НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ФІЗИКИ НАПІВПРОВІДНИКІВ

ІМЕНІ В.Є. Лашкарьова

ДЕМИДЕНКО ЮРІЙ ВОЛОДИМИРОВИЧ

УДК 538.975; 535.375.5; 539.217

ПОВЕРХНЕВІ ЕЛЕКТРОМАГНІТНІ ХВИЛІ В ШАРАХ МОЛЕКУЛ, ЩО АДСОРБОВАНІ НА ПОВЕРХНІ ТВЕРДОГО ТІЛА

(01.04.07 – фізика твердого тіла)

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Київ–2007

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано в Інституті фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова Національної Академії наук України, м. Київ.

Науковий керівник: | доктор фізико-математичних наук

Лозовський Валерій Зіновійович

Київський національний університет ім. Тараса Шевченка,

професор кафедри напівпровідникової

електроніки радіофізичного факультету.

Офіційні опоненти: | доктор фізико-математичних наук, професор

Дмитрук Микола Леонтійович

Інститут фізики напівпровідників

ім. В.Є. Лашкарьова НАН України,

завідувач відділом поляритонної оптоелектроніки;

доктор фізико-математичних наук, професор

Тарасенко Сергій Вадимович

Донецький фізико-технічний інститут

iм. О.О. Галкіна НАН України,

заідувач відділом теорії магнетизму та фазових переходів.

Захист дисертації відбудеться 21 вересня 2007 р. о 1415 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.199.01 в Інституті фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАН України за адресою: 03028,

м. Київ-28, проспект Науки, 41 (Конференц-зал корпусу № 5).

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Інституту фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАН України (03028, м. Київ-28, проспект Науки, 45).

Автореферат розісланий 17 серпня 2007 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д 26.199.01

кандидат фізико-математичних наук Охріменко О.Б.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Розвиток напівпровідникових технологій наблизив сучасну елементну базу електроніки до фізичної межі за розмірами, швидкодії та щільності збереження інформації. Ця обставина стимулювала пошук принципово нових підходів при вирішенні завдань по створенню систем обробки та зберігання інформації. Одним із актуальних напрямків при вирішенні таких завдань є створення пристроїв молекулярної електроніки, елементна база яких базується на використанні молекулярних систем [1].

На початкових етапах розвитку технологій в якості найпростіших молекулярних систем можуть бути використані шари молекул, що адсорбовані на поверхні твердого тіла. Зокрема це можуть бути молекули органічних барвників, що характеризуються високими значеннями перерізу поглинання світла та квантового виходу люмінесценції, а спектри поглинання та люмінесценції цих молекул, як правило, знаходяться у видимій чи інфрачервоній ділянці спектру [2]. А та обставина, що багато із них (зокрема молекули родаміну В чи еритрозину) адсорбуються на поверхнях напівпровідників та діелектриків із малою енергією зв’язку [3] (тобто можуть утворювати фізадсорбовані покриття на поверхні цих тіл), робить їх зручними для спектроскопічних досліджень. Усе це обумовлює перспективність використання фізадсорбованих шарів органічних барвників у пристроях молекулярної електроніки, що в свою чергу потребує проведення досліджень по вивченню фізики системи “молекулярний шар – поверхня твердого тіла”.

Ефективними методами досліджень, що широко використовуються при вивченні адсорбованих на межі розділу шарів, є оптичні методи. Зокрема це можуть бути: еліпсометрія, спектроскопія поверхневих хвиль, спектроскопія комбінаційного розсіювання, генерація гармонік та інші [4,5]. Із перерахованих методів найбільшу чутливість до стану поверхні має метод спектроскопії поверхневих хвиль завдяки тому, що поверхнева електромагнітна хвиля (ПЕХ), розповсюджуючись вздовж поверхні, накопичує дію поверхні на неї, що робить його одним із найбільш чутливих та зручних методів для експериментальних досліджень адсорбційних покриттів.

Як правило, основну увагу при дослідженні молекулярних шарів методами спектроскопії поверхневих хвиль приділяють виявленню кореляцій між окремими характеристиками поверхневої хвилі, зокрема її дисперсійними властивостями та характеристиками нанесеного на поверхню шару [4,5]. При цьому постає питання про наявність тих чи інших теоретичних моделей для адекватної фізичної інтерпретації отриманих результатів.

Таким чином побудова моделей, які описують молекулярні покриття у системах з ідеальними пласкими межами розділу та подальше теоретичне дослідження на їх основі умов збудження ПЕХ разом із вивченням впливу параметрів адсорбованого шару на спектральні властивості цих хвиль, є важливою та актуальною проблемою.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана в Інституті фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАН України. Основні результати отримані в рамках виконання наступних науково-дослідних робіт:

1. “

2.

3.

4.

Мета даної роботи — побудова теорії електродинамічних явищ у твердотільних системах із адсорбованими молекулярними покриттями.

Реалізація поставленої мети передбачає розв’язання таких наукових завдань:

1.На основі аналізу електродинамічної функції лінійного відгуку системи “адсорбований молекулярний шар-тверде тіло” на зовнішнє електромагнітне поле дослідити можливість збудження ПЕХ у такій системі та вивчити вплив фізичних характеристик системи на дисперсійні властивості та спектр поглинання таких хвиль.

2. Дослідити можливість спонтанного формування неоднорідних поляризаційних структур у твердотільних системах, що вміщують адсорбовані шари молекул.

3. Побудувати теорію функції лінійного відгуку системи „поверхня твердого тіла – молекулярне покриття” на зовнішнє електромагнітне поле для випаду існування періодичного розподілу поляризації в площині покриття. В межах побудованої теорії розглянути можливість збудження ПЕХ в такій системі та дослідити характерні особливості їх дисперсії.

4. Розробити теорію лінійного відгуку для системи “молекулярний шар - поверхня фазообертаючого дзеркала (ФОД)” і на його основі дослідити можливість збудження та спектральні особливості ПЕХ у такій системі; вивчити можливість зовнішнього керування їх властивостями.

У відповідності до поставлених задач, у роботі були використані наступні наближення:

1. Для опису оптичних властивостей фізадсорбованих молекулярних шарів у довгохвильовій межі використовується електродипольне наближення [6]. Це означає: по-перше, вважається, що внеском від оптичних переходів більш високої симетрії можна знехтувати. По-друге, врахування короткохвильових компонентів локального поля на молекулі проводиться за допомогою перевизначення затравочної сприйнятливості окремої адсорбованої молекули [7, 8].

2. При дослідженні оптичних властивостей шарів адсорбованих молекул використовується феноменологічний підхід, який ґрунтується на методі функції Грина. У роботі вважається відомою функція лінійного відгуку окремої адсорбованої молекули . Для якісних оцінок і розрахунків використовується вираз для , який відповідає дворівневій системі із вузькою лінією поглинання. При цьому загальні співвідношення залишаються справедливими для будь-якої конкретної моделі, в якій отримано тензор .

Об’єктом дослідження є процес формування ПЕХ в системах, що вміщують фізадсорбовані молекулярні покриття.

Предметом дослідження є фізадсорбовані молекулярні шари.

Як метод дослідження в роботі використовується метод електродинамічних функцій Грина.

Наукова новизна роботи При вирішенні поставлених задач в роботі було вперше отримано наступні результати:

- Передбачено існування нового типу електромагнітних хвиль, що локалізовані на поверхні твердого тіла, вкритій субмоношаровим молекулярним покриттям, які на відміну від відомих поверхневих поляритонів, можуть існувати в області частот, де діелектрична функція адсорбенту має позитивний знак та можуть бути збуджені випромінюванням як p- так і s- поляризацій.

- Продемонстровано можливість пом’якшення p- поляризованої поверхневої електромагнітної моди у системі “молекулярний шар - тверде тіло”.

- Вперше продемонстровано, що поверхня легованого напівпровідника, на яку адсорбовано молекулярний шар при поглинанні поля ПЕХ, може вести себе подібно до фотонного кристалу.

- Побудовано теорію спонтанного виникнення неоднорідних розподілів поляризації в адсорбованому шарі молекул, в межах якої передбачено існування періодично-поляризованої структури; оцінено інтервал існування такої структури по концентрації молекул адсорбату.

- Вперше розраховано функцію Грина та побудовано теорію лінійного відгуку на зовнішнє електромагнітне поле системи “тверде тіло - молекулярний шар із неоднорідним розподілом поляризації в площині адсорбату”, на основі якої досліджено дисперсійні властивості електромагнітних хвиль, локалізованих поблизу поверхні такої системи.

- Досліджено ПЕХ в системі із фазообертаючим дзеркалом (ФОД) та продемонстровано можливість управління їх дисперсійними властивостями в схемі із оберненим хвильовим фронтом (ОХФ); вказано на можливість виникнення конвективної нестійкості в системі.

Практичне значення одержаних результатів Практична цінність побудованої теорії полягає в можливості використання результатів дисертаційної роботи для постановки та інтерпретації експериментальних досліджень ПЕХ в системах із адсорбованими шарами молекул. Результати дисертаційної роботи можуть бути використані в молекулярній електроніці та оптоелектроніці.

Особистий внесок автора. З 8 статей, опублікованих у провідних фахових журналах, що склали основу дисертаційної роботи пошукача, 7 написані у співавторстві. В кожній із цих робіт автор брав безпосередню участь у проведенні аналітичних та чисельних розрахунків, в обговоренні отриманих результатів. Автор брав участь у постановці завдань досліджень, написанні всіх публікацій, особистому представленні результатів на конференціях та семінарах різного рівня.

Апробація роботи. Основні положення та результати дисертації доповідалися на: ІV Міжнародній конференції по фізиці і технології тонких плівок , 4-7 травня 1993р., Івано-Франківськ.; 1st Intern. Autumn School-conf. “Sol.St.Phys.: Fundamentals & Applic.”SSPFA’94”, Uzhgorod, 1994; The 7-th Intern Conf. on Organized Molecular Films, Numana (Ancona) Italy, Sept.10-15, 1995; XIII національній школі-семінарі з міжн. уч. “Спектроскопія молекул та кристалів” 20-26 квітня, 1997р., Суми; XV Intern. School-Seminar “Spectroscopy of molecules and crystals” 23-30 June 2001, Chernihiv. А також на наукових семінарах Інституту фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАН України.

Публікації. Основні результати дисертації відображено у 15 публікаціях: 8 статей у провідних фахових журналах, 7 тези доповідей на конференціях.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається зі Вступу, чотирьох розділів, Висновків, Додатку та списку цитованої літератури. Робота викладена на 154 сторінках машинописного тексту, включаючи 42 рисунки та список цитованої літератури із 111 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі висвітлено проблематику та мету цього дослідження, обґрунтовано актуальність та наукову новизну роботи, подано загальну характеристику по розділах.

У першому розділі- “Поверхневі електромагнітні хвилі у шарах молекул адсорбованих на поверхні твердого тіла” - вивчається можливість збудження ПЕХ на поверхні ізотропного твердого тіла (ТТ), яка містить фізадсорбований молекулярний шар та досліджуються окремі характеристики таких хвиль в межах формалізму лінійного відгуку системи “молекулярний шар-тверде тіло” на зовнішнє електромагнітне поле [9], полюсна частина якого визначає весь спектр ПЕХ, що можуть бути збуджені у такій системі:

, (1)

де - тензор поляризованості окремої адсорбованої молекули, n - концентрація молекул на поверхні адсорбенту, - електродинамічна функція Грина системи адсорбент-зовнішнє середовище, l – відстань між молекулярним шаром та поверхнею адсорбенту.

У випадку адсорбції неполярних молекул на однорідну та ізотропну поверхню діелектрика чи легованого напівпровідника аналіз (1) показав, що існує можливість збудження ПЕХ як p- так і s- поляризованим випромінюванням. Причому ПЕХ обох поляризацій можуть бути збуджені в частотному діапазоні, де діелектрична функція адсорбенту має позитивний знак, тобто поза межами існування поверхневих збуджень адсорбенту, така їх особливість вказує на те, що це є хвилі нового типу, який є характерним для систем з адсорбованими молекулярними шарами.

Разом із дослідженням цих “нових” ПЕХ було проведено вивчення впливу адсорбованого шару на дисперсійні характеристики поверхневого поляритону (ПП) підкладинки (у випадку напівпровідника – відповідно плазма-фононної моди).

У випадку нерезонансної взаємодії (частота електродипольного переходу молекули шару лежить поза межами області існування поверхневого поляритону підкладинки: або , де та - частоти поперечного та повздовжнього оптичного фонону підкладинки) поля ПП з молекулярними коливаннями адсорбата його дисперсійна крива зміщується в область більш високих частот відносно положення, яке вона займає у випадку відсутності на поверхні адсорбованого шару. Величина такого зміщення при сталій концентрації молекул є корельовано із величиною статичної поляризованості окремої молекули шару.

При резонансній взаємодії (), у випадку шару ізотропних молекул, адсорбованих на поверхню ізотропного діелектрика, спостерігається щілина, що спричинена змішуванням молекулярних коливань та коливань поверхневої хвилі. Цей результат знаходиться у відповідності, зокрема, до раніше дослідженої експериментально [10] резонансної взаємодії ПП та фонона перехідного шару, у результаті чого спектр ПП розщеплявся і у спектрі виникала енергетична щілина.

Подібна ситуація має місце і у випадку, коли адсорбовані молекули є анізотропними (тобто тензор їх поляризованості містить недіагональні компоненти), хоча загальна картина і ускладнюється впливом анізотропії.

При збудженні плазмон-фононних мод в системі “молекулярний шар-напівпровідник”, картина дисперсії є більш складно та визначається тим, що для обох поляризацій збуджуючого випромінювання у системі може існувати три різних типи ПЕХ. Відповідні дисперсійні криві таких ПЕХ відрізняються характером (знаком) дисперсії, що пов’язано із різними напрямками переносу енергії уздовж поверхні напівпровідника цими хвилями. Знак дисперсії, тобто напрям переносу енергії хвилею, визначається особливостями формування ПЕХ у такій системі та впливом міжмолекулярних взаємодій на це формування.

Існування в системі поверхневих електромагнітних мод із різним знаком дисперсії призводить до можливості їх “інтерференції”, тобто до появи на дисперсійній кривій “точки повороту”, де групова швидкість ПЕХ дорівнює нулю (), що, у свою чергу, знаходить своє відображення в особливостях поглинання системою зовнішнього електромагнітного поля при збудженні в ній ПЕХ. Зокрема при збудженні ПЕХ p-поляризованим світлом в молекулярному шарі, адсорбованому на поверхні легованого напівпровідника, при ступенях покриття близьких до моношарових, було виявлено, що така система може вести себе подібно до фотонного кристалу [11] демонструючи виникнення щілини в спектрі поглинання, що проілюстровано на рис.1, де піки А, В, та С відповідають за поглинання, пов’язане із збудженням відповідної ПЕХ, а пік D відповідає дисипації енергії за рахунок латеральних взаємодій в адсорбаті [9], але прямо не пов’язаний із збудженням поверхневої моди у системі (тут і далі ). Дійсно, при зменшенні концентрації молекул у шарі цей пік зменшується і при концентраціях n 1013мол/см2 зникає. В [12] було експериментально продемонстровано, що система випадково розподілених по поверхні металу осциляторів, в якості яких виступали мікрочастки золота, при збудженні в ній плазмонних поляритонів може вести себе подібно до Брегівських двовимірних структур, демонструючи якісно ту ж саму поведінку в спектрах пропускання, що і молекулярна система на поверхні легованого напівпровідника, як це було раніше теоретично передбачено при виконанні цієї дисертаційної роботи.

У випадку адсорбції багатоатомних молекул на діелектричну підкладку виявле-но ефект концентраційного “пом’якшення” p- поляризованої електромагнітної моди в адсорбованому шарі молекул, що продемонстровано на рис.2. Даний ефект може бути необхідною передумовою виникнення неоднорідних станів в поляризаційній підсистемі адсорбату.

У другому розділі - “Неоднорідні стани субмоношарових покриттів адсорбованих молекул” - досліджено умови спонтанного формування неоднорідної поляризаційної структури в адсорбованому шарі багатоатомних сферично-симетричних молекул адсорбованих на однорідну та ізотропну підкладку. Формування подібної структури в шарі адсорбату неполярних молекул, як це випливає із попереднього розділу, може бути наслідком “пом’якшення” p- поляризованої поверхневої електромагнітної моди в результаті міжмолекулярних (латеральних) взаємодій в шарі покриття.

Дане дослідження базувалось на аналізі мінімуму функції вільної енергії системи неполярних молекул записаної із врахуванням диполь-дипольної взаємодії в площині адсорбованого шару:

(2)

де - дипольний момент молекули шару - двохвимірний вектор у площині ХОУ, l – відстань молекули до поверхні адсорбенту, - тензор статичної поляризованості молекули адсорбату, в - коефіцієнт, що визначає нелінійні властивості молекули покриття, - функція Грина адсорбенту.

При записі (2) вважалось, що досліджувана система знаходиться при абсолютному нулю температури, при цьому її вільна енергія буде складатись (за відсутності зовнішніх полів) із внутрішньої енергії адсорбованої молекули та з енергії дипольної взаємодії із латеральним полем, тобто полем, що створюють усі інші молекули шару в точці її розташування.

Аналіз (2) показав зокрема, що у досліджуваній системі існують дві орієнтаційні фази поляризації дипольного моменту молекул адсорбату, в залежності від концентрації молекул n в адсорбованому шарі: “легковісна”, що характеризується дипольним моментом спрямованим по осі перпендикулярній площині адсорбенту, яка реалізується при низьких ступенях покриття , і “легко-площинна”, що характеризується дипольним моментом розташованим в площині, паралельній до поверхні адсорбенту, та яка реалізується при високих ступенях покриття (- критичне значення концентрації, , =(-1)/(+1), - статична діелектрична проникливість адсорбенту). Для випадку, коли лінійні розміри молекули і відстані від молекул до поверхні , е=1,4 для концентрації переходу, отримано оцінку молекул/см. Такий орієнтаційний перехід відбувається, при зміні величини концентрації молекул в адсорбованому шарі, тобто при зміні величини латерального поля, як орієнтаційний фазовий перехід другого роду та спостерігався експериментально [3].

Подальший аналіз показав, що легковісна фаза є нестійкою до періодичних збурень у величині дипольного моменту молекул покриття,

, (3)

де - однорідний дипольний момент легковісної фази, що приводить до спонтанного формування неоднорідного розподілу поляризації у молекулярному шарі з періодом :

, (4)

де - zz компонент тензора поляризованості молекули шару.

Можливість існування неоднорідної поляризаційної фази із фіксованим напрямком поляризації дипольного моменту молекули та залежністю його величини від координати її розташування обумовлено міжмолекулярними взаємодіями, в даному випадку, диполь-дипольними, в площині адсорбованого шару. А сам процес формування такої структури відбувається в результаті конкуренції двох полів, що формують дипольний момент адсорбованої молекули: латерального та локального (спричиненого її взаємодією із підкладинкою).

У третьому розділі - “Електромагнітні хвилі у неоднорідно-поляризованому шарі адсорбованих молекул” - на основі висновку про можливість формування періодичного розподілу дипольного моменту адсорбованих молекул в площині шару отриманого у попередній частині роботи, побудована теорія лінійного відгуку на зовнішнє поле для систем із молекулярними покриттями, що мають періодичний розподіл дипольного моменту молекул адсорбату в площині шару, в межах якої розраховано функцію Грина такої системи та записано функцію лінійного відгуку на зовнішнє електромагнітне поле:

, (5)

де

- тензор ефективної поляризованості молекули неоднорідно-поляризованого шару, -функція Грина адсорбенту відповідно на основній 0 () та зміщених () просторових гармоніках, - вектор оберненої решітки неоднорідної структури. Тензор - грає роль тензору лінійного відгуку однорідно поляризованого шару на відповідних гармоніках.

При побудові функції лінійного відгуку (5) наявність періодичного розподілу дипольного моменту враховується феноменологічним чином, шляхом введення просторово-залежної частини до тензора поляризованості окремої молекули адсорбату:

(6)

де та є амплітуди поляризованості адсорбованої молекули на основній та зміщених просторових гармоніках.

Такий підхід можливий завдяки тому, що внесок міжмолекулярних (латеральних) полів у формування поляризованості молекули адсорбату в місці її знаходження є набагато меншим, ніж внесок через взаємодію молекула-поверхня. Тому це, зокрема, означає, що при квантово-механічному розрахунку тензора поляризованості молекули адсорбату, статичне електричне поле , що формує поляризаційну структуру в шарі адсорбату, виступає як мале збурення до основних енергетичних станів, що сформовані в результаті адсорбції молекули на поверхню. Таким чином під час розрахунку тензора лінійного відгуку можна вважати, що внесок просторових гармонік більш високого порядку чим перший є незначним і обчислювати функцію лінійного відгуку для хвильових векторів з першої зони Брюллієна.

В межах побудованої теорії продемонстровано можливість збудження ПЕХ на поверхні ізотропного іонного діелектрика, вкритій молекулярним шаром із періодичним розподілом поляризації в площині шару, та вивчено вплив величини періоду такого розподілу на їх дисперсійні властивості. Як показав чисельний аналіз, в такій системі, як і у випадку однорідно-поляризованого покриття, можуть бути збуджені ПЕХ обох (s- та p-) поляризацій. При цьому спектри ПЕХ обох поляризацій характеризуються сильною залежністю від величини періоду поляризаційної структури. Так в областях частот близьких до частоти повздовжнього оптичного фонона адсорбенту при збільшенні величини вектора оберненої гратки від , спостерігається сильна взаємодія дисперсійних гілок спектру на основній та зміщених. просторових гармоніках, що приводить до появи щілин в спектрі дисперсії таких хвиль, що проілюстровано на прикладі s- поляризованих мод на рис.3, де криві 1, 2 та 3 відповідають гілкам на просторових гармоніках k+g, k та k-g.

У четвертому розділі - “Поверхневі хвилі у молекулярному шарі на поверхні фазообертаючого дзеркала” - побудована теорія лінійного відгуку субмоношарового молекулярного покриття на фазообертаючому дзеркалі (ФОД). В межах цієї теорії розраховано тензор поляризованості окремої адсорбованої молекули на поверхні ФОД куди величина коефіцієнту відбиття ФОД входить як параметр:

(7)

де має зміст тензора статичної поляризованості молекули, , та - дипольний момент та резонасна частота переходу молекули відповідно, , -коефіцієнт Ейнштейна у вільному просторі, - стала Планка, - вакуумна діелектрична проникливість.

Для розрахунку функції лінійного відгуку системи було використано підхід, що бере до уваги обмежений розмір молекули адсорбату та нелокальний характер взаємодій молекула-молекула та молекула-поверхня ФОД, в якому поляризованість (7) використовується в якості затравочної. В межах даного підходу записується самоузгоджене рівняння на локальне поле , що формує ефективну сприйнятливість молекули адсорбату під дією фазоспряженої хвилі із врахуванням латеральних взаємодій всередині шару. Для його розв'язку застосовується ітераційний метод, що базується на формалізмі оператора розсіювання, в якому в якості першого кроку ітерації використовується зовнішнє поле . Запропонований підхід дає можливість отримати вираз для ефективної сприйнятливості молекулярного шару на поверхні ФОД, тобто практично вирішити задачу побудови теорії лінійного відгуку досліджуваної системи.

В межах розвинутого підходу досліджується можливість збудження ПЕХ у шарі молекул, що адсорбований на поверхні нелінійного середовища, яке виступає у ролі ФОД, коли в якості такого середовища використовується іонний діелектрик. Проведений аналіз показав сильну залежність властивостей таких хвиль від величини коефіцієнту відбиття ФОД, що надає можливість по керуванню їх дисперсійними властивостями через відповідні параметри променів накачки, що проілюстровано на рис.4 на прикладі кривих дисперсії p-поляризованих ПЕХ хвиль для випадку резонансної взаємодії молекул покриття із ПП адсорбенту. Як показав аналіз впливу зміни ступеню покриття на поведінку кривих дисперсії цих хвиль, зменшення молекулярної концентрації спричиняє сильну взаємодію між двома верхніми гілками спектру, що приводить до появи вертикальної (k -тип) щілини в картині дисперсії цих хвиль (див.рис.5).

Існування такого типу щілини в спектрі дисперсії локалізованих хвиль може вказувати, відповідно до критеріїв Стеррока [13], на принципову можливість виникнення конвективної нестійкості [14] в системі. Таким чином можна говорити про потенційну можливість використання таких систем при створенні підсилювачів ПЕХ на базі ФОД, що містить молекулярне покриття.

У Висновках підсумовано основні результати роботи та:

1. Продемонстровано можливість існування нового типу ПЕХ в системі “молекулярний шар-тверде тіло”, що можуть бути збуджені як p-, так і s- поляризованим світлом, характерною ознакою яких є можливість їх збудження в області частот, де дійсна частина діелектричної функції адсорбенту має позитивний знак.

2. Показано, що у випадку нерезонансної взаємодії (частота електродипольного переходу молекули адсорбату лежить поза межами області існування ПП адсорбенту) поля ПП із молекулярними коливаннями адсорбованого шару, його дисперсійна крива зміщується у бік більш високих частот відносно положення, яке вона займає у випадку відсутності адсорбованого шару. Величина такого зміщення при сталій концентрації молекул у шарі визначається статичною поляризованістю окремої молекули шару і є тим більшою, чим більшою є ця величина, що може бути використано для її експериментального визначення.

У випадку резонансної взаємодії (частота електродипольного переходу молекули адсорбату лежить в межах області існування ПП) спектр ПЕХ характеризується наявністю щілини поява якої викликана взаємодією поля ПП із молекулярними електродипольними коливаннями. Параметри такої щілини залежить як від величини статичної поляризованості молекул адсорбату, так і від величини їх концентрації в адсорбованому шарі.

3.При збудженні поверхневих плазмон-поляритонів у системі “молекулярний шар-напівпровідник”, спектр збуджень таких хвиль характеризується існуванням електромагнітних поверхневих мод із різним характером (знаком) дисперсії, що пов’язано із різними напрямками переносу енергії поля ПЕХ уздовж поверхні напівпровідника цими хвилями. Існування в системі поверхневих електромагнітних мод із різним знаком дисперсії може призводить до їх “інтерференції”, тобто до появи на дисперсійній кривій “точки повороту”, де групова швидкість ПЕХ дорівнює нулю, що знаходить своє відображення у відсутності поглинання поля ПЕХ на відповідному частотному відрізку точки повороту.

4. При поглинанні зовнішнього поля системою “молекулярний шар-напівпровідник” за умови збудженні в ній ТН - поляризованої ПЕХ на відповідному спектрі поглинання можна спостерігати виникнення щілини, аналогічно тому як це має місце у так званих photonic band gap системах. Таким чином можна сподіватися, що планарні напівпровідникові системи із адсорбованими шарами молекул можуть знайти своє практичне застосування, в нових підходах плазмоніки, що розробляються для створення систем вводу-виводу та обробки інформації, що надходить від оптоволоконних ліній, наприклад, повертачі ПЕХ, розщеплювачі і т.д.

5. Для простої моделі адсорбції сферично симетричних неполярних молекул на ізотропну плоску поверхню діелектрика показано можливість існування двох орієнтаційних фаз по поляризації дипольного моменту молекули адсорбату та оцінено інтервали концентрації їх існування. Зокрема показано, що що в області високих концентрацій молекул покриття n>1013мол./см2 реалізується фаза із однорідним розподілом дипольного моменту в площині адсорбованого шару із його орієнтацією паралельно до поверхні адсорбенту. При низьких ступенях покриття дипольні моменти адсорбованих молекул орієнтовані нормально до поверхні адсорбенту та можуть утворювати неоднорідну фазу із періодичним розподілом дипольного моменту вздовж спонтанної осі неоднорідності. Ці результати пояснюють експерименти по зміні поляризації світла, що поглинається молекулами із зміною концентрації молекул у шарі існуванням орієнтаційного фазового переходу по концентрації [3].

6. Розглянуто формування ПЕХ в системах із періодичним розподілом поляризації адсорбованих молекул. Отримано вирази для електродинамічних функцій Грина та ефективної сприйнятливості неоднорідно поляризованого молекулярного шару. Було розраховано дисперсійні криві для ПЕХ s- та p- поляризації при різних значеннях періоду поляризаційної підсистеми. Значна залежність законів дисперсії від періоду дозволяє сподіватись на можливість використання цього ефекту у пристроях молекулярної електроніки, наприклад, у лініях затримки із керованим часом затримки.

7. Побудовано теорію спектроскопії молекулярного шару адсорбованого на поверхні активного нелінійного середовища, в якості якого виступає ФОД. Було розраховано тензор поляризовності окремої молекули на поверхні ФОД та тензор ефективної сприйнятливості шару таких молекул, на основі чого було проведено дослідження дисперсійних властивостей ПЕХ, що можуть буди збуджені у такій системі.

Показано, що при збудженні ПЕХ в системі молекулярний шар - ФОД, існує можливість ефективного зовнішнього впливу на їхні дисперсійні властивості через зміну величини коефіцієнту відбиття ФОД, яка контролюється інтенсивністю променів накачки. Розрахунки показали, що збільшення коефіцієнту відбиття ФОД може приводити, зокрема до виродження відповідної дисперсійної кривої до лінії на частоті молекулярного резонансу. У випадку, коли частота переходу молекули адсорбату знаходиться в області існування поверхневого збудження ФОД, відповідні спектри дисперсії визначаються сильною резонансною взаємодією між молекулярними та поляритонними збудженнями в системі. На відповідних дисперсійних кривих це відображається у появі щілини, як по частоті , так і по хвильовому вектору одночасно, що відповідно до критеріїв Стеррока [13], може вказувати на виникнення конвективної нестійкості [14] в цій області. А оскільки, як показує проведене дослідження, виникнення подібної щілини можна контролювати через зміну коефіцієнта відбиття ФОД, то існує реальна перспектива по створенню на базі таких систем підсилювачів ПЕХ.

ЦИТОВАНА ЛІТЕРАТУРА

1. Carter F.L. Molecular Electronics: an Opportunity for a Biotechnical Synergism//Nonlinear Electrodynamics in Biological System/ Ed. Adey W.R., Lawrence A.F.,N.Y.: Plenum Press, 1984. –P.243-273.

2. Тихонов Е.А., Шпак М.Т., Нелинейные оптические явления в органических соединениях. - К.: Наукова думка, -1979.- 393c.

3. Гецко О.М., Снитко О.В., Юрченко И.А. Исследование поверхности CdS оптическими методами при адсорбции органических красителей // Поверхность. Физика, химия, механика. – 1985. – №7. – С.51-56.

4. Поверхностные поляритоны. Электромагнитные волны на поверхностях и границах раздела сред/ Под ред. Аграновича В.М. и Миллса Д.Л. –М: Мир, 1989.- 525c.

5. Дмитрук Н.Л., Литовченко В.Г., Стрижевский В.Л. Поверхностные поляритоны в полупроводниках и диэлектриках. – К.: Наук. Думка, 1989.-375c.

6. Лоудон Р. Квантовая теория света. - М.: Мир, 1976. – 488c

7. Агранович В.М., Гинзбург В.Л. Кристаллооптика с учетом пространственной дисперсии и теория экситонов. - М.: Наука, 1979. – 432c.

8. Журавлев А.Ф, Лозовский В.З. Назаренко И.В., Худик Б.И. Электродинамика тонких поверхностных переходных слоев // Поверхность. Физика, химия, механика. -1990. - №5. – С.5-12.

9. Журавлев А.Ф., Лозовский В.З., Худик В.И. Поглощение электромагнитного излучения слоем адсорбированных молекул //УФЖ. – 1992 . – Т.37, №8. – С. 1151 -1159.

10. Жижин Г.Н., Москалева М.А., Назин В.Г., Яковлев В.А. Резонанс поверхностного поляритона подложки с продольным фононом тонкой пленки фтористого лития . ЖЭТФ. – 1977. – Т.78, №2. – С.687-691.

11. Sigalas M.M., Soukoulis C.M., Chan C.T., and Ho K.M. Electromagnetic-wave propagation through dispersive and absorptive photonic-band-gap materials. //Physical review B. - 1994. – Vol. 49, №16. - P.11080-11086.

12. Bozhevolnnyi S.I., Volkov. V.S., Kristjan L. Localization and Wavegaiding of surface Plasmon polritons in random nanostructures// Phys.Rev. Let. -2002. - Vol.89, №18. –P.1-4.

13. Sturrock P.A. Kinematics of Growing Waves // Phys.Rev.,-1959. –Vol.112, №5. - P.1488-1503.

14. Федорченко А.М., Коцаренко Н.Я. Абсолютная и конвективная неустойчивость в плазме и твердых телах. - М.: Наука, 1981. – 176c.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА МАТЕРІАЛАМИ ДИСЕРТАЦІЇ

1.Барьяхтар Ир.В., Демиденко Ю.В., Лозовский В.З. Электромагнитные волны в системах с адсорбированными молекулами //УФЖ. – 1993. – Т.38, №10. - С. 1501-1507.

2.Baryakhtar Ir.V., Demidenko Yu.V., Kriuchenko S.V., Lozovski V.Z. Electromagnetic waves in the molecular layers adsorbed on the surface of a solid // Surface Sciences. – 1995. - Vol.323. – P.142-150.

3. Демиденко Ю.В., Лозовський В.З. Електромагнітні хвилі на поверхні твердого тіла вкритій шаром анізотропних молекул// УФЖ. - 1997, Т.42, №11-12. - С.1361-1368.

4. Демиденко Ю.В. Змішані поверхневі плазмон-фононні моди при адсорбції молекул на поверхню напівпровідника. 1.Дисперсія поверхневих хвиль//УФЖ.–2001, – Т.46, №3. – С.349-353.

5. Гецко.О.М., Демиденко Ю.В., Лозовський В.З. Змішані поверхневі плазмон-фононні моди при адсорбції молекул на поверхню напівпровідника. 2.Поглинання електромагнітного поля молекулярною плівкою //УФЖ .–2001. – Т.46, №3. –С.355-359.

6.Демиденко Ю.В., Лозовзкий В.З. Неоднородніе состояния субмонослойных покрытий адсорбированніх молекул //УФЖ. –1993. –Т.38, №7. - С.1097-1105.

7. Demidenko Yu.V., Kryuchenko S.V., Lozovskii V.Z. Electromagnetic waves in an inhomogeneously polarized layer of adsorbed molecules//Surface Sciences, 1995, Vol.338. - P.283-292.

8. Demidenko Yu.V, Kryuchenko S.V., Lozovski V.Z., Henk Arnoldus Spectroscopy of a Molecular Layer on the Surface of a Phase //Internat. Journal of Theoretical Phys., Group Theory and Nonlinear Optics. -2002. - Vol.9 №1. - P.1-38.

9. Демиденко Ю.В., Лозовский В.З. Поверхностные электромагнитные волны при адсорбции молекул на поверхность твердого тела Матер. ІV Міжн. Конф. з фізики і техн. тонк. Плівок.Ч.ІІ. С.275.-Ів.Франківськ, 1993.

10. Baryakhtar Ir.V, Demidenko Yu.V., Kryuchenko S.V., Lozovskii V.Z. Influence of molecular coverings on dispersion properties of surface electromagnetic modes. Proceed 1st Intern. Autumn School-conf. “Sol.St.Phys.: Fundamentals & Applic.”SSPFA’94”, Uzhgorod, Kiev.- 1994.-p.R73-R74.

11. Demidenko Yu.V., Lozovskii V.Z. Self Organizing Periodical Structure in Molecular Layer on the Surface of a Solid. The 7-th Intern. Conf. on Organized Molecular Films, Numana (Ancona) Italy, Sept.10-15, 1995, Abstrcts p.42, P-2.2.

12. Demidenko Yu.V., Kryuchenko S.V., Lozovskii V.Z. Electromagnetic waves in systems with thin molecular layers. The 7-th Intern. Conf. on Organized Molecular Films, Numana (Ancona) Italy, Sept.10-15, 1995, Abstrcts p.94, P-7.4.

13. Getsko O.M., Demidenko Yu.V., Lozovskii V.Z. Influence of a layer of anisotropic molecules of the surface of a solid on the dispersion of a surface waves Тез. доп. XIII нац. шк.-сем. з міжн. уч. “Спектр. молекул та кристалів” (Суми, 20-26. 04. 1997): с.107.

14. Demidenko Yu.V Absorption of surface polaritons by ingomogenously polarised molecular layer. Proceed Of the XV Intern. School-Seminar “Spectroscopy of molecules and crystals” 23-30 June 2001, Chernihiv, p.115

15. Demidenko Yu.V., Kryuchenko S.V., Lozovskii V.Z. Electromagnetic waves localized at a molecular layer on the surface of phase conjugator. Proceed Of the XV Intern. School-Seminar “Spectroscopy of molecules and crystals” 23-30 June 2001, Chernihiv. p.116

АНОТАЦІЯ

Демиденко Ю.В. Поверхневі електромагнітні хвилі в шарах молекул, що адсорбовані на поверхні твердого тіла. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.07 – фізика твердого тіла. – Інститут фізики напівпровідників ім.

В.Є. Лашкарьова НАН України. – Київ, 2007.

В дисертації представлена теорія електродинамічних явищ в твердотільних системах з фізадсорбованими молекулярними покриттями, в якій зокрема досліджено можливість збудження поверхневих електромагнітних хвиль (ПЕХ) в таких системах та продемонстровано можливість існування нового типу ПЕХ, які є характерною ознакою присутності молекулярного покриття на поверхні твердого тіла (ТТ). Особливістю цих ПЕХ є те, що вони можуть бути збуджені як p-, так і s- поляризованім електромагнітним полем в області частот, де діелектрична функція адсорбенту має позитивній знак.

Для системи сферично ізотропних молекул, що адсорбовані на ізотропну діелектричну підкладку, показано можливість спонтанного виникнення періодичної поляризаційної структури в площині шару адсорбату в результаті міжмолекулярних взаємодій та оцінено параметри такої структури.

Досліджено спектр дисперсії ПЕХ для випадків адсорбції шару молекул на ізотропну поверхню іонного діелектрика чи напівпровідника. Виявлено, що у випадку резонансної взаємодії молекулярних коливань з полем поверхневого збудження адсорбенту у спектрі дисперсії ПЕХ можливе виникнення щілин, величина яких визначається характером та параметрами покриття.

При адсорбції багатоатомних молекул на поверхню діелектрика виявлено ефект концентраційного “пом’якшення” p- поляризованої ПЕХ як результат міжмолекулярної взаємодії в шарі, що є необхідною умовою виникнення неоднорідного стану в поляризаційній системі адсорбату.

Для молекулярного шару із періодичним розподілом поляризації в площині шару, досліджено вплив величини періоду розподілу на формування спектру дисперсії ПЕХ.

Продемонстровано можливість управління дисперсійними властивостями ПЕХ, що збуджуються в молекулярному шарі, розсташованому на поверхні нелінійного середовища, яке в схемі чотирьох-хвильового змішування діє як фазовообертаюче дзеркало (ФОД) для поля збуджуючої хвилі.

Виявлено щілину в спектрі поглинання p- поляризованої ПЕХ при адсорбції молекулярного шару на поверхню напівпровідника, що зумовлена молекулярним шаром і може розглядатися як аналог щілини в спектрі поглинання в photonic band gap системах.

Ключові слова: тверде тіло, поверхневі електромагнітні хвилі, молекулярний шар, поляризованість, лінійний відгук, функція вільної енергії, фазовий перехід.

АННОТАЦИЯ

Демиденко Ю.В. Поверхностные электромагнитные волны адсорбированные на поверхности твердого тела. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.07 – физика твердого тела. – Институт физики полупроводников им. В.Е. Лашкарева НАН Украины. – Киев, 2007.

В диссертации представлена теория электродинамических явлений в твердотельных системах с физадсорбироваными молекулярными покрытиями, в которой, в частности, исследована возможность возбуждения поверхностных электромагнитных волн (ПЭВ) в таких системах. Проведенное исследование продемонстрировало возможность возбуждения нового типа ПЭВ, существование которых есть характерным признаком присутствия молекулярного покрытия на поверхности твердого тела (ТТ). Отличительной особенностью этих ПЭВ есть то, что они могут возбуждаться как p-, так и s- поляризованной световой волной в области частот, где действительная часть диэлектрической функции адсорбента положительна.

Для системы “диэлектрическая подложка - молекулярный слой” с учетом латеральных (межмолекулярных) взаимодействий в адсорбате рассчитаны дисперсионные кривые для s- и p- поляризованных ПЭВ. Исследованы случаи резонансного и нерезонансного взаимодействия молекулярных колебаний с полем поверхностного поляритона (ПП) подложки. Показано, что в случае, когда имеет место резонансное взаимодействие молекулярных колебаний с ПП подложки, спектр таких возбуждений характеризируется наличием щели, вызванной смешением молекулярных колебаний и поля ПП. Размер щели определяется статической поляризуемостью адсорбированой молекулы и величиной концентрации молекул на поверхности адсорбента, что делает эффект расщепления достаточно чуствительным инструментом при исслледовании молекулярных покрытий на поверхности ТТ. В нерезонансном случае дисперсионная кривая ПП смещается по частоте относительно положения, которое она занимала в случае отсутствия адсорбированого слоя. Величина этого смещения определяется параметрами слоя.

Проанализирована возможность возбуждения ПЭВ в случае, когда тензор поляризуемости адсорбированой молекулы имеет недиагональные компоненты. Показано, что в отличие от случая изотропных молекул существует ограниченный выбор возможностей возбуждения ПЭВ, когда резонансные частоты молекулы лежат выше частоты поперечного оптического фонона подложки.

Для случая адсорбции многоатомных молекул на диэлектрическую подложку обнаружен эффект концентрационного “смягчения” p- поляризованной электромагнитной моды в результате латерального взаимодействия молекул в слое, что может служить необходимым признаком возникновения неоднородного состояния в поляризационной системе адсорбата.

Изучены дисперсионные свойства ПЭВ и форма линии поглощения при их возбуждении на поверхности полупроводника, покрытой слоем адсорбированных молекул, при учете диссипативных процессов в системе. Рассмотрено влияние величины латеральных взаимодействий и степени легирования подложки на