Введение в спектроскопию твердого тела

Содержание разделов дисциплины

1. Идеи, положенные в основу спектроскопии твердых тел.

Поляритоны в твердых телах. Твердые тела — как система осцилляторов. Диэлектрическая проницаемость системы невзаимодействующих осцилляторов. Формула Клаузиуса — Мосотти. Вклад в проницаемость фононов и свободных электронов. Фононный и плазменный резонансы.

Соотношение Лиддана, Сакса и Теллера. Случай непрерывного спектра собственных частот осцилляторов. Диэлектрическая проницаемость сверхпроводников — простейшая двухжидкостная модель. Соотношение Крамерса — Кронига для диэлектрической проницаемости. Поперечные и продольные электромагнитные волны в твердых телах. Трансформация волн.

2. Многослойные твердотельные структуры (МС).

Длинноволновое приближение. Усредненное описание электромагнитного поля в МС. Тензор диэлектрической проницаемости МС. «Геометрический” резонанс. Поляритоны в МС. Квазиэлектростатические волны. Фазовая и групповая скорости поляритона в МС. Основы электродинамики дисперсных и композитных сред. Задача Ми. Дипольный квазистатический резонанс. Теория Максвелла — Гарнетта. Теория «эффективной среды”. Перколяция. Гранулированные ВТСП - материалы.

3. Отражательная спектроскопия.

Отражение электромагнитного излучения от однородной безграничной среды. Анализ отраженного поля. Соотношение Крамерса — Кронига для модуля и фазы коэффициента отражения. Нормальное падение. Наклонное падение. TE (s) и TM (p) поляризации падающих волн. Спектры отражения. Спектральные линии, обусловленные решеточными и плазменными эффектами. Слои вещества. Спектры отражения, пропускания и поглощения. Спектроскопия тонких пленок. О возможности восстановления параметров пленок по спектрам. Металлические и ВТСП пленки. Влияние поляризации падающего излучения на спектры. Тонкий «нулевой” слой. Влияние на спектры диспергированной фазы вещества. Спектроскопия МС. Анизотропия МС. Полупространство. Тонкие пленки МС. Характер спектров для p- и s-поляризаций. Одночастичные эффекты.

4. Спектроскопия твердых тел методом нарушенного полного внутреннего отражения (НПВО).

Идеи поверхностной поляритонной спектроскопии. Поверхностные волны на границах раздела сред. О дисперсии поверхностных поляритонов. Поверхностные и волноводные моды в слоях и пленках. Высвечивающиеся (leaky) волны. Дифракционные способы возбуждения ПВ (щель, решетка, пучок). Возбуждение замедленных полей методом НПВО. Геометрии Отто и Кретчмана-Рейтера. Плоские волны. Бездиссипативный случай — структура поля. Учет диссипации поля в веществе. Проблема оптимального размера щели между призмой и поверхностью. Возбуждение ПВ пучком в НПВО геометрии. Проблема сдвига пучка (эффект Гуса-Хенхен). Оптимальный размер призмы. Спектры НПВО границ раздела, слоев, МС. О возможности использования НПВО - спектроскопии для исследования ВТСП - материалов. МНПВО.

5. Основы нелинейной спектроскопии твердых тел.

Механизмы нелинейностей (электронная, керровская, из-за непараболичности зоны в полупроводниках и т. д.). Квадратичная и кубичная нелинейности. Генерация гармоник электромагнитного поля. Эффекты самовоздействия. Нелинейные ПВ. Возбуждение НПВ пучками. Гигантский эффект Гуса-Хенхен. Возбуждеие НПВ в призменной геометрии.

6. Межзонное поглощение в полупроводниках.

Поглощение в кристалле с идеальной решеткой. Классическое и квантовое выражения для показателя поглощения. Квантовомеханический расчет вероятности межзонного поглощения методом теории возмущения. Соотношения между вероятностями поглощения, вынужденного и спонтанного излучения в термодинамическом равновесии. Прямые и непрямые переходы. Свойства симметрии и правила отбора. Частотная зависимость коэффициента поглощения.

7. Фотолюминесценция.

Вторичные процессы, связанные с поглощением света в кристалле. Расчет выхода люминесценции с учетом захвата электронов центрами рекомбинации. Каналы излучательной рекомбинации в полупроводниках. Фотолюминесцентная спектроскопия GaAs/AlGaAs гетероструктур и сверхрешеток. Фотолюминесценция квантовых ям.

8. Фотопроводимость.

Квантовый выход при фотогенерации электронов. Фотопроводимость мелких примесей в полупроводниках. Субмиллиметровая спектроскопия мелких примесей в магнитном поле.

9. Комбинационное рассеяние света.

Законы сохранения энергии при КРС. Классическая теория Рэлеевского рассеяния. Теория Герца. Поляризуемость изотропной и анизотропной молекулы. Квантовая теория КРС. Вывод вероятностей стоксового и антистоксового рассеяния методом теории возмущений. Особенности спектров КРС в кристаллах. Теория групп и неприводимые представления, активные в спектрах КРС. Феноменологическое описание на основе теоретико-группового анализа симметрии возбуждений. КРС на свободных носителях.

10. Техника экспериментов по спектроскопии твердых тел.

Дифракционные монохроматоры. Линейная дисперсия, разрешающая способность, светосила. Расчет основных параметров призмы и дифракционной решетки. Фурье-спектрометр. Спектральная дискриминация в интерферометре Майкельсона. Выигрыш Жакино и Фелжета. Фотоприемники видимого и ИК диапазонов, используемые в монохроматорной и фурье-спектроскопии. Источники света для спектральных приборов.

Лабораторный практикум

• Фотолюминесценция полупроводниковых сверхрешеток.
• Излучательная рекомбинация в p-n переходах.
• Комбинационное рассеяние света в твердых телах.

Рекомендуемая литература

Основная литература

1. А.Н.Васильев, В. В.Михайлин // Введение в спектроскопию твердого тела, «Изд. МГУ”, 1987.
2. В.Л.Бонч-Бруевич, С. Г.Калашников // Физика полупроводников, М., «Наука”, 1990.
3. В.П.Грибковский // Теория поглощения и испускания света в полупроводниках, Минск, «Наука и техника”, 1975.
4. Ж.Панков // Оптические процессы в полупроводниках, М., «Мир”, 1973.
5. А.В.Бобров, З. М.Мулдахедов // Спектроскопия комбинационного рассеяния света, Алма-Ата, «Наука”, 1981.
6. Р.Дж. Киес // Фотоприемники видимого и инфракрасного диапазонов, «Радио и связь”, М., 1985.
7. В.И.Малышев // Введение в экспериментальную спектроскопию, М., «Наука”, 1979.
8. Д.Белл // Введение в фурье-спектроскопию, М., «Мир”, 1975.
9. В.И.Гавриленко, Н. Л.Горюнов, З. Ф.Красильник, М. Д.Стриковский, В. И.Шашкин // Электрические, магнитные и оптические измерения твердых тел. Спецпрактикум, Н. Новгород, «Изд. ННГУ”, 1991.
10. Л.Д.Ландау, Е. М.Лифшиц // Электpодинамика сплошных сpед, М., «Наука”, 1982.
11. Н.Ашкpофт, Н. Меpмин // Физика твеpдого тела, М., «Миp”, 1979, Т.1 -пpиложение «Л»; Т.2 — гл.27
12. Ю.И.Петpов // Физика малых частиц, М., «Наука”, 1982, гл. 7.
13. Повеpхностные поляpитоны (Электpомагнитные волны на повеpхностях и гpаницах pаздела сpед). Под pед. В. М.Агpановича и Д. Л.Миллса, М., Наука, 1985

Рекомендуемая литература по спецлабораториям

По работе «Фотолюминесценция полупроводниковых сверхрешеток»

Основная литература

1. В.И. Гавриленко, Н. Л. Горюнов, З. Ф. Красильник, М. Д. Стриковский, В. И. Шашкин. Электрические, магнитные и оптические измерения твердых тел. Нижний Новгород: ННГУ, 1991г.
2. М.Харман. Полупроводниковые сверхрешетки. М.:Мир. 1989.

Дополнительная литература

1. Х.Кейсл, М. Панинг. Лазеры на гетероструктурах. М.:Мир. Т.1 1981.
2. А.Милнс. Примеси с глубокими уровнями в полупроводниках. М.:Мир. 1977.

По работе «Излучательная рекомбинация в p-n переходах»

Основная литература

1. В.И. Гавриленко, Н. Л. Горюнов, З. Ф. Красильник, М. Д. Стриковский, В. И. Шашкин. Электрические, магнитные и оптические измерения твердых тел. Нижний Новгород: ННГУ, 1991г.
2. В.Л. Бонч-Бруевич, С. Г. Калашников. Физика полупроводников. М., 1977.
3. С.М. Зи. Физика полупроводниковых приборов. М., 1973.

Дополнительная литература

1. А. Берг, П. Дин. Светодиоды. М., 1979.
2. Т. Мосс, Г. Баррел, Б. Эллис. Полупроводниковая оптоэлектроника. М.,1976.
3. Ю.И. Уханов. Оптические свойства полупроводников. М., 1977.
4. А.Н. Пихтин. Физические основы квантовой электроники и оптоэлектроники. М., 1983.
5. Ю.Р. Носов. Оптоэлектроника. М., 1989.
6. А.Г. Берковский, В. А. Гаванин, И. Н. Зайдель. Вакуумные фотоэлектронные приборы. М., 1988.
7. В.И. Малышев. Введение в экспериментальную спектроскопию. М., 1979.

По работе «Комбинационное рассеяние света в твердых телах»

Основная литература

1. М. Кардона, Рассеяние света в твердых телах, М. 1979.
2. Н. Ашкрофт, Н. Мермин, Физика твердого тела, М. 1979
3. В.Ф.Гантмахер, И. Б.Левинсон Рассеяние носителей тока в металлах и полупроводниках, М. Наука, 1984
4. В.А.Гайслер, О. А.Кузнецов, И. Г.Неизвестный, Л. К.Орлов, М. П.Синюков, А. Б.Талочкин. Комбинационное рассеяние света на локальных колебаниях твердых растворов GexSi1-x. ФТТ, 1989, т.31, вып.11, с.292.
5. Питер Ю., М. Кардона Основы физики полупроводников, М. Физмат, 2002.

Вопросы для контроля

1. Выписать выражение для диэлектрической проницаемости системы невзаимодействующих осцилляторов. Пояснить соотношения Крамерса — Кронига для диэлектрической проницаемости.
2. Объяснить специфику спектроскопии тонких пленок, влияние поляризации падающего излучения на спектры.
3. В чем состоит метод спектроскопии твердых тел методом нарушенного полного внутреннего отражения. Идеи поверхностной поляритонной спектроскопии. Объяснить эффект Гуса-Хенхен. Оптимальный размер призмы. Спектры НПВО границ раздела, слоев, МС. Обсудить возможности использования НПВО - спектроскопии для исследования ВТСП - материалов.
4. Объяснить механизмы нелинейностей (электронная, керровская, из-за непараболичности зоны в полупроводниках и т. д.). Квадратичная и кубичная нелинейности.
5. Перечислить законных сохранения, описывающие межзонное поглощение в полупроводниках. Классическое и квантовое выражения для показателя поглощения. Привести квантовомеханический расчет вероятности межзонного поглощения методом теории возмущения.
6. Объяснить физическую суть явления фотолюминесценции. Расчет выхода люминесценции с учетом захвата электронов центрами рекомбинации. Пояснить особенности фотолюминесценции низкоразмарных структур на примере GaAs/AlGaAs квантовых ям.
7. Объяснить физическую суть явления фотопроводимости. Определить квантовый выход при фотогенерации электронов.
8. Объяснить физическую суть явления комбинационного рассеяния света. Законы сохранения энергии при КРС. Объяснить особенности спектров КРС в кристаллах.
9. Объяснить устройство и принцип работы призмы, как спектрального прибора, дифракционной решетки, устройство и принцип работы дифракционного монохроматора. В чем состоит суть работы Фурье-спектрометра. Объяснить выигрыши Жакино и Фелжета для Фурье-спектрометра. Перечислить фотоприемники видимого и ИК диапазонов, используемые в монохроматорной и фурье-спектроскопии.

Вопросы по спецлабораториям

По работе «Фотолюминесценция полупроводниковых сверхрешеток»

1. Чем определяется спектральное разрешение монохроматора?
2. В чем заключается процесс фотолюминесценции?
3. Как зависят положение линии и интенсивность фотолюминесценции от температуры?
4. Как по положению пика фотолюминесцении может быть определена ширина квантовой ямы?

По работе «Излучательная рекомбинация в p-n переходах»

1. Чем определяется спектральное разрешение монохроматора?
2. Назвать методы юстировки спектральных приборов.
3. Как выглядит статическая вольтамперная характеристика p-n перехода?
4. Описать конструкцию светодиода. Что такое внешний квантовый выход светодиода?

По работе «Комбинационное рассеяние света в твердых телах»

1. Что такое стоксово и антистоксово рассеяние. Типы комбинационного рассеяния света, отличающиеся механизмами взаимодействия света с веществом. Какая частица является «посредником» в комбинационном рассеянии света?
2. Нарисовать схемы переходов при поглощении и комбинационном рассеянии света на фононах. для 2-х случаев: 1) Испускание фонона электроном 2) Испускание фонона дыркой. Нарисовать соответствующие диаграммы Фейнмана для КРС в полупроводниках.
3. Рассеяние света на каких колебаниях решетки вы наблюдали. Возможно ли в таком материале как Si (все атомы одинаковые) рассеяние света на оптических фононах? Насколько изменяется частота падающего света при рассеянии на акустических фононах?
4. Чем отличается КРС от люминесценции и горячей люминесценции.
5. Что такое твердый раствор?
6. Что такое дислокации в кристалле? Причины их возникновения при выращивании гетероструктур. Что такое релаксированный слой?