Особенности взаимодействия электромагнитного излучения с дисперсными и периодическими твердотельными гетеросистемами тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ ІНСТИТУТ ФІЗИКИ НАПІВПРОВІДНИКІВ

РОМАШОК ВОЛОДИМИР РОМАНОВИЧ

УДК 535.3, 535.33/.34 538.913-405

ОСОБЛИВОСТІ ВЗАЄМОДІЇ ЕЛЕКТРОМАГНІТНОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ З ДИСПЕРСНИМИ ТА ПЕРІОДИЧНИМИ ТВЕРДОТІЛЬНИМИ ГЕТЕРОСИСТЕМАМИ

01.04.07- фізика твердого тіла

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата фізико - математичних наук

Київ-2000

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Інституті фізики напівпровідників Національної Академії Наук України

Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук, професор Дмитрук Микола Леонтійович,

Інститут фізики напівпровідників НАН України, завідувач відділом

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук Куліш Микола Родіанович

Інститут, фізики напівпровідників НАН України провідний науковий співробітник

доктор фізико-математичних наук, професор Курик Михайло Васильович Інститут фізики НАН України, завідувач від ділом

Провідна установа: Фізичний факультет Київського Національного Університету ім. Тараса Шевченка, м.Київ

Захист відбудеться “ 77”листопада 2000 р. о 1530 год.

на засіданні спеціалізованої вченої ради К 26.199.01

в Інституті фізики напівпровідників НАН України,

за адресою: 03028, Київ-28, проспект Науки, 45

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту фізики напівпровідників НАН України (03028, м.Київ-28, проспект Науки, 45).

Автореферат розісланий жовтня 2000 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради

кандидат фізико-математичних наук Охріменко О.Б.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність темн. У той час як ті фізичні і, зокрема, оптичні параметри, якими володіють чисті матеріали, не завжди задовольняють прикладні потреби, композитні (неоднорідні) матеріали дають широкі можливості для створення гетеросистєм із наперед заданими, найбільш оптимальними для конкретних задач, параметрами. Наприклад, гетерогенні матеріали - ефективні поглиначі сонячної енергії, невідбиваючі покриття або ж, навпаки, майже ідеальні відбивачі світла, ізолятори, оптичні фільтри, а багатошарові структури - компоненти мікро- та оптоелектронних приладів. Взаємодія електромагншюго випромінювання з такими розупорядкованими (дисперсними) та періодичними гетеросистемами (ГС) має ряд особливостей. Деякі з них на сьогоднішній день ще не мають надійного пояснення та кількісного опису. Невизначеність ефективної діелектричної проникності (провідності, магнітної проникності) є внутрішньою властивістю дисперсного середовища, в котрому, в загальному випадку, невідомий закон розподілу фаз. У кращому випадку можна лише стверджувати, що матеріали є макроскопічно ізотропні та однорідні. Ця невизначеність не може бути усунута без привнесення додаткової фізичної інформації. Зокрема, відомі і широко застосовувані у довгохвильовому наближенні моделі ефективного середовища Максвела-Гарнета, Бругемана і т.п. з точки зору сучасних уявлень у фізиці дисперсних середовищ є лише частковими випадками, що описують певну топологію системи. Проблеми, що стоять нині на часі при побудові адекватних моделей ефективного середовища - це нерегулярність форми частинок, можлива їх самоорганізація і утворення фракгальних структур.

Подібні проблеми виникають також у фізиці строго упорядкованих макроскопічно-періодичних структур типу надграток (НГ), що виготовлені на зснові твердих розчинів. Тверді розчини також можна розглядати як свого роду эозупорядковану (на мікрорівні) систему. Складна мікроструктура твердих юзчинів відбивається на параметрах їх фононних коливань і викликає певні хроблеми при моделюванні діелектричної функції, необхідної для нтерпретації оптичних спектрів. Серед матеріалів АЗВ5 основну увагу юслідники зосереджують на ненапружених структурах на основі ОаАз/АЬАэ та х твердого розчину, оптичні ж властивості твердого розчину ОаРхА8і.х та іапружених гетерострукгур на його основі у отичній фононній області пектру поки що досліджені недостатньо.

Багатошарові періодичні гетероструктури у довгохвильовому наближенні гожна розглядати як ефективне анізотропне середовище. Якщо товщини шарів таких структурах порядку кількох моношарів, то визначальний вплив на їхню іелекгричну функцію робить квантування збуджень у одному з напрямків, і опологія інтерфейсів (їхня шорсткість) у цьому випадку повинна відігравати

значно більшу роль, ніж для довгоперіодних зразків. Важливою проблемою розширення застосування методики інфрачервоної (14) спектроскопії дл дослідження та неруйнівної діагностики періодичних ГС і, зокрема, оптични фононних мод, локалізованих в ультратонких та в механічно напружені: шарах.

Необхідність розв'язання деяких з викладених вище проблем і зумовлю актуальність обраної теми досліджень.

Зв'язок з науковими програмами, планами, темами. Дисертадійн робота виконувалася в рамках наступних тем:

1. "Дослідження єлектр онно -поляритонішх явищ в твердотільних структура на основі напівпровідників АЗВ5 з мікрорельєфною поверхнею, розробк нових оптоелектронних приладів і автоматизованих методів електрофізичне діагностики матеріалів і структур мікро- і оптоелектроніки", 1990-1994 р] (Постанова Бюро ВФА АН України N10 від 19.12.1989 р., номер дерм реєстрації 0193Ш28658).

2. "Дослідження механізмів структурної і компонентної модифікації матеріалі під дією зовнішніх чинників і створення низькотемпературних технологі приладів і пристроїв оптоелектроніки", 1995-1999 рр. (Постанова Бюро ВФ. НАН України N9 від 20.12.1994р., номер держ. реєстрації 0195Ш10991).

3. "Процеси генерації, перетворення і розповсюдження випромінювання напівпровідникових та полімерних структурах різної розмірності і розробі оптоелектронних приладів”, 2000р. (Постанова Бюро ВФА НАН України N1 від 16.11.1999р., номер держ. реєстрації 0100Ш00116).

4. "Поверхневі збудження в мікро- і наночастинках" 1997-1998 р. (Проеі ДФФД 2.3/261)

5. "Оптичні властивості фрактальних структур на поверхні твердих ті: (Проект ДФФД 2.4/729 за договором N Ф4-313-97 від 26.09.1997)

Мета роботи: розвиток нових експериментальних методик : (феноменологічних) теоретичних підходів до опису оптичних властивосте твердотільних розупорядкованих та періодичних гетеросистем, а тако встановлення зв'язку діелектричної проникності із топологією та розмірніст системи.

Для досягнення визначеної мети вирішуються такі задачі:

1. Експериментальне і теоретичне дослідження впливу топології ГС • нерегулярності форми мікрочастинок на ефективну діелектричну проникніе дисперсних щільноупакованих композитів.

2. Вивчення впливу топології гранулярних металевих плівок на оптичні властивості в широкому діапазоні коефіцієнтів заповнення і, зокрема, околі перколяційного переходу.

з

3. Дослідженім спектру фонон-поляритонних збуджень напружених надграток ОаАв/ОаРАз на ізотропній підкладинці.

4. З'ясування причин уширення смуг оптичних фононних збуджень у твердому розчині ОаРАв; опис впливу розупорядкованості кристалічної структури на діелектричну функцію твердого розчину в рамках моделі діелектричного континууму.

5. Вивчення чутливості методів ІЧ-спектроскопії відбивання та пропускання до параметрів локалізованих оптичних фононних коливань; дослідження особливостей функції діелектричної проникності шаруватих ГС з ультратонкими шарами (НГ ОаАБ/АІАБ);

Об'єкт дослідження - твердотільні гетеросистеми двох крайніх типів -дисперсні розупорядковані і строго періодичні (надгратки).

Предмет дослідження - взаємодія електромагнітного випромінювання оптичного діапазону із розупорядкованими (дисперсними) та шаруватими періодичними твердотільними гетеросистемами і, зокрема, вплив топології на оптичні власивості таких гетеросистем. Вибір об'єктів дослідження зумовлений практичним значенням їх для сучасної електронної та іншої техніки. Це дрібнодисперсні порошки ЙЮг та Ті02, котрі широко застосовуються при створенні діелектричних композитних матеріалів, ваРАв - напівпровідниковий твердий розчин, що входить до складу напружених надграток типу ОаАзЛлаРАз і застосовується у фотоприймачах та світловипромінюючих діодах, а також ненапружені надгратки типу ОаАз/АІАя з ультракороткими періодами.

Методи дослідження. Основним експериментальним методом цих дослідженнь були оптичні спектроскопічні вимірювання відбивання, пропускання, ослабленого повного внутрішнього відбивання (ОПВВ) в широкому спектральному діапазоні. Такі виміри в області відповідних резонансів дають змогу отримати оптичні властивості (діелектричну проникність) досліджуваних ГС. Як допоміжні методи використовувалась рентгенівська дифрактометрія, еліпсометрія, мікроскопія атомних сил.

Наукова новизна одержаних результатів.

1. Запропоновано узагальнення Бругемані вського симетричного наближення ефективного середовища з врахуванням розподілу за формою розсіюючих частинок без та за наявності кореляції у розподілі фаз для гетеросистеми з агрегатною топологією.

2. Розраховано спектральну іустину резонансів щільпоупакованого двокомпонентного композиту, що дає змогу визначити його ефективну діелектричну проникність та оцінити топологію системи.

3. Запропоновано модифікацію Брутеманівського симетричного наближення ефективного середовища для опису оптичних властивостей гранулярних (розривних) металевих плівок у широкому діапазоні коефіцієнтів заповнення і,

зокрема, в околі порогу перколації. Проаналізовано поведінку розмірності системи та коефіцієнта заповнення із зміною масової товщини плівки.

4. Описано діелектричну проникність твердого розчину GaPAs в області оптичних фононних коливань моделлю, що враховує розупорядкуванш (нееквівалентність оточення) атомів у кристалічній гратці шляхом введенш функції густини розподілу дипольно-активних поперечних оптичних коливань.

5. Проведено ідентифікацію природи фонон-поляритонних збуджень J напружених надгратках GaAs/GaPAs на ізотропній підкладинці, застосовуючі лише розраховані спектральні залежності компонент тензора діелектрично' проникності та нормальної компоненти хвилевого вектора в піара? гетероструктури. На основі дисперсійних співвідношень для анізотропно плівки на ізотропній підкладинці вперше розраховано дисперсійні залежност фонон-поляритонних мод в реальних НГ на підкладинці і отримано хороше узгодження з експериментом.

6. Отримано величини феноменологічного параметра загасанню локалізованих поперечних оптичних фононних коливань в ультратонких шар аз в НГ GaAs/ALAs та виявлено його збільшення при зменшенні товщини шарів.

Практичне значення одержаних результатів полягає в тому, що:

1. Існує можливість їхнього використання при створенні штучних компо зитних матеріалів із наперед заданими оптичними властивостями. Зокрема запропонована методика визначення питомої поляризовності малих частинок диспергованих у діелектричній матриці, за їхніми спектрами пропускання.

2. Підходи до опису оптичних властивостей твердих розчинів т; надграток є ефективними для неруйнівної діагностики (в тому числі, і в процес вирощування) та оптимізації геометричних та оптичних параметрі] різноманітних напівпровідникових шаруватих гетероструктур.

3. Запропонована методика ІЧ-пропускання для визначення параметрі] локалізованих поперечних оптичних фононних коливань в ультракоротко періодних надгратках, котра може бути застосована для оцінки інтерфейснк шорсткостей в ультратонких шарах полярних напівпровідників і якост надграток.

Особистий внесок здобувана. Автор дисертації виконав перєважн; частину експериментальних досліджень, результати яких наведені в роботі, також у співпраці із співавторами відповідних публікацій проводив чисельн розрахунки, моделювання процесів та інтерпретацію отриманих результатів.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботі доповідались на багатьох міжнародних конференціях, зокрема на таких International Conference on Optical Diagnostic of Materials "OPTDIM195", (SPIE Kyiv, Ukraine, 1995); XII Республіканській школі "Спектроскопія молекул т кристалів" (м.Ніжин, Україна, 1995 p.); на Міжнародній школі-конференції дл

молодих вчених SSPFA'97 (Україна, с.Кацивелі, 1997 p.); на Міжнародній конференції з фізики та технології тонких плівок МКФТПГ97 (Україна, м.Івано-Франківськ, 1997 p.); International Conference on Superlattices and Microstructures ICSMM-10 (Lincoln, USA, 1997); на Науково-практичній конференції з міжнародною участю "Проблеми оптики та її освітнього аспекту на порозі 3 тисячоліття" (Україна, м.Київ, 1999 p.).

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи опубліковані у 6 статтях у фахових наукових журналах, 4 збірниках доповідей на конференціях та у 2 збірниках тез міжнародних конференцій.

Структура та об'єм дисертації. Дисертація складається із вступу, п'яти розділів, висновків та списку використаних джерел. Робота викладена на 187 сторінках, містить 52 рисунки та 4 таблиці, бібліографія - 234 найменування.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ

У вступі обгрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовано мету га задачі досліджень, показано наукову новизну і практичне значення отриманих результатів, коротко викладено зміст дисертації.

У першому розділі розглянуто деякі феноменологічні підходи, які дозволяють описати діелектричні властивості композитних середовищ у довгохвильовому наближенні. Окремо виділено проблеми, що стосуються особливостей як слабкоконцентрованих дисперсних середовищ, так і щільно упакованих систем частинок, впливу топології на розрахунок ефективної діелектричної функції, меж можливих значень ефективної діелектричної проникності.

Запропоновано феноменологічний опис діелектричного відгуку ефективного середовища, який враховує особливості топології статистичної багатофазної гетеросистеми. Відомо, що класичні наближення ефективного середовища, зокрема симетричне наближення Бругемана

Єі ™ &gff

і/і: Jn 1 = «

і 6/+(Я- 1)Єе# і

(де Eçff- ефективна діелектрична проникність композиту, f, є, - об'ємний вміст та діелектрична проникність і-ї комопненга, 0,- - поляризовність включень, D -розмірність простору, котра у даному випадку дорівнює 3) зовсім не враховує мікроструктуру середовища. Тут не береться до уваги ближня взаємодія, котра є суттєвою при високій концентрації та коагуляції частинок, ігноруються будь-які ефекти, пов'язані з формою частинок. Натомість у цьому випадку вводиться

деякий середній елемент сферичної форми. Це передбачає цілком певн мікрогеометрію ГС і немає параметра, котрий би відслідковував зміну ц» мікрогеометрії.

Головна ідея нашого підходу полягає в тому, щоб замінити в рівнянні (1 поляризовність сфер О,- на деяку ефективну поляризовність частино (середнього елемента) кожної фази, котрі в сукупності повністю заповнят простір. Ця ефективна поляризовність 8 повинна залежати від деяке неперервної функції розподілу частинок по формі Р

де 0 - усереднена поляризовність частинки еліпсоїдальної форми з факторам) деполяризації Ьи Ь2. Найпростішою реалізацією функції розподілу, що засто совується нами, є неперервний рівномірний розподіл еліпсоїдальних форм.

Другий напрям узагальнення класичного рівняння (1) - врахували кореляції в розподілі фаз (елементів фрактальної структури) ГС, яі запропоновано Кірквудом-Івоном у дшюль-дипольному наближенні для ГС : матричною (керметною) топологією

де г| - параметр кореляції. Формальне застосування такого підходу де середнього елемента статистичної (агрегатної) ГС дає модифіковану ефективну поляризовність 9„ котра входить в рівняння (1) замість 9,. Зауважимо, ще запропонований підхід може бути узагальнений для ГС з довільною кількістк фаз.

На прикладі трикомпонентної системи "8Ю2-КВг-повітря" (сумарниі вміст твердої фази близько 21%) показано, що запропоноване узагальненні дозволяє значно краще узгодити експериментальні та розраховані частотно залежні функції ефективної діелектричної проникності композиту в облает валентних Бі-О коливань.

Інший шлях врахування впливу топології ГС на ефективну діелектричну проникність - це спектральне представлення Бергмана для ефективно' діелектричної проникності, де топологія та її особливості описуються Зі допомогою функції спектральної густини резонансів g(и). Але на сьогодні наш: знання про те, як отримати цю функцію для реальних композитів, досип обмежені. Проте, в широкому загалі випадків поведінка функції спектрально; густини резонансів в області її визначення (0<я<1) описується двомг основними піками (поблизу п=0, що описує наявність перколюючої фази, тг

(2:

6 =0*(1 + їів*2),

(з;

поблизу и~1/3, який описує ізольовані кулеподібні частинки). Для реальної ГС, в залежності від коефіцієнта заповнення, форми частинок, топології агрегатів і т.п. вони можуть бути упгирешши, асиметричними, з додатковими боковими піками значно меншої інтенсивності. Тому у першому наближенні функцію спектральної густини резонансів можна апроксимувати деякою додатньо визначеною функцією, що має два максимуми на інтервалі [0,1] і задовольняє необхідним правилам сум.

Експериментально зі спектрів вьідбивання визначено ефективну

діелектричну проникність щільноупакованого композиту "Ті02-повітря". На основі спектрального представлення для ефективної діелектричної проникності композиту визначено спектральну густину резонансів такої гетеросистеми. Отримані результати відображають наявність та співвідношення у цій системі окремих (ізольованих) та агрегованих (перколюючих) частинок твердої фази. Знаходження функції спектральної густини резонансів запропонованим методом не потребує наявності експериментальних вимірів у широкому спектральному діапазоні, менше чутливе до експериментальних похибок і дозволяє отримати, в ряді випадків, досить точні наближення для

У другому розділі наведено результати досліджень оптичних властивостей гранулярних металевих плівок у широкому діапазоні зміни коефіцієнта заповнення і, зокрема, в околі перколяційного переходу. Зразки отримано методом термічного напилення металу (Аи, N1) на підкладшнсу з аморфного кварцу (підігріту до певної температури) так, що в результаті отримується клиноподібна металева плівка. З одного кінця вона розривна і виявляє діелектричні властивості, а з протилежного - суцільна і виявляє поведінку, характерну для металів. Перколяційний перехід знаходиться всередині цього інтервалу. Вимірювали залежності пропускання таких плівок від їхньої відносної масової товщини ?*=4,Лтс. (де гтс - масова товщина плівки у порозі перколації) у видимій та близькій ІЧ-області спектру. Особливість отриманих спектрів полягає у тому, що при збільшенні масової товщини плівки спочатку спостерігається зменшення пропускання, котре досягає мінімуму при заповненнях трохи нижче порогу перколяції, потім у деякому діапазоні товщин воно зростає і далі, при збільшенні масової товщини плівки, починається експоненційний спад у пропусканні, характерний для суцільної плівки (рис.1). Для різних металевих плівок продемонстровано можливість адекватного опису залежності пропускання світла, а, отже, і ефективної діелектричної проникності від відносної масової товщини плівки у широкому діапазоні коефіцієнтів заповнення, зокрема і в околі пороту перколяції, застосовуючи модифіковане симетричне наближення Бругемана для ефективного середовища.

1.0

2.0

0.8

0.6

Еч*

0.4

0.2

0.0

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

Рис.1. Залежність пропускання (Х,=632.8 нм), розмірності та коефецієнта заповнення від відносної масової товщини для плівки Аи (/тс=20.0 пт), осадженої на підкладинку при температурі 430 К.

Головна ідея нашого підходу при використанні наближення ефективноп середовища (1) полягає в тому, що ми враховуємо зміну розмірності системи! в околі перколяційного переходу та її залежність від коефіцієнта заповнення Ця залежність має бути суттєвою лише в діапазоні заповнень, де структур; плівки може вважатись фрактальною, тобто там, де перколяційна довжині кореляції £, перевищує довжину хвилі світла X. Поза цим діапазоном, колі £«А., плівка може вважатись макроскопічно однорідною і її розмірніст: близька до розмірності простору.

При розгляді вказаної задачі виникає також проблема визначена поведінки коефіцієнта заповнення та його зв'язок із масовою товщиною плівки Причиною цьому - існування кількох різних механізмів росту плівки Враховуючи попередні дані, в околі порогу перколяції та нижче нього можи очікувати лінійного зв'язку між / та на цій стадії, а для більша коефіцієнтів заповнення, що відповідають стадії утворення суцільної плівкі шляхом заповнення каналів, ця лінійність порушується, оскільки поведінка 21 коефіцієнта заповнення є асимптотичною (£->1).

Проаналізовано отримані зі спектрів пропускання залежності ефективної {¡електричної проншагості гранулярних плівок Аи, осаджених на підкладинку три температурі 300 та 430 К, від їх масової товщини. Розрахункові результати юказують при збільшенні довжини хвилі звуження діапазону заповнень, де ¡эрактальна структура плівки впливає на її оптичні властивості (тобто області, це 4»А.).

У третьому розділі наведено результати досліджень особливостей у эптичних фононних спектрах твердих розчинів СаРАэ, що проявляються як розширення смуг об'ємних та поверхневих фонон-поляритонних збуджень. Тверді розчини мають розупорядковану на мікрорівні кристалічну структуру, що викликає нееквівалентність найближчого оточення атомів чи молекул і визначає ймовірнісну природу всіх мікрохарактеристик та статистичний зміст гкспериментально виміряних величин. В спектроскопії це призводить до неоднорідного, флуктуаційного розширення смуг, тобто розширення, викликаного тим, що кожна смуга спектру формується як результат суперпозиції цуже великого числа трохи зміщених одна відносно одної індивідуальних смуг.

Досліджувались епітаксійні плівки СаРхАзі.х товщиною 1 -2 мкм (д=0.02-

0.33), вирощені на підкладинці ваАз. Рентгенівська дифрактометрія вказує на відсутність механічних напружень та хорошу кристалічну якість зразків. Крім того, у рентгенівських спектрах відбивання проявляється додаткова, дуже розширена смуга, виникнення котрої, ймовірно, може бути пов'язане із утворенням деякої доменної та субдоменної структури у плівці ваРАз. Утворення таких субдоменів буде знижувати симетрію структури та руйнувати далекий порядок, що неодмінно позначиться на фізичних і, зокрема, оптичних властивостях твердого розчину. Для опису оптичних властивостей таких розупорядкованих систем застосовано модель діелектричної проникності з гаусовим розподілом осциляторів по частоті, котра раніше застосовувалась до аналізу аморфних та склоподібних матеріалів

4тгр • * ехр[-(га'-ш;)2/(2(т/2)]

є(са) = є«, +2-т==2- І-------- ----^--------1—¿а', (4)

о со' -о -гсвГу

де є« - високочастотна діелектрична проникність, ю;, 4тсру та Г} - частота, сила осцилятора та параметр загасання ]-то дипольно-активного коливання, ст,- -півширина функції розподілу. Загасання Г} фіксувалось як для об'ємного ОаАБ та ОаР, відповідно. Цей підхід дозволяє значно покращити узгодження експериментальних спектрів зовнішнього відбивання та ОПВВ з теоретичними, не збільшуючи кількості підгоночних параметрів порівняно з моделлю гармонічних осциляторів. З іншого боку, не можна отримати аналогічний

результат з допомогою моделі гармонічних осциляторів простим збільшення! параметра загасання, оскільки застосована модель є згорткою функції лоренцевого та гаусового типу.

З вимірювань спектрів ІЧ-відбивашія, пропускання та ОПВВ отримане що частоти поперечних оптичних фононних коливань в ненапружених шара GaPAs з точністю ¿1.5 см'1 співпадають з передбачуваними моделлю ізозміщень елементів, а частоти поздовжніх оптичних фононів вищі на 3-5 см' за розрахункові. Півширяна функції розподілу частоти фононних коливан становить Оі=0-2 см'1 (для GaAs-компоненти) та о2=7-9 см'1 (для GaP компоненти твердого розчину GaPAs).

Як показує аналіз, ефект розширення смуг фононних збуджен проявляється не лише в спектрах GaPAs, а в більшій чи меншій мірі властивий для інших потрійних сполук бінарних напівпровідників АЗВ5.

У четвертому розділі наведено результати досліджень фонон поляритонних збуджень в довго- та короткоперіодних надгратках GaAs/GaPAí вирощених методом газотранспортної епітаксії на підкладинках GaAs. ' довгохвильовому наближенні періодична шарувата структура мож розглядатись як анізотропна (одновісна) плівка. Оскільки товщини перехідни шарів набагато менші за товщини шарів НГ, то їхнім впливом на діелектричн проникність анізотропної плівки при даному малому контрасті оптични властивостей суміжних шарів можна знехтувати.

Проведено комплексну діагностику оптичних та геометричіш параметрів методами ІЧ-спектроскопії, експериментально у спектра відбивання виявлено особливості (моди Брюстера), які вносяться штучної анізотропією оптичних властивостей. Показано, що хвилеводні моди, kotj збуджуються у ^-поляризації, є чутливими до геометричних параметрів Ш зокрема до співвідношення товщин шарів та сумарної товщини структури разом з відбиванням у ^-поляризованому світлі дають взаємодоповнююч інформацію, що може бути ефективно використано для діагностик геометричних та оптичних параметрів НГ.

З експериментальних спектрів зовнішнього відбивання та ОПВ' отримано уточнені геометричні параметри надграток, котрі добре корелюют між собою і відрізняються від технологічних не більше, ніж на 10%, і параметри фононів твердого розчину GaPAs, що використовуються моделлю (4). Отримані частоти ГО-коливань GaP-компонента твердого розчину ниж> як від розрахованих за моделлю ізозміщень елементів значень, так і на 3-4 см нижчі від експериментнально визначених величин для ненапружени епітаксійних плівок. Це свідчить, що шари GaPAs пружно деформоваї (розтягнуті). Параметр с становить для GaAs-компоненти 1-2 см'1, для Gal компоненти 7-10 см'1, що в межах експериментальної похибки співпадає із

q /2л, си

q/2>t, см'

Рис.2. Експериментальні та розраховані дисперсійні залежності фононних поляритонних мод, котрі збуджуються в s- (а) та ¿»-поляризованому (б) світлі у НГ GaAs/GaPo.4As0.6 (80/80 нм, 20 періодів) на підкладинці GaAs (легування 1.8х1018 см'3): поверхневі (суцільні лінії), хвилеводні (штрихові лінії) та об'ємні поляритони (ішрих-пунктирні лінії).

значеннями для ненапружених шарів, отриманих за тією ж технологією. Можна припустити, що це є додатковим свідченням того, що основною причиною розширення смуг оптичних фононних збуджень є не напруження, а особливості розупоряд-кованої структури кристалічної гратки твердого розчину.

Проведено ідентифікацію мод за допомогою розрахованих спектрів діелектричних проникностей компонент надгратки та нормальної компоненти хвильового вектора в шарах гегерострукіури. Виявлено як реальні поверхневі поляритони, так і віртуальні, характерні лише для межі між ізотропним та анізотропним середовищами. Експериментально виміряно в s- та р-поляризованому світлі дисперсію поверхневих та хвилеводних збуджень в надгратці та отримано хороше узгодження із розрахунком за дисперсійними співвідношеннями для поверхневих та хвилеводних мод одновісної анізотропної плівки на ізотропній підкладинці (рис.2).

У п'ятому розділі наведено результати досліджень оптичних властивостей НГ GaAs/ALAs з ультратонкими шарами (товщиною від 1 до 4

о)/2я:с3 см'1

Рнс.З. Спектри пропускання при нормальному падінні світла надграток ОяАб/АІАе з ультракороткоперіодшши шарами на підкладинці з півізолюючого ОаАБ. На вставці - пропускання гетероструктури в околі збудження локалізованого ТО-фонона АІАв з т=1.

атомних моношарів), вирощених методом молекулярно-променевої епітаксії і підкладинці з півізолюючого арсеніду галію. Проведено виміри спектр: відбивання та пропускання в області залишкових променів компонент НГ. області ЄаАз оптичного фононного коливання не спостерігається якихос відмінностей у спектрах (рис.З). Це пояснюється тим, що саме підкладинка, не НГ, відіграє визначальну роль при формуванні відбитого/пропущеної сигналу в області залишкових променів ваАз. В області АІАї-коливаш: спостерігається послідовне зниження відбивання у максимумі смуги пр зменшенні товнщни шарів у періоді, а в спектрах пропускання при цьом значення у відповідному мінімумі зростає. Проведено розрахунок чутливос спектрів ІЧ-пропускання та відбивання до визначення параметра загасання і сили фононних осциляторів, локалізованих у шарах короткоперіодиих НІ котрий показує, що чутливість ІЧ-спектроскопії пропускання та відбивань (тобто значення відповідної похідної у максимумі) до зміни сили осцилятора кілька разів перевищує чутливість до зміни параметра загасання. Виявлен

гакож, що зміна параметра загасання та сили осцилятора по-різному зпливагиме на вид спеетру пропускання (відбивання) в околі ТО-частоти відповідного коливання.

Згідно з нашими результатами, виявлене зменшення відбивання у максимумі та збільшення пропускання у мінімумі смуги А1Аэ оптичного фонона може бути пов'язане із зростанням загасання ТО-фонона в ультратонких шарах при зменшенні їхньої товщини. Отримано, що феноменологічний параметр загасання локалізованої в шарах АІАв моди з індексом т= 1 становить ГТі=б-7 см'1 для НГ [1/1] та наближається до значень, характерних для об'ємного матеріалу АІАї Гті=3-4 см'1 при товщинах шарів [4/4]. Ми вважаємо, що, окрім інших можливих причин, суттєвим є розмиття "шорсткість) інтерфейсів. Флуктуації товщини ±1 моношар дають деякий частотний спектр для моди з т= 1, ширина якого, як показують оцінки, ¡більшується при зменшенні товщини шарів. В той же час, щоб розділити знесок інших процесів у загасання, необхідне проведення додаткових іпекгроскопічних вимірів у широкому діапазоні температур та після відпалу ?разків. Виміри загасання фононів в ультракороткоперіодних НГ можуть :лужити показником якості гетероструктури. Оцінка якості інтерфейсів в ультракороткоперіодних НГ буде ефективною при товщинах шарів до 4-5 яопошарів.

ВИСНОВКИ

І. Запропоновано узагальнення Бругеманівського симетричного наближення ефективного середовища, що враховує як розподіл частинок за формою так і наявність кореляції фаз у гетеросистемі агрегатної топології.

І. Визначено функцію спектральної густини резонансів щільноупакованого композиту згідно з представленням Бергмана для ефективної діелектричної проникності.

5. Запропоновано модифікацію Бругеманівського симетричного наближення їфективного середовища для опису оптичних властивостей гранулярних неталевих плівок в широкому діапазоні коефіцієнтів заповнення, що враховує іміну розмірності системи в околі перколяційного переходу та її залежність від коефіцієнта заповнення.

ї, Для опису діелектричної проникності твердого розчину ЄаРАБ в області эптичних фононних коливань запропоновано і апробовано застосування моделі, яка враховує нееквівалентність оточення атомів у кристалічній гратці пляхом введення функції розподілу дипольно-активних осциляторів за частотою коливань.

5. Проведено ідентифікацію фонон-поляритошшх збуджень (об'ємних, поверхневих, хвилеводних) у напружених надгратках ваАз/СаРАз на зотропній підкладинці за допомогою лише розрахованих спектральних

залежностей компонент тензора діелектричної проникності та нормальн компоненти хвильового вектора в шарах гетсроструктури.

6. За дисперсійними співвідношеннями для поверхневих та хвилеводних мс анізотропної плівки на ізотропній підкладинці розраховано дисперсій, залежності фонон-поляритонних збуджень у довгоперіодних НГ на ізотропн підкладинці і виявлено хороше узгодження з експериментом.

7. Виміряно величини загасання локалізованих поперечних оптичт фононних коливань ALAs в ультратонких шарах надграток GaAs/AlA Виявлено збільшення загасання при зменшенні товщини шарів, ймовірно причиною чого є шорсткість інтерфейсів, роль якої зростає із зменшення товщини шарів.

Основні результати дисертаційної роботи викладені в наступні публікаціях:

1. Гончаренко А.В., Венгер Е.Ф., Дмитрук Н.Л., Романюк В.Р. Определені поляризуемости слабоконцентрированных диспергированных рассєивател£ по спектрам поглощения // Оптика и спектроскопия. - 1995. - Т.78, N5. С.718-721.

2. Венгер Є.Ф., Гончаренко А.В., Горя О.С., Дмитрук М.Л., Романюк BJ Спектроскопія відбивання довгоперіодних надіраток на основі полярнг напівпровідників (GaAs/GaPAs) // УФЖ. - 1997. - Т.42, N6. - С.693-697.

3. Венгер Е.Ф., Гончаренко А.В., Дмитрук Н.Л., Романюк В.Р.. Эффективнг диэлектрическая функция многофазной гетеросисгемы // Оптика спектроскопия. - 1998. - Т.84, N2. - С.274-279.

4. Венгер Е.Ф., Гончаренко А.В., Горя О.С., Дмитрук Н.Л., Романюк В.) Исследование фонон-поляритонных возбуждений в полупроводниковы сверхрешетках GaAs/GaPAs // ЖПС. -1999. - Т.66, N4. - С. 460-466.

5. Dvoynenko М.М., Goncharenko А.У., Romaniuk V.R., Venger E.F. Optic; phonon damping in the ultrathin-Iayer GaAs/AlAs superlattices // Superlattice and Microstructures. - 1999. - V.26, N5. - P. 333-342.

6. Венгер Є.Ф., Гончаренко A.B., Двойненко M.M., Романюк B.I Спектроскопія ІЧ-пропускання ультракороткоперіодних надграто GaAs/AlAs //Вісник Київського університету. Сер. фіз. - мат. науки. - 1999. ВШІ.4.-С. 294-301.

7. Dmitruk N.L., Goncharenko A.V., Gorea O.S., Romaniuk V.R., Tatarinskay O.M., Venger E.F. Far-infrared spectroscopy of polar semiconductor superlattice (GaAs-GaPAs)//Proc. SPIE. - 1995. - V.2648. - P.138-143.

8. Belous A.G., Goncharenko A.V., Romaniuk V.R., Venger E.F. Low-frequenc dielectric lunction of close-packed composites//Proc. SPIE. - 1996. - V.2863. P.141-151.

9. Goncharenko A.V., Dvoynenko M.M., Romaniuk V.R., Venger E.F. Visible and near-ER. transmittance of granular metal films close to the percolation threshold // Proc. SPIE. - 1997. - V.3133. - P.300-310.

10.Венгер Є.Ф., Гончаренко A.B., Дмитрук M.JI., Романюк В.Р. Ефективні оптичні параметри сильноконценгрованих діелектричних дисперсних систем // Тези ХП Республіканської школи "Спектроскопія молекул і кристалів". - 1995. Ніжин. - С. 18.

11.Dmitruk N.L., Dvoynenko М.М., Goncharenko A.V., Romaniuk V.R., Venger E.F. Dielectric response of discontinuous gold film as a function of their thickness //Proceedings SSPFA-97. - 1997. Katsyveli. - P.R69-R71.

12.Венгер Є.Ф., Гончаренко A.B., Горя O.C., Дмитрук М.Л., Романюк В.Р. Спектроскопія довго- та короткоперіодних НГ на основі полярних напівпровідників АЗВ5 // Збірник тезів МКФТПТ-б. 1997. Івано-Франківськ. - С.90-91.

АНОТАЦІЯ

Романюк В.Р. Особливості взаємодії електромагнітного випромінювання з дисперсними та періодичними твердотільними гетеросистемами. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.07 - фізика твердого тіла. - Інститут фізики напівпровідників НАН України, Київ, 2000.

Дисертація присвячена вивченню впливу топології гетеросистем, перколяції, розупорядкованості кристалічної гратки, шорсткості інтерфейсів на оптичні властивості дисперсних та періодичних твердотільних гетеросистем. У довгохвильовому наближення запропоновано узагальнення Бругеманівського симетричного наближення ефективного середовища для ГС агрегатної топології, що враховує розподіл частинок за формою без та за наявності кореляції в розподілі фаз, та для опису оптичних властивостей гранулярних металевих плівок у широкому діапазоні зміни коефіцієнта заповнення, що враховує зміну розмірності системи при переході через поріг перколяції. На основі спектрального представлення Бергмана для ефективної діелектричної проникності розраховано спектральну густину резонансів двокомпонеткого композиту. Для опису діелектричної проникності твердих розчинів полярних напівпровідників із розупорядкованою кристалічною граткою запропоновано застосовувати модель, що враховує функцію розподілу фононних осциляторів за частотою і описано таким чином оптичні властивості твердих розчинів GaPAs в області оптичних граткових коливань. Проведено ідентифікацію природи фонон-поляритонних збуджень у напружених НГ GaAs/GaPAs на ізотропній підкладинці. Експериментально і теоретично досліджено їхні дисперсійні залежності. Виміряно величини феноменоло-гічного параметра

загасання локалізованих поперечних оптичних фононних коливань АІАб ультратонких шарах НГ ОаАБ/АІАз і виявлено його збільшення при зменшен товщини шарів.

Ключові слова: ефективна діелектрична проникність, топологі інтерфейс, надгратка, поверхневі збудження, фонони, ІЧ-спектроскопія.

АННОТАЦИЯ

Романюк В.Р. Особенности взаимодействия электромагнитно] излучения с дисперсными и периодическими твердотельный гетеросистемами. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физик математических наук по специальности 01.04.07 - физика твердого тела. Институт физики полупроводников НАН Украины, Киев, 2000.

Диссертация посвящена изучению влияния топологии гетеросисте перколяции, разупорядоченности кристаллической решетки, шероховатості интерфейсов на оптические свойства дисперсных и периодических тверд тельных гетеросистем. В длинноволновом приближении предложено обо щение Бруггемановского симметричного приближения эффективной сред которое учитывает как распределение частид по формам так и возможну корреляцию в распределении фаз в ГС агрегатной топологии. Предложеі также обобщение для описания оптических свойств гранулярных мета лических пленок в широком диапазоне изменения коэффициента занолнени которое учитывает изменение размерности системы при переходе через пор перколяции. На основе спектрального представления Бергмана для эффе тивной диэлек-трической проницаемости рассчитана спектральная плотное резонансов двухкомпонетного композита. Для функции диэлек-тричесю проницаемости твердых растворов бинарных полупроводниковых соединен! с разупорядоченной кристаллической решеткой предложено использова модель, которая учитывает функцию распределения фононных осциллятор! по частоте. Описаны оптические свойства эпитаксиальных ненапряженных напряженных пленок твердых растворов ОэРАб в области остаточных лучей определены параметры модели. Проведена идентификация природы фоно поляритонных возбуждений в напряженных СР ОаАзЛЗаРАз на изотроши подложке. Экспериментально изучены дисперсионные зависимости этих мод получено хорошее согласование с расчетом по дисперсионным соотношение для одноосной анизотропной пленки на изотропной подложи Экспериментально измеряно и выявлено увеличение феноменологическо: параметра затухания локализованных поперечных оптических фононнь колебаний А1Аб в ультратонких слоях СР ваАз/ЛІАБ при уменьшен! толщины слоев.

Ключевые слова: эффективная диэлектрическая проницаемость,

топология, интерфейс, сверхрешетка, поверхностные возбуждения, фононы, ИК-спектроскопия.

SUMMARY

Romaniuk V.R. Peculiarities of electromagnetic radiation interaction with disperse and periodical solid state heterosystems. - Manuscript.

Thesis for a candidate’s degree in physics and mathematics by speciality 01.04.07 - solid state physics. - Institute of Semiconductor Physics NAS of Ukraine, Kyiv, 2000.

The thesis is devoted to the research of the influence of heterosystem topology, percolation, lattice disordering and interface roughness on optical properties of disperse and periodical solid state heterosystems. For composite media some recent phenomenological approaches to treating dielectric properties in long-wavelength limit are considered. Among the problems discussed are the features of media with close-packed particles, role of topology and bounds for the effective dielectric function. The generalization of Bruggeman's symmetrical effective medium approximation, which takes into account the particles shape distribution and possible correlation in phase distribution for an aggregate heterosystem was proposed. The dependence of dielectric response of semicontinuous gold films on their mass [hickness (filling factor) has been studied. A wide range of mass thickness was :onsidered, up to those corresponding to continuous films. The results obtained show :he relationship between the dielectric properties of films and their morphological peculiarities. Using Bergman's spectral representation for an effective dielectric •esponse, the spectral density of resonances for two-component composite was :alculated. To describe dielectric function of polar semiconductor alloys having iisordered lattices the model with transverse optical phonon frequency distribution vas proposed. Using this model the optical properties of GaPAs alloys has been lescribed in the reststrahlen region. The identification of phonon-polariton ¡xcitations origin in strained-layers GaAs/GaPAs superlattices on isotropic substrate vas performed. Experimentally and theoretically the surface and guided-wave »olariton modes dispersion was studied. We also performed the precision neasurements of the near-normal far-infrared reflection and transmission spectra of he MBE-grown (GaAs)„/(AlAs)„ («=1,2,4) superlattices. The results obtained show . noticeable (almost twofold) increase in AIAs-phonon damping when n is decreased rom 4 to 1. The increase in the TO-phonon damping may be related to interface roadening whose role becomes important when the superlattice period decreases.

Key words: effective permittivity, topology, interface, superlattice, surface xcitation, phonon, IR-spectroscopy.