Возбуждение нелинейные свойства поверхностных волн на границе плазмоподобной среды с металлом тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

ХАРЬКОВСКИЙ ГОСУДАРСТШШШ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

ДЕНИСЕНКО ИГОРЬ БОРИСОВИЧ

ВОЗБУЖДЕНИЕ И НЕЛИНЕЙНЫЕ СВОЙСТВА ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОЛН НА ГРАНИ® ПЛАЗМОПОДОБНОИ СРЕДЫ О МЕТАЛЛОМ

01.04.08 - физика и химия плазмы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

ХАРЬКОВ - 1995

Диссертацией является рукопись

Работа выполнена в Харьковском государственном университете

• Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

профессор Азаренков Николай Алексеевич Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Онищенко Иван Николаевич (ВДЦ Х4ГИ, г.Харьков)

кандидат физико-математических наук, доцент Бизюков Александр Анатольевич

(ХГУ г.Харьков)

Ведущая организация : Научный Сизико Технологический Центр

Минобразования и HAH Украины

(г.Харьков)

Защита состоится п 22 " декабря 1995 г. на заседании специализированного совета Д 02.02.12 в Харьковском государственном университете (3I0I08, г.Харьков, пр.Курчатова 31, ауд.301)В \1°°

С диссертацией можно ознакомиться в Центральной научной библиотеке ХГУ (310077, г.Харьков, пл.Свободы, 4).

Автореферат разослан " ноябРЯ 1995 г.

Ученый секретарь специализированного совета доктор физ. - мат. наук

Ж/Яг Азаренков H.A.

I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Изучение дисперсионных

¡сарактеристик, способов возбуждения и нелинейных свойств поверхностных волн (ГШ) на границе нлазмоподобяой среда с металлом в настоящее время представляет общефизический и практический интерес. Общефизический интерес вызван, главным образом, возможностью использования моделей и методов расчёта волновых свойств рассматриваемых структур в газовой я твердотельной плазме, а также в ряде других областей физики. Практический интерес связан с тем, что структуры плазмошдобная среда- металл находят широкое применение в плазменной и полупроводниковой электронике, физике газового разряда, плазменной технологии, задачах УТС и других областях физики..

Свойства ПВ в структурах плазмошдобная среда - металл по сравнению со свойствами ПВ, распространяющимися на границе раздела сред плазма - диэлектрик и плазма - плазма, на сегодняшний день наименее изучены. Даже линейная теория ПВ, распространяющихся на границе плазмоподобной среди с металлом, ещё далека от завершения. Поэтому и возникла настоятельная необходимость в рассмотрении комплекса вопросов, связанных с линейной теорией , возбуждением и изучением нелинейных свойств ПВ на границе плазмоподобная среда - металл. Так,- ряд вопросов линейной теории данных ПВ в холодной плазме, таких как влияние диэлектрической прослойки и конечной проводимости металла на дисперсионные свойства поверхностных волн, распространяющихся попорбк внешнего магнитного поля; изучение дисперсиошшх свойств ПВ,

распространяющихся на границе раздала полупроводниковой сверхрешетки (СР) с металлом, и ряд других не были огражень в имеющихся на сегодняшний день работах. Кроме того, ■осталось много нерешённых вопросов , связанных с распространением аксиально - симметричных ПВ и азимутальных поверхностных волн (AHB), распространяющихся в структура цилиндрическая металлическая антенна - плазма с вакуумной прослойкой в присутствии внешнего аксиального магнитного поля.

В настоящее время ещё окончательно не решён вопрос о выборе наиболее эффективного способа возбуждения ПВ в структурах плазмоподобная среда - металл. Параметрический и пучковый способы возбуждения ПВ в рассматриваемых структурах частично изучены некоторыми авторами. Вопрос же, связанный с возбуждением ПВ в скрещенных электрическом и магнитном полях вблизи циклотронных частот, остался невыясненным.

Достаточно большое количество вопросов, связанных с нелинейной динамикой Ш в структурах плазмоподобная среда -металл, на сегодняшний день ещё не изучены.

В настоящее время ПВ интенсивно исследуются также в связи с возможностью их использования для создания и поддержания газовых разрядов. Исследования в основном проводились для газовых разрядов, поддерживаемых ПВ в структурах плазма -диэлектрик. Вопрос же о создании и поддержании плазмы газового разряда ПВ, распространяющейся вдоль металлической антенны, погружённой в магнитоактивну» плазму, ранее не рассматривался.

В связи с вышеизложенным становится очевидной необходимость исследования перечисленных выше вопросов.

Целью диссертационной работы является теоретическое

исследование комплекса вопросов, связанных с изучением

дисперсионных свойств, возбуждения и нелинейных свойств ПВ в

структурах плазмоподобная среда - металл. При этом ставятся следующие задачи:

- исследование дисперсионных свойств, механизмов затухания и способов возбуждения ПВ в пленарных и цилиндрических структурах.

- исследование дисперсионных свойств и генерации второй гармоники поверхностных волн, распространяющихся на боковой поверхности СР, ограниченной металлом.

- исследование нелинейных свойств потенциальных ПВ, распространяющихся поперёк внешнего магнитного поля в структуре полупроводник п - типа с конечным газокинетическим давлением - металл.

- исследование структуры газового разряда, создаваемого и поддерживаемого ПВ, распространяющейся вдоль внешнего магнитного поля в структуре цилиндрическая металлическая антенна - вакуумная прослойка - плазма.

Научная новизна и практическая ценность. Научная новизна

заботы заключается в следующем:

[. Аналитически исследованы дисперсионные свойства ПВ и АПВ, распространяющихся в присутствии внешнего аксиального магнитного поля в структуре цилиндрическая металлическая антенна - вакуумная прослойка - плазма.

I, Изучено влияние • диэлектрической прослойки и конечной проводимости металла на дисперсионные сьойства ПВ, распространяющихся поперёк внешнего магнитного поля.

I. Исследованы дисперсионные свойства ПВ, распространяющихся на боковой поверхности СР, ограниченной металлом.

I. Показана возможность возбуждения ПВ, распространящихся

перпендикулярно скрещенным электрическому и магнитному полям вблизи циклотронных частот.

5. Исследовано нелинейное самовоздействие потенциальных магнитоплазменных ПВ, распространяющихся поперёк внешнего магнитного поля на границе между полупроводником п - типа с конечным газокинетическим давлением и металлом.

6. Впервые изучена резонансная генерация второй гармоники ПВ, распространяющейся поперёк внешнего магнитного поля на боковой поверхности СР, ограниченной металлом.

7. Впервые исследована структура газового разряда, создаваемого и поддерживаемого ПВ, распространяющейся вдоль внешнего магнитного поля в структуре цилиндрическая металлическая антенна - вакуумная прослойка - плазма. Результаты исследования дисперсионных свойств могут быть

применены в плазменной и полупроводниковой электронике при разработке различных устройств. Результаты, связанные с возбуждением ПВ в скрещенных электрическом и магнитном полях можно использовать для возбуждения волноведущей структуры. Нелинейное самовоздействие ПВ необходимо учитывать в нелинейном режиме работы устройств плазменной и полупроводниковой электроники. Результаты по резонансной генерации второй гармоники ПВ можно применить при разработке полупроводниковых умножителей частоты. Газовые разряда, создаваемые и поддерживаемые ПВ, могут стать альтернативой обычных газовых разрядов, т. к. они имеют ряд преимуществ по сравнению с последними. Вышесказанное определяет практическую ценность работы.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту : I. Результаты расчётов, дисперсионных свойств аксиально -симметричных и азимутальных ПВ, распространяющихся вдоль

цилиндрической металлической антенны, погружённой в магнитоактивную плазму.

2. Результаты исследования влияния диэлектрической прослойки и конечной проводимости металла на дисперсионные свойства и затухание ПВ, распространяющихся поперёк внешнего магнитного поля.

3. Решение задачи о возбуждении ПВ, распространяющихся перпендикулярно скрещенным электрическому и магнитному полям в структуре полуограниченная плазма - металл. Результаты численного расчета пространственных инкрементов неустойчивости.

4. Выражения для нелинейных сдвигов частоты потенциальных ПВ, распространяющихся на границе полупроводник п - типа с конечным газокинетическим давлением - металл (геометрия Фойгта, диапазон частот « о/).

5. Выражения для коэффициентов связи первой и второй гармоник ПВ, распространяющихся поперёк внешнего магнитного поля на боковой поверхности СР, ограниченной металлом, в случав их резонансного взаимодействия. Оценки характерных пространственных масштабов реализации резонансного взаимодействия гармоник.

6. Результаты численных расчётов параметров газового разряда, создаваемого и поддерживаемого ПВ, распространяющейся вдоль внешнего магнитного поля в структуре цилиндрическая металлическая антенна - вакуумная прослойка - плазма.'

Апробация работы. Основные результаты, полученные в диссертации, представлялись на 20, 21 Международных

-fc-

конференциях Института Радиоинженеров по Физике Плазма { Ванкувер, Канада,1993; Санта - Фе, (Ж, 1994), На Международной конференции " Физика на Украине" ( Киев, •1993), на 21 Международной конференции по УТС и Физике Плазмы ( Монпелье, Франция, 1994), на Международной конференции по Физике Плазмы ( Фоз до Игу асу, Бразилия, 1994) и докладывались на семинаре Харьковского государственного университета по Физике Плазмы и нелинейным явлениям ( Харьков, 1994, 1995).

Характеристика методологии. При решении рассматриваемых задач использовались известные методики теории плазмы и нвустойчивостей, математической физики, математического анализа и нелинейной теории волн. Полученные результаты согласуются с экспериментальными данными, а в ряде ■предельных случаев совпадают с результатами, полученными другими авторами.

■Личный вклад автора. В работах £1-2, 4-10 1 автору принадлежат аналитические, численные расчёты и обсуждение полученных результатов, а в работе I 3 3 численные расчёты и обсуждение полученных результатов.

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано Э 10 работах.

.Объём и структура диссертации. Общий объём диссертации составляет 132 страницы машинописного текста. Диссертация содержит 14 рисунков, список литературы 190 наименования и состоит из введения, трех глав и заключения.

2. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Do введении дан анализ современного состояния затронутых в диссертации проблем, обоснована актуальность исследований,

определен круг исследуемых задач и кратко изложено содержание диссертации.

Первая глава диссертации посвяцена некоторым ранее не исследованным вопросам линейной теории и возбуждения поверхностных волн в структурах плазмоподобная среда -леталл. В некоторых случаях предполагалось наличие тонкой закуумной (диэлектрической) прослойки между плазмоподобной зродой и металлом .

В разделе 1.1 изучаются дисперсионные свойства ПВ, распространяющихся в структуре цилиндрическая металлическая антенна - магнитоактивяая плазма £1]. Рассматриваются так взываемые "щелевые волны", распространяющиеся вдоль границы закуумной прослойки, окружающей антенну, с плазмой. Под закуумной прослойкой подразумевается узкий переходной слой >т металла к плазме, ширина которого может варьироваться вменением отрицательного напряжения, прилагаемого к знтенне. В диссертационной работе получены дисперсионные /равнения для аксиально - симметричных ПВ и АПВ и в ряде тредельных случаях проведен их анализ. Показано, что в зависимости от диапазона частот рассматриваемая волна может 5ыть поверхностной или псевдоповерхностной. Получена зависимость дисперсионных свойств поверхностных волн от гараметров антенны и магнитоактивной плазмы. Полученные результаты сравниваются с результатами экспериментальных забот и теоретических исследований других авторов и юказано, что они находятся в хорошем согласии с ними. Наилучшее согласие с экспериментальными . результатами постигается в области частот о < 0,6 ие ( где . электронная циклотронная частота). Вычислены также говерхностные импеданса аксиально - симметричных и АПВ для

различных параметров задачи.

В разделе 1.2 изучены дисперсионные свойства поверхностных волн, распространяющихся поперек внешнего ■магнитного поля на границе полуограниченной плазмоподобной среди с металлом при учете влияния диэлектрической прослойки и конечной проводимости металла С21. Проведены численные оценки для величин фазовых скоростей и волновых чисел поверхностных волн в различных частотных диапазонах существования волн при учете вышеуказанных факторов. Показано влияние диэлектрической прослойки и конечной проводимости металла и проведено сравнение вклада обоих факторов на значение волнового числа поверхностной волны и импеданса волноведущей структуры. В частности, учёт конечной проводимости металла ведёт к уменьшению модуля фазовой скорости волны во всех диапазонах частот. Численные оценки проведены при параметрах исследуемой структуры, взятых из эксперимента.

В разделе 1.3 исследуются линейные поверхностные возмущения, распространяющиеся на боковой поверхности полупроводниковой сверхреш&тки (поверхности,

перпендикулярной слоям периодической структуры) , ограниченной металлической плоскостью, в условиях квантового эффекта Холла С51. Внешнее магнитное поле направлено вдоль оси сверхрешётки. Рассмотрение проведено в рамках модели однородной анизотропной среды для поверхностных возмущений, распространяющихся под произвольным углом относительно магнитного поля. Получены дисперсионные уравнения для поверхностных возмущений. Найдены условия, при которых происходит квантование волновых чисел ПВ.

В разделе 1.4 рассматриваются вопросы, связанные с

-и-

озбуждением и изучением дисперсионных свойств ПВ, 8спространякщихсн перпендикулярно скрещенным электрическому магнитному полям на границе плазмоподобной среды с вталлом [6,83. Магнитное поле параллельно границе раздела ред, а электрическое перпендикулярно. Поскольку исследуемые олны распространяются поперек внешнего магнитного поля, то х возбуждение с помощью пучков заряженных частиц затруднено продолжается поиск альтернативных методов возбуждения. В ассертационной работе исследуется дрейфовый способ эзбуждешя волн вблизи циклотронных частот. Дрейф частиц эздается в скрещенных постоянных электрическом и магнитном элях. При этом возникает дрейфовый поток заряженных частиц ноль направления распространения поверхностной волны, зйдены условия, при которых имеет место возбуждение згнитошюзменных однонаправленных волн поверхностного типа условиях нормального эфЗекта Доплера и определена [фективность процесса. Показано,что возбувдение возможно в 1учае, если дрейф частиц совершается в направлении ютивоположном распространению ПВ (при этом скорость дрейфа ютиц должна быть значительно меньше фазовой скорости ПВ) в ¡ластях частот ^ < и < йе и а < {ы1, -жнегибридная и ионная циклотронная частоты). Во второй главе исследуются некоторые нелинейные эффекты, зникающие при распространении поверхностных волн конечной плитуды в структурах полуограниченная полупроводниковая азма-металл._

В разделе 2.1 проведено исследование процесса мовоздействия . потенциальных поверхностных

гнитоплазменных волн, распространяющихся поперек внешнего гнитного поля' на границе полупроводник с конечным

газокинетическим давлением n-типа -металл £33- Рассмотрена нелинейность, обусловленная непараболичностыо спектра электронов. Исследование проводилось в двух диапазонах частот: u « iue и ы . ив ( в обоих случаях предполагалось выполнение неравенства и2 « Оег/£0 , - где 0е- плазменная частота, е0- диэлектрическая постоянная решётки полупроводника и, что частота колебаний значительно превышает частоты фононных колебаний). Нелинейные свойства ПВ рассмотрены в приближении слабой нелинейности. Учёт непараболичности спектра электронов ведёт к двум эффектам: самовоздействию ПВ и генерации третьей гармоники ПВ. Получена нелинейные дисперсионные уравнения и нелинейные уравнения Шредингера (НУШ) для огибающей поля ПВ в обоих исследуемых диапазонах частот. Результаты нелинейного самовоздействия существенно различаются в веществах с нормальной и инверсной зонной структурой ( eg > 0 и eg < О, соответственно, где eg - ширина запрещённой зоны ). Показано, что самовоздействие приводит к уменьшению или к росту фазовой скорости волн jb зависимости от диапазона частот и от типа зонной структуры полупроводника. Проведенные численные оценки показывают, что изучаемый нелинейный механизм особенно существенный в узкощелевых полупроводниках. Изучен эффект генерации третьей гармоники ПВ. Показано, что в зависимости от диапазона частот третья гармоника может быть чисто поверхностной, псевдоповерхностной или суперпозицией объёмных и поверхностных мод. В последнем случае это приводит к появлению нелинейного затухания ПВ, связанного с выносом энергии объёмной модой.

В разделе 2.2 рассматривается резонансная генерация

зторой гармоники ПВ, распространяющихся на боковой юверхности полупроводниковой сверхрею§тки, ограниченной здеалыю проводящим металлом перпендикулярно внешнему «агнитному полю, направленному вдоль оси СР [4], Приводятся 'словил, при выполнении которых возможна резонансная 'внерация. На основе полученной динамической системы равнений для амплитуд и фаз, первой и второй гармоник юследован нелинейный процесс перекачки энергии из первой армоники во вторую и обратно. Показано влияние епараболичности спектра электронов на генерацию второй армоники.

Третья глава диссертации посвящена изучению газового , азряда, создаваемого и поддерживаемого ионизирующей ПВ, аспространявдейся вдоль цилиндрической металлической ятенны с диэлектрической (вакуумной) прослойкой, гружённой магнитоактивной плазмой [7,10]. . В разделе 3.1 исследования проводились с использованием эноменологического соотношения между поглощаемой на единице ппш разряда энергией ПВ и плотностью создаваемой плазмы . юсмотрение выполнено для случая, когда все волновые (змущения А слабо изменяются вдоль направления ¡спространения ПВ « к3, к3~ волновое число вдоль оси . Радиус создаваемого плазменного столба предполагался лым по сравнении с его длиной. Аналитически и численно лучены аксиальные распределения электромагнитных полей, отности плазмы, еолновых чисел и других параметров системы предельных случаях тонкой антенны и плоской геометрии, зультаты исследований показали, что рост величины таитного поля ведёт к некоторому уменьшению длины разряда, существенному увеличению его толщины.

В разделе 3.2 рассмотрение проведено для антенны с большим радиусом (плоский случай) с использованием уравнений температурного баланса и баланса концентрации частиц (учтены процессы диффузии, теплопроводности, рекомбинации). Получено хорошее согласие с результатами раздела 3.1. Кроме того, найден закон изменения амплитуда ПВ вдоль оси антенны.

В заключении приведены основные результаты, полученные в диссертационной работе.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В РАБОТАХ

1. Azarenkov H.A., Denísenko I.B., Ostrlkov K.K. Wave 'properties of a cylindrical" antenna Immersed in magneto-active plasma. J.Plasma Physics, 1993, V.50, КЗ, p. 369 - 384.

2. Азаренков H.A., Денисенко И.Б., Остриков H.H. Волноводные свойства структуры плазма - металл при учете диэлектрической прослойки и конечной проводимости металла. - Ш, 1994, т. 64, N9, с. 23 - 29.

3. Azarenkov H.A., Denísenko J.В., Ostrlkov K.N. Nonlinear Self-Interaction oí Surface Magnetopiasmona at the Interface Between a Harrow-Gap Electron Semiconductor and a Metal. Physica Scripta, 1994, V.49, p. 502-508.

4. Azarenkov H.A., Denísenko I.B., Ostrlkov K.N. Seconc harmonic generation of the eurfase magnetoplasmon on ttu lateral surface of the semiconductor superlattlce boundec by a metal. Surface Review & Letters, 1995, V.2, N5, p. 579-585.

. Azarenkov N.A., Denlsenko I.B., Ostrikov K.N. low-frequency magnetoplaema surface waves in semiconductor superlattice bounded by metal. Physics in Ukraine. Intern. Gonf. Kiev 22-27 June 1993. Proc. Contr. Papers. Plasma Physics, p. 26-29.

. Azarenkov N.A., Denlsenko I.B., Ostrikov K.N. Dispersion and excitation of.the surface waves in crossed electrical and magnetic fields. International Conference on Plasma Physics, Poz do lguacu Brazil, 31 Oct.-4 Nov. 1994. Proc. Contr. Papers, Vol.2, p. 5 - 8.

. Azarenkov N.A., Deniaenko I.B., Ostrikov K.N. Structure of microwave plasma discharge produced and sustained by the surface wave propagating along a metal wire. Bulletin of the American Physical Society. November 1994, V.39, N7, p.1765.

. Azarenkov N.A., Denlsenko I.B., Ostrikov K.N. Dispersion and excitation of the surface waves In the plasma- metal contact inraersed in crossed t and B fields. Bulletin of the American Physical Society. November 1994, V.39, m, p.1765.

. Azarenkov N.A., Denlsenko I.B., Ostrikov K.N. Microwave plasma discharge produced and sustained by the suriace wave propagating' along a metal wire. 1994 IEEE IOOPS, June 6-8, 1994, Santa-Fe, USA, Conf. Record, Abstracts, p.19.

0. Azarenkov. N.A., Denlsenko I.B., Ostrikov K.N.

Microwave gas discharge produced and sustained by the surface wave propagating along a metal wire.. Preprint SCPT N9, Sclent. Centre Phys. Technologies, Kharkov, 1995.10p.

И6-

Денисенко I.E. Збудаэння 1 нел1н!йн1 властивост! поверхневих хвиль на меж! плазмошд1бного середовща з ме талом. Дисертац1я на здобутта вченого ступени кандидата ф!зико -математичних наук з1 спец1альност1 01.04.(38 - ф1зика та х1ы1я плазма. Харк1веыадй держ. ун.-т, Харк1в, 1995 (рукошс).

Захищаеться 10 наукових ро01т, як1 м1стять теоретична досл!даення дисперсШних характеристик, cnocodlB абудження та нел1нШшх влаетивостей поверхневих хвиль на меж! плазмопод1бного середовища з металом. Результата дасертац1йно! роботи можуть бути використан! як у газов1й так 1 у твердот1льн!й плазм! нвд1впров1дник1в.

Denlsenko I.B. Excitation and nonlinear properties of the surface waves at the Interface between a plasma-like medium and a metal.

Competitor's dissertation (manuscript) scientific grade of candidate ol physics and mathematics speciality 01.04.08 -Plasma Physics and Chemistry, Kharkov State University, Kharkov, 1995.

Defended are 10 scientific papers containing theoretical researches of dispersion characteristics , methods of excitation and nonlinear properties of the surface waves at the interrace between a plasma-like medium and a metal. The results of the Theses are applicable both for gaseous and semiconductor plasmas.

Юшчов! ; слова: Повврхнева хвиля, збудхення, . межа плазмопод!бного середовща, нел1н1йн! властивост!.