НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ДОНЕЦЬКИЙ ФІЗИКО-ТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ

ім. О.О. ГАЛКІНА

КРУПА МИКОЛА МИКОЛАЙОВИЧ

УДК 535.8, 671.327

Дрейф електронів і атомів в полі лазерного випромінювання і його вплив на оптичні та магнітні характеристики монокристалів та наномірних плівок

01.04.07 - Фізика твердого тіла

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора

фізико-математичних наук

ДОНЕЦЬК-2005

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Інституті магнетизму Національної академії наук і Міністерства освіти та науки України

Науковий консультант - доктор фізико-математичних наук, професор,

член-кореспондент НАНУ,

Погорілий Анатолій Миколайович

Інститут магнетизму НАН і МОН України,

зав. відділом тонких плівок,

Заслужений діяч науки і техніки України,

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, професор

Моцний Федір Васильович,

Інститут фізики напівпровідників НАН України,

провідний науковий співробітник,

лауреат Державної премії України

доктор фізико-математичних наук, професор

Ігнатенко Петро Іванович,

Донецький національний університет, професор кафедри

фізики твердого тіла та фізичного матеріалознавства

доктор фізико-математичних наук, ст. наук. співробітник

Любчанський Ігор Леонідович

Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна

НАН України, провідний науковий співробітник

лауреат Державної премії України

Провідна установа Київський національний університет ім. Т. Шевченка

Захист відбудеться 24.05.2005 р. о 14годині

на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 11.184.01 при Донецькому фізико-технічному інституті ім. О.О. Галкіна НАН України за адресою: 83114, Донецьк-114, вул. Р. Люксембург, 72; тел.(062) 55-14-33.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Донецького фізико-технічного інституту ім. О.О. Галкіна НАН України за адресою: 83114, Донецьк-114, вул. Р. Люксембург, 72.

Автореферат розісланий 15.04.2005 р.

Учений секретар

спеціалізованої вченої ради Д 11.184.01 Т.М. Тарасенко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність тематики досліджень. Техніка і технологія передачі, накопичення й обробки інформації на сьогодні за динамікою розвитку та шириною проникнення в усі галузі людського життя вийшли на одне з чільних місць. Оптичні системи зв’язку, запису та обробки інформації вже сьогодні є однією з важливих складових інформаційних технологій. Подальший розвиток таких систем, як і інформаційних технологій у цілому вимагає підвищення об’єму та швидкості запису й передачі даних. Тому в багатьох наукових лабораторіях ведуться роботи по пошуку нових і вдосконалення вже відомих матеріалів і методів для управління ультракороткими лазерними імпульсами та оптичного запису інформації.

Для управління просторовими та часовими характеристиками лазерних пучків найбільш широко використовуються амплітудні, фазові або поляризаційні, як правило, твердотільні модулятори, що працюють фізичному принципі зміни показника заломлення або коефіцієнта поглинання матеріалу модулятора під дією зовнішнього управляючого поля. При роботі з наносекундними та пікосекундними лазерними імпульсами в модуляторах такого типу виникає проблема синхронізації лазерних імпульсів з управляючими полями. Через те можливість побудови оптичних модуляторів, робота яких базується на зміні оптичних характеристик матеріалу безпосередньо під дією лазерних імпульсів є не тільки цікавою з наукової точки зору, але й має перспективу практичного використання.

Для підвищення швидкості, поверхневої густини та надійності запису інформації потрібне не тільки хороше розуміння фізики процесу взаємодії лазерного випромінювання з різними матеріалами, але й розуміння взаємозв’язку структури та складу таких твердих матеріалів з оптичними, електричними та магнітними характеристиками. Саме комплексний підхід до вивчення впливу змін, які виникають в середовищі під дією лазерного випромінювання, на характер взаємодії лазерного випромінювання з матеріалами і на параметри лазерних пучків дозволить не тільки підняти ефективність і технічні характеристики вже відомих методів та оптичних елементів, але й знайти нові підходи і розробити нові схеми та матеріали для оптичних інформаційних технологій.

Дрейф електронів у полі потужного лазерного випромінювання для напівпровідникових кристалів, який в російській науковій літературі називають ефектом захоплення електронів, а в англійській - фотонним тиском, відомий досить давно [1, 2]. Фотонний тиск може приводити до дрейфу електронів у полі лазерного випромінювання і до сильного зростання їх концентрації у локальній області напівпровідника, що викликає появу електричного поля. Тому більшість експериментальних і теоретичних робіт в даному напрямку присвячені вивченню впливу фотонного тиску на електричні характеристики напівпровідників. Але, крім такого, очевидного результату індукований лазерним випромінюванням дрейф (ЛІД) електронів може приводити до зміни й інших характеристик напівпровідників. В першу чергу повинні змінюватись оптичні властивості напівпровідників, що зв'язано з сильною електрон-фотонною взаємодією в цих матеріалах. Зміна оптичних характеристик, у свою чергу, впливатиме на характер розповсюдження та взаємодію лазерних пучків із напівпровідниками.

Уперше на можливість дрейфу атомів у полі потужного лазерного випромінювання, який автори назвали світлоіндукованим дрейфом атомів, для газової суміші легких поглинаючих і більш важких непоглинаючих атомів було вказано в теоретичній роботі [3]. Після цього явище світлоіндукованого дрейфу, в основному, вивчалося саме в газових середовищах. Дрейф атомів поглинаючої домішки індукований лазерним випромінюванням (ЛІД) повинен спостерігатись і в твердих прозорих тілах, де він не тільки має свої особливості, але може приводити до появи нових, цікавих як із наукової сторони, так і перспективних для практики ефектів.

Тому дослідження впливу явища ЛІД електронів та атомів на оптичні характеристики матеріалів мають крім чисто наукового інтересу й перспективу практичного використання для управління лазерним випромінюванням та для оптичного запису інформації.

Дана дисертаційна робота якраз і присвячена саме питанням дослідження впливу ЛІД електронів і атомів у напівпровідникових кристалах і багатошарових плівках під дією потужного лазерного випромінювання, на зміну показника заломлення, характер руйнування та зміну електричних і магнітних характеристик цих матеріалів. Напівпровідникові кристали та багатошарові плівки наномірної товщини є найбільш зручним об’єктом для вивчення особливостей ЛІД електронів і атомів.

Напівпровідникові кристали не тільки мають досить низьку енергію активації міграції одиночних атомів домішки Wi0,1 еВ, але й рухливість цих атомів у кристалічній гратці i сильно зростає зі збільшенням температури. Крім того, ЛІД електронів у цих кристалах приводить до появи тягнучого кулонівського поля електронів, яке може викликати ЛІД іонізованих атомів домішки. Мала товщина багатошарових наномірних плівок дає можливість не тільки досліджувати дрейф електронів і атомів під дією наносекундних і пікосекундних лазерних імпульсів, але й за рахунок значної зміни оптичних характеристик цих плівок під дією ЛІД знайти практичне застосування цьому ефекту.

Нами було показано, що явище ЛІД атомів домішки можна використати для очистки оптичних матеріалів, а також для оптичного запису інформації. ЛІД електронів викликає велику зміну показника заломлення (n) в області виходу лазерних пучків з напівпровідникових кристалів, що приводить до порушення повного внутрішнього відбивання, впливає на самодефокусування лазерних пучків і характер руйнування кристалів лазерним випромінюванням, а також може використовуватись для сканування наносекундних і пікосекундних лазерних імпульсів.

Все вище сказане підтверджує актуальність тематика досліджень, на основі яких написана дана дисертаційна робота.

Зв’язок роботи з науковими програмами та темами. В дисертаційній роботі викладені результати досліджень автора, які проводились ним протягом двадцяти років у галузевому НДІ “МАРС” (тепер АТ “МАРС”) та Інституті магнетизму Міністерства освіти та науки і Національної академії наук України. Наукові публікації та патенти автора, отримані під час роботи в НДІ “МАРС”, зв’язані з тематикою робіт, які проводились за державними замовленнями як НДР “Люкс”, ДКР “Люкс-87”, НДР “Скорость” та ДКР “Циклон”. Результати, отримані автором дисертації в Інституті магнетизму, ввійшли як складові таких наукових тем: НДР “Транспортні, магнітні та гальваномагнітні властивості гетерогенних наноструктур”, номер державної реєстрації 0197U016428; НДР “Розробка технології та вакуумного устаткування нового покоління для формування наноструктур методом напилювання”, номер державної реєстрації 0199U003583; НДР “Спінзалежна провідність та тунельні ефекти в шаруватих металевих магнетиках”, номер державної реєстрації 0199U000853; НДР "Розробка фізичних основ створення магнітних підграток у гетерогенних плівках", номер державної реєстрації 0103U000181.

В цих роботах автор дисертації виступав як керівник, заступник керівника або як один із виконавців.

Мета і задачі досліджень. Метою даної дисертаційної роботи є проведення багатосторонніх експериментальних досліджень і встановлення основних фізичних закономірностей впливу фотонного тиску, який виникає в твердих тілах під дією потужного лазерного випромінювання, на оптичні, магнітні та структурні характеристики напівпровідникових монокристалів і багатошарових наномірних плівок, а також розробка на базі отриманих результатів фізичних методів створення нових нелінійних оптичних елементів для управління просторово-часовими характеристиками ультракоротких лазерних пучків і підвищення надійності та швидкості оптичного запису інформації.

В рамках дисертаційної роботи розглядались такі основні фізичні явища і ефекти:

-

-

-

-

-

-

-

-

Методи досліджень. В роботі використовувались такі експериментальні методи та методики: вимірювання розподілу та динаміки зміни інтенсивності в поперечному перерізі лазерних пучків, спектрів люмінесценції, поглинання та відбивання при кімнатній та низьких температурах, поляризаційна мікроскопія, коефіцієнтів поглинання лазерного випромінювання методами фотометрії та калориметрії, кутів повороту поляризації за рахунок ефектів Керра та Фарадея, вимірювання фотопровідності та провідності в магнітному полі, електронна мікроскопія та мас-спектрометрія.

Наукова новизна одержаних результатів. В даній дисертаційній роботі на основі результатів експериментальних досліджень виявлені основні закономірності впливу ефекту дрейфу електронів і атомів у полі лазерного випромінювання на оптичні, магнітні та структурні характеристики напівпровідникових кристалів та наномірних плівок, визначені фізичні механізми і отримані феноменологічні формули, які описують ряд нових явищ і ефектів викликаних ЛІД електронів. Ряд експериментальних результатів вперше отримані і пояснені автором дисертації і їх новизна підтверджується відповідними патентами (див. список публікацій за темою дисертації). До них відносяться наступні:

1. Отримано рекордно велике зменшення n 10-2 нелінійної зміни показника заломлення в області повного внутрішнього відбивання потужних лазерних пучків у напівпровідникових кристалах, знайдені формули для оцінки вкладів різних механізмів такої зміни n, і показано, що це зв’язано зі зростанням концентрації електронів провідності за рахунок ЛІД електронів. Встановлено, що вплив ЛІД електронів є причиною порушення повного внутрішнього відбивання і більш низького порога руйнування наносекундними та пікосекундними лазерними імпульсами вхідної поверхні в кристалах з двофотонним поглинанням.;

2. Виявлено ефект намагнічування тонких немагнітних металевих плівок при опроміненні наносекундними лазерними імпульсами багатошарових плівок наномірної товщини і показано, що намагнічування виникає за рахунок ЛІД спін-поляризованих електронів з феромагнітної плівки.

3. Вперше отримано дрейф атомів поглинаючої домішки у монокристалах селеніду цинку з малим поглинанням, який виникає під дією неперервного СО2 лазера, а також дрейф атомів вісмуту в наномірних багатошарових плівках барвник-вісмут-барвник під дією наносекундних лазерних імпульсів. ЛІД атомів пов’язується з електростатичною взаємодією іонізованих атомів з полем просторового заряду ЛІД електронів;

4. Зареєстровано сильний астигматизм, який виникає при самодефокусуванні лазерного випромінювання в оптично анізотропних напівпровідникових кристалах. Проведений аналіз особливостей самодефокусування лазерних пучків в анізотропних напівпровідниках і встановлено, що причиною астигматизму є сильна анізотропія коефіцієнтів нелінійної зміни показника заломлення за рахунок дрейфу електронів в полі лазерного випромінювання.

5. Показано, що опромінення тонких нанодисперсних магнітних плівок наносекндними лазерними імпульсами дозволяє змінювати (покращувати) їх магнітні характеристики, отримувати гранульовані магнітні плівки і формувати в них наноостровки з регулярним розподілом по поверхні. Вияснено, що зміна магнітних характеристик плівок виникає за рахунок рекристалізації і збільшення розмірів магнітних нанокристалів (гранул). островків в зоні дії лазерного випромінювання.

6. Визначена причина деполяризації і розроблені оптичні методи компенсації деполяризаційного фону та підвищення відношення сигнал/шум у магнітооптичних системах запису інформації.

7. Розроблена оригінальна методика дослідження динаміки ЛІД спін-поляризованих електронів і атомів в багатошарових плівках під дією наносекундних лазерних імпульсів, яка базується на вимірюваннях амплітудних і поляризаційних характеристик відбитого світла з двох сторін плівкової структури в момент дії лазерного імпульсу.

8. Зареєстровано сканування наносекундних і пікосекундних лазерних імпульсів при порушенні за рахунок вкладу ЛІД електронів повного внутрішнього в напівпровідникових кристалах. Встановлені основні фізичні закономірності і сформульовані принципи і методи створення нелінійних оптичних елементів, які працюють на основі нелінійної зміни показника заломлення в полі лазерного випромінювання.

9. Окрім того, деякі результати дисертаційної роботи уточнюють чи доповняють результати отримані іншими дослідниками. Основні з них:

- показано, що перпендикулярна анізотропія аморфних феримагнітних плівок сплавів заліза та тербію зв’язана з одноіонною анізотропією атома тербію, та сформовані головні технологічні рекомендації для виготовлення магнітооптичних носіїв інформації на базі таких плівок;

- проведені дослідження впливу потужних лазерних імпульсів на магнітні та структурні характеристики тонких плівок й отримані плівки з регулярним розподілом магнітних та фазових наноостровків.

Практичне значення дисертаційної роботи визначається тим, що в ній розроблено ряд методик і схем, які можуть бути використані в наукових дослідженнях і у практичних розробках систем та елементів лазерної техніки та оптичного запису інформації (акти впровадження наукових результатів). До них, у першу чергу, належать:

-

-

-

-

-

-

На основі отриманих результатів під керівництвом автора дисертаційної роботи були виготовлені дослідні зразки дискових носіїв для магнітооптичного та одноразового запису інформації на основі фталоціанінових плівок, які відповідають вимогам стандартів до оптичних носіїв інформації ISO/IEC №10089 та ISO №9171.

Особистий внесок автора роботи. Більшість експериментальних вимірювань в роботі проведені автором. Автором уперше експериментально спостерігались та були пояснені результати по ЛІД електронів та домішок, були проведені дослідження особливостей самофокусування в анізотропних матеріалах. Ним особисто розроблялись основні принципи побудови нелінійних оптичних елементів для управління короткими лазерними імпульсами та отримані основні результати в області оптичного запису інформації. При розробці методики досліджень та вимірювань автором дисертації розроблялись схеми та розраховувались вирази для оцінки результатів вимірювань. Під його керівництвом та особистій участі проводились роботи по розробці технології розмітки підкладок оптичних дисків та реєструючих шарів для носіїв одноразового запису інформації. Свідченням цього є те, що ряд пріоритетних наукових публікацій роботи вийшли без співавторів.

Співавтори в роботах [1-5, 8, 9] брали участь в обговореннях та обробці отриманих результатів, в роботах [6, 7, 16-28] допомагали в проведенні експериментальних досліджень, в обробці та обговоренні отриманих результатів. Співавтори патентів [29-38, 40-45] брали участь в вимірюваннях, та роботах по практичній реалізації ідей автора дисертації.

Апробація роботи. Основні результати роботи доповідались на таких наукових конференціях та семінарах: ІV Науково-технічна конференція “Современное телевидение” (1996 р.), Міжнародна конференція “MORIS’96” (1996 р.), Міжнародна конференція “Эмиссионная электроника, новые методы и технология” (1997 р.), ХVI Міжнародна школа-семінар “Новые магнитные материалы микроэлектроники” (1998 р.), III i IV Міжнародна конференція “Механика, компьютер, образование” (1998, 1999 р.), 8 Європейська конференція по магнітних матеріалах та їх застосуванню “ЕММА 2000” (2000 р.), Міжнародна конференція “Functional Materials” (2001 р.), 15 Міжнародний симпозіум "Тонкие пленки в оптике и электронике" (2003 р.), Міжнародний конгрес по застосуванню лазерів і електрооптиці "ICALEO 2003" (2003 р.), ІІІ Міжнародна конференція "Матер. и покрытия в экстермальных условиях" ( 2004 р.)

Результати роботи опубліковані в 20 статтях наукових журналах і збірниках наукових праць, в 5 збірниках матеріалів міжнародних конференцій і захищені 18 патентами.

Структура дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, семи основних розділів, висновків і списку літератури. В кожному з розділів основної частини дисертації приведені короткі висновки за викладеним матеріалом. Повний обсяг дисертації складає 292 сторінок і містить 1 таблицю, 53 рисунки, 228 найменувань літературних джерел.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовується актуальність, визначається мета та задачі роботи, дається перелік методів досліджень, відмічається наукова новизна та практична цінність отриманих результатів, приводяться дані про апробацію роботи та особистий внесок автора, а також дані про структуру та об’єм дисертаційної роботи.

В першому розділі описана методика експериментальних досліджень дрейфу електронів та атомів поглинаючої домішки в напівпровідникових кристалах і багатошарових плівках, приведені дані про методи отримання та вимірювання магнітооптичних характеристик тонких плівок. Дрейф електронів в напівпровідникових монокристалах вивчається через дослідження особливостей повного внутрішнього відбивання, а в наномірних плівкових структурах через зміну величини магнітооптичного кута Керра під дією потужного лазерного випромінювання. Тут також коротко описані методи вимірювання коефіцієнтів нелінійної зміни показника заломлення прозорих матеріалів в полі лазерного випромінювання, методика підготовки зразків для вимірювань, а також приведені деякі характеристики досліджуваних кристалів.

Другий розділ роботи присвячений дослідженням явища дрейфу електронів і домішок в монокристалічних напівпровідниках під дією потужного лазерного випромінювання, та вплив цього ефекту на оптичні властивості цих кристалів.

Показано, що під дією інтенсивних наносекундних та пікосекундних імпульсів спостерігається порушення повного внутрішнього відбивання (ПВВ) в чистих кристалах CdS, CdSSe, ZnSe і сильно легованих домішками азоту кристалах SiC:N. Причиною порушення ПВВ є рекордно велика зміна показника заломлення (n) на грані ПВВ за рахунок ЛІД електронів в полі лазерного пучка. Проведений нами аналіз показує, що ЛІД електронів найбільш суттєво впливає на такі механізми нелінійної зміни n як електронна нелінійна поляризація і збудження в зону провідності великої концентрації нерівноважних електронів. В роботі отримані формули і проведена оцінка величини вкладу ЛІД електронів у зміну показника заломлення напівпровідників для різних механізмів нелінійної зміни n. Додаткове збільшення концентрації електронів за рахунок вкладу ЛІД електронів в нелінійну зміну показника заломлення за рахунок збільшення концентрації електронів провідності при однофотонному поглинанні з коефіцієнтом можна оцінити як

, (1)

При двофотонному поглинанні з коефіцієнтом

(2)

Відповідне значення зменшення показника заломлення напівпровідників при за рахунок вкладу ЛІД електронів запишеться як

(3)

У легованих напівпровідниках з великою концентрацією рівноважних електронів провідності, які дають поглинання з коефіцієнтом зростання показника заломлення за рахунок вкладу ЛІД електронів в нелінійну поляризацію електронів провідності можна оцінити як

(4)

тут e, me і с –заряд електрона, його ефективна маса і швидкість світла; n0 –показник заломлення; I і –інтенсивність і частота лазерного випромінювання; р і e –усереднений час релаксації імпульсу електрона в зоні провідності і час життя нерівноважних ЛІД електронів; –коефіцієнт передачі імпульсу фотона електронам; k і T –постійна Больцмана і температура.

Експериментально величина зміни показника заломлення на грані ПВВ обчислювалась за результатами вимірювань величини максимального кута виходу лазерного пучка 0 з цієї грані (рис. 1), або через величину повороту кристалічної призми на деякий кут 0, після якого потужний лазерний пучок перестає проходити через грань ПВВ.

(5)

Обчислені значення n10-2 на грані ПВВ більш ніж на порядок перевищують максимальні значення n, отримані нами при вимірюваннях зміни показника заломлення в об’ємі цих же кристалів. Ці результати добре узгоджуються з теоретичною оцінкою за формулами (3), і вказують на сильний вплив ЛІД електронів на зміну показника заломлення напівпровідників.

В цьому ж розділі показано, що ЛІД електронів впливає на характер руйнування напівпровідникових кристалів, а також сприяє перемикання провідності напівпровідників під дією потужного лазерного випромінювання. За рахунок впливу ЛІД електронів при наявності тільки двофотонного поглинання в тонких монокристалах під дією наносекундних і пікосекундних лазерних імпульсів руйнується тільки вхідна поверхня кристалів. ЛІД електронів забезпечує просторове розділення і зниження темпу прямої рекомбінації збуджених лазерним випромінюванням електронів і дірок.

У другій частині розділу показано, що під дією лазерного випромінювання в напівпровідниках проходить не тільки дрейф електронів, але й може відбуватись і дрейф атомів. Тут приведені результати експериментальних досліджень дрейф поглинаючих атомів в напівпровідниках в напівпровідниках. Опромінення таких кристалів неперервним пучком потужного СО2 лазера приводить до змін спектрів низькотемпературної люмінесценції, які пов'язані зі збільшенням концентрації домішок чи власних дефектів кристалічної гратки. Причому ці зміни різні на вхідній та вихідній, по відношенню до діючого СО2 лазера, поверхні (рис. 2). Крім того, в цілій групі кристалів ZnSe на вихідній поверхні кристалів після опромінення СО2 лазером появляється темна пляма. Мас-спектрометричні вимірювання і хімічний аналіз показує, що в речовині плями міститься високий процент вуглецю.

Рис. 2. Спектри люмінесценції кристала CdS при збудженні ртутною лампою при температурі 4,2 K: 1 -початковий спектр; 2 і 3 -після опромінення СО2 лазером з інтенсивністю І=200Вт/см2 протягом 10 хвилин, 2 -спектр із вхідної, 3 -спектр із вихідної поверхні кристала.

В роботі розглянуті різні фізичні механізми дрейфу атомів домішки в прозорих кристалічних напівпровідниках в полі лазерного випромінювання, отримані наближені формули і проведені оцінки вкладу для цих механізмів. Результати показують, що основним механізмом ЛІД поглинаючих атомів домішки в прозорих напівпровідникових кристалах є електростатична взаємодія іонізованих дефектів з просторовим зарядом, який створюється на вихідній поверхні зразка за рахунок ЛІД електронів.

Величину потенціальної енергії її взаємодії зарядженого атома домішки з полем просторового заряду ЛІД електронів Wp можна оцінити як

, ( 6 )

де S –площа перетину лазерного пучка, r0 –товщина області локалізації просторового заряду електронів, r=(5-10)r0 –відстань між просторовим зарядом електронів і зарядженим атомом домішки; –діелектрична постійна напівпровідника. В полі випромінювання СО2 лазера потужністю 100 Вт величина Wp може досягти за оцінками декілька електрон-вольт.

Всі ці результати дають підстави стверджувати, що випромінювання потужного СО2 викликає в прозорих напівпровідникових кристалах дрейф атомів поглинаючої домішки. В цьому ж розділі описаний запропонований автором спосіб очистки кристалів ZnSe, принцип дії якого базується на ефекті ЛІД атомів. Перевагою такого способу є направлена очистка від сильно поглинаючих домішок в прозорих матеріалах.

В третьому розділі описані дослідження впливу ЛІД електронів і атомів на оптичні і магнітооптичні характеристики багатошарових наномірних плівок типу Bi/SiO2/TbFe/SiO2 і Ti/SiC/TbFe/SiC. Показано, що під дією потужних лазерних імпульсів спін-поляризовані електрони за рахунок ЛІД тунелюють з феримагнітної плівки TbFe в немагнітні плівки вісмуту або титану, що приводить до намагнічування цих плівок.

Дані дослідження, які проведені автором вперше, базуються на оригінальній методиці. Ця методика тісно пов’язана з особливостями магнітооптичних характеристик аморфних феримагнітних плівок TbFe, які не тільки широко використовуються для магнітооптичного запису інформації, але можуть служити хорошим модельним середовищем для дослідження процесів взаємодії лазерного випромінювання з наномірними поглинаючими плівками. Тому для проведення таких вимірювань, потрібно було отримати плівки TbFe з перпендикулярною анізотропією і виміряти їх основні термомагнітні та магнітооптичні характеристики. В роботі показано, що вирішальну роль у формуванні магнітної анізотропії в аморфних феримагнітних плівках TbFe відіграє анізотропія електронної оболонки атома тербію. Визначальним технологічним чинником в процесі формування перпендикулярної анізотропії (ПА) в однорідних, одношарових плівках TbFe, є співвідношення концентрацій заліза і тербію (близьке до точки компенсації Tb22Fe78), а також швидкість напилювання плівки.

При дослідженнях явища ДІД електронів на тонку феримагнітну плівку з ПА TbFe через ізолюючу діелектричну або напівпровідникову плівку з товщиною порядку 10 нм наносилась металева плівка вісмуту або титану з товщиною теж порядку 10 нм. Така плівкова структура поміщалася в магнітне поле і в ній вивчався ЛІД електронів, який виникав під дією гостро сфокусованих наносекудних імпульсів напівпровідникового лазера. Досліджувалась динаміка впливу потужних лазерних імпульсів на поляризаційні характеристики відбитого світла з двох сторін плівкової структури. Аналіз результатів базувався на відомих закономірностях зміни магнітооптичних характеристик плівки TbFe.

Було встановлено, що під дією наносекундних лазерних імпульсів з великою (більше 1 МВт/см2) інтенсивністю виникає ЛІД спін-поляризованих електронів. Такі електрони за рахунок переходять під дією фотонного тиску з феромагнітної плівки TbFe в немагнітну плівку вісмуту або титану і викликають їх нерівноважну намагніченість в локальній область. Це приводить до додаткового повороту площини поляризації світла при відбиванні від таких плівок. Ефективне значення кута Керра 1 при цьому можна оцінити за виразом

( 7 )

де І і –інтенсивність і коефіцієнт поглинання випромінювання напівпровідникового лазера в плівці TbFe; і –час релаксації і концентрація електронів із поляризованими спінами; –коефіцієнт пропорційності.

Ці результати також корелюють з вимірюванням залежності величини магнітооптичних кутів Керра і Фарадея в багатошарових плівках SiO2/Tb/Au/Fe/SiO2 і SiC/Tb/SiC/Fe/SiC від напрямку поширення лазерного пучка. В таких плівках при великій інтенсивності випромінювання наносекундних лазерних імпульсів ми отримали різні за величиною значення кута Фарадея для лазерного пучка, який падає на плівку зі сторони шару тербію, і для пучка, який падає зі сторони шару заліза. Таку різницю у величині магнітооптичного ефекту Фарадея в досліджуваних плівках можна також пояснити через різний вклад намагніченість вихідного шару структури Tb/Au/Fe і Tb/SiC/Fe ЛІД електронів, які тунелюють в полі потужного лазерного пучка з плівки заліза або з плівки тербію.

В другій частині розділу описані результати дослідження ЛІД атомів і процесу запису інформації лазерним випромінюванням в багатошаровій наномірній плівковій структурі плівках Вивчалась плівки, які складались з шарів фталоціанінового барвника і вісмуту. Плівка фталоціанінового барвника є прозорою для лазерного випромінювання на відміну від плівки вісмуту, яка має високий коефіцієнт поглинання. В такій багатошаровій структурі під дією наносекундних імпульсів напівпровідникового лазера атоми вісмуту дифундують в плівку барвника, причому в дифузія проходить в два етапи. На першому етапі, тривалість якого визначається тривалістю й інтенсивністю лазерного випромінювання, дифузія атомів вісмуту проходить, практично, в напрямку розповсюдження лазерного пучка. Це приводить до зростання коефіцієнта відбивання зондуючого лазерного випромінювання від вихідної поверхні плівкової структури. На другому етапі проходить, по суті, теплова дифузія атомів вісмуту, в результаті якої формується майже однорідна гомогенна плівка суміші фталоціанінового барвник з атомами вісмуту. При більш високій інтенсивності лазерного випромінювання проходить випаровування й утворення дірки в плівковій структурі. Але навіть у такому випадку спостерігається перший етап дифузії з його несиметричністю. Під час дії наносекундних лазерних імпульсів в такій багатошаровій структурі також зареєстрована поява електричного поля. Більш висока концентрація атомів вісмуту у вихідному шарі фталоціанінового барвника порівняно з вхідним шаром після опромінення лазерним імпульсом, потужність якого недостатня для випаровування плівки, спостерігається і в Оже-спектрах. Описані результати пояснюються впливом ЛІД атомів вісмуту. Причиною такого дрейфу атомів Ві в полі наносекундного лазерного випромінювання, на нашу думку, є електростатична взаємодія цих атомів, іонізованих лазерним випромінюванням, з полем просторового заряду ЛІД електронів.

Заключна частина розділу присвячена дослідженням процесу запису інформації лазерним випромінюванням. Запис інформації здійснювався напівпровідниковим лазером з довжиною хвилі =0,82 мкм на спеціальному стенді запису. Кращі результати для однократного запису були отримані в гранульованих плівках фталоціанінового барвника з концентрацією наночастинок вісмуту (50–80% за масою) та в багатошарових плівок барвник-вісмут-барвник з наномірною товщиною шарів. Чутливість запису в гранульованих плівках досягає значення <10-2 Дж/см2 при величині відношення сигнал/шум для зчитування 40–50 децибел. В багатошарових плівках при малій енергії лазерного імпульсу запис може проходити за рахунок індукованого лазерним випромінюванням дрейфу атомів вісмуту в тонкий прошарок барвника. При більш високій інтенсивності лазерного випромінювання проходить випаровування плівки та утворення дірки. Експериментальні дослідження показали, що при товщині шарів барвника h=10–15 нм і вісмуту h=5–8 нм можна отримати зміну у величині відбивання майже на порядок при чутливості запису біля 10-3 Дж/см2.

В гранульованих плівках виміряні за методикою прискореного старіння співвідношення сигнал/шум складає (Т=220 С) 50 років і чутливість запису відповідно (Т=220 С) 30 років. Багатошарові плівки при більш високих початкових значеннях чутливості старіють інтенсивніше особливо при високих температурах і для них (Т=220 С) 5-7 років, а (Т=220 С) 6-10 років.

Тут також приведені результати вимірювань чутливості запису інформації в феримагнітних плівках з перпендикулярною анізотропією TbFeCo і часу старіння таких плівок. Зареєстровано прискорене старіння при опроміненні плівок лазерними пучками, що пов’язується зі стимульованою світлом дифузією атомів кисню через тонкі захисні покриття.

В четвертому розділі даної роботи розглядаються особливості ЛІД електронів і процесів самофокусування й самодефокусування лазерних пучків в оптично анізотропних напівпровідникових кристалах. На основі експериментальних досліджень оптично одновісних кристалів CdS пояснюється особливість самофокусування й самодефокусування лазерних пучків в анізотропних матеріалах (рис. 3). В цих кристалах хвильовий фронт лазерного пучка, поляризованого по напрямку на відміну від пучка з поляризацією при самодефокусуванні не тільки змінює свою кривизну, але й стає еліптичним

Рис. 3. Фотографії перерізу пучка рубінового лазера (і=20 нс) після кристала CdS при різній поляризації та різній інтенсивності лазерного випромінювання: ( -зверху) і

(- знизу); 1 –І=100 кВт/см2, 2 –І=40 МВт/см2, 3 –І=120 МВт/см2.

В роботі на основі розв'язку нелінійного рівняння Гельмгольца для ізотропного середовища знайдені аналітичні вирази для залежності ефективного значення фокусної віддалі нелінійних лінз, що виникають в тонкому плоскому шарі нелінійного матеріалу при самофокусуванні чи самодефокусуванні, від параметрів напівпровідникових матеріалів та інтенсивності лазерного випромінювання. Далі проведений аналіз впливу анізотропії кристала на ці величини і показано, що лазерний пучок з поляризацією після самофокусування, чи самодефокусування в анізотропному кристалі однаково змінює кривизну свого хвильового фронту. В результаті після кристала розподіл інтенсивності в поперечному перерізі лазерного пучка залишається сферично симетричним.

Для лазерного пучка, поляризованого по напрямку в анізотропному кристалі при самофокусуванні, яке описується квадратичною залежністю зміни показника заломлення від поля світлової хвилі n=n2E2 (оптична вісь співпадає з віссю x, напрямок поширення пучка співпадає віссю z n2z=n2y= n2x) маємо

( 8 )

При самодефокусуванні лазерного пучка, коли n=n4E4 і n4z= 1 n4x

( 9 )

Аналіз результатів експериментальних вимірювань показав, що виміряні значення астигматизму в хвильовому фронті лазерного пучка, який появляється в кристалах CdS при самодефокусуванні лазерного пучка з поляризацією , можна пояснити тільки врахувавши вклад ЛІД електронів в величину фокусної віддалі нелінійнокристалаанізотропного кристалу.

Дрейф електронів в полі лазерного випромінювання вносить свій вклад в залежність величини фокусної віддалі нелінійних лінз від інтенсивності лазерного випромінювання і від товщини досліджуваних напівпровідникових кристалів. ЛІД електронів впливає також і на ефективність нелінійної ударної рекомбінації електронів у напівпровідниках, яка сильно зменшує ефективність нелінійної зміни показника заломлення напівпровідників при високій інтенсивності лазерного випромінювання.

В п’ятому розділі роботи проведений аналіз фізичних принципів роботи нелінійних оптичних елементів для управління лазерними пучками, визначені основні методи побудови і отримані формули для оцінки характеристик нелінійних елементів, які працюють за рахунок нелінійної зміни показника заломлення матеріалів під дією потужного лазерного випромінювання. В оптичних елементах такого типу не потрібні додаткові зовнішні поля, що є великою перевагою при управлінні ультракороткими лазерними імпульсами.

В роботі на основі запропонованих фізичних методів розглянуті оптичні схеми й досліджені характеристики експериментальних зразків нелінійних лінз, модуляторів та дефлекторів, які працюють на основі зміни n напівпровідникових кристалів під дією лазерного випромінювання. Показано, що величина і характеристики роботи таких нелінійних елементів багато в чому визначаються впливом ЛІД електронів на ці процеси. Результати вимірювань показують, що найбільш перспективними для практичного використання оптичними елементами даного типу є дефлектор (рис. 4), і нелінійний просторовий фільтр. Даний дефлектор працює на ефекті порушення повного внутрішнього відбивання за рахунок ЛІД електронів, і може застосовуватись для сканування наносекундних і пікосекундних лазерних імпульсів. Кут сканування дефлектора задається абсолютною величиною нелінійної зміни показника заломлення на грані повного внутрішнього відбивання n

(10)

Тут n1 і n2 показники заломлення призм АВС і АСД; призма АВС –напівпровідниковий кристал з двофотонним поглинанням. Експериментальні зразки дефлекторів давали такі значення кутів сканування: для пучків рубінового лазера: для наносекундних імпульсів 1=170 –230; для пікосекундних імпульсів 1=140 –190.

Рис. 4. Оптична схема дефлектора

Нелінійний просторовий фільтр дозволяє зменшувати тривалість лазерних імпульсів, а також виділяти одиночні пікосекундні лазерні імпульси з цугу синхронізованих пікосекундних лазерних імпульсів. Для цього вхідна нелінійна лінза фільтра виготовляється з напівпровідника, в якому час релаксації е нелінійної зміни n більший від інтервалу між окремими пікосекундними імпульсами в послідовності синхронізованих імпульсів е>і. Контраст виділеного пікосекундного імпульсу визначається як

, ( 11 )

де a –радіус лазерного пучка на напівпровідниковій пластині, h –її товщина, f –фокусна віддаль вхідної лінзи фільтра, d –радіус діафрагми, n1–величина зміни показника заломлення в напівпровідниковій пластині на осі лазерного пучка за час дії m-того лазерного пікосекундного імпульсу.

Нелінійний просторовий фільтр дозволяє також скорочувати і формувати з одного лазерного імпульсу два більш короткі імпульси. При скороченні одиночного лазерного імпульсу нелінійним фільтром його тривалість визначається як

, ( 12 )

де і –тривалість вхідного лазерного імпульсу; d, f1 і h –діаметр діафрагми, фокусна віддаль вхідної лінзи і товщина напівпровідникової пластини, n – величина зміни n на осі пучка в момент дії максимуму лазерного імпульсу.

На рис. 5 приведені осцилограми виділених з допомогою такого просторового нелінійного фільтра одиночних пікосекундних імпульсів рубінового лазера .

Рис. 5. Осцилограми імпульсів рубінового лазера на вході у нелінійний фільтр (вверху) і після нелінійного фільтру (внизу).

Експериментальні зразки нелінійного просторового фільтра дозволяють скоротити майже в п’ятдесят разів наносекундні і в десять разів пікосекундні лазерні імпульси. Отримані результати показують, що нелінійні елементи на базі нелінійної зміни показника заломлення матеріалів під дією потужного лазерного випромінювання є перспективними елементами для управління і зміни характеристик наносекундних і пікосекундних імпульсів, а також для отримання фемтосекундних лазерних імпульсів.

В шостому розділі роботи приведені результати досліджень по модифікації структури і оптичних характеристик, а також дослідження можливості формування регулярної субмікронної наноостровкової структури в тонких напівпровідникових і металевих плівках з допомогою лазерного випромінювання. Отримані результати показують, що методом лазерної обробки тонких одношарових і багатошарових плівок можна отримати наноостровкову структуру за рахунок двох фізичних процесів: різання плівки лазерним пучком і структурних перетворень в зоні опромінення без випаровування.

При опроміненні магнітних плівок лазерним випромінюванням з інтенсивністю, нижчою від інтенсивності розплаву плівки досить сильно змінюються їх магнітні і оптичні характеристики. Так після опроміненні наносекундними лазерними імпульсами в NiFe плівках у декілька разів падає коерцитивна сила, зростає магнітна сприйнятливість і перпендикулярна анізотропія. Причиною таких сильних змін є рекристалізація плівки в полі лазерного випромінювання, в результаті чого формуються великі (100 нм) нанокристали і зменшується концентрація суперпарамагнітної фази в плівці. В аморфних феримагнітних TbFe і піровскитних LaSrMnO3 плівках лазерне випромінювання стимулює рекристалізацію й окислення плівки. В плівках TbFe в результаті цих процесів падає величина енергії перпендикулярної анізотропії, і зростає пропускання плівки. Піровскитні LaSrMnO3 плівки після обробки наносекундними імпульсами з немагнітного стану з напівпровідниковим типом провідності переходять в стан з металевим типом провідності і стають магнітними.

Проведені дослідження показали, що ефективність процесу модифікації характеристик плівок залежать не тільки від інтенсивності і тривалості опромінення, але й від енергії лазерного кванта Зміни магнітних і оптичних характеристик зростають при зростанні енергії кванта лазерного випромінювання, при однаковій інтенсивності і тривалості наносекундних лазерних імпульсів. Найбільш сильні зміни спостерігались при опроміненні плівок ексимерним лазером з довжиною хвилі 248 нм. Для отримання мінімального розміру наноостровка