Диссертация (Влияние интерфейсных напряжений на свойства наноразмерных мультислойных структур на основе сложных оксидов и полупроводников при создании устройств микро- и наноэлектроники), страница 8

Таким образом, коэффициент αможет быть представлен в следующем виде:α ∝ χ (0) (ε − 1)Данныйкоэффициентпропорциональности(13)характеризуетэффективность переключения. В случае, когда αU  P0 , петли симметричныотносительно нулевого напряжения. Уменьшение переключаемой частиполяризации относительно непереключаемой приводит к асимметризациипетли вплоть до вырожденного „квазилинейного“ типа.502.1.2. МагнитоиндуцированнаяГВГвцентросимметричныхвмагнитоупорядоченныхферромагнетикахрациявеществахвторойнаоптическойсегодняшнийгармоникиденьявляетсяпредметоминтенсивныхэкспериментальных и теоретических исследований [123–126]. Хорошоизвестно, что методика ГВГ обладает высокой чувствительностью ккристаллографической и магнитной симметрии. В связи с этим ГВГ вмагнитном поле или, иными словами, магнитоиндуцированная ГВГ (МГВГ),является эффективным методом изучения этих свойств.

До 2000-х годовбольшинствоработпоМГВГпосвященоисследованиюнецентросимметричных магнитных материалов, в которых основным вкладомв ГВГ является кристаллографический электро-дипольный (ЭД) вклад[127,128]. Однако научной группой под руководством Р.В. Писарева и В.В.Павлова в работе [129] было показано, что в спектральных областяхэлектронных переходов магнитных ионов магнитодипольный (МД) вклад винтенсивность ГВГ может быть существенным вследствие резонансногоусиления, что наиболее заметно в центросимметричных материалах на фоненевысокого кристаллографического вклада электроквадрупольной природы.Соотношение между электрическим полем световой волны E(ω) наосновной частоте и индуцируемой нелинейной поляризацией P(2ω) наудвоенной частоте для магнитоупорядоченных материалов в ЭД приближенииможет быть записано в следующем виде [121]: (i ) + χ ( c ) ) : E(ω )E(ω )P=(2ω ) ε 0 ( χ(14) (i ) – инвариантный по операции обращения времени тензор i-типа,где χотвечающий за кристаллографический вклад в нелинейную поляризацию ( c ) – неинвариантный по операции обращения времени тензор[121], P(2ω), χc-типа, отвечающий за линейно зависящий от магнитного параметра порядка51вклад[121].Этитензорыопределяютсякристаллографическимиимагнитными свойствами, поэтому могут быть определены при помощиметодики ГВГ [121].

Как было показано в работе [121], в случае поглощения(i )оба тензора являются комплексными, в противном случае тензор χ (c)реальная величина, а тензор χ чисто мнимый. В случае поглощения междуэтими двумя тензорами может возникнуть интерференция, и тогдаинтенсивность ГВГ будет иметь следующий вид [121]:(2)2I (2ω ) ∝ χ (i ) + χ ( c ) ± 2 χ (i ) χ ( c ) cos ϕ E 4 (ω )(15)где ϕ – фазовое рассогласование между нелинейными восприимчивостями iи c-типов.

Для центросимметричной среды нелинейные восприимчивости вобщемслучаебудуткомплексными,поэтомуможетвозникнутьинтерференция, что приведет к появлению члена 2 χ (i ) χ ( c ) E 4 (ω ) .2.1.3. Поляризационные зависимости интенсивности ВГКристаллографический анализ тонких пленок может быть проведен наоснове связи симметрии изучаемого материала с тензором нелинейнойвосприимчивости. Количество ненулевых компонент тензоров нелинейныхвосприимчивостей тонких пленок определяется правилами симметрийногоотбора. С точки зрения экспериментальной методики связь проявляется взависимостиинтенсивностиГВГотвзаимнойориентациикристаллографических осей и векторов напряженности электрических полейволн накачки и ГВГ. Поэтому генерация поляризационной ВГ используетсядля получения информации о кристаллографической симметрии исследуемойсреды.ВидполяризационнойзависимостиВГI2ω(φ)определяетсяпреобразованием компонент тензоров нелинейной восприимчивости изкристаллографической системы координат XкрYкрZкр т.е.

из системы, орты52которой совпадают по направлению с наименьшими миллеровскимииндексами, в систему координат X'Y'Z', связанную с поверхностью образца, азатем - в лабораторную систему координат XлабYлабZлаб. Плоскостьполяризации падающей волны поворачивается на угол φ, при этомлабораторная система координат совпадает с поверхностной. Для переводатензоров из кристаллографической системы координат в поверхностнуюиспользуется стандартная методика преобразований Эйлера χ ijk = aip a jq akl χ ijkгде, а – матрицы Эйлера (рис. 12).Рисунок 12. (Слева) Схематическое изображение взаимной ориентациилабораторной системы координат XYZ и векторов напряженностиэлектрического поля падающей и отраженной электромагнитной волны.(Справа) Взаимное расположение систем координат XYZ и X'Y'Z' дляазимутального угла ϕ .Выходная поляризация в эксперименте регистрировалось в геометрии pили s- поляризованного излучения ВГ. Выходная геометрия поляризациификсировалась анализатором, установленным перед детектором.532.2.Общее описание методики терагерцевой спектроскопии временногоразрешенияВ дальнем поле ТГц электрическое поле EТГц(r,t), излучаемое с ФПА, вточке наблюдения r в момент времени t может быть представлена вследующем виде [130]:EТГц (r , t ) = −sin θ 3 ∂j (r ′, t ′) d x′4πε c 2 ∫  ∂t ′  t′−tr r − r ′1(16)где, ε и c- диэлектрическая проницаемость среды и скорость света,соответственно.Переходный ток или импульсный механизм является линейнымэффектом, который может быть далее разделен на эффект поверхностногополя [131] и эффект фото-Дембера [132].Рассмотримэффектповерхностногополя.Длямногихполупроводников, поверхностное обеднение поля возникает из-за пиннингауровня Ферми и изгиба зоны проводимости и валентной зоны на поверхности.В случае сверхбыстрого фотовозбуждения сверхвысокой запрещенной зоны вполупроводникеповерхностноевыделяютсяполеэлектронно-дырочныеприводитвдвижениедвапары.видаВнутреннееносителейвпротивоположном направлении и создает фототок с образованием диполя внаправлении нормали к поверхности.

Этот переходный диполь испускает ТГцимпульсы.Таким образом, эффект поверхностного поля зависит от собственногополя, в отличие от внешнего смещения в случае фотопроводимости. Крометого, в случае ФП-эффекта ток течет в плоскости поверхности, в то время какдля эффекта поверхностного поля ток течет в направлении нормали кповерхности. Направление поля обеднения поверхности зависит от типалегирования и положения поверхностных состояний по отношению к уровнюФерми.54Вмеханизмефото-Дембера,послевозбужденияоптическимиимпульсами с энергией выше запрещенной зоны, вблизи поверхностиполупроводникаобразуетсясильныйпространственныйградиент,обусловленный различием скоростей диффузии электронов и дырок.Электроны с более высокой подвижностью имеют тенденцию быстродиффундировать от поверхности, в то время как дырки остаются вблизиповерхности вследствие их сравнительно низкой подвижности. Полученныйпереходныйдиполь,генерируемыйвдольнормальногонаправленияповерхности, испускает ТГц импульсы.Эффект фото-Дембера более выражен в узкозонных полупроводниках,таких как InAs и InSb, из-за большей подвижности электронов, слабогообедненного поля и короткой глубины поглощения [98].Выделение вклада того или иного эффекта в отклик системы навоздействиетерагерцевогоизлученияпредставляетсобойсложную,комплексную задачу, выходящую за рамки настоящего исследования.

Следуяданным, приведенным в литературе, при непосредственном воздействии ТГцизлучения на поверхность полупроводника наиболее вероятным являетсямеханизм эффекта фото-Дембера. Однако, процесс детектирования ТГцизлучения предполагает наличие на поверхности полупроводника электродов,представляющих собой фотопроводящую антенну, которая также повышаетэффективность генерации. В этом случае, как следует из статьи [130], наиболееэффективным является механизм фотопроводимости. Основные выводыдиссертационнойработыпоисследованиювлиянияэпитаксиальныхнапряжений на генерацию и детектирование терагерцевого излучения вполупроводниковых структурах сделаны, исходя из этого предположения.552.3.Описание экспериментальных установок2.3.1. Экспериментальная схема исследования нелинейно-оптическихсвойств методом генерации второй оптической гармоники (ГВГ)Экспериментальнаясхемаустановкидлянелинейно-оптическойдиагностики структур, описываемых в третьей и четвертой главах, приведенана рис.13.Рисунок 13.

Экспериментальная установка для измерения анизотропиии магнитоиндуцированной генерации второй оптической гармоники.Излучение фемтосекундного титан-сапфирового лазера (Mai-Tai,Spectra-Physics) с длительностью импульса 100 фс и частотой повторенияимпульсов 80 МГц, проходит через нейтральный фильтр 1 (NA-05) с цельюрегулирования мощности. Далее луч света проходил через фазовуюполуволновую пластинку 2, установленную во вращающейся оправе савтоматическим управлением, и фокусировался линзой L1 на поверхностиобразца.