Исследование фононного спектра низкоразмерных полупроводниковых и полимероподобных структур низкочастотной КР-спектроскопией тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ Н^УК ОРДЕНА ЛЕНИНА СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ИНСТИТУТ ФИЗИКИ им. Л.В.КИРЕНСКОГО

РГ6 од

- 8 ОКТ 1996

на правах рукописи

ШЕБАНИН Анатолий Павлович

ИССЛЕДОВАНИЕ -ЮНОННОГО СПЕКТРА НИЗКОРАЗМЕРНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ И П0ЛИМЕР0П0Д0кнЫХ СТРУКТУР НИЗКОЧАСТОТНОЙ КР-СПЕКТРОскоПИЕЙ

Специальность: 01.04.05-оптика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Красноярск 1996

Работа выполнена в и минералогии СО РАН

Объединенном институте геологии,геофизики

Научные руководители:

Доктор физико-математических наук В.Н.Новиков

Кандидат физико-математических наук В.А.Гаислер

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Доктор физико-математических наук, профессор В.В.Слабко

Кандидат физико-математических наук, доцент А.В.Сорокин

Институт автоматики и электрометрии СО РАН

Защита состоится .4*."г...1996 г. в 15 часов на заседании специализированного совета К 002,67.02 по присуждению ученой степени кандидата наук в Институте физики им. Л.В.Киренского СО РАН ( 660036, г.Красноярск,Академгородок)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института

Автореферат разослан.. .1996 г.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат физико-математических наук

А.Н.Втюрин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.Исследование новых физических явлений в полупроводниках и создание приборов тврдотельной электроники в значительной мере связаны с синтезированием материалов,обладающих неизвестными ранее свойствами.Логическим следствием развития технологии является тенденция к разработке полупроводниковых устройств на основе многослойных и периодических структур,которые обладают рядом принципиально новых по сравнению с однородными полупроводниками характеристик.Для их описания уже недостаточно фундаментальных параметров,характеризующих однородные материалы. Возникает необходимость использовать ряд дополнительных величин: геометрические размеры,ориентацию структуры относительно внешних полей,амплитуду изменения параметров и т.п.Все это расширяет возможность гибкого управления физическими свойствами полупроводниковых структур в широких пределах.

Полупроводниковые сверхрешетки /СР/ в настоящее время являются одним И8 наиболее интересных объектов в физике твердого тела. Это связано как с важным прикладным значением таких материалов так и с необычностью и разнообразием физических явлений в них происходящих.Особенно это относится к динамике и электродинамике полупроводниковых СР.

Благодаря развитию техники молекулярно-лучевой эпитак-сии,позволяющей выращивать кристаллические перемежающиеся слои двух полупроводников нанометровых пространственных периодов,первые СР были синтезированы в 1971 году.Возможность изготовления приборов твердотельной электроники была обеспечена изучением электронных свойств легированных и нелегированных СР и гетерост-руктур с множественными квантовыми ямами ( МКЯ ).

КР-спектроскопия полупроводниковых СР привлекает внимание по нескольким причинам. Она позволяет быстро оценивать их качество и , в частности, является методом изучения свертыванния акустической ветви фононной дисперсии в пределах приведенной зоны Бриллюэна, обусловленного новым периодом с! структуры.Исследова-ния последнего десятилетия убеждают в том ,что наряду с важней-

шими характеристиками фононных спектров СР, КР-спектроскопия обеспечивает измерение и ряда практически важных параметров, таких, как значения периодов СР и их флуктуации, величины механических напряжений.

Среди большого многообразия исследуемых и используемых в прикладных целях МКЯ и СР следует выделить две системы, представляющие наибольший интерес в классе соединений А3В5: это структуры СЗаАз-А1Аз и БаАз-1пАз.

МКЯ и СР БаАБ - А1Аэ являются модельными как для значительного числа исследований эффектов размерного квантования, так и для приборных разработок. Материалы ваАэ и А1Аз имеют хорошо согласующиеся постоянные решеток (5.6533А" и 5.6611А", соответственно) и.близкие коэффициенты теплового расширения (6.4*Ю~6К-1 и 5.2*1СГбК _1) , что позволяет получать МКЯ, СР наиболее высокого качества.

Постоянные решеток баАэ и ¡пАб, напротив, значительно отличаются, параметр несоответствия решеток составляет 7.17Система ОаАэ-1пАз может быть отнесена к модельной при рассмотрении сильно напряженных СР и МКЯ . Интерес к напряженным СР, гете-роструктурам неуклонно возрастает, что обусловлено, в частности, рядом успешных приборных разработок . По этой причине система БаАз-1пАз была выбрана объектом исследования в диссертационной работе. К моменту начала работы электронный спектр (ЗаАэ-1пАз был изучен достаточно подробно , но полностью отсутствовали данные о фононном спектре СР ЭаАз-1пАз.

В течение последнего десятилетия открылись перспективы широ-. кого применения стеклообразных и аморфных материалов в различных технологиях и технологических устройствах, что, в свою очередь, привело к бурному развитию физики неупорядоченных твердых тел -стеклообразных и аморфных диэлектриков и полупроводников, металлических стекол, полимеров, композитов, керамик и пр. Выяснилось, что свойства множества неупорядоченных материалов зависят от особенностей их структуры на масштабах среднего порядка, то есть нескольких нанометров. Иными словами, тенденция к микроминиатюризации в электронике, развитие'новых, в том числе биотехнологий и т.д., привели нас к пространственным масштабам 1СГ7 -10~9 метра. Появились даже новые термины - наноструктура, нано-

технология. Однако поиск путей целенаправленного получения неупорядоченных материалов с заданными свойствами в значительной мере сдерживается недостатком знаний о закономерностях их строения на этих масштабах, о спектре элементарных возбуждений и процессах структурной релаксации. Актуальность вопроса о структуре некристаллических тел возрастает в настоящее время из-за широкого проникновения аморфных материалов в приборы микроэлектроники (солнечные батареи и др.). Более того переход микроэлектронной технологии на нанометровый уровень требует знаний о структуре аморфных материалов на масштабах среднего порядка.

Характерной чертой НЧ КРС неупорядоченных материалов является низкочастотный так называемый бозонный пик. До последнего времени полной ясности в его происхождении не было. Развитие техники низкочастотной спектроскопии позволило наблюдать в спектрах пики, соответствующие колебаниям наночастиц, находящих-' ся в той или иной матрице. Проявление же размерных эффектов такого рода представляется важным как с точки зрения приложений -метод позволяет определять распределение по размерам нанонеодно-родностей в ультрадисперсионных средах, так и для объяснения природы низкочастотного пика. В частности, положение двух пиков - поверхностных колебаний и бозоннсгго, соотносятся между собой приблизительно также, как линейные размеры кластера и радиуса среднего порядка с поправкой на величину упругих констант.

Исходя из вышеизложенного цель диссертационной работы была сформулирована следующим образом.

Цель работы заключалась в изучении фононного спектра низкоразмерных полупроводниковых и полимероподобных структур, а также аморфных полупроводников, относящихся к двум разным(классам методом комбинационного рассеяния света. Для достижения сформулированной цели в работе решались следующие задачи:

1. Изучение фононного спектра СР с большим отношением соседствующих слоев, что обеспечивает наблюдение процесса свертки дисперсионных ветвей акустических фононов в максимально широком диапазоне.

2. Исследование размерного эффекта на германиевых наночас-тицах в стеклообразной матрице в спектре КРС.

3. Изучение особенностей низкочастотного спектра КРС аморф-

ных углеводородных пленок.

4. Исследование спектральной формы НЧ пика в спектре аморфных полупроводников, относящихся к двум разным классам, а также условий приготовления образцов на форму спектра в халькогенидных стеклообразных пленках.

Научная новизна работы. Все основные экспериментальные результаты, сформулированные в защищаемых положениях и выводах диссертационной работы, получены впервые.

------- экспериментально исследованы фононные спектры в

акустическом диапазоне СР БаАз-1пА5.

------- проведено наблюдение эффекта свертки акустических

ветвей фононной дисперсии в максимально широком диапазоне--число наблюденных дублетов достигало семи.

------- подбором технологических условий, получены герма-

нивые квантовые точки в прозрачной аморфной матрице, обнаружены их собственные акустические колебания.

------- наблюдался в полном спектральном диапазоне

КР-спектр наночастиц, не содержащий существенного вклада спектра матрицы иными словами, найдена система, наиболее удобная для изучения размерного эффекта в КР-спектроскопии.

------- получены данные,позволяющие предполагать полимеро-

подобность структуры аморфных углеводородных пленок.

------- показано, что аморфные полупроводники, относящиеся

к двум разным классам, обладают различной спектральной формой низкочастотного пика в спектре КРС.

Основные положения, выносимые на защиту:

1.Результаты экспериментального и теоретического исследования фононного спектра напряженных полупроводниковых СР на основе (ЗаАзЧпАз. Обнаружение и интерпретация спектров КРС на свернутых акустических фононах.

2.Построение дисперсии акустических фононов баАэ на основе данных КРС.

3.Обнаружение и интерпретация низкочастотных спектральных особенностей, соответствующих собственным акустическим колебани- • ям наночастиц германия.

4.Результаты и интерпретация данных КРС, указывающих на по-лимероподобность структуры аморфных углеводородных пленок.

5.Обнаружение и интерпретация различий низкочастотных пиков КРС в аморфных полупроводниках типа a-Ge и типа a-Se.

Практическая ценность диссертационной работы заключается в разработке локального, неразрушающего, бесконтактного метода контроля ряда важных структурных параметров CP (периода, толщин слоев материалов, образующих CP). Низкочастотное КРС оказалось весьма удобным методом исследования ультрадисперсных сред с характерным размером неоднородности 1-30 нм , обладающих большой оптической нелинейностью. Как показывается в диссертации, спектры неупругого рассеяния света несут информацию о размере, форме и концентрации нанокластеров, внедренных в ту или иную матрицу, По сравнению со стандартными методами, например, малоуглового рентгеновского рассеяния, этот метод более чувствителен в области очень малых размеров, < 2 нм.

Апробация работы. Результаты, включенные в диссертацию, были представлены на:

IV Всесоюзной конференции по спектроскопии комбинационного рассеяния света (Ужгород, 1989),'

V Международной конференции по сверхрешеткам и микроструктурам (Берлин, 1990),

1 Всесоюзном семинаре по оптическим методам исследования потоков ( Новосибирск, 1989 ),

20 Всесоюзном съезде по спектроскопии ( Киев, 1988 )

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, список которых приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, пяти глав и заключения, изложенных на 104 страницах ( включая 23 рисунка ), и списка литературы из 90 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы основные задачи исследования, показаны научная новизна и практическая ценность решаемых задач, а также приведено краткое содержание диссертации по главам.

В ПЕРВОЙ ГЛАВЕ приводятся краткое описание характеристик

- б -

приборов НЧ спектроскопии КРС и требования к ним, соблюдение которых необходимо для регистрации НЧ спектров наночастиц,аморфных сред и СР. Описываются также исследуемые образцы, технология их получения и условия измерения спектров.

Для возбуждения рассеяния использовались стандартные аргоновые ILA-120 газовые лазеры непрерывного действия, Свет лазера, если это было необходимо, очищался от паразитных плазменных компонент с помощью интерференционных фильтров или дифракционных решеток. Лазерный луч фокусировался на образец, диаметр лазерного пятна на образце контролировался микроскопом. Как правило, нами использовалась геометрия обратного рассеяния Рассеянный свет собирался в необходимом телесном угле системой из двух просветленных линз' с устраненными сферическими абберациями и направлялся на входную щель монохроматора.

На разных этапах работы использовались двойные дифракционные монохроматоры ДФС-24, ДФС-52, Jobin Yvon U-1000.Запись спектров осуществлялась в автоматическом режиме. Световой сигнал с выходной щели монохроматора регистрировался фотоэлектронным умножителем , охлаждаемом до температуры -30°С. Электрический сигнал с анодной нагрузкой ФЗУ направлялся в систему счета фотонов (ССФ) , обеспечивающую регистрацию сигнала в динамическом диапазоне 105, при этом обеспечивалась линейность не хуже 2Z. Условия записи спектров выбирались в соответствии с требуемым разрешением,точностью записи спектра, отношения "сигнал/шум".

Исследуемые в работе образцы полупроводниковых CP были выращены методом молекулярно-лучевой эпитаксии на установках серии "Катунь", разработанных в Институте физики полупроводников СО РАН, а также на установке R1BER-32P. Образцы выращивались на подложках GaAs и InAs, с ориентацией (001). Толщины слоев контролировались в процессе выращивания путем регистрации интенсивности зеркального рефлекса дифракции быстрых электронов, что обеспечивало высокую точность задания толщин слоев (на уровне одного' мономолекулярного слоя). Контроль роста структур по ос-цилляциям дифракции быстрых электронов был особенно актуален при выращивании напряженных полупроводниковых CP , его использование позволило получить высокосовершенные псевдоморфные структуры. Количество периодов в исследуемых полупроводниковых CP составля-

ло 50 - 100. Толщины слоев баАэ, А1А?, ¡пАэ в СР изменялись в широких пределах, но, как правило, не превышапи ?0 мономолекулярных слоев

ВО ВТОРОЙ ГЛАВЕ описываются результаты исследования напряженных СР 6аА5-1пАз. В главе приведены анализ эффекта свертывания акустических ветвей фононов и результаты экспериментального исследования этого явления— экспериментально изучен процесс свертки акустических ветвей фононной дисперсии в макимально возможном диапазоне. Возможность такого рода наблюдения была обеспечена выращиванием образцов, содержащих сверхтонкие слои одного материала и относительно толстые слои материала другого типа. Отмечено хорошее соответствие расчетных и экспериментальных значений частот наблюдаемых дублетов в спектре. Была определена также дисперсия продольного акустического фонона (ЗаАз путем " развертки " спектра, содержащего пики свернутых акустических фононов, полученная дисперсия хорошо соответствует имеющимся литературным данным.

Полупроводниковые сверхрешетки представляют собой принципиально новые фононные системы, имеющие спектр колебательных возбуждений существенно отличный от спектров полупроводниковых материалов, образующих СР . Естественно, фононный спектр СР наследует некоторые характеристики спектров компонент СР (например, частотный интервал), но при этом демонстрирует ряд новых колебательных возбуждений, присущих только СР, таких как: а) локализованные оптические фононы; б) свернутые акустические фононы; в) интерфейсные фононы; г) локализованные акустические фононы.

Оптические и акустические фононы в СР ведут себя принципиально различным образом: первые могут быть сильно локализованы в пределах одного слоя СР, в то время как акустические колебания как правило делокализованы. В том случае, если дисперсии фононов материалов, образующих СР, не перекрываются, фононы могут быть локализованы в слоях СР.

Если для оптических фононов возникновение локализованных колебательных возбуждений в СР является типичным, поскольку дисперсии фононов соседствующих слоев могут не перекрываться или перекрываться слабо , то в акустической области перекрытие дис-

персий есть всегда (начиная с и=0 ), что приводит к образованию в области перекрытия дисперсий делокализованных акустических фо-нонов СР.

В отличие от СР 6аАБ-А1Аз, где ветви оптических фононов ва-Аб и А1Аб не перекрываются , что существенно упрощает анализ фо-нонного спектра, в СР (ЗаАг-¡пАб частоты оптических фононов ее компонент различаются в меньшей степени и ветви оптических фононов (ЗаАБ, 1пАэ частично перекрываются.

Сильное механическое напряжение слоев СР (ЗаАг, 1пАз обусловленное рассогласованием параметров решеток БаАэ (а^б.бБ А°) и 1пАэ (аг-6.04 А"), приводит к дополнительному сближению частот оптических фононов. Большое рассогласование параметров решеток ваАэ и 1пАб накладывает также определенные ограничения на возможные значения и соотношения толщин слоев ОаАэ и 1пАз в СР. На полупроводниковой подложке с параметром решетки а (а < аг < &г) возможен синтез псевдоморфных СР-структур с периодом (6а-Аз)т(1пАз)п, содержащих одновременно сверхтонкие слои баАг и 1пАз, при этом т = п и не привышает нескольких единиц.

Экспериментальные результаты по .исследованию КРС на СР такого типа (0аАз)з(1пАз)4, выращенный на лодлжке 1пР (а-5.8б А") приведены в литературе. Следует, однако, отметить, что отчетливых данных об эффектах локализации оптических и свертке ветвей акустических фононов БаАБ-[пАэ СР не содержится. Другой вариант выращивания СР 0аАз-1пАз, позволяющий получать большое многообразие структур, заключается в синтезе СР с периодом (6а-Аэ)^(1пАб)1 на подложках баАг, либо СР с периодом (1пАз)к(6аАз)1 на подложках 1пАб, где 1 не превышает двух-трех , а к - не менее пяти и не ограничено сверху. В работе изучался фононный спектр СР (ЗаАз-1пАз на примере СР с периодом (6аАэ)к(1пАб)1 и (1пАз)к(6аАз)1, то есть СР 6аАз-1пАз, содержащих свертонкие слои материала одного типа (1= 1, 2) и относительно толстые слои материала другого типа. В спектрах КРС были обнаружены пики, соответствующие свертке ветвей акустических фононов и локализации оптических в СР (ЗаАз-1пАз. Исследование СР с большим отношением толщин соседствующих слоев > с1г (с^ + ¿2= с! - период СР) позволило наблюдать процесс свертки ветвей акустических фононов в значительной части акустического диапазона частот и получить

спектры, содержащие до семи дублетов свернутых акустических фо-нонов.

Интенсивность дублетных пиков акустических фононов при рассмотрении простейшей модели фотоупругого механизма рассеяния может быть представлена следующим образом :

1(ш±) - А*ггГ2* Б1п2(7Т*тс11/с1) * [1 + п(и)]*и(±) ( 1 )

где т - номер дублета, ы - частота, индексы (+3 и (-) при номере ш относятся к высокочастотным и низкочастотным пикам дублета, с1 - период, й=й\+й2, п(ш) - распределение Бозе-Эйнштейна, А - коэффициент пропорциональности, содержащий фотоупругие константы компонент СР. Из выражения ( 1 ) видно, что при примерно равных толщинах слоев интенсивность пиков резко снижается с ростом т, и кроме того, интенсивность четных дублетов равна нулю. По существу, спектр КРС содержит лишь один первый дублет свернутых акустических фононов.Для СР с большим отношением слоев, которые рассматриваются в данной работе, при условии КТ > Ы и не очень больших значениях гп, выражение (1) преобразуется к виду :

I (т±) - А*я2^12*<Г2*К'МГ'1 (2)

то есть, интенсивность не зависит от номера т, это позволяет исследовать процесс свертки акустических фононов в значительно более широком диапазоне частот, что и реализовано в данной работе.

В диссертации были исследованы СР, выращенные на подложке Оа-Аэ с периодом (6аАз)к(1пАз)ь к=6,10,19,22, 1=1,2, а также ряд структур, выращенных на 1пАз подложке. Спектры КРС СР баАзЧпАэ с соотношением толщин слоев 10:1 содержат до 7 дублетных пиков, частоты которых с высокой точностью соответствуют теоретическим дисперсионным зависимостям . Полученные экспериментальные данные используются для определения дисперсии продольного акустического фонона БаАг путем "развертки" спектра, содержащего пики свернутых акустических фононов, полученная дисперсия хорошо соответствует имеющимся литературным данным.

ТРЕРЬЯ ГЛАВА посвящена изучению размерного эффекта на нано-частицах в спектре КРС, представляющегося важным как с точки зрения приложений, так и для объяснения природы бозонного пика в спектре неупорядоченных веществ. Иными словами, наночастицы в стеклообразной матрице являются модельным объектом для для понимания происхождения бозонного пика. В главе кратко описывается технология получения такого рода объектов и результаты первых работ, в которых исследовались НЧ спектры наночастиц.

В этой главе описано НЧ КРС в низкоразмерных германиевых системах Оптические свойства полупроводниковых наночастиц размером порядка 10 нм ( обычно называемых квантовыми точками ) представляет большой интерес, потому что они обладают очень большой оптической нелинейностью, позволяет использовать их при создании современных оптических приборов. В последнее время делается много экспериментальных работ по исследованию новых оптических явлений, связанных с электронными квантовыми размерными явлениями в наночастицах Следует однако отметить отсутствие систематических измерений колебательных состояний квантовых точек, погруженных в твердую прозрачную матрицу, а такого рода сведения необходимы , например, для обсуждения электрон-фононного взаимодействия в этих квантовых объектах. Кроме того, влиянием поверхностных и размерных эффектов на фононный спектр наночастиц обусловлен ряд их аномальных тепловых и электрических свойств. В настоящей работе описывается способ получения наночастиц германия, диспергированных в прозрачной диэлектрической матрице двуокиси германия, а также результаты исследования спектров КРС на этих частицах.

Наночастицы германия синтезировали в аморфной пленке двуокиси германия с использованием реакции диспропорционирования

2Бе0—БеОг + бе в потоке гелия при температурах от 300 до 500 С , мольное соотношение бе : БеОг составляет 1:1. Подложками служили пластины кремния, германия, сапфира, плавленого кварца, прошедшие тщательную многоступенчатую обработку, применяемую в микроэлектронике для получения совершенных поверхностей. Условия синтеза позволяли управлять размерами наночастиц. Кристалличность частиц и их распределение по матрице контролировались с помощью просвечивающей электронной микроскопии и

дифракции электронов.

Присутствие в матрице стекла наночастиц приводит к дополнительному вкладу в плотность колебательных состояний, связанному с поверхностными модами колебаний наночастиц. Эти локализованные моды находятся в области акустических колебаний и их вклад в плотность состояний пропорционален концентрации наночастиц.

Для оценки частоты поверхностных колебаний используется приближение сферических частиц. В этом случае наиболее низколе-жащие колебания будут иметь частоты

со3 = 0.7 У1/сБ (За)

для сферических колебаний и

о^ = 0.85 V1/с0 (36)

для торсионных колебаний.

Из полученных нами в работе КР-спектроскопических данных вытекает, что при уменьшении размеров наночастиц максимум низкочастотного пика сдвигается к более высоким частотам, что находится в согласии с выражениями ( За,36 ) для частоты колебаний малых сферических частиц.

Таким образом, НЧ спектр КРС несет информацию о типах акустических колебательных мод, о размере, форме и концентрации наночастиц.

Можно сказать, что разработан способ получения квантовых точек, диспергированных в прозрачной диэлектрической матрице двуокиси германия. Впервые в полупроводниковых наночастицах в спектре КРС обнаружен НЧ пик, обусловленный их собственными акустическими колебаниями. Следует отметить, что наблюдаемый спектр не искажен спектром матрицы, иными словами, последний входит с пренебрежимо малым весом в регистрируемый спектрометром сигнал, что делает изученную систему весьма удобной для изучения размерного эффекта в колебательном спектре наночастиц.

В ЧЕТВЕРТОЙ ГЛАВЕ приведены результаты узучения особенностей структуры углеводородных пленок с применением НЧ КРС. Экспери-

ментальные данные предваряются сведениями о первых работах, в которых привлекалась фрактальная модель структуры.

Для описания низкочастотных спектров КРС полимеров в настоящее время благодаря работам групп проф. E.Duval из Лионского университета, Франция и Новикова, ИАиЭ СО РАН применяется фрактальная модель структуры. Идеология этого подхода применительно к другим материалам (в основном, аэрогелям) активно развивается также группой проф. Vacher из Франции . В этой модели предполагается, что аморфный полимер на малых масштабах имеет фрактальную структуру, образованную случайным образом свитой в клубок полимерной цепью. Фрактальная структура должна иметь свойство самоподобия в каком-то диапазоне размеров (другими словами, быть, масштабно-инвариантной), и масса объекта должна с его размером L возрастать согласно закону M ~ LD где D - фрактальная размерность, вообще говоря, не целое число. Для идеального линейного полимера, как легко показать D=2. Поскольку на макроскопических масштабах полимер представляет собой обычное объемное тело, где M - L3 то фрактальное поведение ограничено некоторым размером L, который называется размером фрактального кластера. Таким образом, внутри клубка размером L имеется фрактальное поведение, а на масштабах г > L полимер ведет себя как обычное плотнозаполненное трехмерное тело. Показывается, что интенсивность КРС на фрактонах определяется выражением:

ш1(ы)/(п+1) * ^ (4)

где

р. - 2d5/D - i

Это поведение ограничено со стороны высоких частот концом акустического спектра колебаний сегментов:

Um - 0.8 V/Ls

где Ls - размер сегмента колимерной цепочки, V - скорость звука. Со стороны низких частот зависимость () ограничена точкой перехода wO от фрактонного к обычному фононному режиму, для которого

- 1Б -

ц - 4. Этот переход происходит, когда длина локализации фрактона или длина волны фонона (если идти со стороны низких частот) становится порядка размера фрактального кластера L. Частоты перехода оценивается по формуле

(i>0 - 0.8 V/L

Таким образом, три основных параметра низкочастотного спектра КРС в полимерах рассматриваться ниже: 1. верхний предел фрактального режима Up,, дающий информацию о размере звена полимерной цепи; 2. наклон спектра (х во фрактальном режиме, характеризующий взаимодействие между цепочками полимера; 3. нижний предел фрактального режима wO, определяемый размером клубка L.

Интерпретацию экспериментальных данных наиболее удобно производить в двойных логарифмических координатах, в которых наиболее отчетливо выявляются области степенной зависимости интенсивности КРС от частоты; из (4) следует, что

logiul (ы)/(гн-1) ] = const + ¡ilog(u>) (5)

Таким образом, показатель степени m рассчитывается как наклон спектральной зависимости во фрактальном режиме.

При изучении УВП во многих работах анализируются спектры КРС, однако только в области высокочастотных мод ~ 1200- 1600 см-1. Изучается положение в спектре так называемой 6-моды (~1350 см-1) Из анализа спектров делается выводы о близости структуры УВП к структуре алмаза, либо к структуре, образованной графито-подобными кластерами размером ~ 10-20 А.

Кроме упомянутых выше G- и D-мод, в области спектра w < 1000 см-1 нами наблюдалось широкое бесструктурное плечо. Отсутствие пиков в данной области спектра позволяет сделать вывод об отсутствии резко выраженных кластеров размером ~ 10-100 А в исследуемом образце УВП. С другой стороны, анализ спектра в log/log координатах обнаруживает значительный степенной участок в области 100 □ w □ 400 см-1 с наклоном m 0.92. Данная картина схожа с картиной для полимеров, обсуждавшейся выше. Только в случае УВП степенной участок лежит при гораздо более высоких

частотах. Последнее, по-видимому, связано с достьаточно высоким (по сравнению с полимерами) значением скорости звука в УВ^П.

Основываясь на изложенных в данной главе результатах, можно сделать вывод, что структкра УВП на масштабах промежуточного порядка близка к структуре полимеров, однако обладает более высоким значением спектральной размерности d 1.9-2. Последнее близко к размерности характерной для плоскости. Таким образом наноструктура УВП может быть где-то в промежутке между полимерной и плоской графитоподобной. По-видимому, изменение условий приготовления и отжиг образцов могут значительно изменять структуру УВП, приводить к появлению графито-, полимеро- или алмазо-подобных структур. Приведенные результаты показывают, что НЧ КРС достаточно эффективна при анализе таких структур..

ПЯТАЯ ГЛАВА содержит результаты исследования образцов аморфных полупроводников. В первой части обсуждаются литературные данные о влиянии условий приготовления на структуру и свойства АП. Отмечается, что по ряду свойств АП условно делятся на два класса:

1) аморфные тетраэдрические полупроводники--или полупроводники ''типа a-Ge";

2) стеклообразные полупроводники--или полупроводники "типа a-Se"

. Первые, хотя и с трудом, но поддаются легированию,особенно при дополнительной гидрогенизации образцов. Вторые практически не чувствительны к примесям вплоть до очень высокой концентрации последних. В первых обнаруживается очень высокая концентрация оборванных связей вплоть до п~1021 см-3 , во вторых они практически не обнаруживаются (сигнал ЭПР менее 1015 см"3 ). Полупроводники, относящиеся к этим двум классам различаются так же и типом температурной зависимости проводимости, квантовой эффективностью фотолюминесценции и т.д.

В.отличие от стекол, в КР-спектрах АП сразу было обнаружено существенное различие спектральной формы бозонного пика в разных материалах. Однако оказалось, что можно выделить две различных формы пика: одна с достаточно резким обрывом высокочастотного хвоста и другая—близкая к форме, универсальной для стеклообразных материалов. Иными словами, исследованные образцы разделяются

- -

по форме пика на две группы.Если теперь проанализировать эти две группы, то выясняется, что разделение как раз соответствует разделению на два класса АМ: образцы с резким обрывом высокочастотного хвоста (a-Si, a-Ge и a-GaP) относятся к тетраэдрическим АП, а образцы второй группы относятся к стеклообразным АП, что и объясняет сходство их низкочастотного спектра со спектром, характерным для стекол.

Анализ низкочастотного спектра свеженапыленной (при Т=300К) и отожженой пленок АБгЗзтак же обнаружил различие спектральной формы бозонного пика: в первом случае спектр приближается к спектру, характерному для тетраэдрических АП, а в отожженных образцах он совпадает со спектром массивного стекла. Следует так же отметить разницу высокочастотных спектров этих образцов. .Колебательные моды с частотами в области 100-250 см_1свеженапыленного образца соответствуют колебаниям нестехио-метрических структурных единиц As-S. Однако в области основного колебания пирамидки AS2S3 (300-400 см-1 ) так же наблюдаются изменения: мода КРС уже и имеет более выраженную структуру в случае свеженапыленной пленки.

Полученные данные позволяют сделать вывод, что в тетраэдрических АП на малых масштабах существует ьысокая упорядоченность структуры но при некотором выделенном значении R она резко обрывается. В то же время в стеклообразных материалах разупорядочен-ность встречается и на самых малых масштабах и нет какого либо выделенного значения R . Другими словами, основное различие между структурой двух классов АП формируется на масштабах промежуточного порядка. Это подтверждается и проведенным анализом всего спектра КРС AS2S3. В веженапыленной пленке более узкая основная мода свидетельствует о большей упорядоченности пирамидки AS2S3 , т.е. большей упорядоченности на масштабах ближнего порядка, чем в случае отожженной пленки. В то же время амплитуда бозонного пика в свеженапыленной пленке выше, чем в отожженной. Это свидетельствует о меньшей степени структурной упорядоченности на масштабах промежуточного порядка в свеженапыленных пленках.

Таким образом анализ НЧ спектров КРС АП показал, что они резко различаются в АП , относящимся к двум разным классам. Кроме того, в свеженапыленных пленках ХСП, свойства которых, как

отмечалось вше, приближаются к свойствам тетраэдрических АП, спектральная форма бозонного пика тоже приближается к форме, характерной для тетраэдрических АП. Все это позволяет предположить, что одни и те же различия в структуре определяют различия как в свойствах, так и в НЧ спектрах двух классов АП.

В заключении диссертационной работы отмечается личный вклад автора, формулируются основные результаты работы.

Приведенные в данной диссертации результаты показывают, что Низкочастотная спектроскопия КРС является достаточно эффективным методом исследования структуры и динамических свойств неупорядоченных материалов и систем пониженной размерности на нанометро-вом масштабе.

Сформулируем основные результаты и выводы работы.

1. В напряженных СР (ЗаАз-1пАз впервые исследованы эффекты свертки акустических фононов. Исследования СР с большим соотношением толщин слоев позволили пронаблюдать эффект свертки ветвей акустических фононов в значительной области акустического диапазона частот.Спектры КРС СР (ЗаЛг-ШАБ с соотношением толщин слоев 10:1 содержат до 7 дублетных пиков, частоты которых с высокой точностью соответствуют теоретическим дисперсионным зависимостям . Полученные экспериментальные данные используются для определения дисперсии продольного акустического фонона СэаАз путем "развертки" спектра, содержащего пики свернутых акустических фононов, полученная дисперсия хорошо соответствует имеющимся литературным данным метода рассеяния холодных нейтронов.

2. Продемонстрирована возможность определения дисперсии акустических фононов для компонент СР методом КРС, что перспективно и для материала АХАэ, нестабильность которого затрудняет исследование дисперсии фононов традиционными методами рассеяния холодных нейтронов.

3. Разработан метод исследования наночастиц германия ( квантовых точек ), внедренных в прозрачную диэлектрическую матрицу, обнаружены их собственные акустические колебания, проявляющиеся

в низкочастотных спектрах КРС.

4. Впервые наблюдался в полном спектральном диапазоне KP-спектр наночастиц, не содержащий существенного вклада спектра матрицы, иными словами, найдена система, наиболее удобная для изучения размерного эффекта в KP-спектроскопии.

5. Получены данные КРС, свидетельствующие о полимероподоб-ности структуры аморфных углеводородных пленок.

6. Показано, что аморфные полупроводники, относящиеся к двум разным классам ( тип a-Ge и тин a-Se ), обладают различной спектральной формой низкочастотного пика в спектре КРС. Это свидетельствует о том, что основное различие между структурой этих классов формируется на масштабах промежуточного порядка.

Основные результаты, представленные в диссертации, опубликованы в следующих работах:

1. Шебалин А.П., Гайслер В.А., Курочкина Т.В., Мошегов Н.Т., Стенин С.И., Торопов А.И. Свертка ветвей акустических фоно-нов в сверхрешетках GaAs/InAs.- Письма в ЖЭТФ, 1989,т.49, в.6, с.349-351.

2. Гайслер В.А., Курочкина Т.В.,Торопов А.И., Шебанин А.П. Комбинационное рассеяние света в сверхрешетках GaAs/InAs.- Тезисы докладов IV Всесоюзной конференции по спектроскопии комбинационного рассеяния света, Ужгород, 1989, часть 1, с.128-129.

3. Овсюк H.H., Горохов Е.Б., Грищенко В.В., Шебанин А.П. Низкочастотное комбинационное рассеяние света на полупроводниковых частицах малого размера.- Письма ЖЭТФ, 1988, т.47, N 5, с.248-251.

4. Овсюк H.H., Шебанин А.П. Низкочастотное комбинационное рассеяние света на полупроводниковых микрокристаллах.- Сб. тезисов докладов XX Всесоюзного съезда по спектроскопии. Киев, 1988.

5. Овсюк H.H., Шебанин А.П. Определение размеров микрокристаллов методом низкочастотного КРС,- Труды I Всесоюзного семинара по оптическим методам исследований потоков. Новосибирск, 1989.

6.Соколов А.П., Шебанин А.П.Полимерная структура углеводородных пленок. ФТТ, т.32, с.3123-3124, 1990.

7. Новиков В.Н., Соколов А.П., Шебалин А.П. Форма низкочастотного пика в спектрах комбинационного рассеяния света аморфных проводников.- Препринт N255 ИАиЭ СО АН СССР, Новосибирск, 1988.

8. Haisler V.A., Kurochkina T.V., Marcov V.A., Moshegov N.T., Pchelakov O.P., Sokolov L.V., Stenin S.1., Toropov A.I., Shebaniri A.P. Synthesis and Raman Investigation of strained superlattices, Abstracts Fifth Int. C'onf. on Superlattices and microstructures (August 13-16, 1990,Berlin) p. Tu-Po-9.

9. V.N.Novikov, A.P.Shebanin, V.P.Azarenkov, A.V.Baibak, Vu.V. Kramarenko, and V.P.Privalko. Struktural characterization of heterociclic polimer networks by low-frequency Raman scattering. Journal of Raman spectroscopy, v.25, p.139-143,1994.