Введение к работе
Актуальность темы. Одним из фундаментальных разделов физики твердого тела является физика фононов. Влияние фононов прослеживается во всех без исключения явлениях в твердом теле, и для полного описания разнообразных процессов и свойств необходимо учитывать взаимодействие различных элементарных возбуждений (свободных носителей, экситонов, магнонов и т.д.) с фонон-ной системой. Особенно актуальным учет взаимодействия с фононами становится при изучении широкого спектра неравновесных явлений, поскольку характер возбуждения и релаксации системы неравновесных фононов и изменение распределения фононов по энергии могут оказать существенное воздействие на различные кинетические явления в твердом теле. Неравновесные фононы оказывают заметное влияние на 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 необходимы для корректного описания разнообразных неравновесных процессов, все еще недостаточно полны. Это в значительной степени связано с отсутствием универсального фононного спектрометра, аналогичного, к примеру, спектральным приборам в оптике. В данной работе использовался фононный спектрометр, обладающий высоким пространственным и временным разрешением, действие которого основано на особенностях взаимодействия поля-ритонов с фононами. Использование фононного спектрометра данного типа позволило проследить за характером релаксации фононной системы непосредственно после возбуждения кристалла лазерным импульсом и установлением различных режимов распространения фононов .
Цель работы состояла в:
-Экспериментальном исследовании особенностей процесса генерации неравновесных фононов при возбуждении кристаллов короткими лазерными импульсами и последующей релаксации газа нерав-ногестных Фононое по частоте (термалисации; в условиях пространственно однородного возбуждения;
-Последовательном описании процессов генерации неравно-
вестных фононов и релаксации по энергии в рамках предложенной модели с квазинепрерывным фононным спектром;
-Изучении установления различных режимов распространения высокочастотных акустических фононов из области "горячего пятна";
-Исследовании влияния внешних условий (интенсивности возбуждения, начальной температуры и размеров области возбуждения) на кинетику формирования и деградации "горячего пятна".
Научная новизна работы состоит в:
-Экспериментальном определении временных изменений распределения фононов по частоте непосредственно после возбуждения кристалла интенсивными лазерными импульсами;
-Последовательном описании процессов энергетической релаксации высокочастотных акустических фононов при помощи предложенной новой модели квазинепрерывного фононного спектра;
-Наблюдении различных режимов распространения фононов (квазибаллистический, диффузионный и нелокальная теплопроводность) в зависимости от уровня оптической накачки,
-Установлении внешних условий, существенно влияющих на скорость деградации "горячего пятна".
Практическое значение. Предложенные в работе новые методы оптического детектирования неравновесных акустических фононов расширяют возможности спектроскопического эксперимента по изучению процессов релаксации и распространения фононов. Полученные 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 разнообразных устройств микроэлектроники и различных твердотельных лазерных источников света и их долговечность в ряде случаев существенно ограничивается процессами тешюотвода, полученная в результате проведенных исследований информация о неравновесных процессах в фонон-ной системе помимо научного имеет важное прикладное значение.
Основные положения, выносимые на зашиту.
-В рамках рассмотренной в работе модели с квазинепрерывным фононным спектром, учитывающей все трехфононные ангармонические
процессы, удается последовательно описать релаксацию фононной системы и процессы распространения фононов с их деградацией по частоте. Наряду с процессами распада фононов при высоких уровнях возбуждения важную роль в установлении режимов распространения неравновесных фононов играют процессы их слияния;
-Произведена оценка вида начального неравновесного распределения фононов после импульсного лазерного возбуждения и их времени жизни относительно ангармонических процессов.
-Экспериментально наблюдаемая деградация "горячего пятна" при высоких уровнях возбуждения с хорошей точностью описывается в рамках модели локальной теплопроводности с температурно зависимыми коэффициентом теплопроводности и теплоемкостью;
-При низких уровнях возбуждения наблюдается режим нелокальной теплопроводности при сильной неравновесности фононов по медовому составу в "горячем.пятне";
-При росте интенсивности оптической накачки, начальной температуры и размеров области возбуждения увеличивается время жизни "горячего пятна".
Апробация работы. Основные материалы диссертации были доложены и обсуждены на международной конференции по физике фононов (Гейдельберг-аэ.ФРГ), 4-м симпозиуме СССР-США по лазерной оптике (Ирвайн-ЭО.США), европейском конгрессе молодых физиков (Люмини-92,Франция), международной конференции по рассеянию фононов (Итака~92,США), школе теоретической физики (Кудова-93,Польша), семинарах ЛНЭП в МФТТ РАН.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ, список которых находится в конце реферата.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка цитированной литературы, содержащего 95 наименований. Полный объем составляет 154 страниц, в том числе 116 машинописного текста, _1_ таблицы и 38 рисунков.