Влияние поверхности и границ раздела на динамические и оптические свойства неоднородных сред тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

pro од

АКАДЕМИЯ НАУК РОССИИ О ') СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ

L L Ш<ш и"","'ИНСТИТуТ ФИЗИКИ им. Д.В.КИРЕНСКОГО

На правах рукописи

Ветров Степан Яковлевич

УДК 539.211:537.876:538.913

ВЛИЯНИЕ ПОВЕРХНОСТИ И ГРАНИЦ РАЗДЕЛА НА ДИНАМИЧЕСКИЕ И ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НЕОДНОРОДНЫХ СРЕД

01.04.07 - физика твердого тела

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

КРАСНОЯРСК-!995

Работа выполнена в лаборатории молекулярной спектроскопии Института физики им. Л.В. Кнренского СО РАН и на кафедре физики Красноярского государственного технического университета

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических паук, член-корр. РАН С.В.Богданов

доктор физико-математических наук, профессор В.И. Зиненко

доктор физико-математических наук, профессор Н.Я.Шапарсв

Ведущая организация: Институт автоматики и электрометрии СО РАН, г.Ноаосибирск

Защита состоятся м " Ш-Ои^Х 1995 Г- и_1ШС.

на заседании Специалнзнрс -анного совета Д 002.67.02 по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора физико-математических наук при Институте физики им. Л.В. Кнренского СО РАН по адресу: 660036, Красноярск, Академгородок.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института физики нм. Л.В. Кнренского СО РАН.

Автореферат разослан "_"_1995 г.

Ученый секретарь

Специализированного совета,

доктор физико-математических ____ .

наук, ведущий научный сотрудник В.В. Валькоь

ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В последние годы все более видное место занимают исследования поверхностей и различные родственные проблемы такие, например, как изучение тонких пленок, слоистых структур и т.п. Сейчас трудно назвать какой-либо раздел естественных наук, который в топ или иной степени не касался бы вопросов, связанных с поверхностными явлениями. Все замечательные успехи современной микроэлектроники и ее двух бурно развивающихся направлений - опто - и акуетоэлектроники - во многом базируются на фундаментальных исследованиях физики поверхности.

Важным направлением в современно?! физике поверхности улястся изучение различных типов поверхностных волн, существование которых обусловлено наличием областей неоднородности (границ раздела сред). Большой интерес вызывают исследования локализованных у пов-.-рхпости электромагнитных и колебательных возбуждении, которые находят самое разнообразное практическое применение. Такие- исследования чрезвычайно важны и в связи с заметной ролью поверхностных поли в разлитии физики поверхности вследствие чувствительности их характеристик к свойствах поверхности твердых тел. Со времени публикации первых работ, посвященных поверхностным колебательным возбуждениям, представление о поверхностных волнах были существенно развиты. Однако, как правило, авторы ограничивались моделями кристалла, согласно которым поверхности получаются при простом обрыве периодических решеток и не учитывались какие-либо приповерхностные искажения. Очевидно, представляет интерес изучение поверхностных колебаний (ПК) в рамках реалистических моделей кристаллов с учетом приповерхностной деформации решеток. Представляется также важным исследование влияния процессов диссипации, обусловленных взаимодействием поверхности кристалла со средой, на поверхностные колебания кристаллических решеток. Кроме того, сегодняшнее положение дел в исследовании и применениях поверхностных возбуждений характеризуется увеличением числа объектов исследования и возросшей их прикладной значимостью. Интересны в научном и практическом отношениях широко распространенные сложные периодически неоднородные структуры. Примером таких структур являются слоистые среды, сегнетоэлектрические

кристаллы с несоразмерной свсрхструктурой, холестернческие жидкие кристаллы (ХЖК). Проблеме существования в слоистых средах (сверхрешетках) поверхностных акустических и электромагнитных волн и нахождения их спектра посвящено большое количество работ. Однако, в . связи с бурным развитием технологии создания различного рода новых слоистых структур, изучение поверхностных возбуждений в таких системах по-прежнему остается актуальной задачей. Исследования поверхностных колебательных и электромагнитных состояний в кристаллах с несоразмерной свсрхструктурой вообще не проводились, а изучению поверхностных ллектромигннгных волн (ПЭВ) в холестериках посвящено лишь несколько работ.

Наряду с изучением поверхностных волн в слоистых средах и холестериках традиционно активно исследуются объемные динамические и оптические свойства таких систем. Объемные оптические свойства однородных холсстерических пленок достаточно подробно изучены экспериментально и теоретически. В последние годы большой популярностью среди исследователей пользуются жидкие кристаллы и, в частности, ХЖК, капсулировачные в тонкие полимерные пленки. Как показывают эксперименты, оптические эффекты в ЖК-компознтах значительно сложнее и разнообразнее, чем в однородных холестернческих пленках. Интерпретация некоторых из лих к началу выполнения этой работы вообще отсутствовала. В качестве примера назовем эффекты возникновения новых областей селективного отражения света в капсулированных холестериках. Распространение электромапштних волн в периодических слоистых средах изучали многие авторы. В реальных слоистых средах как естественного происхождения, так и изготовленных для технических применений, часто наблюдается отклонение от строгой периодичности. Нарушение периодичности может - быть обусловлено, например, флуктуацией показателя преломления веществ, формирующих слоистую среду, флуктуацией толщин слоев и т.д. Вопрос о рассеянии электромагнитных волн в слоистых средах с регулярным и случайным распределением толщин слоев является мало исследованной проблемой. Большинство из перечисленных выше вопросов в настоящее время интенсивно изучается экспериментально. Учитывая это обстоятельство, а также потребности практики, можно утверждать, что их теоретическое исследование является весьма актуаль"ым. Общая структура работы связана

с рассмотрением следующих вопросов: поверхностные электромагнитные волны на границе раздела изотропная среда - сверхрешетка и а .кристаллах с несоразмерной сверхструктурой ; поверхностные акустические полны (ПАВ) на границах раздела упругой среды с нсматичесхмм жидким кристаллом (НЖК) и сверхрешетки с обычной жидкостью; поверхностные колебательные возбуждения кристаллов, индуцируемые релаксацией поверхности; дисснпативные эффекты взаимодействия поверхности кристаллической решетки со средой; особенности колебательного спектра модулированных решеток; рассеяние света в слоистых средах с регулярным и случайным распределением толщин слоев; эффекты аномальной дифракции света в капсулированных холестериках.

Цель работы состоит а теоретическом исследовании поверхностных

о

электромагнитных и колебательных возбуждений на границах раздела сред, в изучении объемных оптических свойств капсулированных холестериков и слоистых структур.

Научная новизна работы определяется тем, что в ней впервые:

- исследованы электромагнитные волны Н-тип«, локализованные у границы раздала изотропной среды и слоистой структуры, состоящей из чередующихся изотропного с,чоя и сильно анизотропного слоя нематического :::ндкого кристалла;

-изучены, на примере фторберрнлата аммония, ПЭВ Е-тнпа п кристаллах с несоразмерной свсрхструктурой;

изучены сдвиговые поверхностные акустические волны, распространяющиеся вдоль границы раздела слоистой структуры с вязкой средой;

- исследованы сдвиговые ПАВ на границе раздела упругой среда с немтшком;

- изучено влияние приповерхностной деформации решетки ГЦ К кристаллов на поверхностные колебания;

- исследовано влияние диссипации, обусловленной пзанмодейстпием поверхности кристаллической решетки со средой, на поверхностные колебания ГЦК и молекулярных кристаллов;

- предложены модели для объяснения новых областей селективного отражения света, обнаруженных в капсулированных холестериках

- предложена модель для объяснения особенностей комбинационного рассеяния света в кристаллах селенида цинка с регулярной слоистой структурой;

- изучены процессы упругого рассеяния света в слоистых средах с нерегулярным распределением толщин слоев.

Научная и практическая значимость. Результаты исследования поверхностных электромагнитных и колебательных возбуждений на границах раздела сред расширяют представление о поверхностных волнах такого типа и дают основание для постановки новых экспериментов. Для практических задач, например, электрооптики, интегральной оптшш представляется важной реализация предсказанной возможности эффективного управления характеристиками ПЭВ, распространяющихся вдоль границы раздела изотропной среды н сверхрешетки, за счет изменения ориентации директора нематика. Обнаружение предсказанных ПЭВ в несоразмерных сверхструктурах могло бы стимулировать изучение поверхностных эффектов в этом интересном и широко распространенном классе веществ. Предсказание сдвиговые позсрхносгные акустические волны на границе радела упругой среды с нематиком представляют интерес для акустоэлектроннки. Длиной пробега таких воля и глубиной локализации их в контактирующих средах можно управлять, изменяя ориентацию директора (например, внешним электрическим полем). Индуцируемые приповерхностной деформацией решетки нозыс дисперсионные ветви поверхностных фононов в ГЦК кристаллах, представляют интерес для электронной спектроскопии. Анализ процессо! упругого и неупругого рассеяния света на слоистпх средах со случайных распределением толщин слоев пригоден для диагностики характер; нерегулярности в распределении толщин слоев. Результаты, объясняющие возникновение новых температурных областей селективного отражен«: света в капсулированных холестериках, указывают на возможносп создания иа основе ЖК-композитов термонндикаторов с новым: эксплуатационными характеристиками. Отдельные результаты данно: работы уже используются в исследованиях, ведущихся в других научны учреждениях.

б

1. Рассмотрено распространение ПЭВ Н-тнпа вдоль границы раздела изотропной среды и свсрхрсшетки, состоящей из чередующихся изотропного слоя и сильно анизотропного слоя нематика. Глубиной проникновении волн а сверхрешетку можно эффективно управлять за счет изменения ориентации директора нсматнка. П станичные алектромапштные волны, соответствующие отдельным дисперсионным ветвям спектра, реализуются не при любых ориентации директора относительно границы раздела сред.

2. В несоразмерной фазе кристаллов типа (N114);ВеР^ могут зо ¡пикать поверхностные электромагнитные возбуждения, запрещенные з симметричной фазе.

3. Взаимодействие слоистой структуры & вязкой средой приводит к локализации сдвиговой акустической волны у границы раздела сред и затуханию образующихся поверхностных волн.

4. На границе раздела упругой среды с иематнком реализуются поверхностные акустические волны, характеристики которых весьма чувствительны к ориентации директора нематика относительно направления распространения волн.

5. Приповерхностная деформация решетки ГЦК кристаллов индуцирует новые дисперсионные ветви поверхностных колебательных возбуждений.

6. Дисснпатианые силы, действующие со стороны среды на поверхностные атомы (молекулы) кристаллов существенно модифицируют поверхностные колебания, а также могут индуцировать новые поверхностные волны.

7. Новые области селективного отражения света в капсулированных холестериках ^ гут быть обусловлены, как ориентационным приповерхностным упорядочением молекул ЖК, так и термомеханическим эффектом, в случае формирования дисперсной системы в условиях температурного градиента.

8. В слоистых средах характер распределения толщин слоев проявляется в зависимости интенсивности комбинационного рассеяния света от угла рассеяния , а также в зависимости интенсивности упругого рассеяния от длины волны падающего излучения и угла рассеяния.

Апробация работы. Результаты, изложенные в диссертации, докладывались на Всесоюзных съездах по спектроскопии (Томск, 1983; Киев, 1988), Всесоюзных конференциях по спектроскопии комбинационного рассеяния света (Душанбе, 1986; Ужгород, 1989), Всесоюзном совещании "Применение -колебательные спектров к исследованию неорганических и координационных соединений" (Красноярск, 1987), Всесоюзной конференции "Жидкие кристаллы и их практическое использование"(Чернигов, 1988), на V-ofi Международной конференции "Электрические и смежные свойства органических твердых тел" (Польша, 1987), на советско-американском семинаре по сегнетоэлектричесгву (Санкт-Петербург, 1992).

Структура н объем диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения и списка литературы. Полный объем диссертации -236 страниц- машинописного текста, включая 31 рисунок и список литературы из 174 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении показана актуальность темы, сформулирована цель работы. Дается общая характеристика работы и краткое содержание по главам. Приводятся основные положения, выносимые на защиту, и сведения об апробации.

Первая глава диссертации посвящена исследованию поверхностных электромагнитных волн на границе раздела изотропной среды и сверхрешетки. В §2 изучаются электромагнитные волны в бесконечной слоистой среде, состоящей из чередующихся изотропного и анизотропного слоев двух материалов. В качестве анизотропного слоя рассматривается нематический жидкий кристалл с ориентацией директора (оптической оси) нормально,' либо параллельно границе раздела сред. Найдено общее решение уравнений Максвелла для монохроматических полей Н-т>ша, распространяющихся вдоль границы раздела сред. Получено дисперсионное уравнение для объемных волн в слоистой среде. Используя результаты этого параграфа, проведено рассмотрение ПЭВ на границе раздела изотропной и

слоистой сред (§3). Получены и исследованы аналитически диверсионное уравнение и выражения для параметров, управляющих степенью локализации пограничных волн. Используя специфику НЖК по сравнению с обычным кристаллом - сильную анизотропию диэлектрической проницаемости, показана возможность эффективно управлять глубиной проникновения волн и сверхрешетку за счет изменения ориентации директора нематака. Численный анализ дисперсионного уравнений показывает (§4), что спектр ПЭВ имеет зонный характер и более сложен, чем тот который может быть найден аналитически. В случае контакта сверхрешетки с металлом, особенностью фундаментальных поверхностных волн соответствующих нижайшей дисперсионной крином является, эа исключением волн для которых кЬ (к - волновое число, I. - период слоистой структуры) близки к нулю, наивысшая степень докали ишин в слоистой среде. При изменении ориентации оптической оси НЖК, в спектре ПЭВ возникают качественные изменения. Когда направление директора параллельно поверхности слоя реализуются, в отличие ог случая, когда директор нормален к границе раздела сред, лишь состояния ПЭВ соответствующие нижайшей дисперсионной ветви. Не при любых ориентациях директора реализуются волны и на границе сверхрешетка -вакуум. Вопрос о существовании ПЭВ в сегнетоэлектрнчеекнх кристаллах с несоразмерной сверхструктурой типа (МН<)>ВеЕ| исследуется в §5, Рассматриваются ПЭВ Е-типа, направляемые границей полубесконечной периодической диэлектрической среды н спадаюшие в глубь как сверхрешетки, так и вакуума. Метод исследования справедлив для слабо модулированной диэлектрической проницаемости. На основе приближенного решения волнового уравнения внутри сверхрешетки получены в аналитическом виде условия существования поверхностных волн и исслг-ована зависимость этих условий от параметров модулированной "фазы. Показана принципиальная возможность существования в несоразмерной фазе кристаллов типа (КНфВеРд ПЭВ, запрещенных в симметричной фазе.

Во второй главе исследуется вопрос о возможности реализации сдвиговых ПАВ на границе раздела вязкой жидкости со слоистой средой и упругой среды с нематическим жидким кристаллом. Распространение поперечных упругих волн в периодической слоистой среде, состоящей из чередующихся однородных и изотропных слоев, рассмотрено в §2.

Используя результаты этого параграфа, в §3 исследуются сдвиговые акустические волны на границе полубосконечной слоистой среды и вязкой жидкости, распространяющиеся вдоль границы раздела сред. В случае сдвиговых ЛАВ поверхность сверхрсшетки остается плоской и волн сжатия в жидкости не возникает. Для описания колебаний в слоистой среде и жидкости используются уравнения движения упругой среды и уравнение Навье-Стокса (которое сводится для рассматриваемой геометрии к линейному уравнению). В рамках принятой модели получены дисперсионное уравнение и выражения для параметров, управляющих степенью локализации пограничных сдвиговых волн. Аналитическое решение дисперсионного уравнения находится приближенно. Получены закон дисперсии, глубина локализации и длина пробега сдвиговых поверхностных волн. Характеристики золи выражаются через параметры, характеризующие жидкость (вязкость, плотность) н эффективные значения плотности, модуля сдвига и скорости звука слоистой среды. Установлено, что с ростом вязкости жидкости уменьшается глубина локализации волн в слоистую среду. Приведены численные оценки, показывающие, что при на1"руженш1 поверхности елг стоп среды вязкой жидкостью волна становится поверхностной. ПАВ на границе упругой среды с кематиком, молекулы которого >;;естко связаны с твердым телом, изучаются в §4. Сдвиговые колебания в твердом теле списываются уравнением движения . упругой среды. Для описания сдвиговых колебаний в нсматике используется уравнение движения для линейной скорости частиц, в случае пренебрежения градиентами директора. Найдены поверхностные волны, распространяющиеся вдоль границы раздела упругой среды и нсматика. Показано, что с увеличением вязкости НЖК уменьшается длина пробега волны и глубина ее проникновения в твердое тело. Однако, глубина проникновения в нематик колебаний скорости в поверхностной волне растет с увеличением вязкости. Без вязкой нагрузки лзотропной упругой среды найденные сдвиговые ПАВ не могут существовать. Используя специфику НЖК - сильную анизотропию коэффициентов вязкости показана возможность эффективно управлять длиной пробега волны i глубиной ее локализации в контактирующих средах за счет нзменеши ориентации директора нсматика. Taie, например, при изменении ориентацш директора МББА (при 25°С) и ПАА (при 125°С) с планарной и; гомеотролную длины пробега ПАВ у у -ньшаются соответственно в 5 и 8 раз

ю

Третья глава посвящена изучению влияния релаксации поверхности центросимметричных ГЦ К кристаллов ча поперечные поверхностные колебания решетки. Основные сведения о спектре собственных колебаний идеального ГЦК кристалла с центральным взаимодействием оликайших соседей приведены в §2. Поверхностные поперечные колебания полубесконечного кристалла, поляризованные параллельно поверхности (00i), обсуждаются в §3 без учета релаксации решетки. При изучении поверхностных колебаний принята модель Лнфшниа и Розенцвейга. Рассмотрены поперечные ПК, отягчающие значениям двумерного волнового вектора г] = (к.к), лежащим на линии симметрии двумерной зоны Бриллгаэна. Само существование таких колебании обусловлено дискретностью решетки. Отмечается, что для значений r¡ = (k.0) поперечные поверхностные колебания отсутстяуют. Учет 1фнпсв-:р>:ностных исхя-лхннй решетки приводит к качественным изменениям » колебательном спетсгре кристаллов. Влкян.че р.лгпсе'.щм! поверхности на ПК рентхи нолз'бе'.'гонечнот ГЦК кристалла исследуется в í'-í. Релаксация посерхиостн ЩК кристаллов исследована теоретически достаточно легально. Полученные 'печения поверхностной рел:^:« ц:н» близки к экспериментально иаО.т.'у.улыя. Утисгзгг'а, что пршеверхяоегше слон кристалла находятся друг от друга на ином расстоянии, чем внутри объема. Такая деформация решетки необходима для обеспечения механического равновесия кристалла при наличии поверхности. Наружный слой атомов грани <001) смещается как целое в направлении нормальном к поверхности, в сторону увеличения нормального расстояния между внутренними слоями кристалла. Деформация слоен быстро убывает при продвижении в глубь кристалла. При исследовании влияния релаксации поверхности ГЦК кристалла на ПУ решетки учтена деформация только наружного стоя атомоз грани (001). Показано, что для [110] - направления, в случае ослабления силовых констант На поверхности, существуют ПК, отвечающие значению т) • - (к,к). Такие ПК лежат между границей полосы непрерывного спектра объемных колебаний и дисперсионной кривой поперечных поверхностных колебаний, существующей и в отсутствие приповерхностных искажений.

В четвертой главе исследуется влияние диссипации, обусловленной взаимодействием поверхности кристаллов со средой, на поверхностные колебания кристаллических решеток. В §2 изучено влияние диссипации на

и

ПК одноатомного ГЦК кристалла с поверхностью (001). распространяющиеся в [I ¡(^-направлении и поляризованные параллельно поверхности. Причем, исследовано , влияние диссипации на чисто поперечные акустические фононы, само существование которых обязано учету дискретности решетки цеизросиммстричных кристаллов. Показано, что диссипатнпные силы, действующие со стороны среды на поверхностные атомы кристалла, приводят к существенной модификации ПК: перенормируется их частота и затухание, уменьшается глубина проникновения в кристалл. При достаточно интенсивной диссипации поверхностные полны превращаются в различные тиЬы апериодических поверхностных движений. Установлено, что для значении коэффициента трения X « соо (»о - максимальная частота спектра ПК) затухание поверхностных поперечных волн Г, ~ о>Цк) и, следовательно, наиболее существенно для сильно неоднородных высокочастотных колебаний. Оценки, приведенные для этого случая, показывают, что вклад в затухание из-за влияния среды, в качестве которой рассматривается жидкость, может быть сравним, на высоких частотах, с вкладом от энгармонизма колебаний атомов. Усиление диссипации (л. * шо/2) приводит к изменению характера частотной зависимости затухания ПК: Гк - «"'(к) • Показано, что

диссипативные силы индуцируют поперечные поверхностные волны, поляризованные параллельно поверхности (001) и распространяющиеся в ,[100]-направлении. Найденные волны, в отличие от волн, существующих и при отсутствии диссипации в системе, глубже проникают в кристалл и слабее затухают. В отсутствие диссипации обсуждаемые ПК не существуют, но уже при сколь угодно малом значении коэффициента трения формируются поверхностные возбуждения, в которые превращаются объемные волны. В §3 для модели мономолекулярной цепочки найдены и исследованы поверхностные оптические возбуждения. Показано, что как и в случае акустических поверхностных ,волн, .учет диссипации приводит к перенормировке частоты ПК и его затуханию, а также к уменьшению глубины проникновения ПК в кристалл. Характер частотной зависимости ПК зависит от интенсивности диссипации. Исследованы поверхностные оптические колебания в трехмерной модели молекулярного кристалла (§4). Характеристики найденных волн чувствительны к диссипативным силам, действующим на. поверхн^тньге .молекулы кристалла. В отлитое от

одномерной модели, затухание ПК, полученных при слабой диссипации, не -зависит от частоты. При слабой диссипации можно ожидать линейной зависимости затухания оптических ПК от коэффициента вязкости жидкости, контактирующей с кристаллом.

В пятой главе исследуются поверхностные я объемные колебательные возбуждения соразмерно модулированных одномерных структур. Для моноатомных и двухатомных решеток, в рамках динамической теории Борна, получена перенормировка частот длинноволновых колебаний, обусловленная модуляцией структуры (§2). Оценки показывают, что перенормировка частот акустических и оптических фононов может быть экспериментально наблюдаемой, что и подтверждено в ряде экспериментов. Наиболее существенная модификация спектра из-эа модуляции решетки состоит в том, что спектр колебаний исходной решетки в периодическом потенциале распадается на полосы, между которыми лежат области запрещенных энергий (зонная структура спектра). Аналитически, для моноатомной цепочки, и численно, для одномерных кристаллов с двумя атомами на элементарную ячейку, установлено своеобразное поведение ширин запрещенных зон частотного спектра. Показано, что ширины запрещенных зон уменьшаются по мере приближения к краю зоны Брнлдюзна исходного кристалла, однако вблизи границы зоны начинают возрастать, достигая максимального значения. Отметим, что новый период модулированной структуры ё приводит к свертыванию дисперсионной кривой фононов, распространяющихся вдоль оси модуляции, в мини-зону

Бриллюэна размером 2гМ. Фононы с к = 2л1/<1 (1=1,2.....), т.е. в центре

мини-зоны могут быть активны в комбинационном рассеянии света. В экспериментах по КРС на модулированных структурах демонстрируется присутствие щелей в законе дисперсии фононов. В случае модуляции решетки одноатомных (§3) и двухатомных (§4) цепочек со свободными концами, в запрещенных зонах возникают частоты, отделившиеся от сплошного спектра. Колебания соответствующие таким частотам локализованы на концах решетки. Независимо от фгзы волны модуляции имеет место линейный характер зависимости квадратов частот ПК от амплитуды модуляции. Показано, что увеличение амплитуды приводит к усилению локализации ПК на концах цепочки. Показано также, что чем глубже поверхностные возбуждения проникают в кристалл, тем чувствительнее глубина проникновения к амплитуде модуляции.

Установлена зависимость частоты поверхностных мод от значений фазы. Изменение фазы волны модуляции может приводить как к появлению, так и к исчезновению ПК. Показано, на примере одномерных кристаллов (§5), что приповерхностные искажения решетки индуцируют новые ПК, либо приводит к исчезновению существующих. Установлено, что если изменения расстояния между атомами в приповерхностной области убывает обратно пропорционально кубу расстояния от поверхности, то изменения частот н форм ПК из-за релаксации удаленных от поверхности атомов незначительно. Следовательно, влияние приповерхностной деформации на ПК может быть прасилыю описано за счет учета только релаксации атомов, находящихся на концах цепочки.

В шестой главе изучается рассеяние света на слоистых средах с регулярным и случайным распределением тс-лщик слоев. В §2 исследуются процессы »¿упругого рассеяния света на периодической слоистой структуре. Такая структура представляет собой кристалл, разделенный параллельными плоскостями на ряд слоев, из которых каждый обладает кубической решеткой. Решетка каждого слоя смещена относительно решетки предшествующего слол на некоторый постоянный вектор Р. Обсуждается случай, когда для всех пар слоев вектор Р одинаков и кроме того толщины всех слоев одинаковы и равны ь! (|р|<< с1). Получены формулы для распределения интенсивности в линиях комбинационного и Мандельштам-Бриллюэновского рассеяния света от кристаллов с переменной слоистой структурой. В §3 рассматривается неупругое рассеяние света на слоистом кристалле с пуаесонопым распределением толщин слоев & и с вектором Р одинаковым для всех пар слоев. Нерегулярность в распределении толщин слоев качественно меняет характер распределения интенсивности з линях спектра неупругого рассеяния света. В §4 приведены результаты экспериментального исследования КРС на кристаллах Zn.Se, состоящих из плоскопараллельных слоев с правильной структурой, разделенных переходным слоем. Особенности рассеяния света качественно объяснены на основе полученного выражения для интенсивности линий КРС в периодических слоистых средах. Приведена оценка толщины переходного слоя. В §5 в рамках кинематического приближения рассмотрено упругое рассеяние света на кристаллах, состоящих из чередующихся плоскопараллельных слоев двух изотропных сред. В случае гауссова распределения флуктуации толщин одного из слоев (§6) найдены ушнренне и

сдаиг линий рассеяния относительно бреггосских линии рассеяния на •регулярной слоистой среде. Линии имеют асимметричную форму. По асимметрии линий можно судить о степснп беспорядка в распределении толщин слоен. Выведена формула для интенсивности света, рассеяного слоистыми средами с пуассоновьш распределением толщин слоев ($7). Установлено, что в случае пуассонова распределения толщин слоев интенсивность рассеяния монотонно меняется при вариации как угла рассеяния , так и длины волны падающего света. Дифракционные картины, возникающие при рассеянии света нч слоистых структурах с гауссовым и пуассоновым распределением толщин слоев качественно различны. Показано, что с ростом флуктуации толщин слоев, в случае их гауссова распределения, ушнрепие линии в спектре рассеяния прнлоднт к перекрыванию линий, а характер зависимости интенсивности рассеяния как от длины волны, так и от утла рассеяния будет все в большей степени соответствовать таким зависимостям для с-,.'чая'пуассонова распределения толщин слоев.

В седьмой главе исследуются эффекты возникновения новых областей селективного отражения света в капсулнрованных холесгернках. В §2 приведены результаты экспериментального исследования селективного отражения спета холестерикпми с добавками пиримидина, каисулирозанньгщ з полимерные пленки. Изморены спектры селективного отражения света капсулирозанных холесгернков с примесями пиримидина, по сравнению с результатами других автороз, в более широком частотном диапазоне и для всей температурной области существования мезофазы. Подтвержден факт существования второй области селективного отражения, индуцируемой пиримидином. Приведены температурные зависимости длины волны селективного отражения. С ростом температуры кривые зависимости длины волны отражения от температуры сливаются в одну кривую. Такая особенность в поведении кривых зависимости длины волны от температуры не была выявлена ранее. Эффект двойного селективного отражения проявляется в расматриваемой системе как при нагревании так и при охлаждении. При этом отсутствует термический гистерезис, температуры отражения сохраняются при многочисленных циклах нагрев-охлаждение. В §3 рассмотрены термодинамически равновесные состояния холестерикоз а сферическом объеме и плоскопарзллельном слое под влиянием примесей пиримиднна. Примеси моделированы

приповерхностным ориентационным потенциалом. Предполагается, что поле директора является функцией лишь радиуса капсулы и переменной г, направленной ортогонально плоскости пленки. Показано, для случая экспоненциального распределения приповерхностного потенциала, существование двух областей пространства капсулы и пластаны. В первой (внутренней для капсулы) решение задачи близко к решению чистой капсулы с нормальной к радиусу сферы ориентацией по полярному углу. Во второй (наружной области) ориентация поля директора существенно отличается от нормал ьной. В результате возникают два характерных шага спирали, определяемые соотношением между модулями упругости Ки и Кзз. Следует отметить, что решение уравнений равновесия ХЖК для капсулы и пластины практически неразличимы. Эти результаты описывают не только сам факт существования двух областей селективного отражения света, но и температурное поведение шагов спиралей капсупированных холсстериков с примесями пиримидина. Как показывают эксперименты (§4) качественно новые особенности дифракции света на холестерике, капсулированном в полимерную матрицу, возникают при формировании пленки под действием температурного градиента. С ростом температурного градиента наблюдаются новые области отражения света в системе полимер -ХЖК. Причем, рассеивающее свет состояние холестерика, возникшее в результате наложения градиента температуры обладает" существенной особенностью - оно обладает "памятью", то есть сохраняется и после снятия температурного градиента. Приведено доказательство того, что появление новых областей отражения обусловлено термомеханическим эффектом.

В заключении сформулированы основные результаты диссертации, указаны возможные приложения теоретических исследований.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Рассмотрено распространение ПЭВ вдоль границы раздела изотропной среды и сверхрешетки, состоящей из чередующихся изотропного слоя и слоя нематического жидкого кристалла. Получены и исследованы дисперсионное уравнение и выражения для параметров управляющих степенью локализации пограничных волн. Используя , специфику нематика - сильную анизотропию диэлектрической проницаемости, показана возможность эффективно управлять глубиной

проникновения волн в сверхрешетку за счет изменения ориентации "директора НЖК. Показало также, что поверхностные электромагнитные волны; соответствующие отдельным дисперсионным ветвям спектра, реализуются не при любых ориентацпях директора относительно границы раздела сред.

2. Изучен вопрос о существовании ПЭВ в кристаллах с несоразмерной сверхструктурой на примере фторбериллата аммония. Показана принципиальная возможность существования в несоразмерной фазе ПЭВ Е-типа, запрещенных в симметричной фазе.

3. Рассмотрено распространение поперечных упругих волн на границе вязкой жидкости и сверхрешетки, состоящей нэ чередующихся слоез двух различных однородных и изотропных веществ. Получены закон дисперсии, глубина локализации!! и длина пробега пограничных волн. Показано, что вязкая нагрузка поверхности слоистой среды приводит к локализации сдвиговой волны у поверхности.

4.Исследованы сдвиговые поверхностные акустические волны, распространяющиеся вдоль границы раздела изотропной среды с нематиком. Используя специфику НЖК - сильную анизотропию коэффициентов вязкости, показана возможность эффективно управлять длиной пробега волны и глубиной ее локализации в контактирующих средах за счет изменения ориентации директора нематика.

5. Изучены ' поверхностные поперечные колебания ГЦК полубесконечных кристаллов, ограниченных поверхностью (001), с учетом релаксации наружного атомного слоя. Показано, что приповерхностная деформация решетки индуцирует новые дисперсионные ветви поверхностных колебательных возбуждений.

• 6. Процессы диссипации, обусловленные взаимодействием поверхности кристаллической решетки со средой, учтены через силы трения. Методами динамики дискретной решетки показано, что в ГЦК кристаллах диссипативные силы индуцируют поверхностные волны, которые в отличие от волн, существующих и при отсутствии диссипац и в системе, глубже проникают в кристалл и слабее затухают. Показано также, что учет диссипации приводит к существенной модификации поверхностных волн говестиого типа: перетормируегся их частота и затухание, уменьшается глубина проникновения в кристалл, при достаточно интенсивной

диссипации поверхностные волны превращаются в различные типы апериодических позерхиостных движений.

7. I пучены свойства колебательных возбуждений синусоидально модулированных одномерных кристаллов. Установлено своеобразное поведение ширин запрещенных зон частотного спектра: ширины зон уменьшаются по мерс приближения к краю зоны Бриллюэна исходного кристалла, однако, вблизи границы зоны начинают возрастать, достигая максимального значения. В случае конечных цепочек атомов, в запрещенных зонах возникают частоты, соответствующие "поверхностным" колебаниям. Показано, что независимо от фазы волны модуляции имеет место линейный "характер зависимости квадратов частот ПК от амплитуды модуляции. Показано также, что чем глубже поверхностные возбуждения проникают в кристалл, тем чувствительнее глубина проникновения к амплитуде модуляции.

8. Рассмотрены процессы упругого и неупругого рассеяния света в слоистых средах с регулярным и случайным распределением толщин слоев. Получены формулы, определяющие интенсивность рассеяния на слоистых средах. Качественно объяснены установленные экспериментально особенности в интенсивности КРС на кристаллах, имеющих слоистую структуру. В случае упругого рассеяния показано,' что . характер нерегулярности в распределении толщин слоев проявляется в зависимости интенсивности от угла рассеяния и длины волны падающего излучения.

9. Измерены спектры селективного отражения света капсулированных холестериков с примесями пиримидина для всей температурной области существования мезофазы. Подтвержден факт существования второй области селективного отражения, индуцируемой пиримидином. Показано, что с ростом температуры кривые зависимости длины волны селективного отражения от температуры сливаются в одну кривую.

10. Рассмотрены термодинамически равновесные состояния капсулированных холестериков под влиянием примесей пиримидина. Примеси моделированы ориентациониым приповерхностным потенциалом. Показано существование двух областей пространства капсулы и пластины. Основной шаг спирали ро сохраняется во внутренней части капсулы, а новый шаг р индуцируемый пиримидином, реализуется в наружной части капсулы. Полученные результаты описывают не только сам факт существования двух областей селективного отражения света, но и

температурное позеденне шагов спиралей капсулировапных холестериков с • примесями пиримидина. Показано' также, что появление новых температурных областей отражения света з капсулировапных холестериках возможно при учете термомеханического эффекта п случае (формирования дисперсной системы в условиях температурного градиента.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Ветров С.Я., Шабанов В.Ф. Поверхностные электромагнитные волны на границе раздела изотропной среды и сверхрешетки // /*СЭТФ. - ! 992. - Т. 101,№4.-С. 1340-1347.

2. Ветров С.Я., Шабанов В.Ф. Поверхностные электромагнитные волны в кристаллах с несоразмерной структурой // Поверхность. - 1991. - №5. -O.I 1-16.

3. Vetrov S.Ya., Shabanov V.F. Surface Electromagnetic Waves in Crystals with Modulated Structure//Phase Transitions. - 1993. - V.43. - P.219-220.

4. Ветроз С.Я., Шабанов В.Ф. Сдвиговые поверхностные акустические волны па границе упругой среды с нематическим жидким кристаллом // OTT.-1991.-Т.ЗЗ,•>. - С.2579-2583.

5. Ветров С.Я., Шабанов В.Ф. Сдвиговые поверхностные акустические волны на границе слоистой структуры с вязкой средой // Письма п Ж ТФ. -1991.-Т.ЗЗ,№5. -С.34-39.

6. Ветров С.Я., Шабанов В.Ф., Смокотин М.Э. Поверхностные колебания гранецентрирозанных кубических кристаллов при наличии релаксации поверхности //OTT. • 1990. - Т.ЗЗ, №11.- С.3240-3244.

7. Ветров СЛ., Шабанов В.Ф. Поверхностные оптические колебания молекулярного кристалла, граничащего со средой // Поверхность. - 1986. -ПЛ.- С.5-9.

8. Ветров С.Я., Шабанов В.Ф. Поверхностные оптические колебания молекулярной решетки, граничащей со средой // Поверхность. - 1990. №б. - С. 140-143.

9. Ветров С.Я., Шабанов В.Ф. Поверхностные колебания кристаллической решетки, индуцируемые днеенпатнвными силами // Поверхность. - 19S7. JÖ5. - С. 144-145.

10. Ветров С.Я., Шабанов В.Ф. Поверхностные оптические колебания мономолехулярной решетки, граничащей со редой // Тезисы III - и Всесоюзной конференции по спектроскопии комбинационного рассеяния света. - Душанбе, I9S6. - С. 142.

11. Ветров С.Я. Затухание колебаний в микрокристаллах, взаимодействующих с матрицей // ФТТ. - 1985. - Т. 27, J6 5. - С. !429-1435.

12. Vetrov S. Ja.. Shabanov V.F. Dissipative Effects of the Interaction of Cristal Lattice Surface with Medium U Phis. Stat. Sol. (b).- 1987. 140, № I. - P. 103-112.

13. Ветров С.Я., Шабанов В.Ф., Смокотин М.Э. Поверхностные колебания одномерных модулированных решеток И Поверхность.- 1990. - Mal. - С. 27-33.

14. Ветров С.Я., Смокотин М.Э., Колебательные спектры одномерных синусоидально модулированных решеток // Тезисы 20-го Всесоюзного съезда по спектроскопии, часть Z- Киев, С. 84.

15. Ветров С.Я., Втюрии А.Н., Попков Ю.А., Шабанов В.Ф. Динамические свойства несоразмерных структур сегнетоэлектрических кристаллов // ФНТ.- 1979.-Т. 5, ХаЮ,-С. 1193-1199. •

16. Шабанов В. Ф., Шкуряев П.Г., Ветров С.Я. Об аномальном температурном поведении частот фонов з несоразмерном сегнетоэлектрике Rb2ZnC14 // Опт. и спектр. - 1982. - Т. 52, № б. - С. 10571059. .

17. Ветров С.Я.; Втюрии А.Н., Шабанов В.Ф. Колебательная спектроскопия несоразмерных кристаллов. - Новосибирск: Наука, 1991. - 123 с.

18. Ветров С.Я., Шабанов В.Ф., Шестаков Н.П. Рассеяние света на слоистых структурах с регулярным и случайным распределением толщин слоев // Тезисы съезда по спектроскопии. - Томск, 1993. - Ч. 4. - C.116-118.

19. Шабанов В.Ф., Ветров С.Я., Шестаков Н.П. Комбинационное рассеяние света кристаллами со слоистой структурой // Опт. и спектр. - 1983. -Т. 55, Má5. - C.975-97S.

20. Шабанов В.Ф., Ветров С.Я., Шестаков Н.П. Рассеяние света на слоистых кристаллах с регулярным и случайным распределением толщин слоев // Препринт ИФСО - 251Ф. - Красноярск. 1983. - 28с.

21. Ветров С.Я., Шабанов В.Ф. Рассеяние спета кристаллами с нерегулярной слоистой структрой // ЖПС. - 1986. - Т. 45, №2. - С.324-327.

22. Ветров С.Я., Шабанов З.Ф. Упругое рассеянне спета кристаллами с нерегулярной слоистой структурой II ЖПС. - 1989. - Т. 51, №6. - С. 10321035.

23. Ветров С.Я., Садреев А.Ф., Шабанов A.B., Шабанов В.Ф. Ориентацнонная структура капсулированных холестериков // ЖЭТФ. -1993. -Т. 104, >611.-€.3630-3642.

24. Шабанов В.Ф., Ветров С.Я., Жаркова Г.М., Хачатурян В.М. Проявление термомеханнческих эффектов при дифракции света на холестериках // Опт. и спектр. - 1987.-Т. 63, № б - С.1368 - 1370.

25. Шабанов В.Ф., Ветров С.Я., Жаркова Г.М. Селективное отражение спета от холестериков, капсулированных в полимерной матрице II Тезисы 6 - ой Всесоюзной конференции "Жидкие кристаллы и их практическое использование".-Чернигов, 1988.-С. 170.

25. Shabanov V.F., Vetrov S. Ja., Zharkova G.M., Khachaturjan V.M. Anomalous Light Diffraction by Cholesterics Encapsulated in Films // J. Mol. Electronics - 1990. - V. 6. - P. 141-144.