ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ІМ. В.Н. КАРАЗІНА

На правах рукопису

Бондаренко Юрій Юрійович

УДК 535.343.2

ПЛАЗМОВИЙ РЕЗОНАНС В ІЗОЛЬОВАНИХ ГРАНУЛАХ

МЕТАЛІВ 3-ї ГРУПИ ТА ТЕЛУРУ

01.04.05. – оптика, лазерна фізика

АВТОРЕФЕРАТ дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Харків – 2000

Дисертація є рукописом

Робота виконана у Харківському національному університеті

ім. В.Н. Каразіна Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук, професор

Шкляревський Ігор Миколайович

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, професор,

провідний науковий співробітник Авдієнко Анатолій

Антонович (Фізико-технічний інститут ім. Б.І. Вєркіна

НАН України)

кандидат фізико-математичних наук, старший

науковий співробітник Муссіл Володимир Вікторович,

доцент кафедри загальної та експериментальної фізики

Національного технічного університету “Харківський

політехнічний інститут” Міністерства освіти і науки України

Провідна установа: Київський національний університет ім. Тараса

Шевченка; кафедра оптики, м. Київ

Захист відбудеться “ 6 ” квітня 2001 р. о 14 годині на засіданні

спеціалізованої вченої ради Д 64.051.03 у Харківському

національному університеті ім. В.Н. Каразіна (61077, м. Харків,

пл. Свободи, 4, ауд. ім. К.Д. Синельникова).

З дисертацією можна ознайомитися у Центральній науковій бібліотеці

Харківського національного університету ім. В.Н. Каразіна за адресою:

61077, м. Харків, пл. Свободи, 4

Автореферат розісланий “ 5 ” березня 2001 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради В.П. Пойда

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. З другої половини двадцятого століття тонкошарові покриття широко застосовуються в оптичному приладобудуванні, мікроелектроніці, лазерній техніці. З'явилася нова область фізики - фізика тонкошарових покрить. Серед них особливе місце займають дисперговані металеві плівки, які складаються з набору ізольованих одна від одної гранул. Перші дослідження диспергованих плівок були проведені ще на початку нашого століття. Це, насамперед, класичні дослідження Максвелл-Гарнетта, Давіда, Шоппера стосовно аномального поглинання світла благородними металами. На жаль тоді ще не було електронної мікроскопії, тому про форму, розмір та фактор заповнення можна було лише робити припущення, які не завжди виявлялися вірними.

З появою електронної мікроскопії почалися інтенсивні дослідження оптичних властивостей гранульованих плівок, які, зазвичай, супроводжувались дослідженням структури цих плівок. Серед цих робіт особливе місце займають праці японської та французької школи фізиків.

У 1958 році була надрукована робота Хампе, в якій він пояснив появу аномального поглинання збудженням колективних коливань вільних електронів у металевих гранулах. Електрони, які знаходяться у гранулі, здійснюють коливання під дією електричного поля, яке складається з поля падаючої світлової хвилі та поля, що зумовлене поляризацією металевих гранул. Хампе переконливо показав, що всупереч теорії Максвелл-Гарнетта частота максимуму смуги поглинання залежить від розмірів гранул. Всупереч теорії Давіда-Шоппера гранули золота мають форму близьку до сферичної.

Зараз зібрано обширний експериментальний матеріал про структуру та оптичні властивості гранульованих плівок, осаджених на гладкі поверхні прозорих підкладок. У осаджених на шорсткі поверхні підшару ZnS та монокристалів NaCl та KCl гранульованих плівок металів крім звичайної смуги плазмового резонансу з'являється і високочастотна смуга. Природа цих смуг досконально ще не вивчена.

Можливе застосування гранульованих плівок у приладобудуванні та електрониці та недостатня вивченість оптичних властивостей високочастотної смуги поглинання вказують на актуальність проведеного в дисертації дослідження у галузі спектроскопія твердого тіла.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Дисертація виконана на кафедрі фізичної оптики ХНУ ім. В.Н. Каразіна в рамках НДР кафедри “Фотоіндуковані ефекти у тонких світлочутливих плівках”, номер держреєстрації № 0197U002480, затвердженої відповідною постановою Міносвіти України.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є експериментальне отримання спектрів поглинання гранульованих плівок металів третьої групи та телуру в ультрафіолетовому, видимому та ближньому інфрачервоному діапазонах, опис та пояснення особливостей цих спектрів, а також розрахунок плазмової частоти цих матеріалів за отриманими спектрами; встановлення впливу рельєфу поверхні підкладок на структуру плівок та їх оптичні характеристики.

З цією метою необхідно було розв'язати такі задачі:

·

· розробити методику осадження гранульованих плівок, що утворюють двошарове покриття, верхній шар якого складається із невзаємодіючих одна з одною гранул з невеликим фактором заповнення;

· розробити методику нанесення додаткового шару NaCl та KCl, завдяки чому гранули обох шарів були б “вмуровані” в NaCl та KCl;

· виміряти спектри поглинання вихідних та покритих відповідним діелектриком гранульованих плівок металів третьої групи та телуру при нормальному та похилому падінні р-поляризованого світла;

· розробити методику нанесення анізотропних гранулярних плівок;

· описати отримані спектри та пояснити їх на підставі положень модифікованої теорії плазмового резонансу;

· запропонувати та апробувати метод розрахунку плазмової частоти за даними спектрів поглинання.

Об'єкт дослідження: гранульовані плівки металів третьої групи та телуру.

Предмет дослідження: спектри поглинання гранульованих плівок металів третьої групи та телуру.

Методи дослідження. Гранульовані плівки досліджених матеріалів були отримані шляхом вакуумного осадження. Спектри поглинання досліджених плівок були отримані за спектрофотометричними методами. Структура плівок була досліджена з використанням просвітлюючої електронної мікроскопії за методом реплік. Опис та пояснення спектрів поглинання виконано на підставі модифікованої теорії плазмового резонансу.

Наукова новизна одержаних результатів

·

· Вперше експериментально отримані спектри поглинання гранульованих плівок металів третьої групи та телуру, осаджених на шорсткі поверхні монокристалів NaCl та KCl, характерні розміри шорсткостей яких за порядком величини сумірні з довжиною хвилі падаючого випромі нювання. Частота максимумів високочастотних смуг не залежить від розмірів досліджених грану льованих плівок. На відміну від низькочастотної смуги поглинання при похилому падінні світла на гранульовану плівку, високочастотна смуга не розщеплюється на s- та p- складові. Спостереже ні особливості спектрів можливі лише за відсутності дипольної взаємодії між гранулами. Тобто високочастотна смуга, яка збуджується при осадженні на шорсткі поверхні гранульованих плівок, пов'язана із збудженням власних коливань електронів у ізольованих гранулах верхнього шару.

· Вперше досліджений плазмовий резонанс у гранульованих плівках телуру, осаджених на шорсткі поверхні монокристалів NaCl та KCl, характерні розміри шорсткостей яких за порядком величини сумірні з довжиною хвилі падаючого випромінювання. У тому випадку, коли смуги плазмового резонансу лежать вище від смуги міжзонного поглинання, поведінка смуг плазмового резонансу, що збуджується у напівпровідниках, така ж, як і поведінка смуг плазмового резонансу, що збуджується у металах.

· Вперше розрахована плазмова частота металів третьої групи та телуру на підставі аналізу спектрів поглинання гранульованих плівок металів третьої групи та телуру. Плазмова частота, що розрахована за запропонованим методом, добре збігається із плазмовою частотою, отриманою іншими авторами за металооптичними вимірами на суцільних зразках. Таким чином, мікрохарактеристики досліджених металів в гранульованому та суцільному стані збігаються.

· Вперше отримані та досліджені анізотропні гранульовані плівки, що складаються із ланцюжків гранул, відстань між якими в ланцюжках менша за відстань між ланцюжками. Анізотропія смуг поглинання гранульованих плівок індію пов'язана з присутністю у плівці ланцюжків гранул, відстань між якими більша за відстань між гранулами у ланцюжку.

Особистий внесок здобувача полягає в розробці методики виготовлення шорстких поверхонь монокристалів NaCl та KCl, виборі температури підкладки для кожного з металів при осадженні та проведенні спектрофотометричних та електронно-мікроскопічних досліджень гранульованих плівок. Автор брав активну участь в обговоренні експериментальних результатів та підготовці публікацій.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертації доповідались на семінарах кафедри фізичної оптики ХНУ, на 3-й Міжнародній конференції “Физические явления в твердых телах” (21-23 січня 1997р. м. Харків) та на семінарі “Физика и техника низких температур” (14-16 вересня 1999 року, м. Харків, Фізико-технічний інститут низьких температур ім. Б.І. Вєркіна - Харківський державний університет)

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 6 праць, у тому числі 5 статей у наукових журналах та 1 тези доповідей.

Структура та обсяг дисертаційної роботи. Дисертація складається із вступу, п'яти розділів, висновків та списку використаних літературних джерел із 120 найменувань; вона викладена на 150 сторінках, містить 34 рисунка та 6 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовані актуальність теми дисертації, мета та основні задачі дослідження. Показані наукова новизна та практична цінність результатів, наведені основні наукові результати роботи.

У першому розділі “Експериментальні та теоретичні дослідження плазмового резонансу гранульованих плівок металів осаджених на прозорі підкладки” наведений огляд теорій, які опи- сують аномальне поглинання світла гранульованими плівками металів. Детально проаналізовані експериментальні дані щодо оптичних властивостей масивних зразків з алюмінію, індію, галію та телуру, а також оптичних властивостей гранульованих плівок цих металів, осаджених на гладкі підкладки. Наведений огляд робіт з вивчення впливу підкладки на оптичні спектри гранульованих плівок. На підставі огляду зроблений висновок про малу ступінь вивчення оптичних спектрів гра-нульованих плівок, осаджених на шорсткі підкладки, зокрема про природу високочастотної смуги.

У другому розділі “Методика приготування шорстких поверхонь монокристалів NaCl та KCl та вакуумного осадження на них гранульованих плівок металів. Спектрофотометричні та електронно-мікроскопічні дослідження” описані методи приготування шорстких поверхонь монокристалів NaCl та KCl, вакуумного осадження на них гранульованих плівок алюмінію, галію, індію та телуру, а також методика спектрофотометричних та електронно-мікроскопічних досліджень цих плівок.

Гранульовані плівки металів отримувались шляхом їх випаровування в високому вакуумі на підігріті шорсткі поверхні монокристалів NaCl та KCl. Температура підкладки підбиралась експериментально, вона суттєво відрізняється для різних металів. Так температура підкладок при осадженні алюмінію дорівнює 2000С, галію - 4000С, індію - 1000С та телуру - 1500С. Лише при таких температурах осаджувались двошарові плівки, інтенсивність високочастотних смуг яких була того ж порядку, що й низькочастотних смуг.

Гранульовані плівки отримувалися при дотриманні правил техніки безпеки.

Третій розділ “Вимірювання частоти власних коливань електронів та розрахунок плазмової частоти гранульованих плівок металів третьої групи, осаджених на шорсткі поверхні монокристалів NaCl та KCl”. У цьому розділі викладені результати дослідження гранульованих плівок металів третьої групи, осаджених на шорсткі поверхні монокристалів NaCl та KCl.

На спектральних залежностях D(w) вихідних гранульованих плівок алюмінію (рис.1), осаджених на шорсткі поверхні монокристалів NaCl, виявлена лише одна смуга плазмового резонансу. Така ж залежність має місце і при осадженні гранульованих плівок на шорсткі поверхні монокристалів KCl. З ростом ефективної товщини плівок інтенсивність резонансних смуг посилюється. Це пов'язано з ростом фактора заповнення та посиленням поля, яке збуджується гранулами-диполями. Після осадження відповідного діелектрика на вихідні гранульовані плівки алюмінію на спектральних залежностях D(w) з'являється і друга, високочастотна смуга плазмового резонансу (рис.1, криві 1ў-3ў).

Рис.1. Спектральні залежності D(w) гранульованих плівок алюмінію, осаджених на підігріті до 2000С шорсткі поверхні монокристалу NaCl (а) та KCL (б). Криві 1-3 відповідають вихідним гранульованим плівкам, криві 1ў-3ў - тим же гранульованим плівкам, гранули яких вмуровані в NaCl. Крива 3ўў - залежність D(w), що знята при падінні р- поляризованого світла на плівку під кутом j=400

Максимуми цих смуг не залежать від ефективної товщини гранульованих плівок, тобто від розмірів гранул та від кута падіння світла на гранульовані плівки, що можливо лише за відсутності дипольної взаємодії між гранулами. Таким чином, частота максимумів високочастотних смуг плазмового резонансу дорівнює частоті власних коливань електронів в гранулах. Осадження додаткового шару діелектрика на вихідні гранульовані плівки алюмінію незначно змінює резонансну частоту ws та інтенсивність смуг плазмового резонансу, що можливо лише при невеликій зміні діелектричної сталої e0 оточуючого гранули середовища. Це свідчить про глибоке проникнення гранул алюмінію у пори нагрітих до 2000С шорсткостей монокристалів NaCl та KCl.

Резонансна частота гранульованих плівок алюмінію описується рівнянням:

де wр - плазмова частота,

em - дійсна частина діелектричной сталої металу, з якого виготавлено гранули

e0 – діелектрична стала середовища, яке оточує гранулу

q – фактор заповнення

a0 - радіус гранули,

а - відстань між гранулами,

S - множник

w0 – частота власних коливань електронів у гранулі

wў - частота, яка пов'язана з дипольною взаємодією гранул.

Розглянемо вплив величин, які входять в це рівняння, на частоту ws плазмового резонансу. Перший та другий доданок є функціями частотно-залежних діелектричних сталих em та e0. Для даної гранульованої плівки ми можемо змінювати у певних межах величину e0. Збільшення e0 шляхом осадження на плівку діелектрика призводить до зменшення частоти w0 в більшій мірі ніж wў внаслідок чого резонансна частота ws зменшується.

Для даної підкладки, з характерними для неї мікродефектами, зростання розмірів гранул (фактора заповнення) призводить до зменшення e0, тобто росту w0. Однак ріст фактора заповнення призводить до значно більшого зростання wў у порівнянні з w0, тому резонансна частота ws і в цьому випадку зменшується. При цьому в обох випадках частотно-залежна величина em змінюється, впливаючи на резонансну частоту ws. Змінюючи величини e0 та q можна в певних межах змінювати резонансну частоту гранульованих плівок даного металу.

На всіх спектральних залежностях D(w) при частоті w”2,3Ч1015 с-1 знаходиться пік квантового поглинання світла в алюмінії. Він також добре видимий в гранульованих плівках алюмінію, осаджених на кварцові підкладки (Аль-Абделла Р.Б., Костюк В.П., Шкляревський І.М., 1981).

Електронно-мікроскопічні дослідження структури гранульованих плівок алюмінію показали, що вони складаються з гранул, які мають огранку. Це свідчить про те, що гранули є монокристалами.

При осадженні гранульованих плівок галію на шорсткі поверхні монокристалів NaCl та KCl при кімнатній температурі на спектральних залежностях оптичної густини від частоти виявляється одна смуга поглинання (рис.2).

Рис.2. Спектральні залежності D(w) гранульованих плівок галію, осаджених на шорсткі поверхні монокристалів KCL (1, 3) і NaCl (2, 4) при кімнатній температурі підкладок. 1, 2 - вихідні плівки, 3,4 - плівки, гранули яких повністю оточені KCl (3) та NaCl (4).

Осадження товстих шарів діелектрика призводить до різкого зростання інтенсивності смуг плазмового резонансу та їх зсуву у низькочастотну область спектру. Таке зростання інтенсивності смуг виявляється при суттєвому рості діелектричної сталої e0 оточуючого гранули середовища (Шкляревський І.М., Аначкова О., Бляшенко Г.С., 1977). Але це можливо лише у тому випадку, коли гранули галію знаходяться на вершинах шорсткостей монокристалів, утворюючи шар гранул, оточених середовищем з малою діелектричною сталою e0. Смуги плазмового резонансу осаджених на шорсткі поверхні монокристалів NaCl та KCl гранульованих плівок галію асиметричні - на їх низькочастотний край накладається доволі сильна смуга міжзонного поглинання, максимум якої лежить при w=3,3Ч1015, с-1 (Hunderi O., Riberg R., 1974). Таким чином, на відміну від гранульованих плівок алюмінію, осаджені при кімнатній температурі на шорсткі поверхні монокристалів NaCl та KCl і покриті шаром діелектрика гранульовані плівки галію утворюють лише один шар, високочастотні резонансні смуги відсутні. Асиметрія смуг плазмового резонансу свідчить про кристалічну структуру гранул галію.

При осадженні галію на нагріті до 4000С шорсткі поверхні монокристалів NaCl та KCl були отримані гранульовані плівки галію в яких збуджувались обидві резонансні смуги (рис.3). При високій температурі основна частина гранул галію проникла у пори шорсткостей, створюючи нижній шар, а друга, менша частина гранул, осіла на вершинах шорсткостей, створюючи верхній шар. У цих шарах і збуджуються незалежні одна від одної низькочастотна резонансна смуга з частотою ws та високочастотна смуга з частотою w0 власних коливань електронів в гранулах.

Рис.3. Спектральні залежності D(w) гранульованих плівок галію, осаджених на підігріті до 4000С шорсткі поверхні монокристалів NaCl (а) та KCL (б). Криві 1-3 відповідають вихідним гранульованим плівкам, криві 1ў-3ў - тим же гранульованим плівкам, гранули яких оточені NaCl. Крива 3ўў - залежність D(w), яка знята при падінні р- поляризованого світла на плівку під кутом j=400

Як і у гранульованих плівках алюмінію з ростом ефективної товщини гранульованих плівок галію, тобто з ростом фактора заповнення q, резонансна частота низькочастотних смуг зменшується, а їх інтенсивність зростає. Низькочастотні смуги плазмового резонансу симетричні, на них не накладається смуга міжзонного поглинання.

На відміну від низькочастотних смуг плазмового резонансу з ростом ефективної товщини вихідних гранульованих плівок галію високочастотні смуги зміщуються у високочастотну область спектра. Таке зміщення можливе лише за відсутності дипольної взаємодії між гранулами та зменшенні ефективної діелектричної сталої e0 оточуючого гранули середовища.

Електронно-мікроскопічні знімки гранульованих плівок галію показують, що вони складаються з гранул правильної форми близької до сферичної. Тобто в гранулах галій є переохолодженою рідиною. У цьому випадку зручно виміряти розмір гранул та побудувати гістограми розподілу гранул за розмірами (рис.4). На гістограмах видно, що в гранульованих плівках є дві системи гранул, які відрізняються середнім розміром гранул. При осадженні гранульованих плівок більш крупні гранули розташовуються на вершинах шорсткостей. А менш крупні розташовані між елементами шорсткостей. Крупним гранулам відповідає високочастотна смуга плазмового резонансу, а дрібним – низькочастотна смуга.

Рис. 4. Гістограми розподілу гранул гранульованих плівок галію за розмірами а, б та в відповідають гранульованим плівкам галію, спектральні залежності яких наведено на рис. 3.а

Як і у випадку галія при осадженні гранульованих плівок індія на шорсткі поверхні монокристалів NaCl та KCl окрім звичайних для гранульованих плівок індія низькочастотних смуг плазмового резонансу з'явилися й високочастотні смуги, інтенсивність яких дещо менша, або того ж порядку, що й низькочастотних. При похилому падінні світла на гранульовані плівки індія, високочастотна смуга не розщеплюється. З ростом ефективної товщини гранульованих плівок резонансна частота низькочастотних смуг значно зменшується при значному зростанні їх інтенсивності. І те і інше пов'язано з ростом фактора заповнення, тобто з ростом поля, яке збуджується гранулами-діполями. Осадження діелектрика, як і у випадку алюмінію та галію, незначно змінює резонансну частоту та інтенсивність цих смуг, що пов'язано з незначною зміненою діелектричної сталої середовища, яке оточує гранули.

Високочастотні ж смуги вихідних гранульованих плівок індію, на відміну від низькочастотних, зміщуються у високочастотну область спектра з ростом ефективної товщини плівки через зменшення е0eff.

Гранульовані плівки індія складаються з гранул, які мають огранку. Це свідчить про те, що гранули індія є монокристалами.

Оскільки у досліджених металів в області частот, де лежить високочастотна смуга, міжзонне поглинання відсутнє, знаючи положення високочастотної смуги, а також значення e0 ефективної діелектричної сталої для цієї частоти, можна розрахувати плазмову частоту wр користуючись рівнянням :

wр=w0(1+2e0)1/2.

Значення розрахованих таким чином плазмових частот досліджених матеріалів наведено в таблиці 1.

Таблиця 1. Розрахована плазмова частота металів третьої групи та телуру

Матеріал w0Ч10-15, с-1 e0 wрЧ10-15, с-1

NaCl

Алюміній 8.40 2.92 22.00

Галій 8.00 2.82 20.65

Індій 6.95 2.65 17.46

Телур 9.00 3.20 24.50

KCl

Алюміній 8.77 2.76 22.40

Галій 8.34 2.67 21.10

Індій 7.11 2.48 17.36

Телур 9.20 2.88 23.90

Знайдені плазмові частоти добре узгоджуються з величинами, виміряними на суцільних металах іншими методами.

За виміряними частотами власних коливань електронів вихідних гранульованих плівок галію та індію, та розрахованим плазмовим частотам цих металів, можна знайти ефективні значення діелектричної сталої середовища, оточуючого гранули :

На підставі адітивності діелектричної сталої можна визначити фактори пористості верхнього шару гранульованої плівки, який складається із діелектрика та пустот, заповнених повітрям. Якщо об'єм повітря дорівнює aў, а фактор пористості діелектрика з діелектричною сталою e0 - a, то оскільки aў+a=1

звідки

Величини e0 та відповідають частотам

Розраховані таким чином величини та a наведені в таблицях 2 та 3.

Таблиця 2. Фактори пористості для гранульованих плівок галія

№ Підкладка wpЧ10-15, с-1 Ч10-15, с-1 e0 a

1 NaCl 20.65 8.80 2.25 3.04 0.61

2 NaCl 20.65 8.97 2.14 3.08 0.55

3 NaCl 20.65 9.20 2.01 3.10 0.48

4 KCl 21.1 9.10 2.18 2.80 0.65

5 KCl 21.1 9.20 2.13 2.84 0.61

6 KCl 21.1 9.30 2.07 2.95 0.54

Таблиця 3. Фактори пористості для гранульованих плівок індія

№ Підкладка wpЧ10-15, с-1 Ч10-15, с-1 e0 a

1 NaCl 17.46 7.85 2.47 2.8 0.54

2 NaCl 17.46 8.00 1.88 2.82 0.48

3 NaCl 17.46 8.20 1.76 2.84 0.41

4 KCl 17.36 8.20 1.74 2.64 0.45

5 KCl 17.36 8.56 1.55 2.71 0.32

6 KCl 17.36 - - - -

Четвертий розділ “Вимірювання частоти власних коливань та розрахунок плазмової частоти гранульованих плівок телура, осаджених на шорсткі поверхні монокристалів NaCl та KCl”. Вперше плазмовий резонанс в гранульованих плівках телуру виявлено Р.Б. Аль-Абделлою, В.П. Костюком і І.М. Шкляревським у 1980 р. У суцільних плівок телура в низькочастотній області спектра лежить доволі сильна смуга міжзонного поглинання з максимумом при w”3.2Ч1015, с-1. Після відпалу суцільна плівка телуру розпадається на гранули, а у ближній ультрафіолетовій області спектру збуджується смуга резонансного поглинання, оптичні властивості якої такі ж, як і оптичні властивості смуги плазмового резонансу у гранульованих плівках благородних металів.

Для напівпроводникової гранульованої плівки телуру в рівняння руху електронів треба ввести доданок , пов'язаний з міжзоними переходами електронів. У цьому випадку, як вперше встановлено Р.Б. Аль-Абделлою , В.П. Костюком і І.М. Шкляревським у 1980 р. резонансна частота . Частота w0m у телура дорівнює 3.2Ч1015 с-1. Частота максимума вісокочастотної смуги w0=9.2Ч1015 c-1. Таким чином, , тобто впливом міжзонних переходів на положення високочастотної смуги можна знехтувати.

У цьому розділі описані результати дослідженнь одночасного збудження двох смуг плазмового резонансу гранулярних плівок телура, осаджених на шорсткі поверхні монокристалів NaCl та KCl, вимір частоти w0 власних коливань електронів та розрахунок плазмової частоти wр телура.

На рис.5. наведені спектральні залежності D(w) гранульованих плівок телура з різною ефективною товщиною, осаджених на шорсткі поверхні монокристалів NaCl. На спектральних залежностях вихідних гранульованих плівок телуру виявлена, як і у випадку гранульованих плівок алюмінію, лише низькочастотна смуга. З ростом ефективної товщини гранульованих плівок телуру інтенсивність резонансних смуг різко зростає, а частота максимуму смуг зменшується. Друга, високочастотна смуга плазмового резонансу з'являється після осадження на вихідні гранульовані плівки телуру відповідного шару діелектрика.

Незалежність максимумів цих смуг від ефективної товщини гранульованих плівок, тобто від розмірів гранул та від кута падіння світла на плівку свідчить про відсутність дипольної взаємодії між відповідними гранулами.

Одночасне збудження низькочастотної смуги плазмового резонансу, залежної від дипольної взаємодії між гранулами та високочастотної резонансної смуги, яка збуджується в ізольованих гранулах, можливе лише у тому випадку, коли гранульована плівка складається з двох шарів.

Рис.5. Спектральні залежності D(w) гранульованих плівок телуру, осаджених на підігріту до 1500С шорстку поверхню монокристала NaCl (а) та KCL (б) Криві 1-3 відповідають вихідним гранульованим плівкам, криві 1ў-3ў - тим же гранульованим плівкам, гранули яких оточені NaCl. Крива 3ўў - залежність D(w), яка отримана при падінні р- поляризованого світла на плівку під кутом j=400

Електронно-мікроскопічні знімки гранульованих плівок телура показали, що вони складаються з гранул, форма яких близька до сферичної. Як і у випадку галію були побудовані гістограми розподілу гранул телуру за розмірами. Ці гістограми аналогічні за виглядом з гістограмами, отриманими для гранульованих плівок галія. Як і у випадку галія на гістограмах виявлено два максимума, тобто плівка складається з двох систем гранул – більш крупних та менш крупних. Високочастотна смуга плазмового резонансу спричинена наявністю у плівці більш крупних гранул.

Для спектральних областей телура, де немає міжзонного поглинання, за відсутності дипольної взаємодії між гранулами частота власних коливань електронів у гранулі дорівнює частоті максимума високочастотної смуги поглинання. Як і для металів 3-ї групи за виміряними значеннями w0 та відомим e0 розрахована плазмова частота wр. Вона наведена в таблиці 1.

П'ятий розділ “Анізотропія смуг плазмового резонансу гранульованих плівок індія, осаджених на шорсткі поверхні монокристалів NaCl та KCl”. Були виготовлені гранульовані плівки індія, які осаджувалися на шорсткі поверхні монокристалів NaCl та KCl виготовлені так, що шорсткість була утворена досить довгими ступенями, розташованими паралельно одна одній. Отримані смуги плазмового резонансу виявилися анізотропними. На рис.6. наведені спектральні залежності D(w) гранульованих плівок індію, осаджених на шорсткі поверхні монокристалів NaCl. Криві 1 відповідають поляризації падаючого світла вздовж ланцюжків, криві 2 – перпендикулярно до ланцюжків. Частоти смуг поглинання останніх зсунуті у високочастотну область спектра.

Рис. 6. Залежність D(w) для гранульованих плівок індія, осаджених на підігріті до 1000С шорсткі поверхні монокристалу NaCl 1 - площина поляризації падаючого світла розташована вздовж ланцюжків, 2 - площина поляризації падаючого світла розташована перпендикулярно до ланцюжків

На електронно-мікроскопічних знімках (рис. 7) таких плівок можна бачити ланцюжки гранул, відстань між якими більша за відстань між гранулами у ланцюжках. Ці ланцюжки гранул утворюються внаслідок декорування ступеней шорсткостей. Присутність таких ланцюжків і призвела до появи анізотропії смуг плазмового резонансу.

Рис.7. Електронно-мікроскопічний знімок анізотропної гранульованої плівки індія, осадженої на шорстку поверхню монокристала NaCl

Для пояснення виявленої анізотропії смуг плазмового резонансу гранульованих плівок індію була застосована модель прямокутної гратки з параметрами а та b, у вузлах якої знаходяться сферичні гранули радіусом а0.

Ця модель дає таке рівняння для частоти максимуму резонансних смуг:

де w0 – частота власних коливань електронів у гранулах wр – плазмова частота, Sx,y – константа, яка є різною за величиною для орієнтації площини поляризації світла вздовж (ось y) та перпендикулярно (ось х) ланцюжок. Таким чином, положення максимума смуги поглинання залежить від орієнтації площини поляризації падаючого світла відносно ланцюжків.

ВИСНОВКИ.

У дисертаційній роботі розв'язана задача експериментального отримання спектрів поглинання гранульованих плівок металів третьої групи та телуру при осадженні їх на шорсткі поверхні монокристалів NaCl та KCl в ультрафіолетовому, видимому та ближньому інфрачервоному діапазонах, розрахована плазмова частота цих матеріалів та встановленний вплив рельефу поверхні підкладок на структуру плівок та їх оптичні характеристики. Основні результати роботи викладені такими висновками:

1. Гранульовані плівки металів третьої групи та телуру, осаджені на шорсткі поверхні монокристалів NaCl та KCl, складаються з двох шарів гранул. У спектрі поглинання таких гранул виявлено дві смуги плазмового резонансу.

2. З ростом ефективної товщини гранульованих плівок (розмірів гранул) інтенсивність обох смуг зростає. Однак, на відміну від низькочастотних смуг, високочастотні смуги з ростом розмірів гранул зміщуються у високочастотну область спектра. Це пов'язано зі зменшенням ефективної діелектричної сталої середовища, оточуючого гранули. Осадження додаткового шару діелектрика призводить до значного зменшення частоти максимуму цих смуг та зростання їх інтенсивності.

3. Частота максимумів високочастотних смуг не залежить від розмірів гранул досліджених гранульованих плівок. На відміну від низькочастотної смуги при похилому падінні світла на гранульовані плівки високочастотна смуга не розщеплюється на s- та p- складові. І те, і інше можливо лише за відсутності дипольної взаємодії між гранулами, тобто частота максимумів високочастотних смуг w0 є частотою власних коливань електронів у гранулі.

4. У алюмінія, галія, індія і телура в дослідженій області спектру до плазмових частот квантове поглинання відсутнє. За виміряними значеннями w0 та відомими величинами e0 розраховані плазмові частоти wр для цих металів. Ці значення добре збігаються з відомими величинами, які виміряні на суцільних зразках металооптичними методами.

5. Одночасно з виміром оптичної густини всіх досліджених гранульованих плівок металів третьої групи та телуру були проведені електронно-мікроскопічні дослідження, які дозволили зробити висновки про форму та розміри гранул. Так на гранулах гранульованих плівках алюмінію та індію можна бачити огранку – гранули є монокристалами. Гранули галію мають форму крапель внаслідок осадження переохолодженої рідини.

6. На прикладі телуру показано, що у тому випадку, коли смуга міжзонного поглинання лежить нижче від смуги плазмового резонансу, поведінка смуг плазмового резонансу така ж, як і поведінка смуг плазмового резонансу, що збуджуються у металах

7. Для гранульованих плівок індію, нехтуючи дисперсією діелектричної сталої вперше оцінено внесок дипольної взаємодії між гранулами у частоту ws плазмового резонансу . Для гранул індію, що оточені хлористим натрієм wў=5.17-5.54Ч1015, с-1, у гранул індію, що оточені хлористим калієм wў=5.6-5.87Ч1015

8. За виміряними частотам власних коливань електронів вихідних гранульованих плівок галію і індію та розрахованим плазмовим частотам цих металів знайдені ефективні значення діелектричної сталої середовища, яке оточує гранули та фактора пористості a, який змінюється у межах від 0.3 до 0.6.

9. Вперше виявлена анізотропія смуг плазмового резонансу у гранулярних плівках індію, осаджених на спеціально виготовлені підкладки – шорсткі поверхні монокристалів NaCl та KCl. Згідно з даними електронно-мікроскопічних досліджень, гранули індію осіли у вигляді ланцюжків, відстань між якими більша за відстань між гранулами у ланцюжку, що й спричиняє анізотропію смуг плазмового резонансу.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗДОБУВАЧА ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ.

1. Бондаренко Ю.Ю., Макаровский Н.А., Шкляревский И.Н.. Плазменный резонанс гранулярных пленок индия, осажденных на шероховатые поверхности монокристаллов NaCl и KCl.// Журн. прикл. спектр. –1998.- Т.65, №5, С. 799-803

2. Шкляревский И.Н., Бондаренко Ю.Ю., Макаровский Н.А.. Собственные колебания электронов в гранулярных пленках индия, осажденных на шероховатые поверхности монокристаллов NaCl и KCl//Опт. и спектр.- 2000.-Т.88, №4, С.542-547

3. Шкляревский И.Н., Бондаренко Ю.Ю., Макаровский Н.А.. Собственные колебания электронов в гранулярных пленках аллюминия, осажденных на шероховатые поверхности монокристаллов NaCl и KCl//Журн. прикл. спектр.- 1999.- Т.66, №6, С. 847-850

4. Шкляревский И.Н., Бондаренко Ю.Ю., Макаровский Н.А.. Плазменный резонанс в гранулярных пленках галлия, осажденных на шероховатые поверхности монокристаллов NaCl и KCl// Опт. и спектр.- 2000.- Т.88, №4, С.547-547

5. Шкляревский И.Н., Бондаренко Ю.Ю., Макаровский Н.А. Собственные колебания электронов в гранулах Те. Плазменная частота Те.// ФНТ.- 1999.- Т.25, №10, С.1052-1055

6. Макаровский Н.А., Бондаренко Ю.Ю. Особенности структуры и плазменного резонанса гранулярных пленок индия, осажденных на шероховатые поверхности KCl/ Физические явления в твердых телах// Материалы 3-й международной конференции.- Харьков, 1997.-С.74

Бондаренко Ю.Ю. Плазменный резонанс в изолированных гранулах металлов третьей группы и теллура.- Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.05.- оптика, лазерная физика.- Харьковский национальный университет им В.Н. Каразина, Харьков, 2000.

Диссертация посвящена исследованию плазменного резонанса, возбуждающегося в изолированных гранулах металлов 3-й группы и теллура. Разработана методика получения шероховатых поверхностей монокристаллов NaCl и KCl и осаждения на них гранулярных пленок металлов. Получены гранулярные пленки металлов 3-й группы и теллура в спектрах поглощения которых наблюдаются две полосы плазменного резонанса: низкочастотная и высокочастотная. В работе были исследованы гранулярные пленки различной эффекттивной толщины; исследовались как исходные, так и покрытые дополнительным слоем диэлектрика гранулярные пленки. С ростом эффективной толщины гранулярных пленок низкочастотная полоса смещается в низкочастотную область спектра, высокочастотная - в высокочастотную. При наклонном падении света на гранулярную пленку низкочастотная полоса расщепляется на s- и p- компоненты, высокочастотная полоса не расщепляется. При осаждении дополнительного слоя диэлектрика на гранулярную пленку обе полосы смещаются в низкочастотную область, однако высокочастотная полоса смещается значительно сильнее. При этом мощность высокочастотной полосы также увеличивается на значительно большую величину, чем мощность низкочастотной полосы. Такое поведение полос плазменного резонанса можно объяснить, если предположить, что полученные гранулярные пленки представляют собой двуслойное покрытие. Гранулы нижнего слоя глубоко проникли вглубь шероховатостей, поэтому при осаждении дополнительного слоя диэлектрика диэлектрическая постоянная e0 окружающей гранулы среды изменяется незначительно, поэтому и мощность этой полосы увеличивается незначительно. При падении линейнополяризованного света на пленку под углом уменьшается диполь-дипольное взаимодействие вследствие чего происходит расщепление полосы на s- и p- компоненты. Верхний слой составляют гранулы, которые осели на верхушках шероховатостей. Поэтому они в значительной степени окружены воздухом и эффективная диэлектрическая постоянная окружающей эти гранулы среды невелика. При осаждении дополнительного слоя диэлектрика e0 значительно увеличивается. Этим объясняется значительный рост мощности полосы, а также ее значительный сдвиг в низкочастотную область спектра. При наклонном падении света на гранулярную пленку высокочастотная полоса, в отличие от низкочастотной, не расщепляется на s- и p- компоненты. Таким образом, положение максимума высокочастотной полосы поглощения определяется частотой w0 собственных колебаний электронов в изолированных друг от друга гранулах.

У всех исследованных элементов вблизи максимума высокочастотной полосы отсутствует межзонное поглощение. Это позволяет по измеренному значению частоты w0, а также известному значению величины диэлектрической постоянной e0 среды, окружающей гранулы, рассчитать значение плазменной частоты wр. Рассчитанная таким образом плазменная частота достаточно хорошо согласуется с полученными ранее на сплошных образцах данными. Это позволяет сделать вывод, что микрохарактеристики исследованных элементов в сплошном и гранулированном состояниях совпадают.

Теллур - ковалентный полупроводник. Однако полосы поглощения исследованных гранулярных пленок теллура ведут себя аналогично полосам плазменного резонанса гранулярных пленок металлов 3-й группы и благородных металлов. В этом случае в плазменном резонансе участвуют связанные электроны, которые переходят из валентной зоны в зону проводимости.

При исследовании гранулярных пленок индия были получены образцы, полосы плазменного резонанса которых анизотропны. По данным проведенных электронно-микроскопических исследований такие гранулярные пленки состоят из цепочек гранул. Расстояние между цепочками больше, чем расстояние между гранулами в цепочке. Обнаруженная анизотропия полос поглощения связывается с наличием этих цепочек.

Ключевые слова: гранулярные пленки, плазменный резонанс, плазменная частота, полосы поглощения, дипольное взаимодействие.

Бондаренко Ю.Ю. Плазмовий резонанс в ізольованих гранулах металів третьої групи та телуру.- Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.05.- оптика, лазерна фізика.- Харківський національний університет ім В.Н. Каразина, Харків, 2000.

Дисертація присвячена дослідженню плазмового резонансу, що збуджується в ізольованих гранулах металів 3-й групи і телуру. Розроблена методика отримання шорстких поверхонь монокристалів NaCl та KCl і осадження на них гранульованих плівок металів. Показано, що одночасне збудження двох смуг плазмового резонансу можливе тоді, коли плівка складається з двох невзаємодіючих шарів. Показано, що високочастотна смуга плазмового резонансу пов'язана з власними коливаннями електронів у ізольованих гранулах. Розрахована плазмова частота досліджених металів. Ця частота добре співвідноситься з плазмовою частотою, яка була отримана іншими авторами за іншими методами.

На прикладі телуру показано, що у тому випадку, коли смуга міжзонного поглинання лежить нижче від смуги плазмового резонансу, поведінка смуг плазмового резонансу така ж, як і поведінка смуг плазмового резонансу, що збуджуються у металах.

Отримані гранульовані плівки індію, смуги плазмового резонансу яких анізотропні. Електронна мікроскопія виявила, що такі гранульовані плівки складаються з ланцюжків гранул. Відстань між гранулами у ланцюжку менша за відстань між ланцюжками. Спостережена анізотропія пов'язується з присутністю цих ланцюжків у зразках.

Ключові слова: гранульовані плівки, плазмовий резонанс, плазмова частота, смуги поглинання, дипольна взаємодія.

Bondarenko Y.Yu. Plasma resonance in isolated granules of third group metals and tellurium. – Manuscript.

Thesis for a candidate's degree in physics and mathematics by speciality 01.04.05 – optics, laser physics, Kharkov National V.N. Karazin University, Kharkov, 2000.

The thesis is devoted to investigation of plasma resonance that is excited in isolated granules of third group metals and tellurium. The method is developed to obtain rough single NaCl and KCl crystals and to deposit granules metal films on it. It is shown that simultaneous excite of both absorption bands is possible when film consists of two non-interacting layers. It is shown that highfrequence band is related to natural electron oscillations in isolated granules. Plasma frequency of investigated elements is calculated. The plasma frequency is in the good agreement with plasma frequency that was obtained by other authors.

It is shown, on example of tellurium, that behavior of plasma absorption band is the same as in case of metal granular films, when interband absorption band lay lower than plasma resonance bands.

A granular films that have anisotropic plasma resonance band is obtained. Electron microscopy showed that such samples consist of chains of granules. Distance between the chains is larger than distance between granules in chains. This anisotropy is related to existence of the chains.

Key words: granular films, plasma resonance, plasma frequency, absorption bands, dipole interaction.