НАЦІОНАЛЬНОЇ АКАДЕМІЇ НАУК УКРАЇНИ

Стерлігов Валерій Анатолійович

УДК 535.36; 535.361

ПРОЦЕСИ РОЗСІЯННЯ СВІТЛА НАНО- ТА МІКРОСКОПІЧНИМИ ОБ’ЄКТАМИ В НАПІВПРОВІДНИКАХ ТА ДІЕЛЕКТРИКАХ

01.04.05 – оптика, лазерна фізика

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора фізико-математичних наук

Київ - 2005

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Інституті фізики напівпровідників

імені В.Є. Лашкарьова НАН України

Науковий консультант:

доктор технічних наук, професор, академік НАН України

Свєчніков Сергій Васильович,

Інститут фізики напівпровідників імені В.Є. Лашкарьова НАН України,

почесний директор інституту, завідувач відділу

Офіційні опоненти:

доктор фізико-математичних наук, професор

Сарбей Олег Георгійович,

Інститут фізики НАН України,

завідувач відділу

доктор фізико-математичних наук, професор,

Поперенко Леонід Володимирович,

Київський національний університет імені Тараса Шевченка,

завідувач кафедри

доктор фізико-математичних наук

Кудрявцев Юрій Володимирович,

Інститут металофізики НАН України, провідний науковий співробітник

Провідна установа:

Харківський національний університет імені Р.Н.Каразіна,

Захист відбудеться “24” листопада 2005 р. о 10 год. 30 хв. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д26.159.01 при Інституті фізики НАН України

за адресою: проспект Науки, 46, Київ, 03028

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Інституту фізики НАН України

за адресою: проспект Науки, 46, Київ, 03028

Автореферат розісланий “21” жовтня 2005 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради

доктор фізико-математичних наук Чумак А.А.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Розсіяння світла поверхнею є одним із фундаментальних процесів, які характеризують взаємодію світла з речовиною, а також надають переважну (у порівнянні з процесами пропускання і відбивання) частину інформації про структуру поверхні та характер її неоднорідностей. З огляду на сказане коректна інтерпретація процесів розсіяння є дуже важливою для розуміння природи досліджуваних об’єктів.

Інтенсивність розсіяного світла безпосередньо залежить від шорсткості поверхні, що дозволяє її вимірювання. Кутовий розподіл інтенсивності розсіяного світла прямо пов'язаний із статистичними властивостями поверхневої шорсткості. Азимутальний розподіл розсіяного світла дозволяє оцінити азимутальну структуру поверхневих властивостей. Спектр розсіяного світла є функцією спектрів відбивання і поглинання, які також можуть бути оцінені у такий спосіб. Наведений перелік є далеко не повним і стосується тільки частини інформації, яка може бути отримана з дослідження розсіяного світла.

Дисертаційна робота є дуже актуальна і з огляду на численні практичні застосування, оскільки розсіяння відповідає за втрати при розповсюдженні світла в оптичному середовищі, при взаємодії з плоскою поверхнею, а також при розповсюдженні світла в умовах його обмеження повним внутрішнім відбиванням від меж плоского хвилеводу або ж оптичного волокна. Розсіяння світла – одне з принципових джерел неідеальності характеристик оптичних середовищ і приладів, отже вивчення процесів, які призводять до розсіяння випромінювання, є надзвичайно важливим для багатьох практичних застосувань, для підвищення оптичної якості пристроїв і приладів.

Взагалі поверхню описують як двовимірну систему. Тільки в окремих випадках її структура може бути редукована до одновимірної. Таким чином можливо описати також структуру ізотропних об’єктів. Проте, обидва ці окремі випадки зустрічаються досить рідко. В загальному випадку для адекватного представлення структури поверхні потрібен саме двовимірний її аналіз. Аналогічною є й ситуація при проведенні досліджень розсіяння світла мікро- і наночастинками, точковими або протяжними дефектами структури кристалів напівпровідників або діелектриків.

Проте, до початку наших досліджень двовимірний аналіз просторового розподілу розсіяного світла не проводився і його методи не були розроблені. Як правило, для всіх досліджуваних об'єктів вимірювалася інтенсивність розсіяного світла тільки в одній площині, зазвичай, в площині падіння, а потім без додаткового обґрунтування припускалося, що ці дані адекватно представляють структуру розсіяного світла для всіх інших перерізів просторового розподілу. Необхідність перевірки такого припущення, а також проведення повного – двовимірного аналізу структури зумовила актуальність розробки експериментальних методів вимірювання, обробки і представлення отриманих даних для загального – двовимірного випадку поверхневої структури або ж досліджуваних мікро- або наночастинок.

Хоча явище розсіяння світла є широко відомим і використовується вже багато десятків років, його наукове і прикладне значення далеко не вичерпане, що підтверджується постійним потоком публікацій, котрі використовують інформацію, одержану при вивченні розсіяння світла. Цьому сприяє й необхідність глибокого розуміння властивостей нових, штучно отриманих об'єктів, зокрема, наночастинок різних матеріалів. Важливою особливістю таких наноструктурованих матеріалів є істотна залежність їх властивостей від розмірів, та ступеню заповнення об'єму, що приводить до створення штучних квазінеперервних середовищ з керованою діелектричною проникністю, відкриваючи нові можливості для застосування таких матеріалів.

Додаткова цікава інформація може бути отримана при дослідженні взаємодії поверхневих хвиль з такими об'єктами. Для таких хвиль істотно порушується співвідношення ортогональності між напрямком розповсюдження хвилі і напрямками коливань електричного і магнітного полів. Крім того, поверхнева хвиля строго локалізована поблизу поверхні і розповсюджується уздовж неї, що різко збільшує ефективність її взаємодії з об'єктами, розташованими на поверхні. Дослідження розсіяння поверхневих хвиль нано- і мікроскопічними об'єктами крім фундаментального інтересу є важливим і для застосувань у мікроелектронній, оптичній, оптомеханічній промисловості, а також при розробці різних сенсорів, включно з біологічними. Такі сенсори експлуатують високочутливу залежність параметрів резонансного збудження поверхневих хвиль від оптичних характеристик середовища, що безпосередньо прилягає до поверхні.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами Робота відповідає основним нау-ковим напрямам Інституту фізики напівпровідників ім. В.Є.Лашкарьова НАН України і виконувалася відповідно до наукових тем:

· Бюджетна тема 1.3.7.4 "Исследование физических процессов на поверхности и в приповерхностных слоях полупроводников и слоистых структур на их основе", розпорядження Президіуму АН УРСР від 05.12.1984 № 537;

· Бюджетна тема №10 "Фізичні процеси, механізми та природа формування електронних та оптичних явищ на поверхні і в приповерхневих шарах напівпровідників та систем на їх основі";

· 1992, Державний комітет України з науки і технологій, програма "Розробка нових методів для оптичної обробки поверхні високотемпературних зверхпровідникових кристалів";

· 1994, Державний комітет України з науки і технологій, програма "Розробка оптичних методів сертифікації поверхні напівпровідників";

· 1995, Державний комітет України з науки і технологій, програма 06.01.00/002-95 "Дослідження підповерхневих дефектів напівпровідникових кристалів оптичними методами";

· Державна програма "Дослідження електронно-поляритонних явищ у твердотільних структурах на основі напівпровідників А3В5 з мікрорельєфною поверхнею, розробка нових оптоелектронних приладів і автоматизованих методів електрофізичної діагностики матеріалів і структур мікро- і оптоелектроніки", 1990-1994 рр. (Постанова Бюро ВФА НАН України № 10 від 19.12.1989 р., номер реєстрації 0193U02858);

· Державна програма "Розробка технологій та організація виробництва напівпровідникових мікросенсорів, електронних приладів та систем на їх основі для екологічного моніторингу та енергозбереження" № 0197U008668;

· Державна комплексна науково-технічна програма "Проект розвитку високих технологій напівпровідникових матеріалів, оптоелектронних приладів та сенсорних систем";

· Проект № 6987 двосторонньої французько-української міжнародної співпраці між Національним Центром Наукових Досліджень, Франція (Centre National de la Recherche Scientifique, CNRS) і Національною академією наук України.

Мета і завдання дослідження. Метою дисертації є комплексне дослідження загальних фізичних закономірностей процесів розсіяння об'ємних і поверхневих електромагнітних хвиль нано- і мікроскопічними об'єктами на поверхні та в об'ємі напівпровідників і твердих та рідких діелектриків, для отримання на основі цих закономірностей різноманітної фізичної інформації щодо структури та властивостей зазначених об'єктів. Для досягнення цієї мети необхідно вирішення таких завдань:

1. Розробити методи, експериментальні засоби та устаткування для дослідження просторового розподілу розсіяного світла.

2. Дослідити закономірності розсіяння об'ємних і поверхневих електромагнітних хвиль наночастинками, розташованими поблизу поверхні металевої плівки. Встановити особливості розсіяння, пов'язані з поляризацією падаючого і розсіяного випромінювання, з'ясувати роль процесів багатократного розсіяння, вплив чинників, які характеризують ансамбль розсіювачів.

3. Встановити закономірності розсіяння світлових хвиль наномембранами та мезоскопічними структурами.

4. Дослідити закономірності процесів розсіяння поверхневим рельєфом з субангстремною шорсткістю.

5. Розробити концептуальні засади та теоретичні методи зіставлення результатів розсіяння об'ємних і поверхневих хвиль нанорозмірними та іншими дефектами поверхні.

6. Дослідити можливість дискримінації розсіяння на топографічних і нетопографічних поверхневих структурах.

7. Вивчити процеси самоорганізації мікрочастинок в рідині під дією електричного поля, використовуючи розсіяння ними світла.

8. Вивчити механізми створення поверхневого мікрорельєфу, що контролюється локальною інтенсивністю світлового пучка.

Об'єктом дослідження є розсіяння електромагнітного випромінювання нано- і мікроскопічними об'єктами.

Предметом досліджень є закономірності процесів розсіяння об'ємних і поверхневих хвиль на впорядкованих та невпорядкованих наночастинках, нанопорах та мезоскопічних структурах, створених у тонких діелектричних плівках, природній шорсткій поверхні напівпровідників і металевих плівок та на суспензії мікроскопічних частинок у діелектричній рідині.

Методи досліджень. Для проведення дисертаційного дослідження автором розроблено комплекс експериментальних методів дослідження розподілу інтенсивності і поляризаційних властивостей розсіяного світла в межах напівсфери розсіяння. Автором також розроблені теоретичні методи моделювання процесів розсіяння світла, виходячи з властивостей поверхневих і об'ємних розсіювачів. У процесі дослідження було використано методи електронної мікроскопії на пропускання (TEM), атомно-силової мікроскопії (AFM), скануючої оптичної ближньопольової мікроскопії (SNOM), спектроскопії відбивання і поглинання, метод когерентного зворотного розсіяння (CBS).

Наукова новизна отриманих результатів. В результаті проведених досліджень уперше одержано такі результати:

1) Показано, що розсіяння поверхневих хвиль наночастинками характеризується просторовим розподілом інтенсивності розсіяного світла, який суттєво залежить від функції розподілу наночастинок за розмірами, змінюючись від інтенсивного максимуму в напрямі, попутному до напряму розповсюдження поверхневих хвиль у випадку наночастинок Ga, до двох максимумів у попутному та зустрічному напрямах у випадку наночастинок Sn такого ж середнього розміру.

2) Розроблено метод порівняння результатів розсіяння поверхневих і однорідних хвиль, який полягає в корекції інтенсивності розсіяння згідно з фактором косинуса полярного кута розсіяння та лінеаризації просторових залежностей інтенсивності розсіяння при перерахунку отриманих даних до системи координат просторових частот або хвилевих векторів. Зазначений метод застосовано для металевих наночастинок та одновимірних дефектів поверхні.

3) Теоретично встановлено, що при розсіянні світла наномембранами відбувається когерентна інтерференція розподілених по товщині плівки джерел розсіяння. Результати обчислень за цією теоретичною моделлю досить добре співпадають з відповідними експериментальними даними, одержаними в дисертаційному дослідженні.

4) Експериментально продемонстровано субатомну чутливість розсіяння світла до рельєфу поверхні, розмірів поверхневих дефектів, а також можливість реконструкції атомарної поверхневої структури.

5) Запропоновано метод дискримінації розсіяння світла рельєфом поверхні і нетопографічними дефектами на ній. Ций метод полягає в розрахунку просторового розподілу відношення інтенсивностей розсіяння для двох різних довжин хвиль падаючого випромінювання та напрямів розсіяння, що породжуються тими ж компонентами Фур’є декомпозиції форми поверхні. Проведено експериментальний аналіз такої дискримінації і продемонстровано значний внесок нетопографічного розсіяння в процеси розсіяння світла поверхнею Si та GaAs пластин.

6) Розроблено експериментальні методики послідовного та паралельного вимірювання у межах напівсфери просторового розподілу розсіяного світла, які дозволили вивчати двовимірну структуру досліджуваних об’єктів.

7) Показано, що аналіз просторового розподілу світла, розсіяного різними модами плоского хвилеводу, створює можливість дискримінації внеску в спостережуваний розподіл від зовнішнього і внутрішнього інтерфейсів хвилеводу. Розсіяння світла модами низького порядку переважно породжується розсіянням на зовнішньому інтерфейсі хвилеводу, тим часом як мода вищого порядку породжується розсіянням на внутрішньому інтерфейсі.

8) Запропоновано високочутливий метод контролю забруднення поверхні шляхом вимірювання часової інтенсивності хвилеводного розсіяння.

9) Показано, що кутова залежність інтегральної інтенсивності розсіяння поверхневих хвиль є індикатором плазмон-поляритонного резонансу в значно ширшому інтервалі зміни оптичних параметрів прилеглого середовища у порівнянні з традиційно використовуваним мінімумом коефіцієнта дзеркального відбиття.

10) Розроблено модель механізму фоточутливості голографічного запису інформації на плівках GeOx, яка полягає в локалізації нерівноважних носіїв на рівнях, зумовлених ненасиченими валентними зв’язками германію.

11) Запропоновано новий метод контролю процесу голографічного формування рельєфу поверхні, який полягає в одночасній модуляції інтенсивності та напряму розповсюдження одного з світлових пучків, що бере участь у формуванні інтерференційної картини.

Практичне значення отриманих результатів:

· На основі отриманих фундаментальних закономірностей розсіяння світла та розробки ряду експериментальних методик дослідження властивостей поверхонь було сконструйовано та виготовлено сімейство приладів об'єктивного контролю чистоти поверхні і наявності дефектів на ній (сімейство приладів Аналізатор Дефектів Лазерний Растровий "Аделар", прилади "Пылевизор"). Зазначені прилади використовувалися на багатьох мікро-елек-трон-них заводах в Києві, Івано-Франківську, Зеленограді, Орлі, Ленінграді, Новосибірську, Александрові та ін.

· Розроблено метод і виготовлено прилад "Чистотомер" для вимірювання концентрації мікрочастинок у деіонізованій воді та інших прозорих реактивах. Прилади використо-вувалися на мікроелектронних заводах Києва і Таллінна.

· Розроблено ряд методів контролю стану поверхні, які дозволяють оперативно вимірювати величину її локальної шорсткості та отримувати карту шорсткості поверхні.

· Запропоновано використовувати вимірювання інтенсивності розсіяного світла при розробці сенсорів на основі плазмон-поляритонного резонансу, що значно збільшує інтервал робочих параметрів сенсора.

· Запропоновано використовувати розроблений автором метод для дискримінації топографічного розсіяння від нетопографічного з метою отримання інформації про стан поверхні напівпровідника.

· Розроблено методи оперативного контролю процесу формування дифракційних граток у всьому доступному інтервалі просторових частот.

Апробація результатів дисертації. Основні результати праць, які склали основу дисертації, доповідалися на багатьох вітчизняних та міжнародних конференціях і симпозіумах, зокрема:

IV Всесоюзному семінарі по фізичній хімії поверхні монокристалічних напівпровідників (Новосибірськ, 1981); V Всесоюзній нараді “Фізика і технічне застосування напівпровідників А2В6” (Вільнюс, 1983); Міжнародній конференції “Електродинаміка міжфазної границі. Квантові ефекти в адсорбованих плівках” (Телаві, 1984); VIII нараді по фізиці поверхневих явищ в напівпровідниках (Київ, 1984); Науково-технічній нараді “Прогресивні методи обробки лазерних оптичних елементів” (Мінськ, 1984); VI Всесоюзній школі-семінарі по фізиці поверхні напівпровідників (Одеса, 1987); XII Всесоюзній науковій конференції по мікроелектроніці (Тбілісі, 1987); VII Всесоюзній конференції по електрохімії (Чернівці, 1988); Всесоюзному семінарі “Физико-хімія поверхні напівпровідників” (Новосибірськ, 1989); Міжнародній школі “Лазерна мікрообробка поверхні” (Ташкент, 1989); VI республіканській конференції “Фізичні проблеми МДП-інтегральної електроніки” (Севастополь, 1990); VII International conference on microelectronics (Мінськ, 1990); VIII Всесоюзній конференції по взаємодії оптичного випромінювання з речовиною (Ленінград, Репіно, 1990); XII Всесоюзній конференції по фізиці напівпровідників (Київ, 1990); XXXV Internationales wissenschaftiliches colloquium (Ilmenau, DDR, 1990); International Conference on Holography, Correlation Optics and Recording Materials, (Chernivtsi, 1993); Hong Kong Workshop on Frontiers of Surface Diffraction and Imaging, The Hong Kong University of Science & Technology (Hong Kong, 1993); SPIE's Microelectronic Manufacturing '95 symposium (Austin, Texas USA 1995); Third symposium on the physics and chemistry of SiO2 and the Si-SiO2 interface - 189th Meeting of the Electrochemical Society (Los Angeles, California, USA, 1996); International conference Epioptics-5 (Erice, Italy, 1998); Third Conference on Postgraduate Research in Electronics, Photonics, Communications and Software “PREP 2001” (Keele, UK, 2001); ISSPIC 9: “International Symposium on Small Particles and Inorganic Clusters” (Lausanne, Suisse, 1998); GDR - CNRS 1021 "Agrйgats", (Carry le Rouet, France, 1998); IV International Conference “Optical Diagnostics of Materials and Devices for Opto-, Micro- and Quantum Electronics”, SPIE, (Kiev, Ukraine, 1999); SIO’99 workshop “Surface and Interface Optics", (Sainte-Maxime, France, 1999); Summer School “Epioptics 2000“ (Erice, Italy, 2000); ISSPIC 10: “International Symposium on Small Particles and Inorganic Clusters”, (Atlanta, USA, 2000); International conference "Optix 2001", (Marseille, France, 2001); "19th International Liquid Crystal Conference 2002", (Edinburgh, 2002); International conference “Contrфles et Mesures Optique pour l’Industrie” (Saint Aubin de Mйdoc, France, 2002); 2004 CLEO/IQEC conference, (San Francisco, California, USA 2004); International Conference "Colloidal Dispersions in External Fields" CODEF (Bonn, Germany 2004); ERMR04: The Ninth International Conference on Electrorheological Fluids and Magneto-rheological Suspensions, (Beijing, China, 2004)

Особистий внесок автора. В роботах [1 – 34], які увійшли до дисертації, автору належить вибір і постановка задач, вибір методів їх вирішення, розробка необхідних експериментальних методик та участь у їх реалізації, проведення оптичних досліджень, а також вирішальна роль в обробці даних і підготовці отриманих результатів до публікації. Автором особисто проведені оптичні експерименти в цих роботах. Всі нові ефекти, представлені в дисертації, знайдено і досліджено особисто автором. Результати, які виносяться на захист, і висновки з виконаної роботи належать автору.

З публікацій, виконаних автором самостійно [7,24,31] та в співавторстві, в дисертації використано результати, отримані особисто автором. Так, у роботах [1-4] автором запропоновано метод контролю процесу формування голографічних дифракційних граток і результати застосування цього методу для дослідження механізмів фотохімічної чутливості монокристалів CdS і аморфних плівок GeOx. В роботах [5,6,8] автором запропоновано метод аналізу напівсферичного розподілу інтенсивності розсіяного світла і реалізовано установку для таких вимірювань. Автор запропонував для з'ясування особливостей процесу взаємодії об'ємних і поверхневих хвиль з нанорозмірними дефектами застосовувати дані просторового розподілу розсіяного світла нанооб'єктами. Ним розроблено новий метод для таких досліджень і проведено вимірювання та математичну обробку отриманих даних [9-12,14-16,18-23]. В роботах [13,17] дисертантом сформульовано задачу і йому належить інтерпретація отриманих результатів.

Наукові публикації. За матеріалами дисертації опубліковано 34 друковані роботи, серед яких 20 статей у профільних вітчизняних та закордонних журналах; 6 статей в працях міжнародних конференцій; оригінальні рішення захищені 2-ма патентами на винахід СРСР та Франції.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, 8 розділів основного змісту, загальних висновків, списку використаних джерел та додатку. Обсяг дисератції складає 348 сторінки, з них 321 сторінка основного тексту, 153 рис., з яких 4 зображено на окремих сторінках, інші 149 розміщено в тексті, 6 табл. розміщено в тексті, список використаних джерел з 271 найменувань займає 27 стор.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі викладено аналіз стану проблеми, якій присвячене дисертаційне дослідження, показано його актуальність, сформульовані основна мета і завдання дослідження, перелічено основні результати, які мають наукову новизну і практичне значення.

Перший розділ присвячено представленню загальних результатів, що зв'язують параметри поверхневого рельєфу і розсіяного світла, а також встановленню співвідношень між полярним і азимутальним напрямами розсіяння з параметрами поверхневого рельєфу, двовимірними компонентами Фур'є-розкладу форми поверхні. Експериментально виміряні залежності інтенсивності розсіяного світла I(???), де ?????- полярний та азимутальний кути розсіяння, нормуються на інтенсивність падаючого пучка Ii і d? для отримання кутової залежності інтенсивності (Angle Resolved Scattering, ARS): ARS = I(???)/(Ii d?); для обліку скорочення проекції освітленої ділянки поверхні на напрям спостереження обчислюють величину інтенсивності розсіяного світла в залежності від напрямів падаючого та розсіяного променів (Bidirection Scatter Distribution Function, BSDF): BSDF = I(???)/(Ii d? cos ?).

Зв'язок між напрямом розсіяння поверхневих хвиль і відповідною компонентою Фур'є-розкладу форми поверхні. Розташуємо систему координат так, щоб площина XOY співпадала з межею розділу між середовищем з показником заломлення n і повітрям (вакуумом), а вісь ОZ була нормальною до неї, причому вісь OX лежала в площині падіння [14]. У лінійному наближенні, коли глибина шорсткості значно менша за довжину хвилі і можна нехтувати ефектами багатократного розсіяння, кожен напрям розсіяння в просторі може бути пов'язаний з однією компонентою Фур'є-розкладу форми поверхні з періодом ? та відповідним їй хвилевим вектором G = 2???, з кутом ??між G та віссю OX. У свою чергу, цей хвилевий вектор має проекції на осі координат. Такий зв'язок встановлюється, використовуючи співвідношення для дифракції на G падаючої хвилі з хвилевим вектором K i = 2?n sin ?????. Компоненти хвилевого вектора дифрагованої хвилі m-го порядку будуть рівні:

(1)

де k, K - хвилеві вектори в повітрі і оптично щільному середовищі.

Розсіяння поверхневих хвиль при різних кутах падіння. Якщо дані розсіяння поверхневих хвиль одержані для двох кутів падіння iA і iB, то для напряму розсіяння (??,??)?можна знайти напрям (??,??), що відповідає тій же компоненті Фур'є-розкладу форми поверхні, використовуючи наступні співвідношення [16]:

(2)

Ці співвідношення справедливі для напрямку розсіяння поза площиною падіння. Для площини падіння

sin ?? = sin ?? = 0, а .

Усереднення даних розсіяння поверхневих хвиль ізотропними об'єктами. Якщо поверхневі хвилі розсіюються поверхнею з ізотропною структурою, то для усереднення одержаних даних слід провести його для напрямів, відповідних однаковим значенням модуля просторових частоти f Фур'є-розкладу форми поверхні, варіюючи кут орієнтації ??між віссю OX і вектором f. Координати відповідних напрямів у просторі поза площиною падіння можуть бути знайдені з таких співвідношень [18]:

Для площини падіння ? = 0 і . Одержані співвідношення корисні при обробці і аналізі даних розсіяння поверхневих хвиль на різних поверхневих структурах.

Другий розділ присвячено розвитку активних методів формування поверхневого мікрорельєфу, оскільки взаємодія світла з дифракційними гратками (ДГ) на поверхні є важливим модельним процесом. Контрольований поверхневий рельєф можна одержати, використовуючи фоточутливі реакції на межі розділу електроліта та діелектричних і напівпровідникових плівок, кристалів при її освітленні фотоактивним випромінюванням, інтенсивність якого просторово модульована інтерференційною картиною.

Розглянуто механізм фотохімічного формування мікрорельєфу на поверхні тонких плівок GeOx [3,4]. Показано, що процес фоторозчинення цих плівок можна розбити на два етапи. Перший полягає в збудженні плівок під дією світла з області власного поглинання зв'язку Ge-Ge, що супроводжується утворенням стехіометричного надлишку половини іона кисню та іона металу. Такі дефекти можна розглядати як комплексні квазііони GeO+0.5(x+1) і GeO–0.5(x-1), що існують середньостатистично в часі. Дрейф такого збурення ближнього порядку плівки визначатиметься напрямом світлової енергії, тобто еквівалентний міграції квазііонів від поверхні плівки в глиб її об'єму.

Другий етап полягає у взаємодії збудженого поверхневого шару плівки з молекулами двоокису азоту. Результатом цього процесу є отримання легко розчинного у воді діоксиду германію і молекул азотистої кислоти, які можуть потім реагувати з молекулами азотної кислоти. В цілому процес зводиться до окислення GeOx до його діоксиду.

Експериментально показано, що, згідно з прогнозами цієї моделі, швидкість фототравлення плівки GeOx істотно залежить від окислювальної здатності травильника.

При проведенні таких досліджень принциповою є можливість контролювати процес формування ДР, використовуючи дифракцію записуючого світла на ній. Проте, якщо використовувати додатковий пучок лазера з довжиною хвилі, що не призводить фоточутливих реакцій, або дифракційний пучок 2-го порядку, то обидва ці методи дозволяють контролювати процес формування в достатньо обмеженому діапазоні просторових частот, в якому подібні пучки існують. Але необхідність такого контролю виникає і при виготовленні високочастотних ДГ, і при проведенні досліджень фоточутливих процесів, особливо при оцінці максимальної роздільної здатності процесу запису і з'ясуванні фізичних механізмів фоточутливості. Тому для забезпечення можливості контролю процесу формування ДР був розроблений метод [2], застосування якого зробило такий контроль можливим в усьому інтервалі просторових частот існування інтерференційної картини. Зазначений метод полягає у вимірюванні інтенсивності дифракційного пучка першого порядку J1, який співпадає з пучком нульового порядку від другого пучка, що інтерферує з першим, причому для здійснення такого вимірювання одночасно другий пучок перекривається, а дифракційний пучок прямує у фотоприймач. Ще однією перевагою цього методу є відсутність необхідності в додатковому лазері для контролю процесу формування ДГ.

Результати застосування цього методу викладено в роботі [1], де представлено результати дослідження процесів голографічного формування поверхневого мікрорельєфу з різними періодами, аж до субмікронних, на монокристалах CdS. Такі процеси характеризуються величиною оптимального заряду щільності запису Q, при пропусканні якого дифракційний пучок першого порядку досягає свого максимуму.

Нами вперше здійснена безпосередня реєстрація залежності J1(Q) при записі топографічних ДГ у широкій області просторових частот аж до граничних, які визначаються довжиною хвилі записуючого випромінювання та показником заломлення середовища запису. При фотоелектрохімічному записі ДГ на монокристалах CdS виміряно частотну залежність Q і показано переважаючий вплив на властивості ДГ аморфного шару продуктів реакції. Вперше одержано ДГ на поверхні об'ємних монокристалів CdS і показано, що за якістю вони зіставні з ДГ на пластинчастих монокристалах CdS.

Третій розділ присвячений застосуванню методів дослідження розсіяного світла, описаних у попередніх розділах, до вивчення структури поверхні GaAs і Si напівпровідникових підкладок різної кристалографічної орієнтації.

Рис.1. Гладка ділянка поверхні GaAs(100). Карта логарифмів ізофот розсіяння (? ? ????? нм), lg(BSDF) змінюється -6.5,-6.275 .. -1.5; ?2.3 нм.

При дослідженні структури поверхні GaAs (100) було виявлено [7-8], що різні ділянки поверхні, що далі умовно звуться "гладкими" і "шорсткими" в залежності від їх поверхневої структури, характеризуються істотно різними рівнями інтенсивності розсіяного ними світла. Зразок розподілу розсіяного світла для "гладкої" ділянки поверхні наведено на Рис.1; розвинений рельєф в цьому випадку орієнтований уздовж напряму (011). Особливо складна структура характерна для "шорсткої" ділянки поверхні, для якої при малих значеннях просторової частоти f характерна значна амплітуда рельєфу орієнтована уздовж напряму (011), але при збільшенні f максимальна амплітуда рельєфу переорієнтовувалася, асимптотично наближаючись до напрямів (001) і (010). Така поверхнева структура описана вперше.

Аналіз статистичних властивостей поверхневого мікрорельєфу цих кристалів показує, що вони добре описуються в рамках ABC моделі: , де PSD, Power Spectral Density є функція щільності спектральної потужності шорсткості, а A, B, C – сталі.

Рис.2. Карта топографічного чинника того ж кристалу GaAs. TF змінюється: 1,3 .. 51. На вставці - азимутально усереднена залежність TF(?).

У цьому ж розділі досліджено можливість застосування розсіяння світла для дискримінації топографічного (на рельєфі поверхні) і нетопографічного розсіяння. Показано, що при глибині h поверхневого рельєфу такої, що h << ??, відношення інтенсивностей розсіяного світла для двох довжин хвиль і напрямів, що відповідають тим самим значенням f, є константою. Тому відхилення від константи відношення інтенсивностей розсіяння (топографічного чинника, TF), розрахованих таким способом, свідчить про присутність нетопографічної компоненти в поверхневій структурі. Зразок такого роду структури представлено на Рис.2, з якого видно, що нетопографічна структура дійсно існує, а її рівень є досить істотним. Вона ізотропна і розміри d складових її компонентів лежать в межах 1.8 ?m < d < 10.5 ?m, причому масимальна її амплітуда відповідає dmax = 4.2 ?m. Аналіз структури поверхні підкладок кристалів Si і GaAs показує, що нетопографічне розсіяння може бути зіставне за величиною з топографічним. Джерелами такого розсіяння можуть бути модуляція товщини шару природного оксиду, а також вплив зон механічних напруг в околиці точкових дефектів структури кристала в його приповерхневій області.

Дослідження залежностей ARS(???) для Si підкладок різної крісталографічної орієнтації, які були спеціально відібрані з великої партії пластин за ознакою найменшого рівня розсіяного світла (тобто найбільшої чистоти), показує, що для їх азимутальної симетрії характерна наявність численних особливостей, симетрично розташованих відносно кристалографічних напрямів у площині поверхні кристала (див. Рис.3). На цьому рисунку азимутальні особливості сполучено прямими лініями. З цих рисунків видно, що структура поверхні визначально впливає на азимутальну симетрію зареєстрованої ARS(???) залежності.

Додаткову інформацію одержано з оцінки середньоквадратичної шорсткості поверхні ?, проведеної за величиною інтегральної інтенсивності розсіяного світла і за параметрами ABC-моделі. Ці два методи дали близькі значення ? = 0.04 ±0.01 нм, що дозволяє стверджувати наступне: вищезгадані особливості визначаються атомарною структурою поверхні. Порівняння з літературними даними дозволяє стверджувати: для Si (111) азимутальна анізотропія, що спостережуться, відповідає реконструкції 77 поверхні, тим часом як структура Si (100) повинна мати вісь симетрії 4 порядку, проте азимутальна симетрія, відповідає її подвоєнню, що зумовлено особливостями реконструкції поверхні.

Рис.3. Карти ARS(???) - ізофот світла, розсіяного поверхнею Si(100) - (a) і Si (111) - (b), нормованих на інтенсивність падаючого світла і кутову апертуру фотоприймача.

Четвертий розділ присвячений отриманню даних про автокореляційні властивості поверхневого рельєфу на прикладі взаємодії світла з плівкою золота на скляній підкладці [17]. У цьому розділі показано, що для коректного обчислення автоковаріаційної функції (Auto Covariance Function, ACF) за даними розсіяння світла важливу роль відіграє екстраполяція залежності PSD(f) за межі вимірюваного інтервалу просторових частот. Показано, що використання ABC-моделі для екстраполяції залежності PSD(f) значно підвищує достовірність обчислення ACF.

Дослідження розсіяння світла також може дати інформацію про крос-корреляційні властивості поверхневого рельєфу металу та товщини шорсткої прозорої плівки на його поверхні [13].

Як приклад такої структури було досліджено поверхню тонкої плівки золота на скляній підкладці, на яку було нанесено прозору органічну плівку тіолів. Були розраховані PSD(f) залежності для випадків, коли поверхневий рельєф золотої плівки був: а) у фазі з рельєфом плівки тіолів, б) у протифазі і в) коли кореляція між ними була відсутня. Критерієм для визначення крос-кореляційних характеристик був збіг розрахованих у рамках різних крос-кореляційних співвідношень для PSD(f) залежностей для двох довжин хвиль падаючого випромінювання. Таким чином було показано, що якнайкращий збіг функцій PSD(f) для двох довжин хвиль спостерігається для випадку, коли висота рельєфу плівки золота і товщина тіольного шару знаходяться у протифазі.

При розповсюдженні світла у плоскому хвилеводі відбувається його розсіяння на межах розділу як зовнішній (хвилевід-повітря), так і на внутрішній (хвилевід – підкладка) [18]. Теоретичний розрахунок розподілу поля в такому хвилеводі і зіставлення з експериментальними результатами показали, що, використовуючи вимірювання розсіяння при збудженні мод хвилеводу різного порядку, можливою є дискримінація розсіяння на цих межах розділу. Показано, що для основної моди розсіяння викликається переважно зовнішньою межею розділу, тоді як для моди вищого порядку основна частка розсіяного світла зумовлене розсіянням на внутрішній межі розділу. Проведені дослідження дозволили одержати дані про статистичні властивості зовнішньої і внутрішньої меж розділу такого хвилеводу.

Також було виявлено, що інтенсивність світла, розсіяного хвилеводом, суттєво залежить від наявності та щільності поверхневих забруднень. Тому такий хвилевід може бути використаний як чутливий датчик рівня забруднення поверхні.

У першому розділі запропоновані співвідношення, які описують процеси розсіяння поверхневих хвиль дефектами поверхні. У завершальній частині четвертого розділу розглянуто практичне застосування вказаних співвідношень і показано, що при представленні даних розсіяння в системі координат просторових частот або хвильових векторів, спостережувані структури, породжені розсіянням поверхневих або об'ємних хвиль на одновимірних дефектах поверхні, лінеарізуються і тому значно полегшується ідентифікація їх джерела.

Зіставлення даних розсіяння поверхневих плазмон-поляритонів і затухаючих хвиль демонструє справедливість одержаних співвідношень (1-2).

П'ятий розділ присвячено дослідженням розсіяння об'ємних і поверхневих електромагнітних хвиль наночастинками (НЧ). Досліджувалися металеві НЧ, одержані випаровуванням у надвисокому вакуумі Ga і Sn, із середнім розміром dav від одиниць до декількох десятків нанометрів. Було показано, що ABC-модель описує розсіяння об'ємних хвиль Ga НЧ в досить широкому інтервалі просторових частот (див. Рис. 4).

Рис.4. Азимутально усереднені BSDF залежності для розсіяння Ga НЧ з dav ~ 8 нм об'ємними (, ?) і ППП () хвилями. Крапки - експериментальні дані, прямі - їх наближення ABC-моделлю.

Спостережувані відхилення від цієї моделі при наближенні напрямку розсіяння до площини шару НЧ, ймовірно, пов'язані із зростаючим впливом багатократного розсіяння. Зміна довжини хвилі падаючого випромінювання може бути врахована введенням мультиплікативного фактора.

Рис.5. Просторовий розподіл рoзcіяння ППП, BSDF(???), для Ga НЧ з dav ~ 8 нм. | Рис.6. Те ж, що і на Рис.5 для Sn НЧ з тим же середнім розміром. Напрям розповсюдження ППП для Рис.5-6 - зліва направо.

Розсіяння поверхневих плазмон-поляритонов (ППП) Ga НЧ з dav ~ 8 нм характеризується присутністю потужного максимуму в напрямі розповсюдження ППП (див. Рис.5, ? = 72° і ??= 0°).

Для Sn НЧ того ж середнього розміру BSDF(???) залежність (Рис.6) принципово відрізняється від випадку Ga НЧ і характеризується наявністю максимумів як у попутному, так і у зустрічному напрямах, щодо напряму розповсюдження ППП. Теоретичний розрахунок залежності BSDF(???? [23] показує, що кутове положення максимуму розсіяного світла монотонно залежить від розміру наночастинки. Тоді наявність двох максимумів для Sn НЧ пояснюється бімодальним розподілом таких НЧ за розмірами.

Було знайдено, що для Ga НЧ з dav ~ 8 нм поперечний переріз розсіяння для об’ємних хвиль дорівнює 6.3 1.1 нм2, а для поверхневих хвиль цей переріз дорівнює 0.29 0.06 нм.

Аналіз поляризаційних властивостей розсіяного випромінювання дає можливість оцінити внесок багатократного розсіяння. Він показує, що таке випромінювання поза площиною падіння досить інтенсивне.

Зміна середнього розміру НЧ dav може бути представлена, як зміна ефективної шорсткості поверхні, що надає можливість досліджувати, як ефективна шорсткість за інших рівних умов впливає на процеси збудження та поглинання ППП. Для зон поверхні зразка з різними dav було виміряно залежності від кута падіння i?для повної інтенсивності розсіяння (Total Integral Scatter, TIS), і для коефіцієнта дзеркального відбиття для Р - поляризованого падаючого пучка Rp(i), що традиційно використовуються. Ці залежності наведені на Рис.7.

Рис. 7. Кутова залежність коефіцієнта дзеркального відбиття R та повної інтенсивності розсіяння TIS для зон поверхні без НЧ (No NP) або з Sn НЧ різного розміру.

Виявилось, що вже при dav = 8 нм мінімум Rp(i) є сильно розширеним, а при dav = 16 нм і dav = 32 нм його сліди відсутні. В той же час, навіть для dav = 32 нм максимум TIS(i) досить яскраво виражений і його положення може бути використано для індикації плазмон-поляритонного резонансу. Причиною такої відмінності є, мабуть, локальний характер розсіяння шаром НЧ, тоді як залежність Rp(i) визначається інтегральними характеристиками процесів збудження ППП. Використання максимуму TIS(i) може мати важливе практичне застосування для створення сенсорів, що використовують збудження поверхневих хвиль для індикації зміни оптичних параметрів контактуючого середовища.

При збільшенні відстані від 2 до 8 нм між шаром НЧ і металевим інтерфейсом, уздовж якого розповсюджуються ППП, було виявлено, що інтенсивність розсіяння як у ближньому, так і в дальньому полі зростає [16]. Розрахунок амплітуди поля ППП у цьому інтервалі відстаней показав, що її зростання відповідає за цей ефект. Таким чином показано, що НЧ можуть бути використані як пробне тіло для контролю локальної інтенсивності електромагнітного поля.

Методи порівняння розсіяння об'ємних і поверхневих хвиль, розроблені в першому розділі, дозволили виконати таке порівняння для їх розсіяння на Ga НЧ. Результати такого порівняння наведено на Рис. 4. З цих даних видно, що зміна природи електромагнітної хвилі призводить до значної зміни параметрів ABC-моделі, що описує BSDF(f)-залежність: хоча абсолютні значення, особливо в низькочастотній області, є порівнянними, але залежність розсіяння від просторової частоти стає значно меншою. Крім зміни природи хвилі, істотним чинником є різке збільшення ефективної довжини взаємодії між ППП і НЧ внаслідок розповсюдження ППП вздовж шару НЧ.

Проведена симуляція BSDF(???) для розсіяння ППП на Ga НЧ, виходячи з даних розсіяння об'ємних хвиль, показує досить близьку відповідність симульованих і експериментальних даних, що підтверджує коректність методу зіставлення даних розсіяння поверхневих і об'ємних хвиль.

У шостому розділі розглянуто розсіяння та відбивання світла новими нанорозмірними матеріалами - нанопористими мембранами [20] і мезопористими діелектричними плівками [24]. Нанопориста мембрана є окисною плівкою (Al2O3), в процесі отримання якої в її об'ємі створюється регулярний гексагональний масив циліндричних пор з розміром і просторовим періодом від одиниць до декількох десятків нанометрів.

При подальшій електрохімічній обробці частини зразків пори заповнювались оловом (Sn). SEM мікроскопія дослідженого зразка показала, що діаметр пор складав 15.5 ± 2.6 нм, а об'ємний ступінь заповнення q = 0.06.

Дослідження кутових залежностей коефіцієнта дзеркального відбиття R(i) таких зразків показало, що одержані залежності характерні для діелектрика з ефективним коефіцієнтом заломлення n(632.8 нм)= 1.553 ± 0.002, що істотно відрізняється від його об'ємного значення (1.762). Використовуючи модель Максвелла-Гарнетта була розрахована ефективна величина діелектричної проникності Sn в нанопорах: ?Sn(632.8 нм) = -2.24 ± 0.4. Відомі дві модифікації Sn, металева (вище за 13.2°С) і напівметалева (нижче за 13.2°С); проте дані EXAFS вимірювань показали, що навіть при низьких температурах в порах реалізується тільки металева фаза. Одержана величина діелектричної проникності представляє значний інтерес, оскільки цей параметр характеризує властивості нанорозмірного металу в порах.

Зважаючи на значну очікувану анізотропію властивостей заповнених пор, було виконано ретельний поляризаційний аналіз відхилення R(i) від френелівського, проте, згадувану анізотропію такого відхилення не було виявлено.

Рис.8. Залежність BSDF(?), отримана азимутальним усередненням BSDF(?, ц) ?ля Al фольги; порожні та заповнені Sn області нанопористих плівок.

Аналіз розсіяння світла нанопористими мембранами (див. Рис.8) показує, що заповнення пoр є причиною помітного зменшення рівня розсіяння, зумовленого додатковим поглинанням розсіяного випромінювання щільним масивом заповнених Sn пoр. У той же час, інтенсивність розсіяння світла плівкою з масивом порожніх пор зростає на 2-3 порядки. Ця обставина може зменшити перевагу використання такого матеріалу з штучно регульованою величиною діелектричної проникності. Оцінка ролі багатократного розсіяння у формуванні виміряної залежності BSDF(?) показує, що воно грає визначальну роль, зважаючи на значну щільність пoр і малі відстані між ними, зіставні з їх розмірами.

Мезопористими структурами є тонкі SiO2 плівки, в яких створено монодисперсну структуру сферичних пор у вигляді квазікристалічної гратки з періодом в декілька нанометрів. Подібно до нанопористих плівок, така структура призводить