Генерация второй гармоники и гиперрэлеевское рассеяние света в тонких пленках и на границах раздела тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. М.В. ЛОМОНОСОВА ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

На правах рукописи

2 7 01Л ^ УДК 621.378.4

МЕЛЬНИКОВ Алексей Владимирович

ГЕНЕРАЦИЯ ВТОРОЙ ГАРМОНИКИ И ГИПЕРРЭЛЕЕВСКОЕ РАССЕЯНИЕ СВЕТА В ТОНКИХ ПЛЕНКАХ И НА ГРАНИЦАХ РАЗДЕЛА

01.04.21 - лазерная физика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

МОСКВА - 1998

Работа выполнена на кафедре квантовой радиофизики физического факультета Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

доцент O.A. АКЦИПЕТРОВ

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор B.C. ГОРЕЛИК доктор физико-математических наук, профессор В.И. ЕМЕЛЬЯНОВ

Ведущая организация: Институт спектроскопии РАН

Защита состоится ^ " ноября 1998 г. в ' ^ на заседании диссертационного совета К 053.05.21 физического факультета МГУ им. М..В. Ломоносова, по адресу: 119899, Москва, ул. Хохлова, 1, Корпус нелинейной оптики

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке физического факультета МГУ

Автореферат разослан октября 1998 г.

Ученый секретарь диссертационногр>совета кандидат физико-математических/Нзукх

н

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Диссертационная работа посвящена экспериментальному исследованию интерференционных механизмов и корреляционных свойств квадратичного нелинейно-оптического отклика регулярных и дисперсных твердотельных систем пониженной размерности, в том числе при наложении внешних электрического и магнитного статических полей. Исследования проводились методами генерации второй гармоники (ВГ) и гиперрэлеевского рассеяния света (ГРР). Основное внимание уделено изучению механизмов интерференции вкладов в генерацию ВГ от различных нелинейных источников и проблеме разделения этих вкладов в эксперименте.

Метод генерации ВГ может быть использован для изучения сим-метрийных свойств исследуемого объекта, "причем наиболее эффективно — в случае центросимметричных сред, где существуют симмет-рийные правила запрета на объемные нелинейные восприимчивости четных порядков. При этом основные источники излучения ВГ локализованы в областях нарушения инверсной симметрии - в приповерхностном слое твердых тел, на границах раздела, в тонких пленках. Как следствие, характеристики излучения ВГ - интенсивность, поляризация, диаграмма направленности -чувствительны к структуре таких систем. Однако, выделение вклада в генерацию ВГ от одной из групп нелинейных источников является, как правило, сложной задачей. Поэтому представляет интерес изучение механизмов интерференции различных вкладов в генерацию ВГ и разработка методов выделения вкладов, отражающих определенные свойства исследуемых объектов.

Особый интерес представляет исследование механизмов влияния внешних факторов, таких как электрическое и магнитное статические поля, на генерацию ВГ. Изучение особенностей поведения электро- и магнитоиндуцированных компонент нелинейно-оптического отклика позволяет получить дополнительную информацию о свойствах исследуемых объектов.

Наличие пространственных флуктуации нелинейной восприимчивости тонких неоднородных пленок приводит к появлению новых особенностей'нелинейно-оптического отклика таких систем, одной из которых является генерация диффузной ВГ (гиперрэлеевское рассеяние света) - излучения ВГ в незеркальном направлении по отноше-

нию к направлению распространения зондирующего излучения. Пр] этом отклик на частоте ВГ является результатом суперпозицш откликов элементарных излучателей, в общем случае некогерентных Характер результирующего отклика определяется статистическим] свойствами ансамбля элементарных излучателей. Основная пробле матика экспериментальных исследований в данной области состоит ] изучении механизмов ГРР, установлении связи между структуро] исследуемого объекта, статистическими параметрами пространствен ных флуктуаций нелинейной поляризации и наблюдаемым откликом.

Цель работы состояла, во-первых, в экспериментальном исследо вании электроиндуцированной ВГ (ЭВГ) на границе раздела металл электролит и установлении природы квадратичного отклика данно] системы, а также в изучении механизма интерференции различны: вкладов в генерацию ЭВГ в Зг'-ЗЮг-Сг МОП структуре и возможно сти выделения объемных и поверхностных вкладов; во-вторых, в экс периментальном исследовании магнитоиндуцированных эффектов пр] генерации ВГ .в тонких пленках феррит-гранатов, обусловленны: интерференцией магнитоиндуцированных и не зависящих от внешне го магнитного поля объемных и поверхностных вкладов; в-третьих, 1 экспериментальном исследовании ГРР в неоднородных тонких плен ках сегнетоэлектрических керамик и в ультрадисперсных фотоэмуль сиях, экспонированных мощным излучением.

Актуальность представленных исследований обусловлена фунда ментальным интересом к структуре и механизмам нелинейно-оптиче ского отклика границ раздела центросимметричных конденсирован ных сред, тонких пленок и дисперсных систем. Явление генераци! ЭВГ и магнитоиндуцированной ВГ (МВГ) может быть применено дл: исследования зарядовых характеристик внутренних границ раздел, конденсированных сред, диагностики поверхностного магнетизма исследования доменной структуры ферромагнетиков и сегнетс электриков. Генерация диффузной ВГ - перспективный метод иссле дования статистических свойств дисперсных систем, морфологичес ких неоднородностей тонких пленок и поверхностных структур.

Практическая ценность решения поставленных задач состоит ! исследовании возможностей метода генерации ЭВГ и МВГ для диаг ностики зарядовых характеристик поверхностей металлов и грани! раздела центросимметричный полупроводник-диэлектрик, доменно]

структуры ферромагнетиков и сегнетоэлектриков, а также возможностей применения ГРР для неразрушающего контроля за морфологической однородностью тонких пленок и свойствами дисперсных систем.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- проведены оригинальные исследования генерации ЭВГ на границе раздела металл-электролит, позволившие определить природу электроиндуцированной нелинейности поверхности металла;

- предложена методика выделения компонент квадратичного нелинейно-оптического отклика границы раздела центросимметрич-ный полупроводник-диэлектрик и расчета параметров спектральных профилей эффективных восприимчивостей;

- экспериментально исследованы магнитоиндуодрованные эффекты при генерации ВГ в эпитаксиальных пленках феррит-гранатов, предложен механизм, объясняющий эти явления, основанный на интерференции магнитоиндуцированных и не зависящих от внешнего магнитного поля объемных и поверхностных вкладов в генерацию ВГ;

- впервые экспериментально исследованы особенности гиперрэле-евского и рэлеевского рассеяния света в трехмерном неупорядоченном ансамбле нанокристаллитов серебра в ультрадисперсных фотоэмульсиях и в тонких пленках сегнетоэлектрических керамик; обнаружена зависимость характера нелинейно-оптического отклика сегнетоэлектрических керамик от размера области локализации нелинейных источников; получены оценки для корреляционных длин пространственных флуктуаций нелинейных поляризаций;

- впервые методом генерации ВГ экспериментально исследована симметрия структуры пористого кремния; определены режимы анодного травления, при которых формируется квазиупорядоченная структура с симметрией, близкой к С2и-

На защиту выносятся следующие положения.

1. Зависимость интенсивности ЭВГ от потенциала металла для гладкой границы раздела серебро-электролит имеет вид, близкий к параболическому для потенциалов от -1,3 до -0,5 В в широком диапазоне углов падения зондирующего излучения. Для описания ЭВГ применима модель электроиндуцированной поверхностной нелинейности пространственно ограниченного газа электронов проводимости при линейной зависимости параметра Рудника-Штерна а от потенциала металла в указанном диапазоне потенциалов.

2. Феноменологическая модель генерации ЭВГ в центросиммет-ричных полупроводниках, учитывающая объемные и поверхностные электроиндуцированные и не зависящие от электростатического поля вклады в генерацию ВГ. Методика выделения компонент квадратичного нелинейно-оптического отклика границы раздела центросим-метричный полупроводник-диэлектрик и расчета параметров спектральных профилей эффективных квадратичных восприимчивостей.

3. Наличие нечетных по намагниченности магнитоиндуцирован-ных изменений интенсивности ВГ в тонких эпитаксиальных пленках феррит-гранатов, составляющих -0,1 от среднего уровня сигнала. Феноменологическая модель, объясняющая эти эффекты интерференцией магнитоиндуцированных и не зависящих от внешнего магнитного поля объемных и поверхностных вкладов в генерацию ВГ.

4. Результаты экспериментального исследования гиперрэлеев-ского и рэлеевского рассеяния света нанокристаллитами серебра е ультрадисперсных фотоэмульсиях и тонкими пленками сегнетоэлек-трических керамик. Локализация основного максимума диаграммы направленности ГРР в направлении нормали к поверхности. Интерпретация результатов в модели нелинейно-оптического отклика трехмерного неупорядоченного ансамбля металлических наночастиц (для фотоэмульсий) и квазидвумерного неупорядоченного ансамбля анизо тропных излучателей с ориентационным беспорядком (для пленоь сегнетоэлектриков).

5. На поверхности образцов пористого кремния при определен ных режимах анодного травления формируется квазиупорядоченнау структура с симметрией, близкой к C2v> что приводит к анизотропии

ВГ соответствующего вида.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались нг следующих конференциях: CLEO/Europe'94, Амстердам, Нидерлан ды, 1994; QELS'96, Анахайм, США, 1996; CLEO J Europe'96, Гам бург, ФРГ, 1996; EMRS'96, Страсбург, Франция, 1996; ECOSS 16 Генуя, Италия, 1996; QELS'97, Балтимор, США, 1997; MRS Spring'97, Сан-Франциско, США; ПОЛУПРОВОДНИКИ'97, ФИАН Москва, 1997; CLEO/IQEC'98, Сан-Франциско, США.

По теме диссертации опубликовано 8 статей, список которы: приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Объем диссертации 189 страниц, включая список литературы, 39 рисунков и 1 таблицу. Список цитированной литературы содержит 154 наименования, включая публикации автора по теме диссертации.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ Глава 1. НЕКОТОРЫЕ АСПЕКТЫ ТЕОРИИ ГЕНЕРАЦИИ ВТОРОЙ ГАРМОНИКИ

В главе 1 приведен краткий обзор некоторых теоретических подходов к описанию генерации ВГ от границ раздела и тонких пленок, которые используются при интерпретации экспериментальных результатов диссертационной работы. Особое внимание уделяется генерации электроиндуцированной ВГ на поверхностях металлов и полупроводников, а также генерации магнитоиндуцированной ВГ. Первый параграф посвящен феноменологическому описанию квадратичного отклика границ раздела центросимметричных сред, в том числе генерации анизотропной ВГ. Приведена классификация дополнительных нелинейных источников, возникающих на границе раздела, изложены основы подхода Рудника и Штерна, рассмотрена генерация ЭВГ. Во втором параграфе приведен обзор некоторых микроскопических подходов к расчету нелинейно-оптических свойств поверхности. В последнем параграфе рассмотрены основные подходы к описанию генерации ВГ.в магнитных материалах.

Оригинальные результаты изложены в главах 2-4.

Глава 2. ГЕНЕРАЦИЯ ЭЛЕКТРОИНДУЦИРОВАННОЙ ВТОРОЙ ГАРМОНИКИ НА ВНУТРЕННИХ ГРАНИЦАХ РАЗДЕЛА СЕРЕБРО-ЭЛЕКТРОЛИТ И КРЕМНИЙ-ОКСИД КРЕМНИЯ

Первый параграф главы 2 посвящен экспериментальному исследованию генерации ЭВГ на гладкой границе раздела поликристаллическое серебро-электролит. Первый пункт содержит обзор литературы по данной теме, из которого следует, что характер зависимости интенсивности ВГ от потенциала поверхности металла /2ш(ср) не был

с достоверность определен. В большинстве источников указывалось на существенную асимметрию этой зависимости относительно точки потенциала нулевого заряда (ПНЗ) поверхности металла. Такая зави-

симости объяснялась в рамках механизма, связанного с резонансньп усилением ВГ в области анодных потенциалов адсорбционными пс верхностными состояниями, образованными гидроксил-ионами с пс верхностью серебра. Основной целью представляемых здесь исследс ваний было выяснение характера зависимости /2ш(ф) и определени

механизма генерации ЭВГ на гладкой поверхности металла.

Исследования проводились в р-р геометрии на гладкой поверхнс сти поликристаллического серебра в ОДМ водном растворе КС1 трехэлектродной электрохимической ячейке. Полусферическое окн ячейки позволяло изменять угол падения зондирующего излучения : диапазоне от 30 до 85°. Источником зондирующего излучения служи, лазер АИГ:М23'Ь (Я.=1064 нм) с длительностью импульса -15 не. Гла дкая поверхность получалась путем механической полировки поли кристалла серебра с последующим термическим напылением пленю серебра толщиной 30-50 нм и катодной поляризацией в ячейке. Кри терием субмикроскопической гладкости поверхности служило отсут ствие «-поляризованной компоненты ВГ. Экспериментальные завися

мости приведены на рис. 1 В общем случае зависи мость /2ш(ф) не имеет яр

ко выраженной асиммет рии относительно точю ПНЗ, составляющего дл; серебра в водном раство ре КС1 около - 0,9 В.

Во втором параграфа экспериментальные дан ные интерпретируются ] рамках феноменологичес кого подхода Рудника ] Штерна. В этой модел] генерации ВГ на гладко) поверхности металла опи сывается одним комплек сным параметром, харак теризующим эффектив ность возбуждения нор

6

1р, а.и. ■ 2

4 1 ■ Г , 1 /А

2 ■ _ I «\ \ \ \

0 . _* у л—^^ х , 1 1

-0.5 -1-0 <р, к

Рис. 1. Зависимости интенсивности р-поляри-зованной ВГ от потенциала <р для гладкой поверхности поликристаллического серебра. Угол падения 6=75° (1), 60° (2), 45° (3) и 30° (4).

мальной компоненты поверхностного тока на удвоенной частоте (параметр а). В случае генерации ЭВГ параметр а зависит от зарядового состояния поверхности, которое определяется потенциалом металла. В пренебрежении малыми мнимыми частями диэлектрических констант эффективность генерации ВГ можно записать в следующем виде:

Ijjr=m)

fl(cp) +

sin2 О

(1)

где - подгоночный параметр, учитывающий эффективность сбора сигнала ВГ приемной системой. Формула (1) допускает решение обратной задачи относительно я(ф) путем минимизации функционала, представляющего собой квадратичную форму относительно Кф), Rea(<p) и ja(cp)|2. Этот функционал минимизировался путем численного решения системы линейных уравнений относительно значений К(9) и значений Rea и Iа\ , заданных на сетке по <р. Результаты рас-

б1 | Im «I

4- \ • - / y" y

2- ____

0- -0 5 Vv-^úf V.V

-2- ....

-4- ч \ ч

-6 -R- Re á

-10-

Рис. 2. Зависимости действительной и мнимой частей параметра а от потенциала металла. Пунктир -|1та(ср)|- Штриховые линии - доверительный интервал. Вертикальные прямые ограничивают интервал, в котором Яеа(ф) и Гта(ф) линейны в пределах ошибок. Тонкие сплошные наклонные прямые - результат линейной аппроксимации Яеа(ф) и 1та(1р) а этом интервале.

чета приведены на рис. 2 сплошными линиями.

Штриховые линии обозначают доверительный интервал, определенный как дисперсия Rea и Ima при

варьировании /2щ(ф) в пределах

погрешности эксперимента. Знак Ima не может быть восстановлен в рамках описываемого здесь метода. Характер (монотонность) и знак Ima(cp) были выб-

раны из соображений качественного соответствия расчетам ab initio параметра а, выполненным методом функционала плотности и известным из литературы. На рис. 1 сплошными линиями показана аппроксимация экспериментальных данных выражением (1) с помощью рассчитанных зависимостей Rea(cp) и Ima(cp).

Линейность Rea(<p) и Ima(cp) в широком диапазоне потенциалов вблизи ПНЗ свидетельствует о том, что основной механизм ЭВГ на гладкой поверхности металла связан с электроиндуцированной поверхностной нелинейностью пространственно ограниченного газа электронов проводимости. Однако существуют и другие вклады в генерацию ВГ, связанные, в том числе, с адсобцией. Так, немонотонность Rea(<p) в окрестности <р= - 0,5 В обусловлена, по-видимому, специфической адсорбцией ионов хлора.

В третьем и четвертом параграфах рассмотрена генерация ЭВГ на границе раздела центросимметричный полупроводник-диэлектрик на примере границы Si(001)-Si02. Цель этих исследований — построение модели генерации ЭВГ в таких системах, основанной на интерференции вкладов во ВГ от различных нелинейных источников, и методики выделения этих вкладов из экспериментальных данных. Модель включает пять нелинейных источников (поляризаций на частоте ВГ):

+ (2)

где P^Jnis и Р^] ~ квадрупольные анизотропный (по азимутальному

углу поворота образца) и изотропный вклады объема кремния; Р^ —

дипольныи вклад границы раздела; ■ £ и И*£ - электроиндуциро-

ванные вклады источников, локализованных, соответственно, в объеме кремния и в приграничном слое.

Эффективность генерации ВГ определяется выражением

2й

Ф)

+^\2a)jG(a,z)E0(z)d2

+

^(«)[Х12)(2Ш) + Х13)(2И)£0(0)]

Здесь хП™* и Уль ~ анизотропная и изотропная объемные квадру-

польные эффективные восприимчивости кремния; - объемная изотропная дипольная восприимчивость кремния, сворачивающаяся со статическим электрическим полем £0(г); у}^ и - квадратичная и кубичная дипольные восприимчивости границы раздела; ось г направлена по нормали вглубь полупроводника, 2=0 на границе раздела 5г-&'С>2; Ръ и ^ - факторы Френеля; 0(а>,г) ~ функция

Грина, учитывающая эффекты запаздывания и поглощения. Распределение поля Е0(г) в области пространственного заряда полупроводника находится как решение уравнения Пуассона в рамках Ферми-статистики носителей. Рассматривается случай нерезонансного зондирующего излучения при резонансной ВГ. Формы спектральных

линии описываются одиночными лоренцевскими контурами:

(

7. - а

Р + -

ш - со 0 + /5

(4)

причем центральные частоты и полуширины полагаются одинаковыми попарно для поверхностных и объемных изотропных вкладов. В случае объемных вкладов рассматривается резонанс в первой критической точке кремния. В случае отклика границы раздела этот резонанс может быть сдвинут, но также предполагается одиночным.

Методика решения обратной задачи относительно спектральных параметров эффективных восприимчивостей в выражении (3), изложенная в данной главе работы, отрабатывалась на примере экспериментальных данных по спектроскопии анизотропной ЭВГ от границы раздела кремний-оксид кремния в Б^ООО-БЮ^Сг МОП структуре. Экспериментальные данные представляют собой набор зависимостей /2м(»у), измеренных при различных частотах накачки и значениях

внешнего напряжения, приложенных между объемом кремния и полупрозрачным хромовым электродом, толщиной 3 нм, напыленным на слой оксида толщиной 8,7 нм. Источником зондирующего излучения служил фемтосекундный лазер на кристалле сапфира, легированного титаном, перестраиваемый в диапазоне длин волн 710-800 нм.

Анизотропная компонента поля ВГ выделялась с помощью разложения Фурье зависимостей ^(ч7) по УГЛУ Ч7 с учетом нулевой, четвертой и восьмой гармоник, затем аппроксимировалась выражением

0.10

• о.о» д

Л

- 0.0« / [

0.04 /

- »ппр

2+1«, »В

З.К 3.20 3.2$ 5.30 3.35 3.40 3.4$ З.К

30 3.35 3.40 3.45 3.50

1.4 1.2

1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0

а: .О

X

-10 -8 -6 -4 -2

и,.,|,и-8В |£„1.и»8В.«пяр.

|£.,|,и-0В.аппр.-|£1.,|,и--1В - |£л|,и--1 В, аппр.

"Г"

2.2 2.0 1.8 1.6 1.4 1.2 1.0

-8 -6 -I -2 0 2 4 ( 8 10 Внешнее напряжение, В

Рис. 4. Зависимости абсолютны: значений изотропной компоненть

3.10 3.15 3.20 3.25 3.30 3.35 3.40 3.45 3.50

2й<0, эВ

Рис. 3. Зависимости абсолютных значений Поля ВГ (Е„) от приложенной

изотропной (£„) и анизотропной {ЕапЬ) внешнего напряжения (экспе

(вставка) компонент поля ВГ от энергии риментальные значения и резу фотона ВГ (экспериментальные значения и ЛЬТат аппроксимации); к - длин;

результат аппроксимации). волны зондирующего излучения.

(4) (рис. 3). Изотропная компонента поля ВГ аппроксимировалась выражением (3). с учетом распределения Е0(г) со спектральными

параметрами восприимчивостей (4) в качестве подгоночных. По результатам подгонки (рис. 3, 4) объемные восприимчивости имеют резонанс при энергии фотона ВГ 3.38 эВ с полушириной 0.07 эВ, поверхностные - около 3.25 эВ с полушириной порядка 0.2 эВ.

о

0.6

0.4

Глава 3. ГЕНЕРАЦИЯ МАГНИТОИНДУЦИРОВАННОЙ ВТОРОЙ ГАРМОНИКИ В ТОНКИХ ПЛЕНКАХ ФЕРРИТ-ГРАНАТОВ.

Данная глава посвящена экспериментальному исследованию МВГ в тонких эпитаксиальных пленках висмут-содержащих феррит-гранатов. В первом параграфе приводится обзор литературы, посвященной экспериментальным исследованиям и формализму описания МВГ. Второй параграф содержит описание экспериментальных исследований и обсуждение механизма наблюдаемых эффектов.

Были исследованы образцы тонких (несколько микрон) эпитакси-альных пленок (Ш.Сй.Еи)$(Ге,Са)¿0/2 на немагнитной подложке

ориентации (210) и (111). Ивточником зон- N дарующего излучения служил лазер АИГ:Д^3+ (/.=1064 нм) с длительностью импульса ~15 не. На рис. 5 представлены зависимости интенсивности ВГ от азимутального угла /2м(\у) для пленки ориентации

(210) с осью легкого намагничивания, направленной под углом 5° к нормали. Измерения проводились в геометрии нелинейно-оптического эффекта Фарадея (генерация ВГ напросвет, магнитное поле перпендикулярно пленке) при параллельных поляризациях зондирующего излучения и ВГ. Значения намагниченности М(+) и М(-) соответствуют противоположным ориентациям магнитного поля, близкого к насыщающему. Сплошные линии - результат аппроксимации, соответствующей симметрии квадратичного отклика грани (210) монокристалла класса тЗт. Из рисунка виден сдвиг зависимости по

у и значительное (порядка 0.1 от среднего) изменение интенсивности ВГ в максимуме кривой при смене знака намагниченности. На рис. 6 приведены зависимости амплитуд и фаз второй и шестой азимутальных Фурье компонент -^»(у) от величины внешнего поля.

Магнитоиндуцированные изменения нечетны по намагниченности.

Азимутальный угол, град.

Рис. 5. Азимутальная анизотропия МВГ для пленки феррит-граната ориентации (210) в геометрии эффекта Фарадея при параллельных поляризациях накачки и ВГ.

N

я

2 I

-100 0 ICO «JO О 100

Напряженность магнитного поля, Гс

Рис. 6. Зависимости амплитуды и фазы второй (а, б) и шестой (в, г) азимутальных Фурье компонент интенсивности ВГ (зависимость на рис. 5) от напряженности магнитного поля.

Нечетные изменения интенсивности МВГ наблюдались также в геометрии нелинейно-оптического экваториального эффекта Керра (магнитное поле в плоскости образца и перпендикулярно плоскости падения) для образца ориентации (111) с осью легкого намагничивания в плоскости пленки. Максимальные относительные изменения интенсивности достигаются при азимутальной ориентации образца, соответствующей параллельности оси легкого намагничивания и внешнего поля, и составляют 5=0.1 (рис. 7). При повороте образца на 90° изменений интенсивности не наблюдается.

Для этого же образца были исследованы магнитоиндуцированные изменения фазы волны ВГ методом интерферометрии ВГ. Этот метод заключается в исследовании интерференции волн ВГ от образца и эталонного объекта в волновой зоне. Эталон помещается перед образцом; в зеркальном направлении распространяются две волны ВГ, одна из которых - отклик образца, вторая - эталона (отраженная от образца). Изменяя разность фаз этих волн посредством варьирования воздушного зазора между образцом и эталоном, по интерференционной картине можно определить относительную фазу отклика образца. На рис. 8 приведена зависимость интенсивности МВГ от положения эталона, измеренная в р-р геометрии. Изменение фазы волны ВГ при смене знака насыщающего магнитного поля ф=25°. Зная относительное изменение интенсивности МВГ и величину сдвига фазы, можно

7

-0 6 чм -0.2 0.0 0.2 0.4 Магнитное поле, кЭ

Рис. 7. МВГ от пленки феррит-граната ориентации (111) в геометрии экваториального эффекта Керра при р-по-ляризованной накачке.

5 10 15

Положение эталона, см Рис. 8. Зависимость интенсивности МВГ от положения эталона для пленки феррит-граната ориентации (111) в геометрии экваториального эффекта Керра при р-поляризованном излучении накачки и ВГ.

определить отношение амплитуды поля магнитоиндуцированного вклада к амплитуде поля вклада, не зависящего от внешнего поля с, и разность фаз этих двух волн а. При 8=0.1 и ср=25° получим §=0,23 и а=78°.

В случае резонансной ВГ (или накачки) нечетные эффекты возникают из-за интерференции магнитоиндуцированных и не зависящих от внешнего поля объемных вкладов в генерацию ВГ. В полосе прозрачности (а именно такая ситуация, по-видимому, реализуется в нашем случае) такой интерференции не происходит. В этом случае элементы тензора квадратичной восприимчивости являются действительными величинами, в то время как элементы тензора кубичной магнитоиндуцированной восприимчивости, сворачивающегося с аксиальным вектором намагниченности - мнимые. В дипольном приближении и в предположении независимости объемных восприимчиво-стей от г (ось г направлена по нормали к поверхности) поле ВГ от объемных источников описывается выражением

<я . ,

= |0У(70 = 0,)аг = '-¡ЖХ%Ек(ф= 0)Яг(о> ,г = 0), (5)

о

. , ОО

где -1-= |с,..(0,2)е'2/**г£&> элементы и %;И - действительные ве-о

личины, б - функция Грина, дк - разность волновых векторов накачки и ВГ. Магнитоиндуцированная объемная компонента поля ВГ:

£,^(2со)|го=о = = 0)Е,(* ,г = 0)МЯ(0), (6)

где элементы - действительные. В то же время поля ВГ от поверхностных источников определяется выражениями

£/(2со)о:у^ЛНВД. ЕГ^) «¡-¿шЛ^Ш^М (7)

где элементы и действительные величины. Видно, что ин-

тегрирование по г в выражении (5) приводит к появлению дополнительной мнимой единицы. При этом объемный магнитоиндуцирован-ный вклад интерферирует с поверхностным не зависящим от намагниченности, а поверхностный магнитоиндуцированный - с объемным не зависящим от намагниченности, что и приводит к нечетным по намагниченности эффектам. В отсутствие поверхностного магнитоиндуцированного вклада при ^=0,23 и а=78° для не зависящих от намагниченности вкладов |£,Х|/|.ЕВ|=0,4.

Глава 4. ГЕНЕРАЦИЯ ВТОРОЙ ГАРМОНИКИ И ГИПЕРРЭЛЕ ЕВСКОЕ РАССЕЯНИЕ В СЛУЧАЙНО-НЕОДНОРОДНЫХ СРЕДАХ.

Данная глава посвящена исследованию свойств квадратичного от клика случайно-неоднородных сред. Наличие случайной пространст венной неоднородности системы приводит к появлению некогерент ной рассеянной компоненты отклика на частоте ВГ - гиперрэлеев скому рассеянию. Характер квадратичного отклика - доля когерент ной компоненты, диаграмма направленности ГРР и ее зависимость о' длины волны и угла падения зондирующего излучения, а также о' азимутальной ориентации образца - определяется в этом случае кор реляционной функцией поляризации на удвоенной частоте. Прост ранственные флуктуации поляризации связаны, во-первых, с флукту ациями нелинейной восприимчивости, во-вторых, с флуктуациям! факторов локального поля (ФЛП) на частотах накачки и ВГ. Об; этих фактора связаны с особенностями структуры исследуемой сис темы. Таким образом, знание взаимосвязи между параметрами нели нейного отклика и структурой объекта позволяют использовать нели нейно-оптические методы для исследования статистических парамет ров структуры дисперсных систем. Именно на определение этой вза имосвязи и направлены исследования, описываемые в данной главе.

Первый параграф главы 4 посвящен феноменологическому описа нию ГРР в случайно-неоднородной пленке. В первом пункте описа( общий вид структуры квадратичного отклика случайно-неоднородной среды. В двух следующих пунктах рассмотрены модели случайно неоднородных полубесконечной и квазидвумерной сред с гауссово! корреляционной функцией квадратичной поляризации. Это — прос тейшая модель, игнорирующая особенности структуры ФЛП; флук туации восприимчивости и ФЛП рассматриваются в совокупности При этом необходимо вводить предположение о виде корреляционно! функции нелинейной поляризации, которая выбирается обычно I виде гауссова профиля:

П(г) сс ехр|- г2 / £С20Г| , (8)

где Ьсог- длина корреляции нелинейных источников. В этой модели

/2а(30,9) сс - к0ц|2| = ехр{-(2* Ьсог / Х)2(5т9 - 5тЗ0)2}, (9)

где к0ц и Агц- тангенциальные проекции волновых векторов зондирующего излучения и рассеянной волны ВГ, 30 и 9 - углы падения и рассеяния, отсчитываемые от нормали к поверхности, Х- длина волны ВГ. В системах с сильной неоднородностью может реализовывать-ся ситуация, когда длина корреляции квадратичной восприимчивости мала, возбуждаемая в среде нелинейная поляризация случайна и практически не связана с направлением распространения волны накачки. В этом случае корреляционная длина полной поляризации на частоте ВГ определяется корреляционной длиной ФЛП. Для оценки £сог можно использовать формулу (9), полагая &0ц=0 для всех $0.

Далее рассмотрена модель ГРР в трехмерном неупорядоченном ансамбле малых металлических частиц, по форме близких к сферической, в диэлектрической матрице. Рассмотрены два механизма возбуждения нелинейной поляризации. Первый, "дипольный", связан с малыми случайными отклонениями формы частиц от сферической. При этом в частице излучением накачки индуцируется случайный дипольный момент на частоте ВГ, поле которого, в свою очередь, линейно индуцирует поляризацию в соседних частицах. Второй механизм, "квадрупольный", заключается в индуцировании волной накачки квадрупольного момента на удвоенной частоте в сферических частицах. Поле этого момента индуцирует в соседних частицах поляризацию, пространственное распределение которой случайно в силу случайности расположения частиц. В рамках данного подхода найдены выражения для интенсивности ГРР в зависимости от углов падения и рассеяния в различных поляризационных геометриях.

Во втором параграфе описаны экспериментальные исследования ГРР в ультрадисперсных фотоэмульсиях, предварительно экспонированных мощным излучением. Данная система представляет собой неупорядоченный ансамбль кластеров серебра в диэлектрической матрице. В спектре поглощения наблюдается пик при длине волны 530 нм. В качестве источника зондирующего излучения был использован лазер АИГ:А^3+ (Х=Ю64 нм) с длительностью импульса -15 не. Частота ВГ в данном случае попадает в область резонанса системы.

На рис. 9 представлены диаграммы направленности ГРР в фотоэмульсиях для четырех поляризационных геометрий и двух значений угла падения. Отсутствие пика в зеркальном направлении свидетель-

20 40 «0 «О

■60 -»0 -20

б 20 40 60 «0 -20 0 20 40 Угол рассеяния, град.

Рис. 9. Диаграммы направленности ГРР в фотоэмульсиях.

ствует о малости когерентной компоненты ВГ. Более точную информацию дает метод интерферометрии ВГ в сходящемся пучке: в р-р геометрии интенсивность когерентной компоненты примернс в 100 раз меньше интенсивности основногс вклада. Максимум диаграммы направленности локализован е направлении

нормали к поверхности, что свидетельствует о малости корреляцион ной'длины квадратичной восприимчивости и преобладании механиз мов корреляций, связанных с ФЛП. Оценка корреляционной длинь нелинейных источников по формуле (9) дает £.с~50 нм.

На рис. 9 сплошными линиями показан результат аппроксимацш экспериментальных данных в рамках модели ГРР в ансамбле малы? металлических частиц. При этом рассматривался только "дипольныи механизм возбуждения нелинейной поляризации, связанный с нере гулярностью формы частиц, дающий в данном случае основной вкла; в сигнал ГРР. Отклонения экспериментальных точек от модельные кривых, включая зависимость от угла падения и поляризации накач ки, обусловлены вкладом, связанным с "квадрупольным" механизмом и эффектами, не учтенными моделью. По результатам аппроксима ции, средний диаметр частиц составляет около 33 нм, а минимально« расстояние между центрами соседних частиц — около 77 нм. Эп оценки хорошо соотносятся с оценкой Ьс, полученной по формуле (9)

Более того, они совпадают со значениями, ожидаемыми исходя из параметров использованных фотоэмульсий и способа приготовления образцов. Значение эффективного ФЛП, определяемого как отношение поляризации, индуцируемой внешним полем в частице, взаимодействующей с соседними частицами, к поляризации, индуцируемой тем же полем в одиночной частице, а^б.

Третий параграф посвящен экспериментальному исследованию свойств квадратичного отклика тонких поликристаллических пленок сегнетоэлектрических керамик Pbx(Zro.5зTio.47) <Яз (ЦТС), приготовленных золь-гель методом с последующим отжигом. Такая технология позволяет получить пленки, состоящие из столбчатых микрокристаллитов с поперечным размером, изменяющимся в пределах 100 -1000 нм. Тем самым, пленки ЦТС представляют собой удобный объект для исследования свойств ГРР в квазидвумерном ансамбле

элементарных излучателей с ориен-тационным беспорядком.

В экспериментах использовалось излучение накачки с длиной волны 765 нм лазера на кристалле сапфира, легированного титаном с длительностью импульса около 100 фс. Квадратичный отклик пленок ЦТС (рис. 10) состоит из двух компонент: когерентной (пик в зеркальном направлении), и некогерентной (ГРР с максимумом диаграммы направленности, локализованным вблизи нормали к поверхности пленки). Регулярная компонента отклика существенно анизотропна во всех четырех основных поляризационных геометриях, что объясняется, по-видимому, существованием направления преимущественной ориентации кристаллитов в пленке. Форма диаграмм направленности ГРР практи-

-20 0 20 40 60

^ис. 10. Диаграммы направленности ТР в пленках сегнетоэлектриков.

чески не зависит от азимутальной ориентации образца и слабо зависит от угла падения зондирующего излучения. Максимум диаграммы направленности сдвинут от нормали в сторону направления зеркального отражения. Оценка длины корреляции полной поляризации на частоте ВГ по формуле (9) со значением £0ц, соответствующим

положению максимума диаграммы направленности, дает Ьс~70 нм, что по порядку величины совпадает с характерным размером микрокристаллитов в пленке.

Четвертый параграф посвящен исследованию генерации ВГ в пленках пористого кремния (ПК). Образцы ПК получены анодным трав лением 81(100) р-типа в растворе НР.Н20:С2Н50Н = 112. Плотноет{ тока и время анодирования варьировались в пределах /=£н-50 мА/ см2 и т=2с-ь1час. В качестве источника зондирующего излучения служи.) лазер АИП-Ш34" (/.= 1064 нм) с длительностью импульса -15 не. Длг образцов ПК, полученных при />45 мА/см2, а также меньшими тока ми, но при х>5-ьЮ мин, сигнал ВГ изотропен. Для образцов, анодиро вавшихся при /¿45 мА/см2 и т<5 мин, отклик на частоте ВГ анизо тропен, локализован в зеркальном направлении при ширине диаграм мы направленности -5°. Это соответствует ¿¿-£+5 мкм (оцененка П' формуле (9)). Зависимость интенсивности ВГ от азимутальной ори ентации образца имеет вид ^(ц^-ы^фц/). Такой характер анизотрс пии, соответствует С^ симметрии структуры исследуемого объекта.

Исследования поверхности ПК с помощью атомно-силовой микре скопни показывают, что для образцов с анизотропным квадратичны откликом характерно присутствие квазиупорядоченной структурь состоящей из длинных каньонов с характерные масштабами 20*30 н по высоте и 20ч-50 нм в поперечном направлении. Ориентация каны нов с точностью 5° совпадает с кристаллографическим направление <001 > подложки. Поверхность образцов с изотропным откликом бе структурна и имеет гораздо меньшую жесткость.

Пороговые изменения в характере квадратичного отклика и мо фологии поверхности при увеличении плотности тока анодного тра ления, происходящие при /=45 мА/см2, сопровождаются пороговык изменениями в спектре фотолюминесценции ПК, что позволяв сделать вывод о взаимосвязи структурных, нелинейно-оптических люминесцентных свойств ПК.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Экспериментально исследованы зависимости /2м(ф) интенсивности второй гармоники (ВГ) от потенциала металла для гладкой границы раздела серебро-электролит в широком диапазоне углов падения зондирующего излучения при контроле гладкости поверхности in situ. Показано, что для всех значений угла падения эти зависимости имеют вид, близкий к параболическому, в отличие от результатов предыдущих работ, в которых указывается на ступенчатый характер зависимости /2ш(ср)- Из экспериментальных данных рассчитаны значения параметра Рудника-Штерна а, описывающего эффективность возбуждения нормальной компоненты поверхностного нелинейного тока. • Показано, что зависимости Rea(<p) и Ima(cp) линейны в достаточно

широком диапазоне потенциала (от -1,2 до -0,5 В), что подтверждает возможность описания процесса генерации электроиндуцированной ВГ в серебре в рамках модели электроиндуцированной поверхностной нелинейности пространственно ограниченного газа электронов проводимости. Показано, что Inw(cp)=0 при ср« -0,9 В, т.е. значении,

соответствующем потенциалу нулевого заряда поверхности металла.

2. Развита феноменологическая модель, описывающая генерацию электроиндуцированной ВГ в центросимметричных полупроводниках, учитывающая как объемные, так и поверхностные электроиндуциро-ванные и не зависящие от электростатического поля вклады в генерацию ВГ. В модели учитывается также неоднородность распределения электростатического поля в области пространственного заряда в полупроводнике, спектральная зависимость компонент эффективных квадратичных восприимчивостей системы, эффекты запаздывания и поглощения волн ВГ и основной частоты в объеме кремния, фотогенерацию свободных носителей при возбуждении мощными сверхкороткими импульсами зондирующего излучения. В рамках данной модели, исходя из экспериментальных данных по спектроскопии анизотропной электроиндуцированной ВГ в Si(001)-Si02-Cr МОП структуре, рассчитаны компоненты эффективных восприимчивостей границы раздела Si-Si02■ Показано, что вклад поверхности в генерацию ВГ по интенсивности в 40 раз меньше, чем вклад объема. Вычислены параметры модельных спектральных профилей эффективных нелинейных восприимчивостей: объемная восприимчивость имеет

резонанс при энергии фотона ВГ 3.38 эВ с полушириной 0.07 эВ поверхностная - около 3.25 эВ с полушириной порядка 0.2 эВ.

3. Экспериментально исследованы магнитоиндуцированные эффек ты (нелинейно-оптические магнитные эффекты Фарадея и Керра) npi генерации ВГ в тонких эпитаксиальных пленках феррит-гранатов, ле тированных висмутом и имеющих ориентацию (210) и (111). Поворо плоскости поляризации волны ВГ в случае эффекта Фарадея состг вил -7°. Обнаружены нечетные по намагниченности магнитоиндуцк рованные изменения интенсивности ВГ, составляющие для случа насыщающих внешних полей -ОД от среднего уровня сигнала. Заре гистрирован магнитоиндуцированный сдвиг фазы волны ВГ порядк 25°. Предложена феноменологическая модель, объясняющая эт эффекты интерференцией магнитоиндуцированных и не зависящих о внешнего магнитного поля объемных и поверхностных вкладов генерацию ВГ в оптически прозрачной среде.

4. Экспериментально исследовано гиперрэлеевское (ГРР) и рэл< евское рассеяние света нанокристаллитами серебра в ультрадиспер< ных фотоэмульсиях, экспонированных мощным излучением, и в toi ких пленках сегнетоэлектрических керамик. Обнаружена локализ; ция основного максимума диаграммы направленности ГРР в Hanpai лении нормали к поверхности. Изучена зависимость диаграммы на| равленности ГРР от угла падения зондирующего излучения. Исслед! вана тонкая структура пространственного распределения сигнала диаграммах направленности ГРР и рэлеевского рассеяния в пленкг сегнетоэлектриков, возникающая при уменьшении диаметра лазерн го пятна от 300 до 30 мкм; изучено влияние размеров лазерного пя на на характер азимутальной анизотропии квадратичного отклика, случае фотоэмульсий результаты интерпретированы в модели ГРР трехмерном неупорядоченном ансамбле металлических наночасти Получены следующие оценки параметров системы. Диаметр части 33 нм; минимальное расстояние между центрами соседних частиц: 1 нм, фактор усиления локального поля: 6. В случае пленок сегнет электриков результаты интерпретированы в модели ГРР в квазидв мерном неупорядоченном ансамбле анизотропных излучателей гауссовой корреляционной функцией пространственных флуктуаш поляризации на частоте ВГ. Получена оценка корреляционной длщ этих флуктуаций, составившая 70 нм.

5. Методом генерации анизотропной ВГ исследована симметрия груктуры пористого кремния. Определены режимы анодного травле-

ия (плотность тока не более 40 мА/см^, время травления в элек-ролите HF:Н20:С2Н50Н = 1:1:2 не более 10 мин.), при которых на оверхности пористого кремния образуется квазиупорядоченная труктура с симметрией, близкой к C2v- Данные этих исследований оррелируют с данными атомно-силовой микроскопии.

ПУБЛИКАЦИИ

1. О.А. Акципетров, А.В. Мельников, Т.В. Мурзина, А.А. Нику-ин, А.Н. Рубцов, О природе электроиндуцированной оптической торой гармоники на границе раздела металл-электролит/ /Доклады академии Наук • 1994 • Т.339, №4 - с.468-471.

2. О.А. Акципетров, А.В. Мельников, Т.В. Мурзина, А.А. Нику-ин, А.Н. Рубцов, Механизм генерации второй гармоники, индуци-ованной электрическим полем на границе раздела металл-электро-:ит//ЖЭТФ - 1994 - Т.106, №6(12) - с.1618-1627.

3. А.В. Мельников, Ю.Н. Моисеев, Т.В. Мурзина, Исследование труктуры пористого кремния методами генерации отраженной ¡торой гармоники и атомно - силовой микроскопии//ЖЭТФ - 1995 -М08, №2(8) - с.669-675.

4. О.А. Aktsipetrov, ЛЛ7. Melnikov, T.V. Murzina, А.А. Nikulin, l.N. Rubtsov, DC-electric-field-induced optica! second harmonic generation at the smooth metal-electrolyte interface//Surface science -995 - V.336 - p.225-231.

5. O.A. Aktsipetrov, A.V. Melnikov, Yu.N. Moiseev, T.V. Murzina, Z.W. van Hasselt, Th. Rasing, G. Rikken, Second harmonic generation ind atomic-force microscopy studies of porous silicon//Appl. Phys. -ett. - 1995 - V.64, No9 - p.l 191-1193.

6. O.A. Aktsipetrov, V.A. Aleshkev'tch, A.V. Melnikov, T.V. \iisuryaev, T.V. Murzina, V.V. Randoshkin, Magnetic field induced ¡fleets in optical second harmonic generation from iron garnet ilms//Journal of МММ - 1997 - V.165 - p.421-423.

7. O.A. Aktsipetrov, A.A. Fedyanin, A.V. Melnikov, J.I. Dadap, K.F. Ни, M.H. Anderson, M.C. Downer, J.K. Lowell, Electric-field-nduced second-harmonic generation spectroscopy of Si(00l)-Si02 inter-ace and separation of bulk and surface nonlinear contributions//Thin solid Films - 1997 - V.294, No 1,2 - p.231-234.

8. O.A. Aktsipetrov, A.A. Fedyanin, A.V. Melnikov, E.D. Mishina, md T.V. Murzina, Second Harmonic Generation as a Nondestructive Readout of Optical (Photo(electro)chromic and Magnetic) Memories // Jap. Journal of Appl. Phys. - 1998 - V.36, No48. p.48-53