Введение к работе
Актуальность темы
Открытие высокотемпературной сверхпроводимости вызвало огромный интерес у исследователей и положило начало интенсивным исследованиям этого явления практически всеми методами современной физики. Исследование сверхпроводников с помощью электромагнитного излучения дает важігую информацию о механизме сверхпроводимости. Так как величина щели классических сверхпроводников соответствует СВЧ диапазону, то и эксперименты ставились с помощью волноводно-резонаторной техники. Повышение критической температуры сверхпроводников переносит предполагаемую величину сверхпроводящей щели в дальний инфракрасный диапазон.
Наиболее общей физической величиной, характеризующей взаимодействие электромагнитного поля с данным веществом, является комплексная диэлектрическая проницаемость, которая по современным представлениям является тензорной функцией, зависящей от частоты, полнопого вектора, температуры, давления и т.д. Одним из методов измерения комплексной диэлектрической проницаемости является эллипсомстрия. В этом методе комплексная диэлектрическая проницаемость измеряется по изменению состояния поляризации излучения в результате отражения от поверхности исследуемого вещества.
Наиболее распостраненным на сегодняшний день оптическим методом является, по-видимому, измерение коэффициента отражения при нормальном падении в широком диапазоне частот излучения с последующим извлечением комплексной диэлектрической проницаемости с помощью преобразования Крамерса-Кронига. В интересующих нас ВТСП материалах на частоте 100 см-1 коэффициент отражения меняется от 94 % при комнатной температуре до 100 % при 30 К. Полученные из таких экспериментальных данных изменения комплексной диэлектрической проницаемости на несколько порядков нуждаются в дополнительном обосновании. Эллипсомстрия, являясь нулевым методом, позволяет гораздо точнее измерять именно комплексную диэлектрическую проницаемость, но только на фиксированной частоте излучения.
Эллипсометрия является хорошо развитым методом измерения оптических констант различных веществ. Несмотря на то, что эллипсометрия известна с начала века, ее бурное развитие началось лишь с середины шестидесятых годов благодаря появлению лазеров и компьютеров. К этому же времени относятся и первые работы по эллипсометрии в дальнем ИК диапазоне. В настоящее время интерес к эллипсометрии в дальнем ИК сильно возрос в связи с открытием систем с тяжелыми фермионами и, особенно, с открытием высокотемпературной сверхпроводимости. Однако, для проведения эллипсометрических измерений на высокоотражающих образцах малых размеров метод нуждался в существенном развитии для случая такого сочетания параметров.
Целью данной работы было развитие элипсометрического метода для случая высокоотражающих образцов и длинноволнового излучения и исследование этим методом высокотемпературного соединения YBa2Cu307_x в виде керамики и ориентированных пленок.
Научная новизна работы
Найдено оригинальное решение прямой задачи эллипсометрии сходящегося пучка для произвольной длины волны основанное на свойстве линзы выполнять преобразование Фурье, справедливое в приближении параболического уравнения или интеграла Френеля.
Предложена и осуществлена разновидность метода вращающегося анализатора (метода Аспнеса), предназначенная для измерения высоких значений оптических констант.
Предложен, обоснован теоретически и опробован экспериментально метод частичной компенсации анизотропии окон.
Впервые получены температурные зависимости комплексной диэлектрической проницаемости для ориентированных пленок 1-2-3, относящиеся к плоскости аЬ и оси 6, на частотах 84, 119 и 357 см-1 порядка сверхпроводящей щели для этого соединения.
Практическая ценность
Развитый в работе метод эллипсометрии сходящегося пучка для случая длинноволнового излучения и малых образцов имеет большое значение для спектроскопии твердого тела и открывает широкие возможности для исследования ВТСП-сосдинений, систем с тяжелыми фермионами, диэлектриков с "мягкими" модами и др.
Созданный в ходе работы эллипсометр (установка и методы измерения/обработки) является уникальным по своим возможностям.
Написан пакет программ по решению прямых и обратных задач эллипсометрии сходящегося пучка.
Полученные значения оптических констант имеют большое практическое значение для расчета квазиоптических устройств на основе ВТСП-сосдинений.
Апробация работы.
Результаты изложенные в диссертации докладывались на:
16 Международной конференции по инфракрасным и миллиметровым волнам (Лозанна, Швейцария, 1991)
18 Международной конференции по инфракрасным и миллиметровым волнам (Колчсстер, Великобритания, 1993)
Результаті)! диссертации опубликованы в статьях:
Шаплыгин И.С., Коновалова И.А., Лазарев В.Б., Тищенко Э.А., Бажан А.И., Сушков А.Б. "Электрические и магнитные свойства твердых растворов со структурой K2NiF4n Письма в ЖЭТФ, 1987, т. 46(Приложение), стр. 152-155.
Сушков А. Б., Тищенко Э. А. "Эллипсомстрня сходящегося пучка в дальнем ИК диапазоне" Опт. и спектр. 1992. Т. 72, В. 2, С. 491-496. [Opt. Spectrosc. (USSR) 1992. V. 72, P. 265-268.]
Sushkov А.В. and Tishchenko E.A., "Low-temperature far-infrared ellipsometry of convergent beam" Int. J. Infrared and Millimeter Waves 1993. V. 14, No. 12, pp. 2555-2568
Sushkov A.B. and Tishchenko E.A. "Far infrared ellipsometric study of HTSC gap in ab- and c-oriented epitaxial YBaCuO films" 18 Int. Conf. on IR&MMW, 1993, Colchester, UK, SPIE vol. 2104, pp. 571-572.
Sushkov A.B. and Tishchenko E.A. "Ellipsometric measurement of superconductive transition in УВагСизОг-х ab-oriented film at wavelength 119 /xm" Письма в ЖЭТФ 1993. Т. 58, В. 9, С. 722-726.
Сушков А. Б., Тищенко Э. А. "Развитие эллипсометрии на случай вмсокоотражающих малых образцов и длинноволнового излучения" Опт. и спектр., 1994, Т.76, В.З, С.456-462.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Общий объем работы составляет 84 страниц и включает в себя основной текст, список литературы из 60 наименований и 26 рисунков.