РОЗДІЛ 2
МЕТОДИКА ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНИХ ДОСЛІДЖЕНЬ.
2.1. Метод порушеного повного внутрішнього відбивання в спектроскопії
поверхневих поляритонів.
Метод модифікованого порушеного повного відбивання (ППВВ) є одним із основних
методів збудження та дослідження ПП. Для того, щоб світло, яке потрапляє на
поверхню кристала, могло взаємодіяти з поверхневими поляритонами, повинні
виконуватись закони збереження енергії та імпульсу:
(2.1)
(2.2)
де Kx - x-компонента хвильового вектора фотона; wПП та qx - частота і
x-компонента хвильового вектора поверхневого поляритона.
Для циклічної частоти p-поляризованого світла, що падає на поверхню,
виконується рівність [35,36]:
(2.3)
де e1 -діелектрична проникність середовища; Kz - z-компонента хвильового
вектора фотона. Оскільки дисперсійна крива лежить правіше від «світлової
прямої» (дисперсійної залежності електромагнітної хвилі у вакуумі), то це
означає відсутність точки перетину дисперсійної кривої світла та поверхневого
поляритона:
(2.4)
Тоді, порівнюючи (2.1) та (2.2), знаходимо (2.5)
З рівнянь (2.3) та (2.5) видно, що ці дві умови не можуть одночасно
виконуватись при Кz > 0. Однак, якщо перейти до плоских хвиль з уявним Кz, який
експоненціальне затухає в глиб від площини z = 0, то закони збереження енергії
та імпульсу будуть виконуватися і стане можливим збудження ПП. Саме це і
реалізується в модифікованому методі ППВВ [37, 43-46].
Модифікований метод ППВВ є найпоширенишим методом експериментального
дослідження поверхневих поляритонів [35-37,43-46]. Фізичною основою методу ППВВ
є явище проникнення світла з оптично більш густого середовища в менш густе за
умов повного внутрішнього відбивання. Кут падіння a повинен бути більшим за
критичний aКР = arcsin(n1/n) (рис. 2.1), де n і n1- відповідно показник
заломлення речовини, з якої виготовлений елемент ППВВ, і середовища, з яким він
межує. Як видно з (2.1), (2.2), ПП збуджуються в області простору з уявним Кz.
Для цього між елементом ППВВ та досліджуваним кристалом створюють зазор dЗ
(рис. 2.1). В [35,37,44-46] вказується, що зазор має бути заповнений повітрям
або іншою діелектричною речовиною з малим значенням n1. На межі призма-зазор
поле світлової хвилі складається з компоненти, експоненціальне затухаючої
вздовж напрямку z, і компоненти, що поширюється вздовж напрямку х з фазовою
швидкістю:
vФ = w / kx = c/(n0sina).
Ця фазова швидкість менша, ніж фазова швидкість світла, що поширюється вздовж
осі х за відсутності призми (vФ = c/n1). Тому в умовах експерименту взаємодія
світла з поверхневим поляритоном здійснюється через зазор. Світлова хвиля (рис.
2.1) поглинається, збуджуючи поверхневий поляритон. Повне внутрішнє відбивання
виявляється «порушеним повним внутрішнім відбиванням», що і пояснює назву
методу.
Поверхневі поляритони збуджуються в діапазоні хвильових векторів
(2.6)
де eП - діелектрична проникність призми; e2 - діелектрична проникність
досліджуваного кристала.
Зворотний процес - перетворення поверхневого поляритона в р-поляризоване світло
- призводить до затухання поверхневого поляритона уже в гармонічному
наближенні. Цим процесом обумовлене так зване радіаційне розширення в спектрах
ППВВ, яке тим більше, чим менша величина зазору (енергія поверхневого
поляритона «просочується» через зазор у призму). В праці [47] були отримані та
проаналізовані відносно прості вирази, які дозволяють при вивченні закону
дисперсії ПП методом ППВВ виключити спотворювання, зумовлені елементом ППВВ і
скінченним значенням проміжку між елементом та досліджуваним кристалом. Слід
відзначити, що призма чинить збурюючу дію на дисперсійну криву поверхневого
поляритона. Частоти експериментальних мінімумів у спектрі ППВВ виявляються
меншими за частоти, які знайдені при розв'язанні рівнянь. Однак при збільшенні
значення зазору вище деякого критичного значення (яке в більшості випадків
підбирається експериментальне) ці небажані ефекти усуваються.
Глибина мінімуму в спектрі ППВВ зменшується при зменшенні зазору (оскільки
послаблюється взаємодія світла з поверхневим поляритоном), однак зберігає все ж
таки значення, достатнє для надійних вимірювань частоти та напівширини ПП.
Під час дослідження полярних напівпровідників методом ППВВ в області залишкових
променів з'являється мінімум, частота якого відповідає частоті ПП. Залежність
частоти мінімуму в спектрі ППВВ від значень хвильового вектора Kx (Kx =
(w/c)nsina) визначає закон дисперсії ПП. Зміна кута a дозволяє отримати
дисперсійну залежність ПП n=ns(Kx) широкому інтервалі nПП і Кx. Застосовуваний
в експерименті (рис. 2.1) матеріал КRS-5 (п =2,38) дозволяє охопити діапазон
досліджень, в якому частота ПП має значну залежність від Kx, і область, де
частота ПП асимптотично наближається до частоти поверхневого фонона nS. KRS-5
має ряд переваг, а саме: він прозорий у широкому спектральному діапазоні і
забезпечує велику глибину проникнення затухаючої хвилі в досліджуваний кристал.
При цьому забезпечується паралельність світлового пучка всередині
напівциліндра. При виході з напівциліндра пучок знову фокусується на ті ж
відстані від його поверхні, а потім за допомогою ряду дзеркал фокусується на
вхідній щілині монохроматора.
Рис. 2.1. Збудження поверхневих поляритонів за допомогою методу ППВВ:
1 — елемент ППВВ; 2 — прокладки, які створюють зазор між елементом ППВВ та
кристалом; 3 — досліджуваний кристал; п — показник заломлення речовини, з якої
виготовлений елемент ППВВ.
Метод ППВВ має і ряд суттєвих переваг перед іншими методами (комбінаційне
розсіювання світла, дифракція сповільнених електронів та ін.) при дослідженні
поверхневих фононних та плаз
- Київ+380960830922