Введение к работе
Актуальность темы. Темпы роста научно-технического прогресса во многом определяются успехами материаловедения, одной из центральных научных проблем которого в настоящее время является проблема влияния физико-химических свойств поверхности на функциональные характеристики электронных и оптических приборов Поэтому уровень наших знаний о структуре, составе и физических свойствах свободных поверхностей и границ раздела, а также о процессах, протекающих на этих границах, обуславливает возможность успешного развития прикладных исследований по разработке важнейших технологических процессов и созданию более совершенных устройств и приборов Это, в свою очередь, решающим образом сказывается на развитии техники и цивилизации в целом
В последние 20 лет исследования оптических свойств поверхности твердых тел показали, что наибольший интерес представляет шероховатая, «разрыхленная» поверхность, получаемая в результате предварительной обработки Ее можно рассматривать как неоднородный приповерхностный слой, и она является совершенно уникальным объектом исследований как с точки зрения изучения ее структуры, так и с точки зрения проявления ее необычных физических свойств Интерес к сильно неоднородным приповерхностным слоям усилен тем, что для них были обнаружены аномальные оптические явления Изучалось влияние шероховатой граничной поверхности металлов на отражение, поглощение и упругой рассеяние электромагнитных волн, исследовалось взаимодействие электромагнитного излучения с поверхностными электромагнитными волнами
В 1974-76 гг М Флейшманом с сотрудниками было обнаружено
«гигантское» усиление комбинационного рассеяния света молекулами
пиридина, адсорбированными на серебряном электроде с шероховатой
поверхностью Адсорбированные молекулы давали усиление
комбинационного рассеяния света по сравнению с молекулами, находящимися в свободном состоянии, на 4-6 порядка Кроме того, на сильно неоднородной поверхности металла выявлено значительное усиление генерации второй гармоники и других нелинейных эффектов До сих пор физическая природа этих ярких явлений до конца еще не выяснена Тем не менее, обнаружение явлений усиления дало богатые возможности для повышения чувствительности спектроскопических приборов по изучению свойств и примесного состава поверхности и разработки новых методик исследования поверхности
В последнее время исследования неоднородных приповерхностных слоев приобретают все большую актуальность Это обусловлено также той ролью, которую играет поверхность в механических процессах, таких как трение, адсорбция и десорбция, эпитаксия, катализ и тд С развитием микроэлектроники и прогрессирующей миниатюризацией электронных приборов стало ясно, что свойства поверхности определяют поведение материала в целом Существенные в этих случаях процессы протекают на поверхности полупроводниковых кристаллов или в переходных слоях гетероструктур Большое значение имеют не только электрические или оптико-электрические свойства поверхности, но также ее механические и прочностные свойства, которые являются существенным с точки зрения устойчивости работы электронных приборов и оптических систем, особенно в различных экстремальных условиях
Основная цель диссертационной работы состояла в разработке эффективной модели оптически сильно неоднородного приграничного переходного слоя и изучении в рамках этой модели линейных и нелинейных оптических, а также фотоэлектрических свойств контакта металл -полупроводник Целью работы было исследование влияния внешней механической нагрузки на процесс образования шероховатого
поверхностного рельефа металлов и полупроводников, выявление характера неоднородностей и механизмов формирования деформационного рельефа на поверхности
Для достижения поставленной цели были решены следующие основные задачи.
Разработана теоретическая модель, описывающая оптически неоднородные приповерхностные слои металлов и полупроводников, а также переходный слой границы раздела металла с полупроводником
В рамках предложенной модели проведено теоретическое исследование линейных и нелинейных оптических, а также фотоэлектрических свойств контакта металл - полупроводник
Проведен статистический анализ деформационного рельефа, образовавшегося на поверхности твердых тел при их механическом нагружении. В рамках энергетического баланса рассмотрен процесс формирования деформационного рельефа
Проанализированы различные механизмы формирования деформационного рельефа и существенные факторы, влияющие на кинегику этого процесса В качестве одного из существенных факторов рассматривается повышенный (в сравнении с объемом) энгармонизм межатомного взаимодействия на поверхности
С использованием метода производящей функции получены временные зависимости динамических параметров возбужденного ангармонического осциллятора в процессе его механического нагружен ня
Научная новизна работы заключается в следующем
1. Предложена модель оптически сильно неоднородного переходного слоя для описания зоны контакта металл-полупроводник, в котором происходит
усиление электрического поля падающей на контакт электромагнитной волны В рамках этой модели решена электродинамическая задача о комбинационном рассеянии (КР) света локальными модами примесных центров переходного слоя Показано, что при некоторых условиях возможно значительное нерезонансное усиление КР света
Предложен новый метод зондирования примесного состава приграничного переходного слоя контакта кристаллов, основанный на установленной зависимости распределения свободных электронов от внешнего электрического напряжения, приложенного к исследуемому контакту.
Обнаружено усиление генерации второй гармоники для оптически сильно неоднородного переходного слоя Показано, что при выполнении условия пространственного синхронизма коэффициент усиления становится порядка ~104
Показано, что поверхностный поляритон, возбуждаемый на гофрированной границе вакуума с металлом, приводит к усилению фотоответа полупроводника в гетероструктуре вакуум - металлический слой - полупроводник.
Обнаружена фрактальная структура деформационного рельефа на поверхности фольги из сплава на основе железа Fe70Ol5Bl5, образовавшегося при внешнем механическом нагружении Найдена зависимость фрактальной размерности от величины механической нагрузки и от времени нагружения
В рамках энергетического подхода к изучению процесса образования деформационного рельефа найдены характерные геометрические размеры шероховатостей Проанализирована их зависимость от величины механического напряжения
Показано, что кинетический процесс, ответственный за образование поверхностного рельефа, имеет термоактированный характер Разработана теоретіиеская модель, которая в рамках диффузионной модели Крамерса
позволяет найти спектр времен релаксации Анализ максимального времени релаксации, лимитирующего процесс, позволяет доказать, что скорость термоактивированного процесса определяется ангармоничностью межатомного взаимодействия 8 Предложен метод производящих функций для изучения поведения ангармонического осциллятора (межатомной связи, рассматриваемой в ангармоническом приближении), находящегося под действием внешнего механического растяжения Найдены средние динамические величины, отвечающие за скорость кинетических процессов
Научная и практическая значимость работы.
Научная ценность работы состоит в том, что раскрыта физическая природа усиления линейных и нелинейных оптических эффектов в неоднородных приграничных переходных слоях, которые образуются в зоне контакта металл - полупроводник При определенных условиях в переходном слое обнаружено образование пространственной области возрастания поля электромагнитной волны, приводящего к существенному усилению генерации второй гармоники и комбинационного рассеяния света примесными центрами, находящимися в области неоднородного слоя Теоретически исследовано влияние внешней механической нагрузки на динамику формирования и изменения поверхностного рельефа металлических и полупроводниковых кристаллов при их механическом нагружении Обнаружено образование фрактальной структуры деформационного рельефа В рамках энергетического и кинетического подходов раскрыта физическая природа процессов и механизмов, ответственных за его образование Проведенные теоретические исследования приповерхностной области кристаллов в условиях механического нагружения позволяют получить целостную физическую картину процессов дефектообразования и разрушения на механически нагруженной поверхности кристаллов
Практическая значимость работы заключается в следующем Теоретические результаты по обнаружению усиления оптических эффектов являются теоретической базой для создания приборов нового поколения по диагностике дефектной структуры как свободной поверхности твердых тел, так и границ раздела в гетероструктурах Обнаруженный эффект усиления электрического поля лег в основу нового неразрушающего способа определения примесного состава приповерхностного слоя материала, защищенного авторским свидетельством Теоретический анализ влияния поля поверхностного поляритона в системе диэлектрик - металл - полупроводник на фотоответ полупроводника использовался экспериментаторами ФТИ им А Ф Иоффе для повышения селективной чувствительности фотодиодов Результаты же, полученные при изучении характера и физических механизмов образования деформационного рельефа на поверхности металлов и полупроводников при их механическом нагружении, позволяют создать теоретическую базу для повышения устойчивости работы электронных и оптических приборов, прогнозирования их долговечности в процессе эксплуатации Теоретические прогнозы по повышению прочности деталей машин в процессе их эксплуатации оправдались и подтвердились при экспериментальных испытаниях, проведенных в лабораториях механико-машиностроительного факультета СПбГПУ
На защиту выносятся следующие положения.
1 Разработана эффективная модель оптически неоднородного приграничного слоя, в рамках которой обнаружен эффект увеличения на несколько порядков поперечного сечения комбинационного рассеяния света примесными центрами, находящимися в зоне контакта металл-
полупроводник Эффект обусловлен усилением электрического поля в области с сильно неоднородным профилем диэлектрической функции
Предложен новый неразрушающий метод зондирования примесного состава переходного слоя непосредственно в объеме исследуемого контакта, в основу которого положена установленная зависимость распределения свободных электронов в зоне контакта от внешнего электрического напряжения
Обнаружен эффект усиления генерации второй гармоники в оптически сильно неоднородном приграничном переходном слое конечной ширины
Показано, что возбуждение поверхностного поляритона на границе вакуума с металлом в трехслойной структуре вакуум - металл -полупроводник с гофрированным рельефом границ раздела приводит к усилению фотоответа полупроводника
Деформационный рельеф поверхности фольги из аморфного сплава Ге1ПСгпВ„, возникающий в результате латерального механического растяжения образца, имеет фрактальную структуру Фрактальная размерность деформационного рельефа растет с увеличением механической нагрузки и времени нагружения
Формирование деформационного рельефа является следствием понижения энергии упруго деформированного поверхностного слоя В рамках энергетического подхода установлена зависимость геометрических размеров деформационного рельефа от величины латерального механического напряжения
Предложена обобщенная модель термоактивационного процесса, основанная на нестационарном уравнении Крамерса, описывающая кинетический процесс формирования деформационного рельефа
С использованием метода производящей функции изучена кинетика энергетических характеристик ангармонического осциллятора при
нестационарном адиабатическом нагружении Обнаружено понижение энергии осциллятора с увеличением растягивающей нагрузки
Апробация работы. Основные результаты исследований, вошедших в диссертацию, были доложены и обсуждены на отечественных и международных конференциях, симпозиумах и семинарах 5-ой конференции по усталости (Пермь, 1978 і ), II Всесоюзной конференции «Методы и средства измерения параметров магнитного поля» (Ленинград, 1980 г), Всесоюзной школы по физике, химии и механике поверхности (Черноголовка, 1981 г), XI Всесоюзной конференции по когерентной и нелинейной оптике (Ереван, 1982 г), Всесоюзной школы по физике, химии и механике поверхности (Черноголовка, 1983 г), V научно-технической конференции «Методы расчета изделий из высокоэластических материалов» (Рига, 1989 г.), II Всесоюзной конференции «Поверхность - 89» (Черноголовка, 1989 г), 6-th International on Nondestructive Testing and Computer Simulations m Science and Engineering (St Petersburg, 2002), 10-th International on Nondestructive Testing and Computer Simulations in Science and Engineering (Poland, 2006), а также на семинарах кафедры экспериментальной физики СПбГПУ
Публикации. По теме диссертации опубликовано более 32 печатных работ, из них 25 - в реферируемых журналах Список основных статей приведен в конце автореферата
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, основных выводов и списка цитируемой литературы Общий объем диссертации составляет 252 страниц, включая 18 рисунков, а также список литературы из 267 наименований
