Диссертация (1104452), страница 2

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

2. Зависимость удельного сопротивления 0 кристалла ZnGeP2 от дозы облученияэлектронами D (по материалам работ [18], [19]).6Цель диссертационной работы:определить механизмы дипольного поглощения электромагнитных волн ТГцдиапазона в монокристалле ZnGeP2 методами ТГц- и ИК-спектроскопии в широкой частотно-температурной области путём изучения резонансных и нерезонансных полос.Основные задачи диссертационной работы.1. Получить спектры отражения и пропускания облучённого и необлучённого образцовмонокристалла ZnGeP2 в диапазоне 5 – 5 000 см-1 и температурном интервале 10–300 Кпутём объединения данных измерений в ТГц- и ИК-диапазонах.2.

Провести модельные расчёты диэлектрических параметров монокристалла ZnGeP2 всоответствии с известными теоретическими концепциями и исследовать их температурную эволюцию.3. Изучить влияние облучения монокристалла ZnGeP2 электронами с энергией 4 МэВ идозой 1,8·1017 см-2 на коэффициент поглощения и диэлектрическую проницаемостьданного материала.Научная новизна1. Впервые выполнено систематическое исследование поглощения ТГц-излучения в монокристалле ZnGeP2 методами ТГц- и ИК-спектроскопии.2.

Впервые установлено, что доминирующий вклад в поглощение электромагнитныхволн в ТГц-диапазоне наряду с фононами вносят двухфононные разностные процессы,а вклад статической проводимости незначителен.3. Впервые обнаружено, что облучение кристалла ZnGeP2 электронами приводит куменьшению диэлектрической проницаемости на терагерцовых частотах при неизменности коэффициента поглощения.Практическая значимость диссертационной работыРезультаты диссертационной работы являются основой для расчёта параметров нелинейно-оптического кристалла ZnGeP2, необходимых при создании эффективных источников ТГц-излучения.7Положения и результаты, выносимые на защиту:1. Поглощение электроманитных волн ТГц-диапазона в монокристалле ZnGeP2 преимущественно определено многофононными разностными процессами, вклад которыхпревышает фононный более чем на порядок.2.

Статическая проводимость на уровне 10-6–10-8 Ом-1·см-1 даёт вклад в поглощение ТГцизлучения на 2–4 порядка меньше вкладов однофононных и многофононных процессов.3. Облучение монокристалла ZnGeP2 электронами с энергией 4 МэВ и дозой 1,8·1017 см-2приводит к понижению диэлектрической проницаемости на 3%, не меняя при этом величину поглощения ТГц-излучения.Достоверность полученных результатовЭкспериментальные результаты получены на оборудовании, которое использовалось для исследования твердых тел с различными структурными, электродинамическимии радиофизическими свойствами. В работе использованы известные физические модели иматематические методы.

Геометрические характеристики образца соотносятся с применёнными моделями. Результаты воспроизводимы в различных условиях и соответствуют,там где возможно провести сопоставление, литературным данным.Апробация работыОсновные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах:1. 2nd International Conference “Terahertz and Microwave radiation: Generation, Detection andApplications” («TERA-2012», 20–22 июня 2012 г., Москва).2. IX Всероссийский семинар по радиофизике миллиметровых и субмиллиметровых волн(26 февраля — 1 марта 2013 г., Нижний Новгород).3. XIV Всероссийская школа-семинар «Физика и применение микроволн». Секция 7:«Взаимодействие электромагнитного излучения с веществом» («Волны-2013», 20–25мая 2013 г., Можайск).4.

XIV Всероссийская школа-семинар «Волновые явления в неоднородных средах». Секция 4: «Спектроскопия и томография» («Волны-2014», 26–31 мая 2014 г., Можайск).5. XV Всероссийская школа-семинар «Физика и применение микроволн» имени А.П. Сухорукова. Секция 4: «Радиофотоника» («Волны-2015», 1–6 июня 2015 г., Москва —Можайск).86. XV Всероссийская школа-семинар «Волновые явления в неоднородных средах» имениА.П. Сухорукова.

Секция 5: «Радиофотоника» («Волны-2016», 5–10 июня 2016 г., Москва — Можайск).Личный вклад автораВсе результаты получены автором лично или при его непосредственном участии.Автор принимал участие в постановке задачи, проведении экспериментов, обработке ианализе результатов, подготовке текстов статей и докладов на конференциях, лично выступал с устными и стендовыми докладами.ПубликацииОсновные результаты диссертации изложены в 10 работах [A1–A10]. Из них 4опубликованы в журналах из перечня рекомендованных ВАК РФ [A1–A4].

Список публикаций приведён в конце диссертации перед списком литературы.Структура и объём диссертацииДиссертация состоит из введения, трёх глав, заключения, выводов и списка литературы из 97 наименований. Общий объём работы составляет 98 страниц, включая 39 рисунков и 6 таблиц.В Главе 1 рассмотрены механизмы поглощения электромагнитных волн ТГцдиапазона в полупроводниках. Обсуждены условия применимости различных расчетныхмоделей для определения и разделения вкладов резонансных и нерезонансных механизмов в поглощение ТГц-излучения.В Главе 2 дано описание экспериментальных методик, с помощью которых исследовано пропускание и отражение электромагнитных волн монокристаллическими образцами ZnGeP2 в диапазоне частот 5 – 5 000 см-1 и температурном интервале 10 – 300 К.Приведены характеристики исследованных образцов. Проанализированы измеренные ирассчитанные (с применением моделей, описанных в главе 1) спектры пропускания и отражения плоскопараллельных образцов ZnGeP2 в поляризациях E∥c и E⊥c.В Главе 3 изложены результаты дисперсионного анализа исходных экспериментальных спектральных исследований монокристалла ZnGeP2 в ТГц-ИК-диапазоне.

Получены и проанализированы спектры диэлектрического отклика и выявлены основные механизмы, ответственные за формирование поглощения ТГц-излучения в образце. Исследо-9вано влияние облучения кристалла ZnGeP2 электронами с энергией 4 МэВ и дозой 1,8·1017см-2 на поглощение электромагнитных волн ТГц-диапазона.В заключении сформулированы основные выводы диссертационной работы.10Глава 1. Механизмы поглощения электромагнитныхволн терагерцового диапазона в полупроводникахПоскольку целью работы является изучение механизмов поглощения электромагнитных волн ТГц-диапазона полупроводниковым кристаллом ZnGeP2, то за основу взятыматериальные уравнения Максвелла [23], в которых наиболее информативными величинами являются комплексные диэлектрическая проницаемость * и динамическая проводимость *.

Для немагнитных материалов данные параметры связаны следующим образом.div D( )  4 ( ) ,(1)div H( )  0 ,(2)1  H( ),c t(3)1  D( ) 4j( ) ,c tc(4)rot E( )  rot H( ) D( )    ( )E( ) ,(5)j( )    ( )E( ) ,(6)в соответствии с законом Ома:* описывает взаимодействие электромагнитных волн с упругими колебаниями кристаллической решётки, * — отклик системы диполей, которые взаимодействуют с электрическим полем.

Частотная дисперсия и температурная зависимость данных параметров определяют механизмы поглощения излучения кристаллом.Резонансное поглощение электромагнитного излучения колебаниями кристаллической решётки приходится на ТГц- и ИК-диапазоны.

В случае колебаний, сопровождающихся разделением зарядов (полярных колебаний), поглощение проявляется в спектрахотражения и пропускания электромагнитного излучения в виде характерных линий. Ихпараметры определены строением кристаллической решётки [24], [25], эффективными зарядами [26], [27], силовыми константами взаимодействия и приведёнными массами ионов[28], [29]. Для ухода от рассмотрения движения каждого атома в отдельности И.Е. Тамм в1932 г. ввёл понятие фонона — кванта колебательного движения атомов решётки.

Колебаниям кристаллической решётки присущ ангармонизм, который играет роль в том числев формировании многочастичных процессов, в которых участвуют несколько фононов.Переходы фононов между ветвями в зоне Бриллюэна могут сопровождаться поглощением11энергии фотона. Эти переходы вызывают появление нерезонансных полос в спектрах.Многочастичные процессы также приходятся на ТГц- и ИК-диапазоны. Для описаниявлияния проводимости, однофононных и многофононных процессов применяется рядтеоретических моделей, которые изложены далее.121.1. Модель проводимости ДрудеПоскольку в работе изучается поглощение ТГц-излучения полупроводниковымкристаллом, то ожидается наличие вклада свободных носителей заряда в динамическуюпроводимость, которая в широком частотном диапазоне описывается моделью Друде [30].Данная модель устанавливает связь комплексной проводимости  с циклической частотой электромагнитной волны  и средним временем между двумя последовательными соударениями τ.

В модели Друде рассматриваются независимые друг от друга электроны,которые свободно движутся и периодически рассеиваются на неподвижных ионах. Уравнение движения свободного электрона с эффективной массой m и зарядом e в переменномэлектрическом поле E (t )  E0 exp(it ) выглядит следующим образом [31]:md 2 x m dx eE (t ) .dt 2  dt(7)Решение уравнения (7) имеет вид: *( ) 201  pl,1  i 4 1  i(8)где σ0 — статическая проводимость, pl — плазменная частота:0  pl  2 pl ,4(9)4 ne 2.m(10)Статическая проводимость 0 определяется эмпирически на низких частотах. Если выделить действительную 1 и мнимую2 части проводимости, соотношение (8) примет вид: *( )   1 ( )  i 2 ( ) где   0 2 i 2 0 2 ,22  (11)11— частота в [см-1],  — затухание в [см-1]. 2 c2 cНа рис.

Характеристики

Список файлов диссертации