WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика твердого тела, 1998, том 40, № 2 Исследование кристаллов в средней и длинноволновой ИК-области методом спектроскопии поверхностных электромагнитных волн © Е.В. Алиева, Г.Н. Жижин, Л.А. Кузик, В.А. Яковлев Институт спектроскопии Российской академии наук, 142092 Троицк, Московская обл., Россия (Поступила в Редакцию 23 июля 1997 г.) Впервые поверхностные электромагнитные волны (ПЭВ) были возбуждены в области остаточных лучей на двуосном кристалле KTiOPO4 (KTP) с использованием перестраиваемого по частоте CO-лазера в 10 µm-области и на кристаллах CaF2, BaF2, MgO (кубические кристаллы), LiNbO3 (одноосный кристалл) в дальней ИК-области с помощью лазера на свободных электронах. Интерференционным методом фазовой спектроскопии ПЭВ были получены параметры распространения ПЭВ на исследованных кристаллах, продемонстрирована возможность определения комплексной диэлектрической проницаемости кристаллов в области существования ПЭВ по параметрам их распространения.

При спектральном исследовании тонких пленок на кую чувствительность ПЭВ к состоянию поверхности поверхности кристаллов необходимо знать оптические и к тонким пленкам. Волновой вектор ПЭВ больше постоянные подложки в области исследования. Обычно волнового вектора объемной волны, что приводит к для этого используют спектры отражения с последую- тому, что ПЭВ является нерадиационной модой. Для щей обработкой их дисперсионным анализом (ДА) [1] преобразования объемной волны в ПЭВ и обратно неили методом Крамерса–Кронига (КК) [1]. Однако в обходимо устройство, обеспечивающее осогласование области ”остаточных лучей” не обеспечивается нуж- волновых векторов, например призма, дифракционная ная точность, так как при расчете методом ДА за- решетка, импедансная ступенька и т. д. Метод спекчастую невозможно подогнать расчетный и экспери- троскопии ПЭВ позволяет непосредственно определять ментальный спектры из-за ангармонизма в области по- на данной частоте как мнимую, так и действительную лос поглощения, а диэлектрическая проницаемость, рас- части диэлектрической проницаемости среды, вдоль косчитанная методом КК, зависит от экстраполяции за торой распространяется ПЭВ. Это с успехом было пределы измеренного спектра и чувствительна к точ- использовано при определении оптических постоянных ности измерения абсолютного значения коэффициента металлов [6], для которых условия существования ПЭВ отражения, особенно в областях с малым коэффици- выполняются во всей ИК-области вплоть до видимой. На ентом отражения. Перечисленных сложностей можно поверхности кристаллов диэлектриков ПЭВ существует избежать, используя фазочувствительные методы изме- только в узких областях спектра, соответствующих полорения отражения, например ИК-эллипсометрию [2] и сам ”остаточных лучей”, в которых кристаллы являются дисперсионную Фурье-спектроскопию [3]. В настоя- ”поверхностно-активными” (Re < 0). Сложность щей работе мы использовали другой фазочувствитель- измерений методом спектроскопии ПЭВ на кристаллах ный метод определения оптических постоянных кри- заключается в том, что коэффициент затухания ПЭВ на сталлов — метод фазовой спектроскопии поверхност- кристаллах на несколько порядков больше, чем на меных электромагнитных волн (ПЭВ), который позво- таллах, что приводит к миниатюризации эксперимента.

ляет однозначно рассчитывать комплексную диэлек- Ранее были измерены параметры распространения ПЭВ трическую проницаемость по параметрам распростра- и определена диэлектрическая проницаемость кристалнения ПЭВ. Более того, наличие тонкой (порядка лического кварца [7] и хлората натрия [8] в области нескольких нанометров) диэлектрической пленки на частот перестройки CO2-лазера вблизи 1000 cm-1. В [9] поверхности кристалла, практически не изменяющей сообщалось о распространении ПЭВ по SrTiO3 на частоспектр отражения кристалла (в пределах точности из- тах генерации лазера на парах метанола на отдельных мерения), приводит к заметному изменению параме- частотах вблизи 100 cm-1.

тров распространения ПЭВ по кристаллу с пленкой, В представленной работе метод спектроскопии ПЭВ что позволяет определить диэлектрическую проницае- был использован для целого ряда кристаллов, имеюмость не только массивного кристалла, но и тонкой щих широкое применение в различных областях оптипленки [4].

ки и электроники. Наряду с CO2-лазером для исслеПЭВ является TM-модой и существует на границе дований был использован лазер на свободных элексред, одна из которых является поверхостно-активной, тронах FELIX, непрерывно перестраиваемый в диапаа именно действительные части диэлектрической про- зоне 100-2000 cm-1, обеспечивший возможность исницаемости граничащих сред должны иметь проти- следований в широкой области частот ИК-диапазона, воположные знаки [5]. Электрическое поле ПЭВ мак- включая длинноволновую область, ранее практически симально на границе раздела, что обеспечивает высо- недоступную.

238 Е.В. Алиева, Г.Н. Жижин, Л.А. Кузик, В.А. Яковлев 1. Эксперимент Оптическая схема, используемая в фазовой спектроскопии ПЭВ, представлена на рис. 1. Излучение лазера с фиксированной частотой фокусировалось параболическим зеркалом на щель, образованную металлическим экраном и поверхностью образца, и дифрагировало на ней. Часть излучения после дифракции на щели приобретала волновой вектор, равный волновому вектору поверхностной волны. Она преобразовывалась в ПЭВ, распространявшуюся вдоль поверхности исследуемого образца до края, на котором ПЭВ, срываясь, вновь превращалась в объемную волну. Распределение поля на некотором расстоянии от образца, полученное в результате интерференции этих двух объемных волн, регистрировалось либо приемником, перемещавшимся вдоль оси Z, либо линейкой пироэлектрических детекторов, ориентированной вдоль оси Z (256 элементов, расположенных на отрезке длиной 25.4 mm). Развертка интерференционной картины ПЭВ по координате Z считывалась с детекторов линейки по очереди и передавалась на цифровой осциллограф для записи в файл данных.

Интерференционная картина ПЭВ содержит информацию о фазе и амплитуде ПЭВ на краю исследуемого образца. Координаты экстремумов zm описываются форРис. 2. Частотные зависимости параметров распространения мулой ПЭВ по кристаллу KTP для различных направлений распространения.

1/2 1/Re(neff)a + b2 + z2 - (a + b)2 + zm m =(m+m)/2, (1) действительной части эффективного показателя преломления поверхностной электромагнитной волны Re neff где — частота излучения лазера, neff — эффективный для заданной частоты [10]. Для того чтобы ускорить показатель преломления ПЭВ, a — расстояние от возбуисследование частотной зависимости дисперсии ПЭВ, ждающей ПЭВ щели до края образца, b — минимальное можно зафиксировать все геометрические параметры, расстояние от края образца до приемника или линейки входящие в (1), и регистрировать относительное измедетекторов, m — номер экстремума (четный для макнение интерференционной картины, сканируя частоту симумов, нечетный для минимумов), m —дополнилазера. После обработки полученной таким образом тельная фаза ПЭВ, зависящая от свойств поверхности.

серии интерферограмм рассчитываются относительные Ее можно считать постоянной при неизменной величине значения Re neff (дисперсия ПЭВ) [8].

щели в некотором диапазоне изменений величины a и По модуляции интерференционной картины можно частоты.

оценить поглощение ПЭВ, рассчитав длину пробега По положениям экстремумов для нескольких расстояПЭВ L (расстояние, на котором интенсивность ПЭВ ний a из формулы (1) определяется абсолютное значение уменьшается в e раз), используя формулу [11] a/L = 2ln Imax - Imin / Imax + Imin +A, (2) где Imax и Imin — значения огибающих интерферограмм по максимумам и по минимумам соответственно, взятые при определенной координате z, A — константа, зависящая от эффективности возбуждения ПЭВ.

Поскольку коэффициент преобразования объемной Рис. 1. Оптическая схема эксперимента по фазовой спектроволны в ПЭВ мал, в спектроскопии ПЭВ желательно скопии ПЭВ. 1 — параболическое зеркало, 2 — металлический применять когерентные коллимированные высокоинтенэкран, 3 — исследуемый образец, 4 — приемник ИК-излучения сивные источники излучения — лазеры. В данной работе или линейка пироэлектрических детекторов, 5 — цифровой для исследования распространения ПЭВ по кристаллу осциллограф.

Физика твердого тела, 1998, том 40, № Исследование кристаллов в средней и длинноволновой ИК-области методом спектроскопии... Рис. 3. Частотные зависимости параметров распространения Рис. 4. Частотные зависимости параметров распространения ПЭВ по кристаллу CaF2. ПЭВ по кристаллу MgO.

KTiOPO4 (KTP) использовался перестраиваемый по частоте CO2-лазер (930-1080 cm-1). Однако у большого числа кристаллов полосы поглощения находятся в области частот ниже 900 cm-1, и эти кристаллы стали доступными для исследований с применением ПЭВ только с появлением лазеров на свободных электронах, существенно расширивших возможности исследований методом спектроскопии ПЭВ [12]. Так, при изучении распространения ПЭВ по кристаллам CaF2, BaF2, MgO, LiNbO3 в дальней ИК-области использовался уникальный по своим характеристикам импульсный лазер на свободных электронах FELIX (Нидерланды) [13].

2. Результаты На рис. 2 представлены графики частотных зависимостей величин n = (Re neff - 1) и L для двухосного кристалла KTP для нескольких направлений распро- Рис. 5. Частотные зависимости параметров распространения ПЭВ вдоль оси кристалла LiNbO3. Разные обозначения странения ПЭВ. Буквы у кривых определяют напраэкспериментальных точек относятся к различным сериям отвление распространения ПЭВ относительно осей a, b, c носительных измерений дисперсии ПЭВ. Темные кружки и кристалла KTP: первая буква — ось, вдоль которой квадраты соответствуют абсолютным значениям параметров распространяется ПЭВ, вторая — ось, перпендикулярная распространения ПЭВ.

поверхности кристалла. Точками представлены значения параметров ПЭВ (дисперсии ПЭВ и длины пробега), полученные по интерференционным распределениям, линиями — расчет параметров ПЭВ по диэлектрической тра отражения. На рис. 3–5 представлены рассчитанные проницаемости кристалла, вычисленной с использова- методом ДА и экспериментальные значения параметров нием комбинации метода ДА и анализа методом КК спек- ПЭВ для кристаллов CaF2, MgO(кубические кристаллы) Физика твердого тела, 1998, том 40, № 240 Е.В. Алиева, Г.Н. Жижин, Л.А. Кузик, В.А. Яковлев Таблица 1. Параметры распространения ПЭВ по кристаллам Кристалл Диапазон частот, cm-1 Действительная часть эффективного Длина пробега ПЭВ L, mm и ориентация показателя преломления ПЭВ neff BaF2 186-193 1.002-1.0096 1.1-0.CaF2 265-293 1.0056-1.042 1.0-0.MgO 399-476 1.0016-1.054 0.97-0.LiNbO3, ПЭВ 263-281 1.0046-1.016 0.6-0.перпендикулярна 175-180 1.012-1.0186 0.8-0.оси кристалла LiNbO3, ПЭВ 256-302 1.0033-1.013 0.8-0.параллельна оси кристалла KTP (ba) 1039.4-1046.8 1.017-1.KTP (bc) 1035.5-1055.6 1.0006-1.086 0.04-0.KTP (ca) 967.7-981.0 1.005-1.033 00.86 (969 cm-1)-0.025 (980 cm-1) KTP (cb) 967.7-979.7 1.002-1.027 0.063 (970.5cm-1)-0.034 (976 cm-1) KTP (cb) 1045-1055.6 1.014-1.077 0.016 (1052 cm-1) Таблица 2. Сравнение значений комплексных диэлектрических проницаемостей и коэффициентов отражения R (s-поляризованное излучение, угол падения 10), рассчитанных по параметрам распространения ПЭВ и дисперсионным анализом (ДА) спектра отражения для кристалла MgO ПЭВ ДА, cm-1 Rexp n eff L, µm Rcalc Rcalc 416.15 1.00705 ± 0.00005 660 ± 60 -62 ± 2 25 ± 2 91.2 ± 0.9 -61.4 17.4 93.5 92.432.9 1.0155 ± 0.0003 730 ± 60 -32.2 ± 0.7 5.1 ± 0.5 94.9 ± 0.4 -31.9 5.1 94.8 94.454.5 1.0274 ± 0.0004 450 ± 30 -18.6 ± 0.3 2.5 ± 0.3 94.3 ± 0.4 -18.4 2.0 95.4 95.476.19 1.054 ± 0.002 310 ± 30 -9.9 ± 0.4 0.9 ± 0.2 94.9 ± 0.6 -12.2 1.06 95.6 95.и LiNbO3 (одноосный кристалл) при распространении Проведенные исследования продемонстрировали возПЭВ вдоль оси кристалла. Представленные на рис. 3-5 можность использования спектроскопии ПЭВ для опреданные показывают хорошее согласие результатов рас- деления оптических постоянных кристаллов в области чета параметров распространения ПЭВ с эксперимен- ”остаточных лучей”.

тальными данными. В табл. 1 сведены экспериментальАвторы признательны Stichting voor Fundementeel ные характеристики ПЭВ для всех исследованных нами Onderzoek der Materie (FOM) (Нидерланды) за прекристаллов: спектральные области, диапазоны изменения доставленную возможность использовать для исследодлин пробега и дисперсии поверхностных волн. По ваний лазер на свободных электронах FELIX и перпараметрам распространения ПЭВ можно рассчитать комплексную диэлектрическую проницаемость кристал- соналу FELIX за содействие и помощь, особенно, ла в области существования ПЭВ. В табл. 2 приве- А.Ф.Г. ван дер Мееру.

дены мнимая и действительная части для кристалла Измерения спектров отражения и расчет по ним MgO, рассчитанные из экспериментальных параметров оптических постоянных кристаллов были выполнены в распространения ПЭВ n и L, а также вычисленный сотрудничестве с Дж. Маттеи (IMAI, CNR, Italy), чья по ним коэффициент отражения на некоторых частотах.

работа была поддержана грантом НАТО (NATO Guest Здесь же для сравнения приведены данные дисперсиFellowships, Programme 1995 N 005335). Исследования онного анализа спектра отражения кристалла MgO и распространения ПЭВ по кристаллам были частично экспериментально измеренный коэффициент отражения.

Все представленные данные хорошо согласуются друг с профинансированы Российским фондом фундаментальдругом. ных исследований (гранты 95-02-04194, 95-02-04195).

Физика твердого тела, 1998, том 40, № Исследование кристаллов в средней и длинноволновой ИК-области методом спектроскопии... Список литературы [1] G. Andermann, L.R. Brantley. J. Phys. Chem. Sol. 34, (1973).

[2] A. Roseler, E.H. Korte. J. Mod. Struct. 349, 321 1995.

[3] J.R. Birch, T.J. Parker. Infrared J. Millimeter Waves 2, (1979).

[4] Е.В. Алиева, Л.А. Кузик, Ф.А. Пудонин, В.А. Яковлев. ФТТ 32, 12, 3550 (1990).

[5] Поверхностные поляритоны / Под ред. В.М. Аграновича, Д.Л. Миллса. Наука, М. (1985). 525 с.

[6] V.I. Silin, S.A. Voronov, V.A. Yakovlev, G.N. Zhizhin. Int. J.

Infrared Millimeter Waves 10, 1, 101 (1989).

[7] Е.В. Алиева, Л.А. Кузик, Ф.А. Пудонин, В.А. Яковлев. ФТТ 34, 10, 3233 (1992).

[8] E.V. Aliev, L.A. Kuzik, V.A. Yakovlev, G. Mattei, M. Pagannone. J. Electron Spectr. Relat. Phenom. 64/65, 733 (1993).

[9] R. Miller, D.L. Begley, G.A. Ward, R.W. Alexander, R.J. Bell.

Surf. Sci. 71, 491 (1978).

[10] A.F. Goncharov, G.N. Zhizhin, S.A. Kiselev, L.A. Kuzik, V.A. Yakovlev. Phys. Lett. A133, 3, 163 (1988).

[11] С.А. Воронов, Г.Н. Жижин, С.А. Киселев, Л.А. Кузик, В.А. Яковлев. Компьютер. опт., 4, 66 (1989).

[12] V.A. Yakovlev, G.N. Zhizhin, E.V. Alieva, L.A. Kuzik, A.F.G. van der Meer, M.J. van der Wiel. Laser Phys. 7, 1, 239 (1997).

[13] D. Oepts, A.F.G. van der Meer, P.W. van Amersford. Infrared Phys. Technol. 36, 297 (1995).

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.