокейн начал программу исследований квантовых точек используя просвечивающую электронную микроскопию (ПЭМ) в условиях многолучевого изображения осей зоны с целью получить информацию о составе, форме и размере квантовых точек, что было важно в определении их оптоэлектронных свойств.
Совместно с Д. Р. МакКензи разработал метод дифракции электронов в электронном микроскопе для прецизионного определения функций радиального распределения из малых объёмов аморфного материала (на порядки меньших, чем это было бы возможно для методов, основанных на дифракции рентгеновских лучей или нейтронов[24]).Раннее применение метода было первым доказательством существования тонкопленочного аморфного углерода в аллотропной модификации алмаза[25].
Кокейн вместе с коллегами исследовал влияние когерентного сходящегося излучения на данные дифракции электронов, полученные из нанообъемов аморфного материала[26]. Результаты показали, что для аморфных образцов диаметром всего 1,2 нм интерференционные эффекты в значительной степени подавлялись отсутствием порядка в аморфных материалах, что позволило для наноразмерных аморфных материалов, изученных с помощью когерентного излучения, использовать методы получения функций радиального распределения из дифракционных данных, полученных для некогерентного излучения.
Данный метод был применен Кокейном и его коллегами[27] для изучения структуры аморфной фазы в материале Ge2Sb2Te5 с быстрым фазовым переходом, потенциально интересным для использования в активном слое запоминающих устройств высокой плотности. В своей статье авторы использовали теорию функционала плотности (DFT) для получения новой модели строительных блоков аморфного Ge2Sb2Te5 и проверили её в сравнении с приведенной функцией плотности, полученной из экспериментальных электронограмм аморфной фазы. Данное исследование является ранним примером использования электронной дифракции вместе с ab initio расчетами для получения многоатомной структуры наноразмерного объёма материала.
До работ группы Кокейна в Сиднее и Оксфорде общепринятым взглядом на способы снятия напряжения в квантовых точках было изменение формы поверхности, легирование и введение дислокаций несоответствия. Однако им и его коллегами было установлено, что сегрегация элементов внутри квантовых точек является важным дополнительным механизмом снятия напряжения[28][29].
В результате совместного исследования, проведенного группой Кокейна и Фр. Росс из IBM, была разработана простая полуколичественная модель, объясняющая экспериментально наблюдаемую эволюцию формы и размера когерентных куполообразных островков Ge/Si (001), происходящую во время покрытия их кремнием[30]. Исследование предоставило ценную информацию об атомных процессах, которые определяют размер квантовых точек и, следовательно, их электронные и оптические свойства.
Группой Кокейна, при сотрудничестве с группой из Университета Карлсруэ, были определены положения легирующих атомов редкоземельных элементов на границе раздела между кристаллическим Si3N4 и аморфными межзеренными пленками в поликристаллической керамике[31]. Структурные различия в расположении La и Lu могут быть важны для понимания кинетики прикрепления зерен во время роста, поскольку определяют анизотропию зерен и объемные механические свойства керамики на основе Si3N4.
Кокейн внес значительный вклад в популяризацию, распространение и обучение электронной микроскопии как на национальном, так и на международном уровне. Вместе с профессором Х. Хашимото он продвигал Азиатско-Тихоокеанские конференции и семинары по электронной микроскопии и был генеральным секретарём комитета Азиатско-Тихоокеанских обществ электронной микроскопии (1984—1996). Кокейн также входил в ряд редакционных коллегий журналов и был одним из главных редакторов «Micron» с (1991—2009).
Одной из главной заслуг Кокейна является развитие Отдела электронной микроскопии Сиднейского университета. Отдел был создан в 1958 году с целью обслуживания оборудования для электронной микроскопии, которое имелось в университете. Кокейн стал его вторым директором в 1974. Он помог во многом улучшить условия работы подразделения, в частности, добился выделения большей площади и предоставления постоянного финансирования со стороны университета. Кокейн старался привлечь самих работников отдела к исследовательской деятельности. Он заботился о повышении квалификации технических специалистов и популяризации электронной микроскопии, повышения интереса студентов к науке, поэтому принимал участие в создании различных образовательных программ как для профильных специалистов, так и для учеников школ и школьных учителей. В Отделе часто проводились школьные экскурсии. Помимо этого, была реализована программа «Микроскопы в движении», которая позволила адаптировать сканирующий электронный микроскоп JEOL для демонстрации в различных образовательных учреждениях[32]. Работа Кокейна в качестве директора была высоко оценена в других австралийских университетах, и позже они стали открывать свои собственные подразделения.
В 1962 году Кокейн познакомился со своей будущей женой Джоан Керр, которая также училась в Мельбурнском университете, где изучала французский и английский языки. Они поженились в 1967 году в Лондоне. У них родилось трое детей (дочери Софи (1973) и Тэмсин (1975) и сын Джеймс (1977)), а также есть три внука.
После избрания Кокейна членом Лондонского королевского общества, он написал своим школьным преподавателям физики и химии с благодарностями и отметил, что их прекрасная педагогическая работа стала фундаментом для его достижений.
В 2009 году Кокейн опубликовал повесть под названием «Воспоминания», в которой рассмотрены проблемы, с которыми сталкиваются исследователи и учёные в университетской среде[33]. Обсуждаемые темы включают в себя: давление на ученых о необходимости «активного производства публикаций»; важность недвусмысленного представления учеными своих результатов в любой письменной публикации; трудности, возникающие из-за различий в культуре.
С 2000 года Кокейн регулярно писал эссе под названием «Gooday from the UK»[34] для Информационного бюллетеня Австралийского общества микроскопии. За почти десятилетний период опубликовано около 30 статей. Они отражают его мнение о затратах и выгодах от исследований, роли научных конференций, проблемах, с которыми молодые ученые сталкиваются при получении академических должностей, нанотехнологиях, финансировании исследований и этике научных публикаций, а также о более специфичных для электронной микроскопии темах.
В одном из выпусков Кокейн описывает ситуацию, во время которой у пленарного лектора Королевского общества произошел сбой презентации PowerPoint. Лектором был сам Дэвид Кокейн (хотя он не говорит об этом в статье), и именно ему пришлось выступать с докладом о микроскопии без слайдов. Тем не менее, лекция прошла с большим успехом.
Цитата из заявления профессора Дж. Р. Лоуренса Ученому совету Сиднейского университета после смерти Дэвида:
«Профессор Кокейн тщательно/внимательно направлял дискуссию по этим темам [прим. характера исследований и обучения по нескольким предметным областям], оценивая взаимосвязь между исследованиями и традиционными академическими дисциплинами, а также творческой научной работой по всему спектру доступных в то время новых исследований. Это привело к формированию гораздо более широкой и более удовлетворительной основы, образованной для исследовательской политики и развития в университете»
Профессор Лоуренс о вкладе Кокейна в работу Ученого совета:
«Дэвид был информированным, культурным энтузиастом и ключевым членом команды заместителей председателя Совета, созданной Джоном Маком. Его ясный анализ и выдержка твердо основывались на его преданности высшим академическим интеллектуальным принципам и стандартам. Он действительно заботился и думал об академических исследованиях и преподавании, а также об их важности. Он внес большой вклад в межличностную сплоченность группы и, следовательно, в эффективность Ученого совета и, в конечном итоге, всего университета»
Цитата сэра П. Хирша, автора биографической статьи о Кокейне:
«В лекции („Овация Джорджа Адлингтона Сайма 1960“), озаглавленной „Образование цивилизованного человека“ в Королевском австралазийском колледже хирургов в 1960 году, Дж. Р. Дарлинг, который был руководителем Дэвида в гимназии Джелонга, назвал цивилизованного человека „чувствительным, широким в своих интересах, терпимым и вместе с тем смелым, интеллектуальным и сильным в своих принципах“ (Darling 1960). Это прекрасно описывает Дэвида»
В письме к Джоан Кокейн после смерти Дэвида президент Китайского общества электронных микроскопистов профессор Цзэ Чжан и его генеральный секретарь профессор Сяодун Хан отметили, что Кокейн внес значительный вклад в общество и развитие китайской электронной микроскопии. Перед отъездом Кокейна Новости Сиднейского университета дали такой комментарий:
«С тех пор, как Дэвид пришел, Отдел электронной микроскопии превратился в то, что можно описать как „жемчужина“ университета» (см. Ratinac 2008)