Введение к работе
Актуальность темы. В последние годы все более видное место занимают исследования поверхностей и различные родственные проблемы такие, например, как изучение тонких пленок, слоистых структур и т.п. Сейчас трудно назвать какой-либо раздел естественных наук, который в той или иной степени не касался бы вопросов, связанных с поверхностными явлениями. Все замечательные успехи современной микроэлектроники и ее двух бурно развивающихся направлений - опто - и акустоэлектроникн - во многом базируются на фундаментальных исследованиях физики поверхности.
Важным направлением в современной физике поверхности ?"лястся изучение различных типов поверхностных волн, существование которых обусловлено наличием областей неоднородности (границ раздела сред). Большой интерес вызывают исследования локализованных у пов-.-рхпостн электромагнитных и колебательных возбуждений, которые находят разнообразное практическое применение. Такие- исследования чрезвычайно важны и в связи с заметной ролью поверхностных поли в разлитии физики поверхности вследствие чувствительности их характеристик к свойствах поверхности твердых тел. Со времени публикации первых работ, посвященных поверхностным колебательным возбуждениям, представление о поверхностных волнах были существенно развиты. Однако, как правило, авторы ограничивались моделями кристалла, согласно которым поверхности получаются при простом обрыве периодических решеток и ке учитывались какие-либо приповерхностные искажения. Очевидно, представляет интерес изучение поверхностных колебаний (ПК) в рамках реалистических моделей кристаллов с учетом приповерхностной деформации решеток. Представляется также важным исследование влияния процессов диссипации, обусловленных взаимодействием поверхности кристалла со средой, на поверхностные колебания кристаллических решеток. Кроме того, сегодняшнее положение дел в исследовании и применениях поверхностных возбуждений характеризуется увеличением числа объектов исследования и возросшей их прикладной значимостью. Интересны в научном и практическом отношениях широко распространенные сложные периодически неоднородные структуры. Примером таких структур являются слоистые среды, сегнетоэлехтрические
кристаллы с несоразмерной сверхструктурой, холестернчсские жидкие кристаллы (ХЖК). Проблеме существования в слоистых средах (сверхрешетках) поверхностных акустических и электромагнитных волн и нахождения их спектра посвящено большое количество работ. Однако, в связи с бурным развитием технологии создания различного рода новых слоистых структур, изучение поверхностных возбуждений в таких системах по-прежнему остается актуальной задачей. Исследования поверхностных колебательных и электромагнитных состояний в кристаллах с несоразмерной свсрхструктурои вообще не проводились, а изучению поверхностных .электромагнитных волн (ПЭВ) в холестериках посвящено лишь несколько работ.
Наряду с изучением поверхностных волн в слоистых средах и холестеринах традиционно активно исследуются объемные динамические и оптические свойства таких систем. Объемные оптические свойства однородных холестерическнх пленок достаточно подробно изучены экспериментально и теоретически. В последние годы большой популярностью среди исследователей пользуются жидкие кристаллы и, в частности, ХЖК, капсулировпчные в топкие полимерные пленки. Как показывают эксперименты, оптические эффекты в ЖК-компознтах значительно сложнее и разнообразнее, чем в однородных холестерическнх пленках. Интерпретация некоторых из лих к началу выполнения этой работы вообще отсутствовала. В качестве примера назовем эффекты возникновения новых областей селективного отражения ссега в капсулированных холестериках. Распространение электромапштних волн в периодических слоистых средах изучали многие авторы. В реальных слоистых средах как естественного происхождения, так и изготовленных для технических применений, часто наблюдается отклонение от строгой периодичности. Нарушение периодичности может -быть обусловлено, например, флуктуацией показателя преломления веществ, формирующих слоистую среду, флуктуацией толщин слоев и т.д. Вопрос о рассеянии электромагнитных волн в слоистых средах с регулярным и случайньш распределением толщин слоев является мало исследованной проблемой. Большинство из перечисленных выше вопросов в настоящее время интенсивно изучается экспериментально. Учитывая это обстоятельство, а также потребности практики, можно утверждать, что их теоретическое исследование является весьма актуальнім. Общая структура работы связана
с рассмотрением следующих вопросов: поверхностные электромагнитные волны на границе раздела изотропная среда - сверхрешетка и а кристаллах с несоразмерной сверхструктурой ; поверхностные акустические волны (ПАВ) на границах раздела упругой среды с нсматичесхнм жидким кристаллом (НЖК) и сверхрешетки с обычной жидкостью; поверхностные колебательные возбуждения кристаллов, индуцируемые релаксацией поверхности; дисенпативные эффекты взаимодействия поверхности кристаллической решетки со средой; особенности колебательного спектра модулированных решеток; рассеяние света в слоистых средах с регулярным и случайным распределением толщин слоев; эффекты аномальной дифракции света в капсулированных холестеринах.
Цель работы состоит а теоретическом исследовании поверхностных
электромагнитных и колебательных возбуждений на границах раздела сред, в изучении объемных оптических свойств капсулированных холестериков и слоистых структур.
Научная новизна работы определяется тем, что в ней впервые:
- исследованы электромагнитные волны Н-тип«, локализованные у
границы раздела изотропной среды и слоистой структуры, состоящей из
чередующихся изотропного слоя и сильно анизотропного слоя
нематического кендкого кристалла;
-изучены, на примере фторберрнлата аммония, ПЭВ Е-тнпа п кристаллах с несоразмерной сверхструктурой;
изучены сдвиговые поверхностные акустические волны, распространяющиеся вдоль границы раздела слоистой структуры с вязкой средой;
- исследованы сдвиговые ПАВ на границе раздела упругой среды с
немтшком;
изучено влияние приповерхностной деформации решетки ГЦК кристаллов на поверхностные колебания;
исследовано влияние диссипации, обусловленной взаимодействием поверхности кристаллической решетки со средой, на поверхностные колебания ГЦК и молекулярных кристаллов;
предложены модели для объяснения новых областей селективного отражения света, обнаруженных в капсулированных холестериках
предложена модель для объяснения особенностей комбинационного рассеяния света в кристаллах селенида цинка с регулярной слоистой структурой;
научены процессы упругого рассеяния света в слоистых средах с нерегулярным распределением толщин слоев.
Научная и практическая значимость. Результаты исследования поверхностных электромагнитных и колебательных возбуждений на границах раздела сред расширяют предстаплепие о поверхностных волнах такого типа и дают основание для постановки новых экспериментов. Для практических задач, например, электрооптики, интегральной оптики представляется важной реализация предсказанной возможности эффективного управления характеристиками ПЭВ, распространяющихся вдоль границы раздела изотропной среды и сверхрешетки, за счет изменения ориентации директора нематнка. Обнаружение предсказанных ПЭВ в несоразмерных саерхструктурах могло бы стимулировать изучение поверхностных эффектов п этом интересном и широко распространенном классе веществ. Предсказание сдвиговые поверхностные акустические волны на границе раздела упругой среды с нематиком представляют интерес для акуетоэлектроннки. Длиной пробега таких воля и глубиной локализации их в контактирующих средах можно управлять, изменяя ориентацию директора (например, внешним электрическим полем). Индуцируемые приповерхностной деформацией решетки новые дисперсионные ветви поверхностных фононов в ГЦК кристаллах, представляют интерес для электронной спектроскопии. Анализ процессої упругого и неупругого рассеяния света на слоистнх средах со случайные распределением толщин слоев пригоден для диагностики характер; нерегулярности в распределении толщин слоев. Результаты, объясняющие возникновение новых температурных областей селективного отразкени: света в капсулированных холестериках, указывают на возможносп создания иа основе ЖК-композитов термонндикаторов с иовьші эксплуатационными характеристиками. Отдельные результаты данноі работы уже используются в исследованиях, ведущихся в других научны учреждениях.
(.Унот'.нуєжуїо'а-єчия, выносимые на тнііиту:
-
Рассмотрено распространение ПЭВ Н-типа вдоль границы раздела іпотрогшой среды и сперхрсшетки, состоящем из чередующихся изотропного слоя и сильно анизотропного слоя нематпка. Глубиной проникновении волн з сверхрешетку можно эффективно управлять за счет изменения ориентации директора нсматнка. Пограничные электромагнитные волны, соответствующие отдельным дисперсионным ветвям спектра, реализуются не при любых ориентации директора относительно границы раздела сред.
-
В несоразмерной фазе кристаллов типа (NHU^BcFs могут зо шикать поверхностные электромагнитные возбуждения, запрещенные з симметричной фазе.
-
Взаимодействие слоистой структуры с вязкой среде;! приводит к локализации сдвиговой акустической полны у границы раздела сред и затуханию образующихся поверхностных волн.
4. На границе раздела упругой среды с пгматиком реализуются
поверхностные акустические волны, характеристики которых весьма
чувствительны к ориентации директора нематпка относительно
направления распространения волн.
-
Приповерхностная деформация решетки ГЦК кристаллов индуцирует новые дисперсионные ветви поверхностных, колебательных возбуждений.
-
Дисснпатиапые силы, действующие со стороны среды на поверхностные атомы (молекулы) кристаллов существенно модифицируют поверхностные колебания, а также могут индуцировать новые поверхностные волны,
-
Новые области селективного отражения света в капсулированных холестериках ^, гут быть обусловлены, как ориентационным приповерхностным упорядочением молекул ЖК, так и термомеханическим эффектом, в случае формирования днспсрсноіі системы в условиях температурного градиента.
-
В слоистых средах характер распределения толщин слоев проявляется в зависимости интенсивности комбинационного рассеяния света от угла рассеяния , а также в зависимости интенсивности упругого рассеяния от длины волны падающего излучения и угла рассеяния.
Апробация работы. Результаты, изложенные в диссертации, докладывались на Всесоюзных съездах по спектроскопии (Томск, 1983; Киев, 1988), Всесоюзных конференциях по спектроскопии комбинационного рассеяния сиета (Душанбе, 1986; Ужгород, 1989), Всесоюзном совещании "Применение -колебательные спектров к исследованию неорганических и координационных соединений" (Красноярск, 1987), Всесоюзной конференции "Жидкие кристаллы и нх практическое использование"(Чернигов, 1988), на V-oii Международной конференции "Электрические и смежные спойства органических твердых тел" (Польша, 1987), на советско-американском семинаре по сегнетоэлектричеству (Санкт-Петербург, 1992).
Структура н объем диссертации. Диссертация состоит нз введения, семи глав, заключения и списка литературы. Полный объем диссертации -236 страниц- машинописного текста, включая 31 рисунок и список литературы нз 174 наименований.
