Поглощение электромагнитного излучения малыми проводящими частицами и тонким металлическим слоем

Березкина, Светлана Валерьевна

Поглощение электромагнитного излучения малыми проводящими частицами и тонким металлическим слоем тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

Березкина, Светлана Валерьевна АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Москва МЕСТО ЗАЩИТЫ

2006 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.14 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Поглощение электромагнитного излучения малыми проводящими частицами и тонким металлическим слоем»

Автореферат диссертации на тему "Поглощение электромагнитного излучения малыми проводящими частицами и тонким металлическим слоем"

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ОБЛАСТНОЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

Березкина Светлана Валерьевна

ПОГЛОЩЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ МАЛЫМИ ПРОВОДЯЩИМИ ЧАСТИЦАМИ И ТОНКИМ МЕТАЛЛИЧЕСКИМ СЛОЕМ

Специальность: 01.04.14 - теплофизика и теоретическая теплотехника

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва-2006

Работа выполнена на кафедре микроэлектроники Ярославского государственного университета им, П.Г. Демидова.

Научный руководитель: , доктор физико-математических наук

Кузнецова И .А.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Дадиванян А.К.; кандидат физико-математических наук, Чурилов А.Б.

Ведущая организация: Ярославский государственный педагогический университет им. К.Д.Ушинского.

« дгШ^сР 2006 г. в ^^наз

ТТ V"! 1 <-> КС ПП ^ Л Л^ч/-«,-,-Л..тгл., Г'м/чтто«

Защита состоится 2006 г. в 7С/ на заседании

диссертационного совета Д - 212.155.07 в Московском государственном областном университете по адресу: 107005, Москва, ул. Радио, д.10а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного областного университета.

Автореферат разослан У/СГиЖ/^* 2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор физ.-мат. наук, профессор Д.Л.Богданов

Общая характеристика работы

Актуальность диссертации.

Электрические, оптические и теплофизические свойства малых проводящих частиц и тонких слоев могут существенно отличаться от свойств массивных образцов. С классической кинетической точки зрения это отличие обусловлено тем, что линейные размеры рассматриваемых объектов могут быть сравнимы с длиной свободного пробега носителей заряда, при этих условиях характер взаимодействия носителей заряда с границей образца начинает оказывать значительное влияние на его свойства. Изучение свойств малых частиц и тонких пленок вызывает большой теоретический интерес и обеспечивает их широкое использование в разнообразных технических приложениях.

Исследование кинетических процессов актуально в задачах о взаимодействии электромагнитного излучения с аэрозольными системами, состоящими из мелких частиц (сферических, плоских и т. д.), которые используются для экранировки электромагнитного излучения. Нагрев частицы и ее теплообмен с окружающей средой существенно зависит от распределения плотности поглощаемой энергии по объему частицы, это необходимо учитывать при анализе испарения частиц (в том числе, в поле лазерного излучения).

При нанесении на поверхность твердых тел лакокрасочных материалов, содержащих малые проводящие частицы, могут значительно изменяться поглощающие и отражающие характеристики таких поверхностей. Для управления указанными процессами требуется тщательное изучение электрических и оптических свойств малых проводящих частиц.

Кинетическое описание отклика электронов в тонком слое металла на внешнее электромагнитное излучение необходимо и в ряде задач микроэлектроники, поскольку развитие современных технологий приводит к уменьшению характерных размеров деталей микроэлектронных устройств, и рассматриваемые толщины пленок становятся субмикронными.

Целью данной работы является

изучение взаимодействия электромагнитного излучения с мелкой проводящей частицей сферической формы и с тонким металлическим слоем. Исследования нацелены на:

кинетический расчет плотности вихревого тока в мелкой проводящей частице сферической формы в зависимости от частоты внешнего поля для случая ненулевых температур;

построение температурной зависимости сечения магнитного диполыюго поглощения излучения мелкой проводящей частицей при смешанном диффузно - зеркальном механизме отражения носителей заряда от границы образца;

анализ влияния коэффициента зеркальности на величину сечения поглощения при различных температурах;

описание поведения электронной плазмы в тонком металлическом слое, находящемся во внешнем поперечном к поверхности переменном электрическом поле, с учетом диффузного рассеяния электронов на границе слоя;

расчет поглощаемой на единицу площади пластины мощности излучения в зависимости от частоты внешнего поля.

Научная новизна работы.

1. Впервые для случая ненулевых температур кинетическим методом вычислен вихревой ток в мелкой проводящей сферической частице, находящейся в поле плоской электромагнитной волны. Исследована зависимость плотности тока в частице от температуры и частоты внешнего поля.

2. Впервые получено сечение магнитного диполыюго поглощения излучения мелкой проводящей частицей сферической формы для смешанного диффузно-зеркального механизма отражения носителей заряда от границы образца при ненулевых температурах, т.е. впервые исследована температурная зависимость поглощения. Проанализировано влияние коэффициента зеркальности на величину сечения поглощения при различных температурах.

3. В рамках кинетической теории методом Галеркина впервые решена задача об отклике электронной плазмы в тонком металлическом слое на внешнее поперечное к поверхности переменное электрическое поле для случая диффузных граничных условий.

Практическая значимость.

Использование особых электрических, оптических и теплофизических свойств малых проводящих частиц и тонкопленочных структур может найти широкое применение в практике.

В вычислительной технике и в деталях микроэлектронных устройств, характерные размеры которых становятся субмикронными, используются проводящие тонкие слои и композитные покрытия с входящими в их состав малыми металлическими частицами.

В авиационной промышленности применяются радиопоглощающие керамические покрытия, в матрице которых беспорядочно распределены

малые металлические частицы, что позволяет изменять поглощающую способность поверхностей летательных аппаратов.

Одной из технологий добычи драгоценных металлов является технология разделения дисперсного золото- и платиносодержащего сырья, основанная на использовании свойств вихревых токов, индуцируемых переменным магнитным полем в частицах металла. Эта технология имеет большое значение для Камчатки, специфика которой накладывает ряд ограничений на использование других известных технологий.

В космосе малые металлические частицы представляют серьезную угрозу для летательных аппаратов. Такие частицы можно разрушить лазерными пучками, зная основные закономерности поглощения этих частиц.

В энергосберегающей строительной индустрии при создании селективных стекол (где на поверхность стекла наносится многослойное покрытие), чтобы добиться наилучших оптических, инфракрасных и СВЧ-характеристик, используются покрытия, состоящие из чередующихся пленок различных металлов и их окислов толщиной приблизительно 100 Л.

Таким образом, использование свойств малых проводящих частиц и тонкопленочных структур может найти применение в микроэлектронике, авиационной технике, астрофизике, в энергосберегающей и добывающей промышленности.

На защиту выносятся:

расчет плотности вихревого тока, возникающего в мелкой проводящей частице сферической формы под действием внешнего электромагнитного поля и исследование пространственного распределения плотности тока в зависимости от температуры и частоты внешнего поля;

построение теории поглощения электромагнитного излучения проводящей частицей сферической формы и исследование температурной зависимости сечения магнитного дипольного поглощения с учетом смешанного характера взаимодействия носителей заряда с поверхностью частицы;

построение теории взаимодействия электронов проводимости в тонком слое металла с переменным поперечным поверхности слоя электрическим полем в случае диффузного механизма рассеяния электронов на границе образца;

расчет поглощаемой на единицу площади мощности излучения в зависимости от частоты внешнего поля при заданных соотношениях

между толщиной слоя, длиной свободного пробега электронов и дебаевским радиусом экранирования.

Апробация работы.

По теме диссертации опубликовано 8 работ.

Материалы диссертации докладывались на научных конференциях Ярославского педагогического университета (2003г., 2006г.); на VI Международном конгрессе по математическому моделированию (Нижний Новгород 2004г.); на XIV Международной конференции по вычислительной механике и современным программным системам (Алушта, Крым, 2005г.); на научной конференции молодых ученых Ярославского государственного университета (2006г.).

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы и приложения. Она содержит 102 страницы машинописного текста и 23 рисунка.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Электромагнитные и оптические свойства малых проводящих частиц и тонких пленок (линейный размер образца а много меньше длины волны электромагнитного излучения Л) могут существенно отличаться от свойств массивных образцов целым рядом особенностей. Причинами, обуславливающими это различие, могут быть квантовые размерные эффекты (связанные, например, с дискретностью спектра энергии электронов) и эффекты, имеющие классическое объяснение. Так, если размер образца а сравним с длиной свободного пробега носителей заряда Я или меньше ее (а<А), взаимодействие носителей заряда с границей образца начинает оказывать значительное влияние на электрические и оптические свойства частицы (пленки). В этом случае классическая теория (теория Ми) взаимодействия электромагнитного излучения со сферической частицей, основанная на локальных уравнениях макроскопической электродинамики, оказывается неприменимой, и решение задачи необходимо проводить в рамках кинетического подхода.

В первой главе диссертации кинетическим методом рассчитывается плотность вихревого тока в частице и его зависимость от частоты внешнего поля со для случая произвольных температур. Соотношение между длиной свободного пробега носителей заряда Я и размером частицы а произвольное. Радиус частицы а считается меньше глубины скин-слоя 8, что позволяет пренебречь скин-эффектом.

Рассматривается малая проводящая частица металла, полуметалла или сильно легированного примесного полупроводника п-типа (р-типа) проводимости, находящаяся в однородном, периодическом во времени магнитном поле Н=Н0ехр(-1<уг). Это поле индуцирует вихревое электрическое поле Е, определяемое из уравнения индукции Максвелла, что приводит к возникновению в частице вихревого тока]:

Здесь е - заряд электрона, т - эффективная масса электрона (дырки), V -скорость электрона (дырки), /г - постоянная Плаика.

Задача сводится к отысканию отклонения /] функции распределения от равновесной фермиевской функции /о, возникающего под воздействием вихревого поля Е. В линейном (по внешнему полю) приближении функция /1 удовлетворяет кинетическому уравнению Больцмана. Предполагается гармоническая зависимость от времени (/] ~ ехр(-/£0/)), а интеграл столкновений берется в приближении времени релаксации (с^МОз = -/¡/г (где х— время релаксации).

В качестве граничных условий рассматривается диффузный механизм отражения носителей заряда от границы образца (т.е. сразу после отражения функция распределения становится равновесной).

Для решения уравнения Больцмана используется метод характеристик, который позволяет проследить за изменением отклонения функции распределения/[ вдоль характеристики (траектории).

Найденная функция распределения позволяет рассчитать плотность вихревого тока .¡. В сферических координатах (полярная ось 2 || Но) ток ] обладает лишь <р - компонентой (линии тока - замкнутые окружности с центрами на оси 2 в плоскости, перпендикулярной оси 2):

(1)

(2)

7 --

{[ехр(и-м„) + 1]

-ч/гГ с1и

Здесь ¿" = т и 12 - кинетическая энергия электрона (дырки) в случае

сферически симметричной энергетической зоны, То = е2лг/яг - статическая ироводимость( п — равновесная концентрация электронов), а - угол между векторами v и г, v = 1/r - icy - эффективная частота столкновений, параметр /' = (rv +[(rv)2 + (а2 - rV] 1/2 )ь>2 имеет смысл времени движения электрона (дырки) вдоль траектории от границы частицы до точки г со скоростью v; безразмерные переменные z, х, у, и, мМм т], £ имеют вид:

а . a iaco

Z — V = х iy, х =-, у =-

и, и, г и.

Е И и =- U = —

кТ " кТ

(4)

а V« а

5 г и-Ыи

3J0 схр(и-им) + 1

ц- =-и,-

где ¿и - химический потенци&ч; параметры г, х и у нормированы на характерную скорость носителей заряда и], которая вводится следующим образом:

, 5 г , . 2¿Чти) по; = -|о_/о-

31 й (5)

Для случая вырожденного Ферми-газа (Г —> 0) О] -» Ор, где ир -фермиевская скорость, определяемая выражением для функции Ферми /0 (Т —> 0). В другом предельном случае при Г —» оо и\ —> (5кТ!т)т, т.е. имеет порядок средней тепловой скорости носителей заряда.

При условиях а » X и безразмерной частоте у —> 0 интеграл —> 1, т.е. выражение переходит в локальный закон Ома.

В предельном случае низких температур (мм со) двукратный интеграл (3) сводится к однократному и имеет вид:

1 -v 71

00) = -- f[l - exp(-z^)] sin>{a)da (6)

4 zJg

В другом предельном случае при ыц —> -со (классический газ) выражение (3) также заметно упрощается за счет возможности пренебрежения единицей по сравнению с экспонентой в знаменателе:

ГГР-«Р(-"7>] u1,2sm\a)daàu (7) Jkz\{ ехр(и)

0,125-

0.0Я)-

0.025-1-.-,---,-.-,-.-г

-10 -5 0 5 10

Рис.1. Зависимость абсолютного значения безразмерной плотности тока И от обратной безразмерной температуры ы(1 при различных значениях безразмерного расстояния от центра частицы £. (кривые 1, 2, 3, 4 = 0; 0,5; 0,8; 1 соответственно) для г = 0,1 -0,1г.

Рис.2. Зависимость фазы У от обратной безразмерной температуры и^ при различных значениях безразмерного расстояния от центра частицы £ (кривые 1, 2, 3, 4 =0; 0,5; 0,8; 1 соответственно) для г —0,\ - 0,1г.

Из рис.1 и рис.2 видно, что при низких частотах понижение температуры приводит к монотонному уменьшению абсолютного значения и фазы У как в центре, так и вблизи поверхности частицы. При заданной безразмерной частоте поля у изменение температуры оказывает большее влияние на плотность тока в центре частицы. С увеличением частоты внешнего поля наиболее существенно меняется характер температурных зависимостей безразмерной плотности тока также в центре частицы.

Из рис.1 - 4 видно, что характер температурных зависимостей безразмерной плотности тока существенно зависит частоты внешнего поля.

Рис.3. Зависимость абсолютного значения безразмерной плотности тока от обратной безразмерной температуры ии при различных значениях безразмерного расстояния от центра частицы £ (кривые 1, 2, 3, 4 =0; 0,5; 0,8; 1 соответственно) для г = 0,1 - 10/.

Рис.4. Зависимость фазы 3 от обратной безразмерной температуры иц при различных значениях безразмерного расстояния от центра частицы £ (кривые 1, 2, 3, 4 = 0; 0,5; 0,8; 1 соответственно) для г = 0,1 - 10;

С уменьшением длины свободного пробега Я (увеличением х) вклад поверхностных столкновений в плотность тока по сравнению с объемными уменьшается, и в предельном случае Я« а справедлива классическая теория Друде.

Во второ» главе исследована температурная зависимость ссчсния магнитного дипольного поглощения излучения мелкой проводящей частицей при смешанном диффузно - зеркальном механизме отражения носителей заряда от границы образца. Проведен анализ влияния коэффициента зеркальности на величину сечения поглощения при различных температурах.

Вихревой ток ] (1), возникающий в частице под действием вихревого электрического поля Е, обуславливает магнитное дипольное поглощение излучения в частице. Средняя диссипируемая мощность (в единицу времени) в объеме частицы определяется выражением

<3 = |(КеЕ)-(Ке])Л = У2 Ке Й-Е^г,

(8)

где чертой обозначено усреднение по времени, а звездочкой - комплексное сопряжение.

Аналогично первой главе, задача сводится к отысканию отклонения функции распределения у] от равновесной фермиевской функции /о, которое удовлетворяет кинетическому уравнению Больцмана. Также предполагается стационарная зависимость от времени {/] ~ с""1), а интеграл столкновений взят в приближении времени релаксации (с1/\!сН)$ — -/\!т.

Однозначное решение уравнения возможно лишь при задании граничного условия на поверхности частицы для неизвестной функции Физически это означает, что при условии а < Я сечение поглощения существенно зависит от характера взаимодействия носителей заряда с границей. В данной главе рассматривается наиболее общий случай диффузно-зеркальных граничных условий. Коэффициент зеркальности q изменяется в пределах:0 <q<\. При <7 = 0 отражение диффузное, а при q = \ отражение чисто зеркальное, так что изменение д в данных пределах позволяет смоделировать различные варианты смешанного (диффузно -зеркального) отражения.

Уравнение Больцмана решается методом характеристик. Найденная функция распределения позволяет рассчитать плотность вихревого тока

здесь безразмерные переменные г, х, у, и, т], £ имеют вид (4).

Разделив среднюю диссипируемую (в единицу времени) в частице мощность излучения <2 (8) на средний поток энергии в плоской электромагнитной волне сНо/Ътс, получим сечение магнитного поглощения ст.

г _ (1-?)ехр(-г?7 )"| м3/2 ехр(ц-ц„)

— вш3 а йийа

<7 =

= (8я/2сЯ20)Яе \уЪ*<?г = а0Р(х,у,д,и^); 11

(10)

сг0 = л2<?2я4 и\п!2сът

2к 4й(1 - g)(l - ехр(-2zku, / -Ун))

г С, г 2 (1 - <j exp(-2zA vj4u))

и3'2 схр(и — и )

dudk ■

(И)

(ехр(гг-м^) + 1)2

Здесь tTj - безразмерная скорость: V^u, l4lkTIт; £ = (£2 cos2 а + 1 - f)1

В пределе чисто зеркального отражения (<? ->1), в области низких температур выражение для коэффициента поглощения имеет вид:

15г 15(х2 + у2)

(12)

что согласуется с классическим результатом, и означает, что граница не оказывает влияния на функцию распределения /¡.

В низкочастотном приближении (у « 1) для случая q ф 0. В пределе х -» 0 (большие длины свободного пробега) для ненулевых температур интеграл (11) существенно упрощается и имеет вид

F(x = 0-,y«l,q*0,«и) = <1 + (7> .+ !n(1 + ехр(-М/,))]х

uV2du

cxp(u-utl) + \

9л/3(?-1)

(13)

uU2du

ехр(г^ — и ) +1

Для вырожденной электронной плазмы (мм -» +оо) в низкочастотной области интеграл (11) вычисляется в аналитическом виде:

+0°; * = ч * о>= . у3 (14)

3(1 -д)

В другом предельном случае классического газа (г/м - со) в интеграле (11) в знаменателе дроби можно пренебречь единицей по сравнению с экспонентой. Разложение по степеням у приводит к

дальнейшему упрощению (11) и позволяет получить результат в аналитическом виде

х = 0; у« 1; ц * 0) = 1 0 + (15)

9 V к (1-<?)

0,0 0,2 0.4 0,6 О,а 1,0

Рис. 5. Зависимость безразмерного сечения поглощения Р (сплошные кривые - ии = 10, штриховые- и^ = 0,5) от безразмерной частоты у при обратной длине свободного пробега х — 0.1 для коэффициента зеркальности ц: 1, 4 - д = 0; 2, 5 -= 0.5; 3, 6 - д = 1.

Рис. 6. Зависимость безразмерного сечения поглощения /'(при и,,- 10) от коэффициента зеркальности q при обратных длинах свободного пробега х = 0.1 (сплошные кривые) и х = 1 (штриховые кривые) для

безразмерной частоты у: кривые 1, 4; 2, 5; 6; 3,7-у = 0.5;у = 1;у = 3;у = 5 - соответственно.

На рис.5 представлены зависимости безразмерного сечения поглощения ^ от безразмерной частоты у при заданном значении безразмерной обратной длины свободного пробега х = 0,1 и фиксированных значениях температуры = 0,5 и и!Х =1 0 = ц / коТ). Из графиков

видно, что с увеличением д при любых температурах спектральная зависимость F от у становится более монотонной и с ростом у быстрее достигает насыщения. Это связано с тем, что при увеличении коэффициента зеркальности q при любых температурах граница оказывает все меньшее влияние на функцию распределения /ь и поэтому при д 1 для вихревого тока выполняется локальный закон Ома для любых х.

Из рис. 5 также следует, что с увеличением температуры сглаживаются осцилляции в сечении поглощения, т.е. вклад нелокальных поверхностных эффектов в сечение поглощения уменьшается.

На рис.6 для различных значений х и у представлена зависимость F от q при Иц=10. Из графиков видно, что при малых х (больших длинах свободного пробега носителей заряда) кривые F{q) при q 1 сходятся к одному значению независимо от частоты у, что согласуется с классическим результатом (12). Следует отметить, что с увеличением х (х > 1) и у (у > 1) при любых температурах зависимость F(q) с ростом q становится близка к линейно убывающей.

Тпетья глава диссертации посвящена рассмотрению отклика электронов проводимости в тонком слое металла (плоской частице) на внешнее переменное, нормальное к поверхности электрическое поле при заданных соотношениях между толщиной слоя 2ай, длиной свободного пробега электронов Я и дебаевским радиусом экранирования. Рассматриваются частоты электрического поля, малые по сравнению с плазменной частотой. Предполагается, что толщина пластины 2аа много меньше характерного продольного размера. При выполнении этого условия пластину можно считать бесконечной. Внешнее электрическое поле считаем достаточно слабым, чтобы было применимо линейное приближение. Электроны проводимости рассматриваются как почти идеальный вырожденный ферми-газ. Аналогично предыдущим главам, задача сводится к отысканию отклонения fx от равновесной функции, которое можно представить в виде:

При этом функция удовлетворяет кинетическому уравнению Больцмана, которое приводится к виду:

Здесь у/ - равновесная, а у/ - избыточная (по сравнению с равновесной) концентрация электронов, т. е. плотность заряда:

величина V - эффективная частота столкновений, g= }л/(&71т2 о\.). Электрическое поле удовлетворяет уравнению:

-= Ажеу/ . (19)

с1х

Компоненту скорости их можно представить в виде: их - ц^ собО, где в - угол между вектором скорости V и осью х, поэтому удобно ввести

А =--^Vexp(-/ft)r)-

(16)

(17)

(18)

переменную т) = соэО, изменяющуюся от —1 до 1. Далее используются безразмерные параметры:

л; = х / а0, Уо = а0со /ир, х0 = «оу /щ, (20)

6ке2а1п

Е=Е/Е0.

£Р

Здесь параметр к имеет вид: к = а^ / Гд , где - радиус Дебая.

Вместо функции ^вводится функция <р:

ср(х;т]) = у/(е ааЕ0). В дальнейшем штрих у переменной х будем опускать. Функции (р и

Е удовлетворяют следующей системе уравнений:

д(р

<№ г — = к'<р.

„ ах

дх (21)

Здесь

]

9 = \\<Р{Х>11)С1Г1- (22)

2.,

Рассматривается случай, когда электроны рассеиваются на поверхности металла чисто диффузного. Ввиду симметрии задачи справедливы соотношения:

£(-*) = ВД, (23)

(р{-х,-1т) = -<р(х,т]). Тогда граничные условия для функции распределения <р(х;т]) при х -± 1 принимают следующий вид:

<р{+1;?7<0) = - С\; ?»(-1;17>0 )=С,. (24)

где С1 - произвольная константа. Поле Е (Л") удовлетворяет граничным условиям:

£(±1) = 1. (25)

Решение второго уравнения системы (21) для поля Е(х) с учетом граничных условий (25) имеет вид:

]*»/.*• (26) -1

Решением неоднородного уравнения, удовлетворяющим граничным условиям (24), является следующее выражение:

<р(х;т)) = с/^^ + т,-1 {Ф^''1"^'^-

' • (27)

4(17) = (меп(17)+1у2, где функция определена следующим образом:

Г 1 при т) < О, 51§п(77) = Л 0 при 7 = 0, I -1 при т]> 0.

Константа С\ находится из условия непротекания (равенства нулю тока) на границе х = 1 (или х = -1)

-1

которое с учетом граничных условий (24) имеет вид:

]

С,=- (29)

Функция распределения (р(х;г}) (27) подставляется в уравнение (22), которое преобразуется к виду:

- с, !■ -—(*+о 1 ,

<?(*)= —|е " с1п+-\\г1-1Ф{з)еч &йг\ -

2 о . 21Л , (30)

р о 1 о 1 —

2-1 2 ^ Л

где Ф($) = /7 + Т]к2 +х0(р{$) .

-1

Таким образом, решение системы уравнений (21) сводится к решению интегрального уравнения (30) для функции (р. Точного решения

уравнения (30) получить не удается, поэтому для нахождения приближенного решения воспользуемся методом Галеркина. Одно из частных решений системы (11) имеет вид:

(р = sh

-и*)-

(31)

Это решение удовлетворяет кинетическому уравнению, но не удовлетворяет граничным условиям (24). Решению (31) соответствует следующее распределение плотности заряда:

г \

~хЛ (32)

<р = А бЬ

V '0 у

где А — неизвестная константа, а параметр Го является решением дисперсионного уравнения:

с"

г 7] -ас

--d?j = 0-

íxtj- -v

(33)

Здесь введены следующие обозначения: а = хо / к, с = г0 / к,

\с\ = \а- Щ, где Ъ=уц/ к. Отметим, что в статическом пределе (с = а) корень

дисперсионного уравнения (33) (/й2 = а2) дает экранирующее решение.

С учетом вышесказанного, «пробную» функцию в методе Галеркина берем в виде (32), подставим ее в (30), домножим полученное уравнение на

базисную функцию

и проинтегрируем каждое слагаемое по х в

пределах от -1 до 1. Таким образом, получим уравнение для неизвестной константы А. Это позволит определить электрическое поле Е (х) , которое принимает вид:

•о У

-ch

Г \N 2,

V^o JJ

(34)

Безразмерная плотность тока j(x) и поглощаемая на единицу площади пластины мощность электромагнитного излучения Q определяются из выражений:

(35)

(36)

./(*)= 7 Jw (x;T¡)drj

¿ -i

В низкочастотном приближении \с\ = | а - Щ « 1 при условии, что к = а\!гр » 1, корень дисперсионного уравнения (31) | /0 I « 1, что позволяет существенно упростить (31) и привести его к виду

Ых) = ——

(37)

Разложение решения уравнения (33) по малому параметру |с| « 1

имеет вид

/0 =(1 +~а)с

(38)

Поскольку в рассматриваемом случае а также малый параметр (а « 1), то в первом приближении по с получим: Го « с. Тогда отношение ло//о ~ к, и «пробная» функция представ1ша в виде <р — А бЬ (кх ). При этом вычисление

интегралов, входящих в (36), с учетом допущенных приближений, существенно упрощается.

В случае, когда длина свободного пробега электронов в металле значительно меньше толщины пластины (х0>> 1), в низкочастотной области >>о « 1 результаты расчетов поглощаемой на единицу площади пластины безразмерной мощности Q (36) согласуются с соответствующими результатами, следующими из приближения Друде (Оп = Зх0 к'4 ). Так

дляхо= 10, к- 10 и безразмерной частотыу0 = 0,02 получаем () = 1,3-10"6, а в приближении Друде: (¿о = 1,2-10"6.

В предельном случае го —> 0 электрическое I юле в объеме пластины определяется выражением:

а поглощаемая на единицу площади пластины мощность излучения 0 (36) стремится к нулю.

(39)

1,0

0,8-

0.4

0,2

0,0

0,0 0,2 0,4 £ х'

Рис.7 Зависимость электрического поля

безразмерного от

безразмерной координаты д- '-х/а0 при ха = 0,1 и у0 = 0.01 для параметра к - 10; 100 (кривые 1; 2 соответственно).

На рис. 7 приведен график зависимости безразмерного электрического поля

электрическое поле на поверхности) от

безразмерной координаты х' = х/По Из рис.7 видно, что с увеличением безразмерной толщины слоя и, соответственно, параметра к = а\1г\

электрическое поле (34) очень резко затухает и практически полностью экранируется пластиной

Из графиков, представленных на рис.8 и рис.9 видно, что при малых значенияху0 (у'о < 2) зависимость Q(yo) при всех яо близка к квадратичной: О

л,2

~Уо При Л'о -> 0 (т.е. при отсутствии объемных столкновений электронов, когда имеется только их поверхностное рассеяние) квадратичный характер зависимости (5(>'о) сохраняется (рис.8, штриховая кривая). Из рис.9 видно, что при малых значениях хо (кривые 1 и 2) и частотах внешнего поля уо > 2 характер зависимости Q(yo) существенно меняется. Причина такого поведения кривых 1 и 2 состоит в том, что время пролета электрона между пластинами при значениях у о, соответствующих максимуму кривых, соответствует периоду изменения электрического поля внутри слоя. При этом электрон в своем движении попеременно то ускоряется, то замедляется. Соответственно уменьшается средняя энергия, приобретаемая электроном, и поглощаемая мощность.

У„

Рис. 8. График зависимости поглощаемой на единицу площади пластины безразмерной мощности излучения от безразмерной

частоты внешнего поля у0 при различных значениях х0 = а0 / Л и параметре 4=10 (кривые 1, 2, 3, 4, -х0 = 0,01; 0,1; 1; Ю соответственно; штриховая кривая- .*о—► 0).

Рис. 9. График зависимости поглощаемой на единицу площади пластины безразмерной мощности излучения () от безразмерной частоты внешнего поля уо при различных значениях х0 = а^Х и параметре к = 100 (кривые 1, 2, 3, 4 - л: = 0,01; 0,1; 1; 10 соответственно)

При заданной безразмерной настоте внешнего поля у0 поглощаемая на единицу площади мощность Q возрастает с увеличением хо (уменьшением длины свободного пробега Л), т.е. рост диссипации энергии электрического поля связан с увеличением частоты объемных столкновений электронов. Результаты и выводы.

1. Решена задача о взаимодействии электромагнитного излучения с мелкой проводящей частицей сферической формы для случая диффузного механизма взаимодействия электронов с границей образца. В дипольном приближении вычислена плотность вихревого тока внутри частицы и исследована ее температурная зависимость. Показано, что характер температурных зависимостей безразмерной плотности тока существенно зависит от частоты внешнего поля.

2. В рамках классической теории электропроводности решена задача о взаимодействии электромагнитного излучения с мелкой проводящей частицей сферической формы для случая смешанного диффузно-зеркального отражения носителей заряда от внутренней поверхности частицы.

3. Получено выражение для сечения магнитного поглощения малой проводящей частицы в зависимости от коэффициента зеркальности для случая ненулевых температур. Показано, что с увеличением температуры вклад нелокальных поверхностных эффектов в сечение поглощения уменьшается.

4. Построена теория, описывающая отклик электронной плазмы на внешнее переменное нормальное к поверхности электрическое поле. Б качестве граничных условий рассмотрен случай чисто диффузного отражения электронов от границы образца. Получено приближенное решение задачи с помощью метода Галеркина.

5. Рассчитана мощность излучения, поглощаемая единицей площади пластины. Показано, что при малых значениях частоты внешнего поля зависимость поглощаемой мощности от частоты поля близка к квадратичной. При отсутствии объемных столкновений электронов, когда имеется только их поверхностное рассеяние, квадратичный характер этой зависимости сохраняется при любых частотах.

6. Установлено, что при заданной частоте внешнего электрического поля поглощаемая на единицу поверхности мощность излучения возрастает с уменьшением безразмерной длины свободного пробега электронов, т.е. рост диссипации энергии электрического поля связан с увеличением частоты объемных столкновений электронов.

7. Показано, что в предельном случае, когда длина свободного пробега электронов в металле значительно меньше толщины пластины, в низкочастотной области результаты расчетов поглощаемой на единицу площади пластины безразмерной мощности согласуются с результатами классической теории Друде.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах

1. Березкина C.B., Кузнецова И.А. Магнитное дипольное поглощение инфракрасного излучения мелкой проводящей частицей // Современные проблемы математики, физики и физико-математического образования. Материалы научно - методической конференции «Чтения Ушинского», ЯГПУ, Ярославль. 2003г. - С. 37-38.

2. Berezkina S.V., Kuznetsova I.A., Yushkanov A.A., Effects of specular reflectivity coefficient on absorption cross-section of small conductive particle // 6 International congress on mathematical modeling. Book of Abstracts. University of Nizhny Novgorod. - 2004г. -P. 188.

3. Березкина C.B., Кузнецова И.А., Юшканов A.A. К вопросу о магнитном дипольном поглощении электромагнитного излучения мелкой

проводящей частицей // ЖТФ.- 2004г.- Т.74. №12.- С. 67-71.

4. Березкииа C.B., Кузнецова И.А. К вопросу о поведении электронной плазмы в тонком слое металла в переменном электрическом поле // Материалы XIV международной конференции по вычислительной механике и современным программным системам. Алушта. Крым. - 2005г. - С.88-90.

5. Березкина C.B. Расчет вихревого тока в мелкой проводящей частице сферической формы // Актуальные проблемы физики. Сборник научных трудов молодых ученых, аспирантов и студентов. ЯрГУ, Ярославль. - 2005г. Вып.5 С.43-51.

6. Березкина C.B., Кузнецова И.А. Кинетический расчет плотности вихревого тока в малой проводящей частице // Матемаика, физика, экономика и физико-математическое образование. Материалы научно -методической конференции «Чтения Ушинского», ЯГПУ, Ярославль. — 2006г.-С. 13-18.

7. Березкина C.B., Кузнецова И.А., Юшканов A.A. Поведение электронной плазмы в тонкой металлической пластине в переменном электрическом поле // ЖТФ,- 2006г.- Т.76. № 5.- С. 1-7.

8. Березкина C.B., Кузнецова И.А. Юшканов A.A. Кинетический расчет плотности вихревого тока в малой проводящей частице // ФТТ.-2007г.- Т.49. №.1.- С 6-10.

Соискателе hP&ff^' Березкина C.B.

Типография ЯГПУ им. Ушинского. 150000, Ярославль, Которосльная наб., 44 1,5 п. л. Тираж 100. Заказ №

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата физико-математических наук, Березкина, Светлана Валерьевна

Введение.

Глава 1 Расчет вихревого тока в мелкой проводящей частице сферической формы.

1.1 Постановка задачи.

1.2 Математическая модель и расчет вихревого тока.

1.3 Обсуждение результатов.

Глава 2 Магнитное дипольное поглощение электромагнитного излучения мелкой проводящей частицей.

2.1 Основные физические допущения.

2.2 Постановка задачи.

2.3 Методика решения кинетического уравнения.

2.4 Расчет магнитного дипольного поглощения.

2.5 Обсуждение результатов.

Глава 3 Поведение электронной плазмы в тонкой металлической пластине в переменном электрическом поле.

3.1 Постановка задачи.

3.2 Метод решения и математические расчеты.

3.3 Предельные случаи.

3.4 Обсуждение результатов.

Введение диссертация по физике, на тему "Поглощение электромагнитного излучения малыми проводящими частицами и тонким металлическим слоем"

Актуальность диссертации

Электрические, оптические и теплофизические свойства малых проводящих частиц и тонких слоев могут существенно отличаться от свойств массивных образцов. С классической кинетической точки зрения это отличие обусловлено тем, что линейные размеры а рассматриваемых объектов могут быть сравнимы с длиной свободного пробега Я носителей заряда, при этих условиях характер взаимодействия носителей заряда с границей образца начинает оказывать значительное влияние на его свойства. Изучение свойств малых частиц и тонких пленок вызывает большой теоретический интерес и обеспечивает их широкое использование в разнообразных технических приложениях [1-9].

Исследование кинетических процессов актуально в задачах о взаимодействии электромагнитного излучения с аэрозольными системами, состоящими из мелких частиц (сферических, плоских и т. д.), которые используются для экранировки электромагнитного излучения [10,11]. Нагрев частицы и ее теплообмен с окружающей средой существенно зависит от распределения плотности поглощаемой энергии по объему частицы, этот эффект необходимо учитывать при анализе испарения частиц (в том числе, в поле лазерного излучения).

При нанесении на поверхность твердых тел красок, содержащих малые проводящие частицы, могут значительно изменяться поглощающие и отражающие характеристики таких поверхностей. Для управления указанными процессами требуется тщательное изучение электрических и оптических свойств малых проводящих частиц.

Отметим, что уравнения макроскопической электродинамики применимы лишь в предельном случае «массивных» образцов (а » Я), поэтому классическая теория взаимодействия электромагнитного излучения с проводящей частицей (теория Ми [12]) и тонкой пленкой непригодна для описания упомянутого выше размерного эффекта. В качестве аппарата, способного описывать отклик электронов на внешнее электромагнитное поле с учетом взаимодействия электронов с границей образца, может быть использована стандартная кинетическая теория проводимости в металле [13]. В этом случае ограничения на соотношение между длиной свободного пробега электронов и размером образца не накладываются.

Основные результаты этих исследований довольно полно отражены в имеющихся монографиях [14,15] и монографических обзорах[1,16].

В [14] рассматриваются основные физические свойства малых неорганических частиц и прослеживается изменение этих свойств при переходе от атомов к массивному телу. Взаимодействие малых частиц с электромагнитным полем наиболее подробно обсуждается в главе 7. Здесь сначала рассматриваются общие закономерности электромагнитного поля и оптических характеристик массивного вещества, а затем оптические свойства дисперсных сред и отдельных частиц. Проводится обсуждение экспериментальных результатов, полученных при исследовании гранулированных пленок, в частности появление резонанса на графиках зависимости коэффициента поглощения от длины волны света в тонких пленках Аи и Ag. Экспериментальные данные сравниваются с существующими теориями.

В [15] представлен критический обзор теоретических и экспериментальных работ по вопросам приготовления и исследования кластеров и малых частиц преимущественно металлов.

В работах [17,18] в низкочастотном приближении (а) -> 0) рассчитан вихревой ток, возникающий в малой проводящей частице сферической формы в случае нулевой температуры.

В [19-21] делаются попытки связать зеркальное рассеяние проводящих частиц с наблюдаемым аномальным поведением сечения поглощения мелких металлических частиц в дальнем ИК - диапазоне.

В работе [22] автором обсуждается влияние зеркального отражения электронов на электромагнитные свойства малой металлической частицы.

В работах [2,23] рассмотрен вопрос о магнитном дипольном поглощении излучения малой металлической частицей (~10нм) сферической формы для нулевой температуры. В [2] предполагается, что отражение электронов от поверхности частицы происходит чисто диффузно. Расчет выполнен для случая достаточно низких частот (ИК диапазон и ниже), когда вклад вихревых токов в поглощение доминирует, а размеры частицы позволяют пренебречь скин-эффектом. Из результатов [2] следует, что в пределе больших длин пробега имеет место нетривиальная осциллирующая зависимость сечения поглощения от частоты излучения. Обсуждается возможность экспериментального наблюдения указанных осцилляций спектральной зависимости сечения.

В работе [23] проведены аналогичные расчеты сечения магнитного дипольного поглощения для более общего случая смешанного (диффузно -зеркального) отражения электронов от поверхности образца. Проводится анализ связи данной теории с феноменологическим описанием, основанным на нелокальной модификации известных формул Друде для проводимости и диэлектрической проницаемости металла. Проанализирована возможная связь между аномально высокой степенью зеркальности отражения и аномально большим наблюдаемым сечением поглощения в дальнем ИК-диапазоне.

В работах [24;25] в рамках классической теории проведена оценка поглощения электромагнитного излучения металлическими частицами в квазистатической области. Рассматривается размерная зависимость этого поглощения в ИК-диапазоне и получено согласие расчетных и экспериментальных частотных зависимостей эффективного фактора поглощения частиц серебра, золота и алюминия.

В [6] авторами учтено влияние температурного фактора на сечение поглощения проводящей частицы из полупроводника или полуметалла, однако рассмотрение ограничивается случаем чисто диффузного отражения носителей заряда от границы образца.

В работе [26] вычислено сечение поглощения электромагнитного излучения в сферической металлической частице с помощью полно пространственного моментного метода. Расчет выполнен в пределе низкой частоты, когда вклад вихревых токов в поглощение доминирует, и для сравнительно мелких частиц (радиус 10 нм), что позволяет пренебречь скин-эффектом. Приведено сравнение сечений поглощения в сферической частице рассчитанных моментным методом со значением, полученным в точном кинетическом расчете. Отличие в 7,6% доказывает пригодность применения метода для расчета электромагнитных свойств металлических частиц.

Следует отметить, что в природе встречаются частицы, имеющие несферическую форму. Работы [4,27-30] посвящены описанию взаимодействия электромагнитного излучения с цилиндрической частицей. Немного ранее, в работе [3] было рассмотрено электрическое и магнитное поглощение эллипсоидальных частиц, размеры которых могут быть как больше, так и меньше длины свободного пробега электрона. Здесь исследуется зависимость поглощения малых металлических частиц от их формы и поляризации волны. Показано, что как суммарное поглощение, так и соотношение между электрическим и магнитным поглощением резко зависит от формы частицы и поляризации волны.

Задача о поведении электронной плазмы, занимающей полупространство, во внешнем переменном поперечном электрическом поле была впервые аналитически решена Ландау [31] для случая чисто зеркального отражения электронов от границы образца.

Общий случай граничных условий был рассмотрен в [7]. Подобная задача о поведении плазмы в ограниченном объеме (тонком слое) была решена аналитически с помощью метода Кейза в [5] для случая чисто зеркальных граничных условий. Здесь исследуется отклик электронов на внешнее переменное нормальное к поверхности пластины электрическое поле, поведение этого поля внутри пластины, а также поглощаемая мощность. Из результатов работы следует, что кинетические эффекты оказывают существенное влияние на поведение электронной плазмы металла во внешнем электромагнитном поле. Классические результаты Друде справедливы только в предельном случае металлического образца, характерные размеры которого много больше длины свободного пробега электронов.

В [32] рассмотрена структура продольного электрического и поперечного электромагнитного полей в нормальных металлах. Описан эффект «затягивания» поля в металл. Исследование качественных особенностей поля затягивания проводится в наиболее простой для расчета постановке - с зеркальным рассеянием электронов. Показано, что структура поля вдали плазменного резонанса малочувствительна к характеру рассеяния электронов границей металла. В предельных случаях чисто диффузного и зеркального рассеяния электронов границей результаты расчета продольных полей затягивания вдали от резонанса отличаются лишь численным множителем, предполагается, что это справедливо и в промежуточном случае (с параметром зеркальности 0<q<\).

В более ранних работах [33-36] рассматривается взаимодействие электромагнитного поглощения с металлической пластиной при условии, что электромагнитная волна падает не перпендикулярно пластине.

В работе [33] рассмотрен аномальный скин-эффект для электронов, зеркально рассеивающихся на полубесконечной металлической поверхности. Предполагается, что падающая электромагнитная волна имеет угол падения, отличный от нормального и поляризована в плоскости падения (р-поляризация). Показано, что вычисление поверхностного импеданса для р-поляризации приводит к дополнительному пику поглощения в частотном диапазоне Ю'2б)р < 6) < 6%, где й)р - плазменная частота. Это дополнительное поглощение для больших длин свободного пробега электрона исследовано подробно. Сделан вывод, что коэффициент отражения от металлической поверхности в этом частотном диапазоне сложным образом зависит от частоты и не может быть удовлетворительно описан в рамках электродинамики сплошных сред.

В [34] аналогичная задача решена для случая диффузного рассеяния электронов на поверхности металла. Показано, что для частоты внешнего поля меньше плазменной частоты, поглощательная способность выше для диффузного рассеивания, что верно и для s-поляризации, в то время как для частоты внешнего поля большей, чем плазменная частота, поглощательные способности для диффузного и зеркального рассеяния электронов близки.

В работе [35] в кинетическом подходе рассматриваются свойства тонкой металлической пластины для случая зеркального рассеяния электронов на поверхности пленки. Пленка находится во внешнем переменном электромагнитном поле, поляризованном в плоскости падения (р-поляризация). Для определения оптических свойств пленки проводится вычисление поверхностного импеданса методом разложения в ряд Фурье. Расчеты коэффициента поглощения, коэффициента пропускания и поглощательной способности пленки выполнены для угла падения 75°. Показано наличие аномальной поглощательной способности пленки, которая в различных частотных диапазонах связана с различными физическими процессами, имеющими кинетическое описание. В низкочастотной области (со < 10'2о)р ) дополнительная поглощательная способность как для s-, так и для р-поляризации связана с обычным аномальным скин-эффектом. В частотном диапазоне 0,2ц, < & < 0,8 й)р дополнительная поглощательная способность проявляется только в случае р-поляризации. При частоте, больше плазменной {со > 6%) для р-поляризации дополнительная поглощательная способность интерпретируется как потеря энергии из-за возбуждения продольного плазмона.

В работе [36] аналогичная задача рассматривается на основе приближенного подхода для случая диффузного отражения электронов от внутренней поверхности пленки. Теория построена для случая s-поляризации. Расчеты выполнены для поглощательной способности образца произвольной толщины. Показано, что поглощательная способность для случая тонкой пленки проявляет интересную осциллирующую зависимость, когда частота находится в диапазоне 0,01 сор < со < 0,1 й)р

В [37] исследуются основные явления, связанные с линейными оптическими свойствами изолированной наночастицы. С использованием теории Ми и приближения дискретного диполя вычислены поглощение и рассеяние. Обсуждается влияние размера, формы и окружения на оптический спектр наночастиц.

В [38] получено аналитическое решение граничной задачи о поведении электрического поля и электронов в полупространстве, заполненном металлом, и с учетом коэффициента аккомодации тангенциального импульса электронов. Выделяются случаи нормального и аномального скин-эффектов, а в последнем низко- и высокочастотные пределы. Рассматриваются комплексные частоты внешнего электромагнитного поля, тангенциального к поверхности металла.

Целью данной работы является изучение взаимодействия электромагнитного излучения с мелкой проводящей частицей сферической формы и с тонким металлическим слоем. Исследования нацелены на: кинетический расчет плотности вихревого тока в мелкой проводящей частице сферической формы в зависимости от частоты внешнего поля для случая ненулевых температур; построение температурной зависимости сечения магнитного дипольного поглощения излучения мелкой проводящей частицей при смешанном диффузно - зеркальном механизме отражения носителей заряда от границы образца; анализ влияния коэффициента зеркальности на величину сечения поглощения при различных температурах; описание поведения электронной плазмы в тонком металлическом слое, находящемся во внешнем поперечном к поверхности переменном электрическом поле, с учетом диффузного рассеяния электронов на границе слоя; расчет поглощаемой на единицу площади пластины мощности излучения в зависимости от частоты внешнего поля.

Научная новизна работы.

2. Впервые получено сечение магнитного дипольного поглощения излучения мелкой проводящей частицей сферической формы для смешанного диффузно-зеркального механизма отражения носителей заряда от границы образца при ненулевых температурах, т.е. впервые исследована температурная зависимость поглощения. Проанализировано влияние коэффициента зеркальности на величину сечения поглощения при различных температурах.

Практическая значимость

Использование электрических, оптических и теплофизических свойств малых проводящих частиц и тонкопленочных структур может найти широкое применение в практике.

Появляется возможность изменять поглощение поверхностей твердых тел и отражение от них путем нанесения на них лакокрасочных материалов, содержащих малые проводящие частицы или путем введения сверхмалых проводящих частиц внутрь керамических материалов (керметы). Керметами специального типа покрывают самолеты "Стелз", делая их невидимыми для радиолокаторов [39]. В настоящее время, применяя специальную технологию, можно в достаточно широких пределах изменять спектры мелкодисперсных наполнителей в СВЧ-области. Комбинируя включения проводящих микрочастиц с включениями других типов (например, с ферромагнитными), создают желаемый набор широкополосных радиопоглощающих покрытий. Их дальнейшее совершенствование невозможно без решения многих фундаментальных вопросов и в первую очередь детального изучения факторов, от которых зависит величина магнитного дипольного поглощения мелкодисперсных частиц и тонких проводящих пленок, которые представляют собой основу для создания радиопоглощающих покрытий [40].

Одной из технологий добычи драгоценных металлов является технология разделения дисперсного золото- и платиносодержащего сырья, основанная на использовании свойств вихревых токов, индуцируемых переменным магнитным полем в частицах металла, что имеет большое значение, например, для Камчатки, специфика которой накладывает ряд ограничений на использование некоторых известных технологий [41,42].

В вычислительной технике и в деталях микроэлектронных устройств, характерные размеры которых становятся субмикронными, используются проводящие тонкие слои и композитные покрытия [44-52] с входящими в их состав малыми металлическими частицами

На защиту выносятся: расчет плотности вихревого тока, возникающего в мелкой проводящей частице сферической формы под действием внешнего электромагнитного поля и исследование пространственного распределения плотности тока в зависимости от температуры и частоты внешнего поля; построение теории поглощения электромагнитного излучения проводящей частицей сферической формы и исследование температурной зависимости сечения магнитного дипольного поглощения с учетом смешанного характера взаимодействия носителей заряда с поверхностью частицы; построение теории взаимодействия электронов проводимости в тонком слое металла с переменным поперечным поверхности слоя электрическим полем в случае диффузного механизма рассеяния электронов на границе образца; расчет поглощаемой на единицу площади мощности излучения в зависимости от частоты внешнего поля при заданных соотношениях между толщиной слоя, длиной свободного пробега электронов и дебаевским радиусом экранирования.

Аппробация работы.

По теме диссертации опубликованы следующие работы [53-60].

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, приложения и списка литературы. Она содержит 102 страницы машинописного текста и 23 рисунка.

Заключение диссертации по теме "Теплофизика и теоретическая теплотехника"

Заключение

Особые физические свойства малых частиц представляют значительный научный и прикладной интерес. Малые частицы, размеры которых соизмеримы или меньше характерной длины, фигурирующей в той или иной макроскопической теории (длина когерентности в сверхпроводнике, размеры магнитного домена или относительно к данной работе - длина свободного пробега электронов, и др.), являются интересными объектами исследования, поскольку у них ожидаются различные размерные эффекты.

Данная работа посвящена изучению малых частиц и является дополнением к полученным на данный момент результатам.

В первой главе рассмотрена задача о взаимодействии электромагнитного излучения с мелкой проводящей частицей сферической формы и в дипольном приближении вычислен вихревой ток в данной частице в зависимости от частоты внешнего поля. Рассмотрен чисто диффузный механизм взаимодействия электронов с границей образца. Исследовано влияние температуры на плотность тока в частице. Рассмотрены предельные случаи вырожденной электронной плазмы и классического газа и получены аналитические выражения для этих пределов. Показано, что в случае, когда длина свободного пробега Я велика по сравнению с размером частицы а (мала безразмерная величина х) кинетические эффекты, обусловленные взаимодействием носителей заряда с границей образца, оказывают значительное влияние на распределение плотности тока в частице. С уменьшением длины свободного пробега Я (увеличением д:) вклад поверхностных столкновений в плотность тока по сравнению с объемными уменьшается, и в предельном случае Я »а справедлива классическая теория Друде (2).

Во второй главе диссертации в рамках классической теории электропроводности решена задача о взаимодействии электромагнитного излучения с мелкой проводящей частицей сферической формы. Уравнение Больцмана записано в линейном приближении по внешнему полю,а интеграл столкновений взят в приближении времени релаксации. Решение самого уравнения проведено с помощью метода характеристик. В качестве граничных условий задачи приняты условия смешанного диффузно -зеркального отражения носителей заряда от внутренней поверхности частицы.

Получено аналитическое выражение для сечения поглощения в зависимости от коэффициента зеркальности для случая ненулевых температур. Показано, что при малых значениях коэффициента зеркальности q зависимость сечения поглощения от частоты излучения носит немонотонный осциллирующий характер, что существенно отличается от классической теории Друде и связано с чисто кинетическими эффектами.

С увеличением q при любых температурах спектральная зависимость F от у становится более монотонной и с ростом у быстрее достигает насыщения. Это связано с тем, что при увеличении коэффициента зеркальности q при любых температурах граница оказывает все меньшее влияние на функцию распределения /ь и поэтому при q 1 для вихревого тока выполняется локальный закон Ома для любых х.

Также показано, что с увеличением температуры сглаживаются осцилляции в сечении поглощения, то есть вклад нелокальных поверхностных эффектов в сечение поглощения уменьшается.

В предельном случае чисто зеркального отражения и в области низких температур показана согласованность с классическим результатом макроскопической теории Друде, то есть, вихревой ток внутри зеркально отражающей сферы удовлетворяет локальному закону Ома при любых соотношениях между размером частицы а и длиной свободного пробега электрона Я.

Рассмотрены также предельные случаи классического газа и вырожденной электронной плазмы в низкочастотной области и для них получены аналитические выражения.

В третьей главе построена теория поведения электронной плазмы в плоском металлическом слое в переменном поперечном к поверхности электрическом поле.

В качестве граничных условий приняты условия чисто диффузного отражения электронов от границы образца. Получено приближенное решение задачи с помощью метода Галеркина.

Показано, что с увеличением толщины пластины электрическое поле очень резко затухает и практически полностью экранируется пластиной.

Из решения следует, что при заданной безразмерной частоте внешнего поля уъ поглощаемая на единицу площади мощность Q возрастает с увеличением (уменьшением длины свободного пробега Я), т.е. рост диссипации энергии электрического поля связан с увеличением частоты объемных столкновений электронов.

Показано, что в случае, когда длина свободного пробега электронов в металле значительно меньше толщины пластины, в низкочастотной области результаты расчетов поглощаемой на единицу площади пластины безразмерной мощности согласуются с соответствующими результатами, следующими из приближения Друде.

Также показано, что при малых значениях частоты внешнего поля зависимость поглощения от частоты близка к квадратичной. При отсутствии объемных столкновений электронов, когда имеется только их поверхностное рассеяние, квадратичный характер этой зависимости сохраняется.

Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Березкина, Светлана Валерьевна, Москва

1. Морохов И.Д., Петинов В.И., Трусов Л.И., Петрунин В.Ф. Структура и свойства малых металлических частиц. // УФН. 1981г. Т.133. С.653 692.

2. Лесскис А.Г., Пастернак В.Е., Юшканов А.А. Поглощение инфракрасного излучения в мелкой металлической частице. // ЖЭТФ. Вып. 1(7). Т.83.1982г. С.310- 317.

3. Томчук П.М., Томчук Б.П. Оптическое поглощение малых металлических частиц.//ЖЭТФ. 1997г. Т.112. Вып. 2(8). С.661 678.

4. Завитаев Э.В., Юшканов А.А., Яламов Ю.И. Поглощение электромагнитного излучения металлической частицей цилиндрической формы. // ЖТФ. 2001 г. Т.71. Вып. 11. С. 114 118.

5. Латышев А.В., Лесскис А.Г., Юшканов А.А. Точное решение задачи о поведении электронной плазмы в слое металла в переменном электрическом поле. // Теорет. и матем. физика. 1992г. Т.90. № 2. С. 179 189.

6. Кузнецова И.А., Юшканов А.А. Влияние температуры на сечение поглощения мелкой проводящей частицы. // Оптика и спектроскопия. 2003г. Т.94. № 4. С.669-673.

7. Forsmann F., Steschke Н. Electrodynamics of metal boundaries with inclusion of plasma waves. // Phys. Rev. Lett. 1977. V. 38. n 23. P.1365 1368.

8. Непийко C.A. Физические свойства малых металлических частиц. // Киев: Наукова думка. 1985г.

9. Борен К., Хафмен Д. Поглощение и рассеяние света малыми частицами. // М.: Мир. 1986г.

10. Gangopadhyay P., Kesavamoorthy R., Santana Вега. Optical absorption and photoluminescence spectroscopy of the growth of silver nanoparticles // arXivxond0502315.pdf.

11. Melikyan A., Minassian H. On surface plasmon spectrum in noble metal nanoparticles rods and spheroids. // arXiv:cond0412302.pdf

12. Борн M., Вольф Э. Основы оптики. // M.: Наука. 1973г. 720с.

13. Займан Дж. Электроны и фононы. // М.: Изд во иностр. лит. 1962г. 488с.

14. Петров Ю.И. Физика малых частиц. // М.: Наука. 1982г.

15. Петров Ю.И. Кластеры и малые частицы. // М.: Наука. 1986г.

16. Falkovsky L.A. Transport phenomena of metal surfaces. // Adv. Phys. 1983. v. 32. № 5. P. 753-789.

17. H.J. Trodahl. Far-infrared absorption by eddy currents in ultrafine metal particles. //J. Phys. C. 1982. V. 15. № 35. PP. 7245.

18. H.J. Trodahl. Eddy currents in ultrafine metal paticles. // Phys. Rev. 1979. V.19. №2. P. 1316.

19. Tanner D.B., Sievers A.J., Burman R.A. Far-infrared absorption in small metallic particles // Phys. Rev. 1975. V. B11. P. 1330.

20. Granquist C.G., Burman R.A., Sievers A.J., Wyns J. Far-Infrared Absorption in Ultrafine A1 Particles // Phys. Rev. Lett. 1976. V. 37. P. 625.

21. Carr G.L., Henry R.L., Russel N.E., Garland J.C., Tanner D.B. Anomalous far-infrared absorption in random small-particle composites // Phys. Rev. 1981. V. B24. P. 777.

22. Мальшуков А.Г. Инфракрасное поглощение в малых металлических частицах. // ЖЭТФ. 1983г. Т.85. №2(8). С.700-707.

23. Лесскис А.Г., Юшканов А.А., Яламов Ю.И. Магнитное дипольное поглощение инфракрасного излучения мелкой металлической частицей. // Поверхность. 1987г. Вып.11. С.115-121.

24. Погосов В.В. К вопросу о низкочастотном поглощении электромагнитного излучения малыми металлическими частицами. // Металлофизика и новейшие технологии, 2000г. Т.22, № 3. С.40-42.

25. Курбацкий В.П., Погосов В.В. Низкочастотное оптическое поглощение малыми металлическими частицами. // Письма в ЖТФ. 2000г. Т.26. № 22. С.84-89.

26. Моисеев И.О., Юшканов А.А., Яламов Ю.И. Использование методов физической кинетики для определения электромагнитных свойств малых металлических частиц. // Электронный научный журнал «Исследовано в России». 2005г. 130.pdf.

27. Завитаев Э.В., Юшканов А.А. Электрическое поглощение малых металлических частиц цилиндрической формы. // ЖТФ. 2005г. Т.75. вып.9.

28. Завитаев Э.В., Юшканов А.А., Яламов Ю.И. Особенности поглощения электромагнитного излучения цилиндрической частицей. // Оптика и спектроскопия. 2002г. Т.92. №5. С.851-856.

29. Завитаев Э.В., Юшканов А.А., Яламов Ю.И. Влияние характера отражения электронов от поверхности на электромагнитные свойства цилиндрических частиц. //ЖТФ. 2003г. Т.73. Вып.З. С.16-22.

30. Завитаев Э.В., Юшканов А.А., Яламов Ю.И. О взаимодействии электромагнитного излучения с цилиндрической частицей конечной длины. // ЖЭТФ. 2003г. Т. 124. №5. С.1112-1120

31. Ландау Л.Д. Сборник трудов. // М.: Наука, 1969г. Т.1. 512с. Т.2. 450с.

32. Гохфельд В.М., Гулянский М.И., Каганов М.И., Плявенек А.Г, Неэкспоненциальное затухание электромагнитного поля в нормальных металлах. // ЖЭТФ. Т.89. Вып.3(9). С.985.1985г.

33. Kliewer К. L., Ronald Fuchs., Anomalous Skin Effect for Specular Electron Scattering and Optical Experiments at Non Normal Angles of Incidence. // Phys. Rev. 1968. V.172. п.З.Р.607.

34. Keller J.M., Ronald Fuchs., Kliewer K. L., p polarized optical properties of a metal with a diffusely scattering surface. // Phys. Rev. 1975. V.12. n.6. P. 2012.

35. Jones W.E., Kliewer K. L., Ronald Fuchs., Nonlocal Theory of the Optical Properties of Thin Metallic Films. // Phys. Rev. 1969. V.178. n.3. P. 1201.

36. Kliewer K. L, Ronald Fuchs. s Polarized Optical Properties of Mmetal. // Phys. Rev. 1970. V.2. n.8. P. 2923.

37. Cecilia Noguez. Optical Properties of Isolated and Supported Mmetal Nanoparticles. I I Opticals Materials 2004. n.22. arXiv:cond-mat/0411570.

38. Латышев A.B., Юшканов A.A. Аналитическое решение задачи о скин-эффекте при произвольном коэффициенте аккомодации тангенциального импульса электронов. // ЖТФ. 2000г. Т.70. Вып.8.

39. Нагаев Э.Л. Малые металлические частицы. // М.:НПП «Квант». Т. 162. №9.

40. Лагарьков А.Н., Погосян М.А., Фундаментальные и прикладные проблемы «стелз» технологий // Вестник РАН: 2003г. Т.73. №9. С.848.

41. Латкин А.С. Совершенствование методов обогащения тонкодисперсного сырья // ФТПРПИ. 1998г. № 3. С. 108-113.

42. Дядин В.И., Синявин Д.С. Электродинамическое разделение минералов // Вестник Камчатского государственного технического университета: Петропавловск-Камчатский. 2002г. Вып.1. С. 152-156.

43. Рэди. Дж. Действие мощного лазерного излучения. // Пер. с англ. М.: Мир. 1979г. 471с.

44. Морохов И. Д., Трусов Л. И., Лоновой В. Н. Физические явления в ультрадисперсных средах. // М.: Энергоиздат. 1984г. 224с.

45. Прокофьев Д.Д. Распределение магнитного поля, созданного током, протекающим по пластине, находящейся в сверхпроводящем и нормальном состоянии. // ЖТФ. 2006г. Т.76. Вып.6.

46. Яфаров Р.К. Получение наноалмазных композиционных материалов в плазме микроволнового газового разряда низкого давления. // ЖТФ. 2006г. т.76. Вып.1.

47. Бондаренко П.Н., Емельянов О.А. Эпкспериментальное изучение токового разрушения металлизированных полимерных пленок. // Письма в ЖТФ. 2006г. Т.31. Вып. 14.

48. Комолов С.А., Герасимова Н.Б. и др. Фотоэлектронные свойства органических пленок на поверхности кремния. // ЖТФ. 2006г. Т.76. Вып.7.

49. Камилов Т.С, Кабилов Д.К. и др. О возможности созжания термоэлектрических приемников излучения на основе многоэлементных структур пленок высшего силицида. //ЖТФ. 2005г. Т.75. Вып. 10.

50. Алексенский А.Е., Осипов В.Ю. и др. Оптические свойства слоев наноалмазов. // ФТТ. 2001г. Т.43. Вып. 1.

51. Гридчин В.А., Любимский В.М., Моисеев А.Г. Рассеяние носителей заряда на границах кристаллитов в пленках поликристаллического кремния. //ФТП. 2005г. Т.39. Вып.2.

52. Латышев А.В., Юшканов А.А. Вырожденная плазма в полупространстве во внешнем электрическом поле вблизи резонанса. // ФТТ. 2006г. Т.48. Вып. 12.

53. Березкина С.В. Расчет вихревого тока в мелкой проводящей частице сферической формы // Актуальные проблемы физики. Сборник научных трудов молодых ученых, аспирантов и студентов. ЯрГУ, Ярославль. 2005г. Вып.5. С.43-51.

54. Березкина С.В., Кузнецова И.А., Юшканов А.А., К вопросу о магнитном дипольном поглощении электромагнитного излучения мелкой проводящей частицей //ЖТФ. 2004г. 1.1 А. №12. С.67-71.

55. Березкина С.В., Кузнецова И.А., Юшканов А.А., Поведение электронной плазмы в тонкой металлической пластине в переменном электрическом поле // ЖТФ. 2006г. Т.76. № 5. С. 1-7.

56. Березкина С.В., Кузнецова И.А., Юшканов А.А. Кинетический расчет плотности вихревого тока в малой проводящей частице // ФТТ. 2007г. Т.49. №.1. С.6-10.

57. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Электродинамика сплошных сред. // Теор. физика. Т.8. М.:Наука. 1992г. 735с.

58. Харрисон У. Теория твердого тела. // М.: Мир. 1972г. Гл.З. §2,4.

59. Курант Р. Уравнения с частными производными. // М.: Мир. 1964г. Гл 2.

60. Латышев А.В., Юшканов А.А., Аналитическое решение задачи о поведении электронной плазмы в полупространстве металла в переменном электрическом поле. // Поверхность. Физика. Химия. Механика. 1993г. n 2.С. 25 35.

61. Латышев А.В., Юшканов А.А. Применение метода Кейза к аналитическому решению обобщенной задачи о скин-эффекте в металлах. // Журнал вычислительной математики и математической физики. 1999г. Т. 39. п 6. С. 989-1005.

62. Латышев А.В., Юшканов А.А. Граничные задачи для электронной плазмы в металле. // Монография. Гл.З М. 1999г. Отдел теоретических проблем РАН.

63. Лифшиц И.М., Азбель М.Я., Каганов М.И. Электронная теория металлов. // М.: Наука. 1971г.

64. Лифшиц Е.М., Питаевский Л.П. Физическая кинетика. // Теор. физика, т. 10. М.: Наука. 1979г. 527с.

65. Кунцман Ж. Численные методы. // М.: Наука. 1979г. 159с.

66. Волков Е.А. Численные методы. // М.: Наука. 1982г. 254с.