Радіофізичні методи діагностики матеріалів і середовищ



Сторінка16/24
Дата конвертації09.03.2016
Розмір5.77 Mb.
1   ...   12   13   14   15   16   17   18   19   ...   24

6РОЗДІЛ 5
ЕЛЕКТРОМАГНІТНІ ТА АКУСТИЧНІ РЕЗОНАНСИ
У МІКРОДІАГНОСТИЦІ ТВЕРДИХ ТІЛ ТА ПЛАЗМИ


Проблема поширення електромагнітних хвиль у металах та їх взаємодії з електронами провідності останнім часом привертає увагу багатьох дослідників. Це пов'язано насамперед із бурхливим розвитком мікрохвильової електроніки, успішним освоєнням технології отримання надчистих і досконалих монокристалів, застосуванням сильних магнітних полів, низьких температур, ультрависокого вакууму та ін. Друга причина обумовлена незвичайним характером високочастотних властивостей (ВЧ-властивостей) електронно-діркової плазми металів. Так, було з'ясовано, що класичне уявлення про скін-ефект, при якому зовнішнє електромагнітне випромінювання практично повністю локалізується в тонкому приповерхневому шарі й не проникає вглибину металу, в багатьох випадках не відповідає дійсності. Реальна картина виявилася значно складнішою. Були відкриті нові резонансні явища, ефекти аномальної прозорості металів, прояви макроскопічної квантової когерентності у взаємодії між електронами, електромагнітними і звуковими хвилями. В результаті виникла ціла галузь науки  вивчення плазмових ВЧ-властивостей металів. Більшість із них не має аналогів ні в напівпровідниках, ні в газовій плазмі й відрізняється настільки, що можна говорити про специфічну фізику металевого плазмового стану. Електронні резонанси та хвильові процеси в металах стали досить ефективними, а в ряді випадків унікальним методом експериментального дослідження електронного енергетичного спектра, кінетичних характеристик, нелінійних властивостей і явищ.

У дослідженнях високочастотних властивостей напівпровідників можна умовно виділити такі напрямки: плазмові властивості напівпровідників; нелінійне поширення електромагнітних хвиль у напівпровідниках, пов'язане з тепловим впливом цих хвиль на електронну підсистему; резонансні явища та електромагнітні властивості феромагнітних напівпровідників і напівпровідників із надґратками.

Крім електромагнітних хвиль, ефективним способом мікродіагностики матеріалів є акустичні методи досліджень в області ультразвукових частот (100–1000 МГц) і гіперзвукових частот (вище Гц11).

Застосування акустичних методів дослідження фізичних властивостей твердих тіл базується на здатності звукових коливань поширюватись у пружних середовищах на великі відстані без значного загасання. У металах унаслідок сильної взаємодії електронів провідності з акустичними фононами в характері поглинання або дисперсії швидкості звуку виявляються особливості фонон-електронної взаємодії, електронного енергетичного спектра, зонної структури провідників.

Для ультразвукових досліджень при гелієвих температурах у діапазоні частот 100–1000 МГц необхідні насамперед ефективні способи збудження та детектування акустичних коливань і їх передавання через поверхні розділу між досліджуваними кристалами та ультразвуковими датчиками.

Гіперзвук, маючи дуже малу довжину хвилі, є дуже тонким інструментом, і його використання дає можливість успішно поєднувати велику роздільну здатність, властиву оптичним методам, з високою чутливістю, яку забезпечують сучасні засоби обробки електромагнітних сигналів надвисоких частот (НВЧ) [10]. Проте можливості гіперзвукових хвиль реалізовані ще далеко не повністю. Це пов'язано насамперед з тим, що на сьогодні освоєні гіперзвукові хвилі відносно низьких частот (до 10 ГГц), для яких розроблені ефективні методи збудження, трансляції та детектування. Використання більш високочастотних гіперзвукових хвиль (вище Гц11), що належать до міліметрового і субміліметрового діапазонів, становить значний інтерес як з точки зору фізичних досліджень твердого тіла, так і для вирішення ряду практично важливих завдань радіоелектроніки НВЧ. Так, застосування гіперзвуку із частотами міліметрового діапазону в спектроскопії акустичного парамагнітного резонансу (АПР) дозволяє досліджувати збуджені стани парамагнітних центрів у різних діелектричних і напівпровідникових кристалах. Це особливо важливо під час вирішення актуальної проблеми створення напівпровідникових матеріалів із заданими наперед електрофізичними властивостями. Вивчення методами гіперзвукової АПР-спектроскопії енергетичного спектра та електрон-фононної взаємодії домішкових центрів у напівпровідниках допоможе вирішити ряд важливих питань, пов'язаних з механізмами компенсації глибоких донорів і акцепторів, впливом їх на електричні та оптичні властивості напівпровідникових матеріалів.



  1. 5.1 Високочастотні та резонансні властивості металів


Класичне уявлення про властивості металів в області НВЧ полягало в тому, що вони малочутливі до дії зовнішніх полів і зміни температури.

Вважалося, що при низьких температурах змінюється лише характер скін-ефекту  замість звичайного (класичного) він перетворюється на аномальний, при якому довжина вільного пробігу електронів стає більшою за товщину скін-шару. В умовах аномального скін-ефекту дещо модифікується частотна залежність поверхневого імпедансу, але головне  швидке загасання електромагнітного поля залишається незмінним, як і при нормальному скін-ефекті. Були, на перший погляд, і досить переконливі фізичні міркування на користь неможливості будь-яких резонансних явищ при аномальному скін-ефекті.

У минулому сторіччі був передбачений циклотронний резонанс (ЦР) у металах і сформульовані умови експериментального спостереження нового фізичного явища. Воно полягає в резонансному поглинанні ВЧ-поля електронами провідності й відбувається кожного разу, коли частота радіохвилі дорівнює або кратна частоті циклотронного обертання електронів у магнітному полі.

Надалі була створена повна теорія ЦР [10], що виявилася настільки вичерпною, що досі зберігає своє значення для пояснення численних експериментальних даних. До сьогодні ЦР з об'єкта вивчення перетворився на зручний і надзвичайно результативний метод експериментального дослідження ефективних мас, довжин вільного пробігу, анізотропії швидкостей і фермі-поверхонь електронів у металах.



  1. 5.1.1 Фізичний механізм циклотронного резонансу


Природу та особливості ЦР можна досить просто пояснити, розглядаючи процес поглинання електромагнітного поля електронами провідності за наявності зовнішнього, постійного й однорідного магнітного поля H (вісь OZ на рис. 5.1).

Рисунок 5.1 – Схема руху електронів у металі в умовах ЦР


Якщо радіохвиля поширюватиметься перпендикулярно до поля H, це означає, що поле H має бути паралельним до поверхні зразка, тоді умова резонансу має такий вигляд:

. (5.1)


Умова (5.1) полягає в тому, що всі електрони, які відчувають колективне обертання із частотою , опиняються в резонансі із зовнішньою радіохвилею.

Механізм прискорення електронів при ЦР можна описати таким чином (рис. 5.1). У паралельній поверхні металу поля H всі електрони періодично (з частотою ) повертаються у скін-шар , де відбувається їх прискорення електромагнітною хвилею. Якщо час руху електронів усередині скін-шару набагато менший від періоду хвилі , то поле радіохвилі діє на електрони як квазістатичне. Завдяки цьому при ЦР прискорення електрона відбувається на кожному витку траєкторії протягом усього часу вільного пробігу . Якщо резонансну умову (5.1) порушено, то на різних витках орбіти електрон то прискорюватиметься, то сповільнюватиметься, і в середньому за час (при ) взаємодія з хвилею буде неефективною. Таким чином, механізм ЦP у металах аналогічний принципу прискорення частинок у циклотроні з одним прискорювальним проміжком. Роль останнього в металі відіграє скін-шар , а як дуанти (простір вільного руху) виступає область металу поза скін-шаром. Унаслідок саме такої картини резонанс (5.1) необхідно називати «циклотронним», а не «діамагнітним».

Неважко встановити і критерії для спостереження ЦР. Очевидно, що повинні виконуватись умови

, . (5.2)

Перша з них означає, що електрон повинен мати «можливість» багато разів ( разів) повернутися в скін-шар за час вільного пробігу. Друга нерівність виражає вимогу, щоб невеликий нахил поля Н на кут не призводив до проходу електронів углибину металу за рахунок дрейфового руху вздовж вектора ( – довжина пробігу).

Необхідно відзначити принципову відмінність ЦР у металах від відомого діамагнітного резонансу в напівпровідниках і в газорозрядній плазмі, що часто також називають циклотронним. Діамагнітний резонанс відбувається в однорідному полі радіохвилі й тому: а) спостерігається лише на основній гармоніці , а не на кратних частотах (5.1); б) є максимальним при поляризації електричного поля хвилі перпендикулярно до вектора Н, в той час як при ЦР у металах така залежність від поляризації відсутня; в) характеризується різким зростанням електромагнітного поглинання в резонансі , тоді як для ЦР у металах спостерігається резонансне зменшення поглинання. Останнє пов'язане з тим, що різке збільшення електронного струму при ЦР у металі призводить до його резонансного екранування від зовнішньої радіохвилі, збільшення коефіцієнта відбиття і відповідного зменшення поглиненої в зразку електромагнітної енергії. Всі ці відмінності обумовлені ефектами сильної просторової неоднорідності ВЧ-поля в металах.



  1. 5.1.2 Загальні положення циклотронного резонансу в металах


1. Установлено, що чим ідеальніший провідник, тим легше перетворити його на діелектрик, тобто зробити прозорим для електромагнітних хвиль. Тим самим було поставлене фундаментальне питання про можливість поширення радіохвиль у металах.

2. Було встановлено, що проблема аномальної прозорості твердих тіл (провідників) повинна розглядатись у двох аспектах  колективному й одночастинковому. Перший із них є сукупністю власних, слабо загасальних хвиль у виродженій електронній плазмі металу. Існування проникних електромагнітних хвиль зумовлене різними колективними рухами електронної системи в зовнішніх полях. Одночастинковий аспект проблеми пов'язаний з траєкторним типом аномального проникнення (АП) радіохвиль у метали і здійснюється шляхом балістичного перенесення ВЧ-поля зі скін-шару вглибину зразка окремими, нечисленними групами електронів провідності.

3. Для існування балістичних ефектів АП необхідне виконання нерівностей

, (5.3)


де  характерний розмір електронних траєкторій у магнітному полі H.

Сенс цих умов стає зрозумілим, якщо врахувати, що взаємодія електрона з хвилею найбільш інтенсивна на тих ділянках траєкторії, де він рухається паралельно поверхні металу («ефективні точки»). Оскільки в полі Н змінюється напрям швидкості , на траєкторії знаходиться нескінченне число таких ефективних точок, причому очевидно, що частина з них розташована поза скін-шаром . Саме це є причиною АП радіохвиль у металі. Під час руху всередині скін-шару електрон отримує приріст швидкості і дає струм . У наступній ефективній точці, що знаходиться вглибині металу, електрон знову рухається паралельно поверхні зразка і відтворює струм . Це і є АП балістичного типу. Умова необхідна для самого існування ефективних точок, а нерівність є вимогою відсутності зіткнень електронів між сусідніми ефективними точками.



1   ...   12   13   14   15   16   17   18   19   ...   24


База даних захищена авторським правом ©refs.in.ua 2016
звернутися до адміністрації

    Головна сторінка