Процессы распространения и комбинационного рассеяния поляритонов в молекулярных кристаллах Тартаковский, Илья Иосифович

Введение к работе

Актуальность теми. Понятие об экситоне как о Фундаментальном электронном возбуждении в 'кристалле, впервые уведенное Я.И.Френкелем, широко используется при описании оптических свойств полупроводников и диэлектриков и разнообразных кинетических явлений. В настоящее время Физика экситонов является чрезвычайно развитой областью физики твердого тела. На Основании теории, учитывающей взаимодействие экситонов с оптическими и акустическими Фононами, дефектами кристаллической рештки и различного, рода примесями могуг быть поняты многие особенности оптических спектров кристаллов, Основные достижения теоретических и экспериментальных' исследований молекулярных экситонов (Френкеля,} и экситонов большого радиуса (Ванье-Мотта) общеизвестны и отражены в большом числе монографий и обзоров.

Одной из наиболее интересных и важных проблем, неизменно привлекающей в течение последних лет внимание многих исследователей, является взаимодействие экситонов с фотонам»! в кристаллах с диполъно-актнвннмя экситожшми переходами. Как известно, согласно теории, учитывающей экситон-фотоннее взаимодействие, истинными фундаментальными возбуждениями в кристалле являются экситонние гголпритоны (светоэксигоны), обладающие единой дисперсионной кривой, причем вдали от экситонного резонанса поля-ритоны могут, рассматриваться жбо как механические экситонн. либо как фотоны в среде. Актуальная область, в которой проявляется светоэкситонное смешивание, оказывается порядка продольно-поперечного расщепления o_LT. В этой области частот' в оптических свойствах наблюдаются разнообразные поляритонные эф?ектн » которые, в рамках феноменологической теории экситонов не находили удовлетізорительного объяснения.

Исторически развитие поляритонной теории, рассмотренной впервые в работах Фано, Хопфидпа и В.М.Аграновича, заметно опередило экспериментальные исследования, которые на. первых порах-в основном ограничивались изучением особенностей в спектрах отражения и люминесценции. С развитием техники эксперимента, особенно в связи с появлением лазерных источников света с перестраиваемой частотой излучения стало -возможным проведение раз-.

Нробразных опытов, с одной сторони, подтвердивших основные ПО-ложёдач поляритонной теории, и с другоа - способствовавших ее дальнейшему развитию. Преимущества экспериментов с использованием лазеров с перестраиваемой частотой в изучении поляритонных эффектов'вполне очевидны, так как при этом контролируемым образом возбуждаются поляритошше состояния с фиксированной частотой и направлением квазиимпульса. Следует отметить, что в подавляющем своем большинстве эти исследования выполняются на прямозонных полупроводниковых кристаллах. Подобные эксперименты на молекулярных кристаллах до постановки настоящего Исследования не проводились. Между тем молекулярные кристаллы а диполь-но-активнымм экситонными переходами, как правило, с более выоо-. кими значениями силы осциллятора являются весьма интересными объектами для исследования разнообразных: поляритонных аффектов. Исследования спектрально-временных особенностей низкотемпературной люминесценции, выполненные М.С.Бродиным и С.В.Мэриоовой о сотрудниками и М.Д.Галаниним, Ш.Д.Хан-Магомётовой и др.,. ясно указывают на сильное влияние экоитон-фотонного смешивания на оптические свойства молекулярных кристаллов, Поляритоны в таких кристаллах обладают рядом специфических особенностей, изучение которых расширяет-наши представления о влиянии светозкситонного смешивания на оптические свойства твердых. тел. Наиболее ярко эти особенности проявляются в спектрах вторичного свечения в условиях резонансного, возбуждения и спектрах полярчтонной люми-несденшш, что является предметом детального изучения в настоящей работе и.определяет ее актуальность.

Вторым направлением работы является изучение процессов распространения и релаксации высокочастотных акустических фоно-нов. Актуальность таких исследований определяется заметным вяи-.яниём неравновесных фононов нэ рззл"чные процессы, возникающие в результате возбуждения кристаллов интенсивными, лазерными импульсами, импульсами тока, тепловыми импульсами. Однако, представления о процессах генерации неравновесных фононов, их распространения и релаксации, которые необходимы¹ для корректное описания разнообразных неравновесных процессов, все еще недо отаточно полны. Это в значительной степени связан^ с отсутотви вм"универсального фононного спектрометра,, аналогичного, к при

'.:-;' '.'у* г.'-»

меру, спектральним приборам в оптике. В ,.агаих опытах использовался новый тип фононного спектрометра, действие которого основано на особенностях взаимодействия поляригонов с фононами, что позволило проследить за характером релаксации фононной системы непосредственно после возбуждения кристалла лазерным импульсом и установлением различных режимов распространения Фононов.

краю того, в настоящей работе были выполнена исследования нелинейных процессов вторичного свечения при высоких уровнях оптической накачки. Эти исследования, с одной стороны, являются естественным развитием работ по изучению вторичного свечения молекулярных кристаллов, и анализ наблюдаемых явлений в значительной степени основывается на результатах, полученных при низких уровнях, возбуждения. С другой стороны, предпринятые исследования, так же, как и исследования процессов релаксации и-распространения высокочастотных акустических фононов. представляют самостоятельный шггерео, поскольку относятся к такой общей проблеме, как взаимодействие лазерного излуїения с веществом, и позволяют получить новую информацию о характере неравновесных процессов при высоких концентрациях возбуждений в кристаллах.

Цель работы в соответствии с изложенным выгае состояла в:

комплексном экспериментальном исследовании поляритонных свойств молекулярных кристаллов (на примере кристаллов антрацена); . '

последовательном описании процессов, ответственных за Формирование спектров вторичного свечения (резонансного КР света № поляритонной люминесценции), установлении, связи между спектральным составом излучения и свойствами реальных кристаллов и их температурой;

изучении процессов генерации, релаксации и установления различных режимов распространения высокочастотных акустических фононов с использованием фононного детектора нового.тина, действие которого основано на особенностях поляритон-фононного взаимодействия в молекулярных кристаллах; ' .

исследовании нелинейных процессов вторичного свечения при высоких уровнях лазерного возбуждения.

Для решения поставленных задач наряду с традиционными методами спектроскопии твердого тела использовались также методы

лазерной спектроскопии с высоким временным разрешением и перестраиваемой частотой лазерного возбуждения.

Ь качестве объекта исследований выбран типичный представитель класса молекулярных кристаллов кристалл антрацена. Среди молекулярных кристаллов кристаллы антрацена являются одними из наиболее чистых и совершенных кристаллов о большой величиной продольно-попере много расщепления о. у <* 400см"¹ и эффективной массой экситонов ю**100га (для сравнения в кристаллах CdS для А-'экситонов w_Lr =< 16.5см"¹ и ш*г0.89га_е). Такая калбинащш параметров «_L? и и*, кардинально изменяющая характер релаксации возбуждений вблизи экситонного резонанса, интенсивный экситон-шй переход, изолированный в достаточно протяженной спектральной области, наличие-оптических фрнонов с частотами о « и _ и o_s > o_lT, высокий квантовый выход собственной люминесценции о « 0.95 (что указывает на слабость безызлучательных процессов) делает кристалл антрацена чрезвычайно интересным модельным обьек-- том для изучения поляритонных эффектов в молекулярных, кристаллах. При этом важным моментом, существенно упрощающим проведение .различных "экспериментов о использованием перестраиваемого лазера на красителе, является расположение экситонного перехода в видимой.(фиолетовой) спектральной области,

Научная новизна. В настоящей работе проведено всестороннее изучение поляритонных свойств молекулярных кристаллов с диполь-но-активными экситонными переходами на примере кристаллов антрацена. Установлены общие закономерности формирования спе.стров вторичного свечения в зависимости от частоты возбужяавдего света, температуры, размеров кристалла и его совершенства. Используя особенности поляритон-фононного взаимодействия в кристаллах .о большой величиной продольно-поперечного расщепления и эффективной массой экситонов для детектирования неравновесных фоно-Н02,, изучены процессы релаксации и распространения высокочастотны)' акустических Фрнонов непосредственно с момента Лазерного возбуждения., Ооновные результат; , составляющие содержание диссертационной, работы, заключаются в следующем:

I) Проведены детальные исследований вторичного свечения кристаллов антрацена в условиях резонансного возбуждения при низких температурах. Остановлено; что спектры вторичного свече-

нип представляют собой суперпозицию резонансного КР спета и зобственной экситонной люминесценции, и их относительная интенсивность определяется частотой возбуждающего света, температурой кристалла и^- его размерами. Показано, что все наблюдаемые особенности вторичного свечения связаны с процессами распространения и рассеяния поляритонов на оптических и акустических фононах в кристаллах с большим протольно-поперечним расщеплением. Получено хорошее количественное согласие экспериментальных результатов с поляритонной моделью.

2) Выполнены измерения групповой скорости поляритонов в
диапазоне З'Ю⁷ - 3'10⁵см/о по временной задержке импульсов
перестраиваемого лазера на красителе при их прохождении через
тонкие монокристалла антрацена. Сопоставление результатов экс
перимента с численными расчетами позволило найти значения пара
метров, определяющих ход дисперсионной кривой для нижайшей по
ляритонной ветви.

1. Определены длины свободного пробега поляритонов относительно процессов стоксова и антистоксова рассеяния на оптических и акустических фононах различных ветвей и величина матричных элементов поляритон-фононного взаимодействия. Вычисленные длины свободного пробега находятся в хорошем согласии п данными эксперимента..

2. Развита поляритонная модель формирования низкотемпературной люминесценции, учитывающая специфическое распределение поляритонов по энергии и их распространение и комбинационное рассеяние на модах полного внутреннего отражения в кристаллической пластинке, В рамках предложенной модели находит свое объяснение зависимость спектрального состава излучения от температуры, размеров образца и качества его поверхности. Дана интерпретация основных спектральных полос собственной люминесценции.

3. Предложен, новый тип.фононного спектрометра, обладающий хорошей селективность» по частоте и высоким пространственным и временным разрешением. Экспериментально изучены процессы энергетической релаксации высокочастотных акустических Кононов в тонких криоталлах. Сравнение с результатами модельного расчета, проведенного в приближении "квэзннепрернвного" фононного спектра, позволило оценить параметры начального распределения фэно-.

нов и иу время жизни относительно ангармонических процессов.

6) Изучены процессы распространения неравновесных фононов в тонкий кристаллической пластинке при низких температурах. Показано, что при лазерном импульсном возбуждении в зависимости от уровня оптической накачщ.и начальной температуры кристалла могут реализоваться различные режими распространения фононов: квазяОал.'шстический, гидродинамический и квазидифрузионный. Для объяснения экспериментальных результатов впервые были привлечены представления о процессах распространения неравновесных фононов о их деградацией по частоте.

?) При высоких уровнях лазерного возбуждения выполнены исследования стимулированного излучения. Показано, что генерация света на частоте 23692см'' развивается на модах полного внутреннего отражешія с обратной связью за счет отражения света от совершенных торцов кристалла. Обнаружено и изучено резонансное вынужденное КР света. Установлено, что реализуется два различных варианта усиления излучения - либо на модах полного внутреннего отражения, либо в резонаторе, ограниченном совершенными гранями кристалла.

8) Обнаружены изменения в собственных и примесных спектрах флуоресценции при высоких концентрациях экситонов Френкеля. Наблюдаемые спектрально-временные особенности связываются с возникновением экситонной фазы высокой плотности или экситонно-примеоных комплексов.

Научная и практическая значимость работы. Проведенные исследования позволили создать единую картину процессов формирования спектров вторичного свечения в кристаллах с большим про-дрльно-поперечным расщеплением и большой экситонной массой. Выявленные в настоящей работе закономерности расширяют.наши представления о влиянии экситон-фотонного взаимодействия на оптические свойства в области частот вблизи экоитояного резонанса \ вносят вклад в общее понимание оптических свойств полупроводников и диэлектриков. Выдвинутые в данной работе положения, і также развитые в ходъ исследований экспериментальные метод определения ряда важных характеристик экситонннх.поляритонов метода -тотт:п расчетов могут служить основой для дальнейшн исследований оптических, свойств молекулярных кристаллов о ди

- в -

яольно-эктявннмя эяситонннга переходам.

Предложенные в работе новые методы оптического детектирования неравновесных акустических фононов расширяют возможности спектроскопического эксперимента но изучению процессов релаксации и распространения фононов. Подученные в работе результаты вносят вклад в понимание процессов генерации, релаксации и установления различных режимов распространения высокочастотных акустических фононов в кристаллах. В связи с тем, что эффективность работы для разнообразных устройств микроэлектроники и различных твердотельных лазерных источников света и их долг;-«ечность в ряде случаев существенно ограничивается процессами тешюотвода, полученная в результате проведанных исследований информация о неравновесных процессах в фононной системе помимо научного имеет и важное прикладное значение.

Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, приложения и списка литературы.