Диссертация (1104452), страница 4
Текст из файла (страница 4)
В ТГц-диапазоне частот диэлектрические потери определяются однофононнымии многофононными процессами. Для определения вклада многофононных разностныхпроцессов необходимо выделить однофононный вклад. Параметрами фононного резонанса являются величины Δεj, νj, γj. Согласно правилу сумм, диэлектрический вклад Δεj фонона не зависит от температуры [51]: ( )d 0 ne2,2m(31)где — проводимость, e — заряд носителя, m — его масса, n — концентрация носителейзаряда. Собственная частота νj изменяется с температурой в соответствии с законом [52],[53]:ΔV j j 0 1 j,V где νj0 — собственная частота в отсутствие деформации,(32)ΔV— относительное изменениеVобъёма кристалла, Гj — коэффициент Грюнайзена.
В работе [54] исследуется ангармонизммонокристалла ZnGeP2 в широком интервале температур. При охлаждении образца от 300до 4 К изменение собственной частоты каждой моды мало и составляет 2–4 см-1, и этимизменением на ТГц-частотах можно пренебречь. Поэтому основным параметром, определяющим температурную эволюцию контура однофононного резонанса является затуханиеγj [45], [55].24Таким образом, по температурному поведению затухания γj и вклада мод Δεj можноопределить природу механизмов поглощения электромагнитного излучения.
Уменьшениекоэффициента затухания γj при охлаждении образца укажет на однофононный вклад.Уменьшение же Δεj с температурой приведёт к нарушению правила сумм (31). В этомслучае доминирующую роль в поглощении ТГц-излучения будут играть двухфононныеразностные процессы.251.6. Заключение к главе 1Проведён анализ собственных механизмов поглощения электромагнитного ТГцизлучения в полупроводниках. Обсуждены условия применимости различных расчётныхмоделей для определения и разделения вкладов в поглощение резонансных и нерезонансных механизмов.
Рассмотрены вклады в поглощение статической проводимости, однофононных и многофононных процессов. Показано, что по температурному поведению затухания γj и вклада мод Δεj можно разделить однофононные и многофононные процессы поглощения. Можно заключить, что модели, рассмотренные в настоящей главе, позволяют вполной мере описать поглощение электромагнитного излучения в монокристалле ZnGeP2,определённое различными механизмами диэлектрических потерь.26Глава 2. Экспериментальные методы изучения распространенияволн терагерцового диапазона в полупроводникахМетодыинфракраснойФурье-спектроскопииисубмиллиметровойЛОВ-спектроскопии (ЛОВ — лампа обратной волны) активно и разрабатываются, и совершенствуются на протяжении нескольких десятков лет.
Для генерации, эффективного управления интенсивностью и поляризацией электромагнитных волн ТГц-диапазона и их регистрации в работе были использованы инфракрасный Фурье-спектрометр «Bruker IFS-113v»и субмиллиметровый ЛОВ-спектрометр «Эпсилон». Спектральные измерения проведеныв диапазоне частот 5 – 5 000 см-1 в температурном интервале 10–300 К. Спектры пропускания ZnGeP2 в диапазоне 5–32 см-1 измерены на субмиллиметровом ЛОВ-спектрометре,спектры пропускания в диапазоне 25–350 см-1 — на ИК-Фурье-спектрометре.
Диапазонтемператур, в котором получены спектры пропускания, простирается от 10 до 300 К. Прикомнатной температуре на ИК-спектрометре были измерены спектры отражения в диапазоне 30–700 см-1.В настоящей главе рассмотрены методы субмиллиметровой ЛОВ-спектроскопии иинфракрасной Фурье-спектроскопии, дана общая информация о методе спектроскопии свременным разрешением.
Также приведены результаты спектральных ИК- и СБММизмерений.272.1. Инфракрасная Фурье-спектроскопия.ИК-спектрометр «Bruker IFS-113v»Для генерации инфракрасного излучения и изучения механизмов его поглощениякристаллом ZnGeP2 применяется спектрометр «Bruker IFS-113v». В основе ИК-спектроскопии лежит интерферометр Майкельсона (рис. 6). Электромагнитное излучение падаетна светоделитель, разбивающий его на два пучка, которые затем отражаются от двух зеркал (подвижного и неподвижного) обратно. Сойдясь на пластинке, разделённые пучки интерферируют. Результирующая интенсивность I сигнала зависит от их разности хода d.Зависимость I(d) — Фурье-образ спектра излучения источника. Далее волновой пучок попадает на образец, а затем на детектор.
Чтобы получить интенсивность отражения какфункцию от частоты, нужно вычислить обратный Фурье-образ интерферограммы I(d). Дляполучения итогового ИК-спектра производится деление спектра с установленным в спектрометр образцом на калибровочный спектр без образца (пропускание) или с зеркалом(отражение). Принципы работы Фурье-спектрометров, методы обработки и преобразования интерферограмм изложены в работах [56], [57].На рис. 7 и 8 приведены фотографии камеры интерферометра ИК-Фурьеспектрометра «Bruker IFS-113v» и схема его оптической части, соответственно. Приборсостоит из четырёх отделений: источника, интерферометра, измерительной камеры и детекторов. Для того чтобы обеспечить перекрытие всего спектрального диапазона, конфигурация оптического тракта спектрометра предусматривает смену источников излучения,делителей светового пучка, оптических фильтров и детекторов излучения.
Набор оптических элементов подбирается так, чтобы получить максимальное отношение сигнал/шум иисключить поглощение электромагнитной волны элементами оптического тракта.В качестве источника электромагнитных волн ИК-диапазона используются ртутнаялампа, глобар и галогенная лампа накаливания. Частота генерируемого ими излученияуправляется путём регулирования напряжения питания. С помощью чёрного полиэтиленаудаляется ультрафиолетовая часть излучения, чтобы не произошло возникновение центров окраски в оптических элементах, расположенных на пути хода светового пучка. Интерферометр Майкельсона оснащён двухсторонним зеркалом на воздушной подушке.
Этопозволяет удвоить разность хода светового пучка и, следовательно, увеличить разрешениев два раза. В измерительной камере зеркала направляют луч либо на систему зеркал дляизмерения спектров отражения (рис. 8, слева), либо в канал для измерения спектров пропускания (рис. 8, справа). Линейно поляризованное излучение, необходимое для исследования электродинамических параметров нелинейно-оптического кристалла ZnGeP2,28НеподвижноезеркалоПодвижноезеркалоИсточникДелительсветовогопучкаПриёмникРис. 6. Блок-схема интерферометра Майкельсона.Рис. 7. Камера интерферометра ИК-Фурье-спектрометра «Bruker IFS-113v».293077775ПРОПУСКАНИЕ654ИНТЕРФЕРОМЕТР323 — делитель светового пучка, 4 — подвижное зеркало, 5 — поляризаторы, 6 — образец, 7 — детекторы.Рис.
8. Схема ИК-Фурье-спектрометра «Bruker IFS-113v», где 1 — источники, 2 — фильтры,7ОТРАЖЕНИЕ1формируется с помощью поляризаторов.На Фурье-спектрометре измеряется интерферограмма и, таким образом, непосредственное определение частоты излучения не требуется, поэтому в качестве приёмниковприменяются неселективные детекторы излучения с высокой чувствительностью и низким уровнем шума, а именно: оптико-акустические преобразователи [58], пироэлектрические детекторы [59] и охлаждаемые болометры [60].Все четыре отделения спектрометра размещены в герметичном корпусе и откачиваются до давления 0,1–1 Торр, чтобы исключить паразитное поглощение электромагнитного излучения, вносимое атмосферой.
Прибор регистрирует спектры отражения и пропускания с точностью 2–3%, которая ухудшается на 10–20% на краях рабочего диапазона.Для проведения низкотемпературных измерений спектров в диапазоне температур 10–300К применялся криостат оптического типа.Фурье-спектрометры по сравнению с дисперсионными решёточными приборамиобладают рядом важных достоинств. Первое заключается в том, что разрешающая способность не зависит от величины апертуры, поэтому можно работать с пучком большогосечения и использовать детекторы с большими телесными углами (с большей светосилой)без снижения разрешения. Эта особенность известна как выигрыш Жакино [61]. Второепреимущество Фурье-спектрометров состоит в том, что информация обо всём спектральном диапазоне получается за каждый интервал времени сканирования, вследствие чегодостигается выигрыш во времени записи спектра при одинаковом отношении сигнал/шум.Данная особенность называется выигрышем Фелжета, или мультиплекс-фактором [62].Третьим преимуществом является использование в Фурье-спектрометрах гелий-неоновоголазера для правильной идентификации спектральных линий и управления отсчётами интерферограммы в процессе перемещения подвижного зеркала.
Это позволяет определятьположение спектральных линий с точностью, соразмерной величине стабильности опорного лазерного сигнала (для гелий-неонового лазера ~10-6). Данная особенность известнакак выигрыш Конн [63].Серьёзным недостатком Фурье-спектрометров является невозможность проведенияфазовых измерений. Это влечёт необходимость для расчёта параметров диэлектрическогоотклика образца при взаимодействии с электромагнитной волной использовать соотношения Крамерса — Кронига с экстраполяциями на высокие и низкие частоты.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
