Ім'я файлу: Поверхневі поляритонні збудження в тонких плівках оксиду цинку(Z
Розширення: doc
Розмір: 755кб.
Дата: 05.06.2021
скачати
Пов'язані файли:
створення опорного сигналу.docx
Розширення: doc
Розмір: 755кб.
Дата: 05.06.2021
скачати
Пов'язані файли:
створення опорного сигналу.docx
Поверхневі поляритонні збудження в тонких плівках оксиду цинку(ZnO) на діелектричних та напівпровідникових підкладках.
магістрант фізико-математичного факультету
Вступ
У сімействі широкозонних напівпровідників оксид цинку (ZnO) є перспективним напівпровідником в зв'язку з можливістю його застосування при створенні різних компонентів електронної техніки. Він є визнаним матеріалом для створення високоефективних джерел і приймачів світла, що працюють в блакитному і ультрафіолетовому діапазоні спектра, сонячних елементів, прозорих контактів, надшвидких сцинтиляторів, газових сенсорів та ін. Вважається, що ZnO - матеріал, який найбільше підходить (через високу енергію зв'язку екситонів Е = 60 меВ) для виготовлення лазера, що працює в ультрафіолетовому діапазоні при кімнатній температурі. Однак, практична реалізація потенційних можливостей ZnO затримується через технологічні проблеми синтезу даного матеріалу з необхідними і відтворюваними властивостями.
Технологія вирощування зразків
При синтезі тонких прозорих плівок ZnO на діелектричних та напівпровідникових підкладках використовувалась установка, що є напівавтоматичною – « Пласт-600» з вихідною потужністю генератора 0,2 - 0,7 кВт та робочою частотою 13,5МГц, яка призначена для плазмохімічного травлення [2]. Плазма в реакційному об’ємі установки утворюється при тиску 0,3-2 Торр, коли до обкладинок ємностей, між якими розміщена циліндрична кварцова камера, подається високочастотна напруга [2].У цьому випадку плазма являє собою квазінейтральну електричну систему, в якій негативно зарядженими частинками є переважно електрони [2].Область, у якій порушується зарядова нейтральність, знаходиться поблизу особливої фізичної поверхні, яка знаходиться у плазмі, називається плазмовою оболонкою. Основними носіями у плазмі є електрони. Вони мають енергію від 1 до 12 еВ, що відповідає температурі
[2].Як вихідний реагент використовувались пари високолетючих комплексних сполук –
-дикетонати металів Zn та In( ацетилацетанат цинку 
й ацетилацетанат індію 
і газоподібного кисню. Аргон і водень використовувались як плазмоутворюючі гази-носії [2].По значенню тиску в робочій камері, з розмірами (довжина 300мм і діаметр 200мм), контролювалася концентрація реагентів. Методика проведення експерименту
Спектрометр інфрачервоний ИКС – 31 призначений для відносних вимірювань монохроматичних потоків випромінювання в області спектра від 12500 до 400 см–1 (від 0,8 до 25,0 мкм) в режимі сталого хвильового числа, а також реєстрації спектрів поглинання різних об’єктів в режимі неперервно змінного хвильового числа.
Спектрометр має блочне використання основних функціональних частин (освітлювача, монохроматора, приймальної камери). Є можливість вакуумувати внутрішній об’єм спектрометра до тиску 6 – 13 Па (510–2 – 110–1 мм рт.ст.) з метою усунення смуги поглинання речовин, що належать атмосфері.
Спектрометр розрахований для роботи в лабораторних умовах при температурі +20 і відносній вологості не більше 80 % [1].
Інфрачервоний спектрометр ИКС – 31 є однопроменевим приладом, що здійснює відносні вимірювання монохроматичних потоків випромінювання в режимах сталого або неперервно змінного хвильового числа.
Дані про відносну величину монохроматичних потоків випромінювання надходять в аналоговій формі у вигляді переміщення пера відносно відлікової шкали потенціометра.
Також є можливість підключення приладів цифрового відліку.
Вихідна величина потоку випромінювання регулюється розкриттям щілини вручну або по заданій програмі [1].
Смуги поглинання речовин, що належать атмосфері, можуть бути знищені шляхом вакуумування внутрішнього об’єму спектрометра до тиску 6 – 13 Па. Вакуумне обладнання до комплекту спектрометра не входить.
При вимірюванні коефіцієнтів пропускання управління положенням досліджуваного об’єкта здійснюється вручну за допомогою трьохпозиційної рукоятки управління, яка виведена на передню стінку освітлювача. Герметичність спектрометра при цьому не порушується [1].
Теорія
Метод порушеного повного внутрішнього відбивання (ППВВ) використовується для отримання спектра «незручних» об’єктів, таких як смоли, харчові продукти, тощо [4]. Оскільки поверхневі поляритони не взаємодіють зі світлом у процесах першого порядку, тобто не спостерігаються в спектрах поглинання та зовнішнього відбивання, то вони називаються нерадіаційними [2]. Фізичною основою методу ППВВ є явище проникнення світла з оптично більш густого середовища в менш густе за умов повного внутрішнього відбивання [2].
(1)
(2)де
– х-компонента хвильового вектора фотона, 
та 
- частота і хвильовий вектор поверхневого поляритона [2]. Як випливає з (1) та (2) поверхневий поляритон збуджується в області простору з уявним 
. Для цього між елементом ППВВ та досліджуваним кристалом утворюють зазор, який повинен бути заповненим повітрям або іншою діелектричною речовиною [2]. На межі призма-зазор поле світлової хвилі складається з компоненти, експонентціально затухаючої вздовж напрямку z, і компоненти, що поширюється вздовж напрямку x з фазовою швидкістю 
[2]. Ця фазова швидкість менша, ніж фазова швидкість світла, що поширюється вздовж осі x за відсутності призми(
[2]. Тому в умовах експерименту взаємодія світла з поверхневим поляритоном здійснюється через зазор. Світлова хвиля поглинається,збуджуючи поверхневий поляритон [2] .Поверхневі поляритони збуджуються в діапазоні:
,де
– діелектрична проникність призми, 
– діелектрична проникність досліджуваного кристала.Під дією світла можна збудити локалізовані на поверхні електромагнітні коливання – поверхневі поляритони. Їх амплітуда максимальна на поверхні і спадає експонентціально при віддаленні від неї. Ця обставина обумовлює сильний вплив на спектри поверхневих поляритонів стану і властивості поверхні [3]. Вивчення згасання таких хвиль, енергія яких розповсюджується тільки вздовж поверхні або межі розподілу двох речовин, має важливе значення у вивченні фізики поверхні полярних напівпровідників. Отже, спектроскопію поверхневих поляритонів можна використати як неруйнуючий метод дослідження реальної поверхні та перехідних шарів [3].
Результати та їх обговорення
Розрахунки ІЧ спектрів відбивання
проведені на ЕОM за допомогою рівнянь Гельмгольца-Кеттлера, що враховують внесок відбивання об’ємних фононів і плазмонів [2]. 
;
, 
, 
, 
; 
;
;
;За допомогою не легованої (Рис. 1) та сильно легованої (Рис. 2) підкладки на основі карбіду кремнію (SiC) отримано спектр відбивання
.
Рис. 1 (Спектр відбивання не легованої підкладки SiC).
Рис. 2 (Спектр відбивання сильнолегованої підкладки SiC).За допомогою сильно легованої (Рис. 3) та не легованої (Рис. 4) підкладок на основі лейкосапфіру (
) отримано спектр відбивання 
.
Рис. 3 ( Спектр відбивання сильно легованої підкладки ( ).
Рис. 4 ( Спектр відбивання
не легованої підкладки ( ).Висновки
За допомогою ІЧ-спектроскопії було досліджені оптичні та електро-фізичні властивості тонких плівок оксиду цинку(ZnO) на діелектричних та напівпровідникових підкладках.
Література:
1. Венгер Є.Ф., Мельничук Л.Ю., Мельничук О.В. Застосування наукового обладнання при використанні лабораторного практикуму з ІЧ-спектроскопії / Є.Ф Венгер, Л.Ю. Мельничук, О.В. Мельничук. 24.05.2016 - С.- 14-16.
2. Венгер Є.Ф., Мельничук О.В, Пасічник Ю.А. Спектроскопія залишкових променів / Є.Ф. Венгер, О.В Мельничук, Ю.А. Пасічник. Наукова думка, 2001. - С. - 24-25.
3. Ніколаєва Т.М., Бруква О.М., Братусь Т.І. Вимірювання спектрів поверхневих поляритонів методом порушеного повного внутрішнього відбивання(ППВВ): методичні вказівки до виконання лабораторних робіт з фізики для студентів фізико-математичного факультету /Уклад.:, Т.М. Ніколаєва, О.М. Бруква, Т.І.Братусь. Київ, НТУУ’’КПІ’’ 2008.
4.Цьомко М.І, Сіренко Г.О., Мазепа В.І. Фізичні методи дослідження речовини: Техніка ІЧ-спектроскопічних досліджень(огляд)/ М.І. Цьомко, Г.О. Сіренко, В.І. Мазепа. 2012 С. - 121-123.