
книги из ГПНТБ / Кизель В.А. Отражение света
.pdf2 3 8 |
ВЛИЯНИЕ СТРУКТУРЫ ПОВЕРХНОСТИ |
[ГЛ. G |
ках, см. подробнее § 22) возникают квантовые размер ные эффекты и коэффициент отражения осциллирует с изменением толщины пленки или изменением частоты. Расстояние между максимумами имеет порядок l/d; ос цилляции особо заметны, когда со/аПл^ 1 (см. также [116, 161], а для радиодиапазопа [117]). Влияние по верхностных плазмонов рассмотрено также в работе
[162].
Несколько сложнее вопрос об отражении гранулиро ванными пленками. Для прозрачных и поглощающих подложек этот вопрос исследован теоретически и экспе риментально в работах [163—166].
Вэтих пленках появляются некоторые резонансные эффекты, связанные, видимо, с плазменными колеба ниями электронов в гранулах; число электронов и ха рактер их колебаний зависят от размеров гранул. Кро ме того, в каждой грануле, по нашему мнению, должны иметь место поверхностные эффекты. Сообщалось [164]
ио некоторых эффектах типа интерференционных. По нашему мнению, здесь могут иметь место явления, сход ные с рассмотренными для жидких кристаллов.
Вработе [167] гранулярный слой рассматривался как «двумерный коллоид» с частицами, размер которых много меньше X (настолько, чтобы не сказывались эф фекты Ми), а концентрация велика; подложка рассмат ривалась феноменологически как континуум. При слия нии частиц основные предположения теории теряют силу.
Вгранулированных пленках старение поверхности проявляется весьма значительно (меняется их зерни стость и т. п.), см. [168].
§ 29. Воздействие внешних полей
Из всего предыдущего следует, что любое внешнее воздействие, изменяющее структуру поверхности, влия ет на отражение и может быть обнаружено по отраже нию.
Наиболее существенно с точки зрения техники экс перимента то, что внешнее воздействие может быть мо дулировано, и вызванное им изменение отражения А (R),
§ 29] |
ВОЗДЕЙСТВИЕ ВНЕШНИХ ПОЛЕЙ |
2 3 9 |
|
|
А (б) может быть выделено (например, радиоэлектрон ными методами) на фоне большого постоянного или не селективного отражения, большой эллиптичности и т. п.; можно получить хорошее отношение сигнал/шум.
Обычно измеряете^ отношение
ту ' |
R т - я (0) |
* ~ |
R(0) |
где W — внешнее воздействие. При применении моду ляции современная техника эксперимента позволяет производить измерения до Я '^ ІО -6. Это далеко превос ходит точность измерений отражения в «статических» методах ( 1—0,1 % в лучшем случае) и вызывает стре мительный рост интереса -к этим методам [169, 170]. По-видимому, развитие экспериментальной техники от ражения будет происходить именно в этом направлении.
Вопрос о механизме процессов, вызванных внешним воздействием, и возникающих здесь возможностях иссле дования структуры относится, естественно, к теории строения вещества. Он освещен, в частности, в обзорах [69, 70, 73, 171, 172]; мы ограничимся весьма краткими сведениями.
А. Электроотражение. При воздействии на поверх ность электрического поля могут возникать: 1) обрат ный пьезоэлектрический эффект («индуцированное пье зоотражение»), описываемое тензором 3-го ранга; 2 ) из вестный эффект Франца — Келдыша (изменение меж зонного расстояния), макроскопически описываемый тензором 4-го ранга, т. е. имеющий иную симметрию; 3) ряд явлений, связанных с вызванными полем пере ходами из валентной полосы на свободные поверхност ные уровни, с заполненных поверхностных уровней в' полосу проводимости, «модулированным поглощением»1) вакансиями и свободными электронами [173—175].
В принципе эти эффекты, вероятно, можно также охарактеризовать тензором 4-го ранга; они должны быть весьма селективны и особенно проявляться в области частот соответствующих переходов и экситонных частот. Ход явлений, естественно, зависит от глубины проник новения поля [176—178], существенно различной для
’) Поле модулирует, точнее, плотность функции состояний.
2 4 0 |
ВЛИЯНИЕ СТРУКТУРЫ ПОВЕРХНОСТИ . |
[ГЛ. 6 |
|
|
световой волны и постоянного или модулирующего поля (для постоянного поля, например, эта глубина состав ляет при хорошей проводимости несколько ангстрем).
Это обстоятельство, |
видимо, |
полностью оценено |
лишь |
в последнее время |
и должно |
быть приведено в |
связь |
с толщиной поверхностного слоя, ^Ьобепностямн струк туры поверхности и поверхностными загрязнениями при интерпретации результатов.
Поскольку симметрия тензора е выше симметрии тензоров, определяющих эффекты электроотражения, поляризационные и ориентационные явления будут ска зываться более заметно, п проявятся даже у кубических кристаллов, изотропных оптически (по е), по анизотроп ных пьезооптически1).
Подобным методом исследовались полупроводники [180—184] (см. также библиографию в указанных выше обзорах), металлы [177, 185, 186], сегнетоэлектрики [187] и др. Обнаружено влияние поля па отражение 2-й гармоники [178]. Для повышения градиента поля у по верхности практиковалась иммерсия в электролит [188].
Б. Фотоотражение. По существу, здесь имеет место электроотражение с высокочастотной модуляцией (обыч но используется освещение ОКГ), лишь осложненное возможным нагревом и добавочными электрострикционными эффектами, заметными в полях такой силы [189— 191] (см. также стр. 128 и 175)..
В. Пьезоотражение. Используется влияние модули рованного давления [192—194] с различной ориентаци ей относительно поверхности и кристаллографических осей и, вообще говоря, разным характером напряжений. Симметрии .тензоров напряжений, деформаций и упру гости различны и по-разному связаны с симметрией кристалла (теория изложена в работе [195]). Несколь ко иной метод применялся автором и А. Ф. Степановым при изучении отражения поверхностным слоем диэлект рической жидкости. На поверхность накладывалось мощное ультразвуковое поле, разрушающее упорядоче ние на поверхности; эллиптичность отраженного света, вызванная этой упорядоченностью, как и следовало ожидать, падала (см. § 26, а также [176]).
*) Анализ роли симметрии в теории электроотражения дан в ра боте [179]..
§ 29] |
ВОЗДЕЙСТВИЕ ВНЕШНИХ ПОЛЕЙ |
241 |
Г. Термоотражение. Исследуется влияние (перемен ного) нагрева, общего или локального нагрева (см., например, [195, 196]). Наиболее часто здесь, видимо, применяется прогрев излучением ОКХ и те эффекты, которые были рассмотрены в связи с вопросами пара метрической модуляции в § 20; здесь они играют вспо могательную роль. Часто применяется переменный ток низкой (несколько герц) частоты.
Д. Магнитоотражение. Если поместить вещество в магнитное поле, тензоры проницаемостей его также бу дут претерпевать изменения — возникает эффект Фара дея. Для простейшего случая изотропной среды, когда магнитное поле направлено по оси г, тензоры приобре тают вид:
е |
— ігМэ |
0 |
М- |
— ірМм |
0 |
е-э- іеМэ |
е |
0 |
грМм |
V- |
0 |
0 |
0 |
<4 |
0 |
0 |
|
где ег=ео, |
рг= ро — значения в отсутствие |
поля; коэф |
фициенты Мі заметно отличны от единицы лишь для
ферромагнитных сред |
и вблизи магнитных резонансов. |
В иепоглощающей |
среде М8 и М„ вещественны, |
и тензоры е и р, следовательно, имеют симметричную ве щественную и антисимметричную чисто мнимую части. При наличии поглощения М комплексны и симметрия становится более низкой.
Очевидно, что свойства сред с такими параметрами во многом напоминают свойства обладающих простран ственной дисперсией первого порядка гиротропных сред (см. § 18 и приложение V); поэтому среды носят назва ние электрически- или магнитно-гиротропных, если со ответственно е или р описываются (29.1), или же бигиротропных, если и е и р следуют (29.1). Однако свой ства симметрии Іте и Imp отличны от свойств введен
ных в гл. 5 тензоров 4, g, описывающих физические про цессы пространственной дисперсии; это отличие выяс нено в приложении V.
Известен ряд ферро-, ферри- и антиферримагнетиков, прозрачных в оптической области, что заставляет при отражении света рассматривать и их. Давно изве стен также эффект Керра — появление характера особо-
16 В. А. Кизедь
242 ВЛИЯНИЕ СТРУКТУРЫ ПОВЕРХНОСТИ • [ГЛ. 6
го отражения от ферромагнитного металлического зер кала после его намагничивания.
Микромеханизм явлений здесь весьма разнообразен. Наряду с «обычным» эффектом Фарадея, возникающим вследствие спин-орбиталы-юго взаимодействия и прецес сии моментов, в поле Н играют роль обменные эффекты, вклад s — d переходов, спиновые волны (магнитные взаимодействия). Подробности этих явлений см., на пример, в работах [197—199]. Величины эффектов в магнитных средах особенно велики и легче наблю даются.
Г. С. Крннчик предложил формулы для отражения света от сред, описываемых формулой (29.1). Для
случая «поперечного эффекта» |
(вектор |
намагничен |
|||
ности М |
перпендикулярен плоскости |
падения, М||а) |
|||
[ 200, 201]: |
|
|
|
|
|
Егх |
п cos cp — e0 cosr]3 |
2'М |
ер cos фБІп ф |
||
Е х |
я cos ф Ң-80 cos і|) |
м (neos ф + |
е0 cos -ф)2 ’ |
||
Е г И _ |
_ я cos ф — pp cos ф |
2щ |
р0 cos ф sin ф |
||
Е II |
я cos ф + р0 cos і|) |
' |
э (я cos ф + |
р0 cos і|))2 ’ |
|
где |
|
|
|
|
|
|
11= |
]/^ Г 0. |
|
|
|
Отражение от ферромагнетиков исследовано также |
|||||
теоретически и экспериментально |
[202, 203]. |
|
Кроме указанных эффектов, где проявляются в отра жении изменения свойств вещества в объеме, существу ют также поверхностные явления. Возникают поверхно стные магнитные уровни [204—207], меняется ход скинэффекта, поверхностное сопротивление имеет осцилли рующую зависимость от магнитного поля вследствие особых стационарных состояний электронов проводимо сти— электроны описывают дуги, опирающиеся на по верхность [205,. 208]. Можно сказать, что у поверхности имеют место особые циклотронные и спиновые волны, а в связи с этим — квантовые осцилляции поверхностно го импеданса [209—211]. Влияние магнитного поля на отражение металлов рассматривалось также теоретиче ски [212]; некоторые экспериментальные данные приве-
§ 291 |
ВОЗДЕЙСТВИЕ ВНЕШНИХ НОЛЕЙ |
243 |
дены в работе [213] (рис. 78—80). Магнитные уровни играют особенно существенную роль в случае шерохо ватой поверхности [216].
я: г
Рис. 78. Спектральная зависимость магнитоотражения.
о) |
Величина |
Я '= |
( ~ |
|
^ ^ |
] для |
Sb; поле перпендикулярно плоскости |
||
симметрии |
кристалла |
(эксперимент), плазменная |
частота — в о б л асти ~ 0,107 э в \ |
||||||
б ) |
теоретическая |
расчет |
/?(//> |
для |
HgTe; спет поляризован цнркулпрно, |
||||
к||Н Внеш; |
я) |
то |
же, |
свет |
поляризован |
линейно, |
к 1 Н внеш ИНволны (Н — в |
||
|
|
|
|
|
|
|
кэрстедах). |
|
Из сказанного ясно, что магнитоотражение — очень перспективный метод исследования, позволяющий полу чить большую информацию. Однако сложность и мно гообразие явлений при магнитоотражении затрудняют интерпретацию экспериментальных данных.
16*
244 |
ВЛИЯНИЕ СТРУКТУРЫ ПОВЕРХНОСТИ |
[ГЛ. 6 |
Рис. 79. Зависимость коэффициента отражения R' от энергии фото нов (в условных единицах).
Левые кривая и ш кала — область впутрнзонных переходов; правые — область межзонных переходов; 1 — сильное поле; 2 — без поля, расчет [212].
1 0,01
Й? SS ;£
го |
40 |
ВО |
80 |
-- |
то |
|
|
|
|
И, кзрапед |
|
Рис. 80. Экспериментальная кривая (осциллограмма) |
к — — щ щ — |
||||
|
для графита. |
|
|
|
|
Нвиеш IIС[Iк; две серии |
максимумов; |
индексы |
проставлены |
в |
соответствии с |
|
зонной |
моделью |
[214]. |
|
|
§ 29] ВОЗДЕЙСТВИЕ ВНЕШНИХ ПОЛЕЙ 2 4 5
Упомянем, что предлагался метод определения оп тических констант по совместному измерению эллиптич ности отраженного света и магнитного эффекта Керра. Однако указанные поверхностные эффекты весьма за трудняют интерпретацию данных измерений и переход к п, %.
Весьма заметных эффектов следует ожидать в магнитоотражении от сверхпроводников. Здесь в силу эф фекта Майснера магнитное поле спадает до нуля на расстоянии порядка ІО-5 см или менее; поэтому уже при слабых полях будут иметь место огромные градиенты, и все перечисленные и показанные на рисунках явления будут резко выражены. ■
Г Л А В А С Е Д Ь М А Я
ПРИМЕНЕНИЯ ЯВЛЕНИЙ ОТРАЖЕНИЯ
§ 30. Определение оптических постоянных вещества по параметрам отраженного света
Из всего предыдущего видно, что в очень большом числе случаев оптические свойства вещества достаточно полно описываются феноменологическими параметрами п и х и что значение этих параметров позволяет выяс нить многие детали микроструктуры вещества1). Лишь в некоторых случаях число параметров приходится уве личивать (например, п„, п±) и лишь в небольшом числе особых, специально рассмотренных выше вопросов эти параметры неприменимы. Таким образом, практически задача в широком круге проблем сводится к определе нию спектров п и х по измерениям спектра отраже ния R(k).
Некоторые |
аспекты данного |
вопроса рассмотрены в |
|||
монографиях |
[ |
[014, |
020, 024], а |
также в гл. 1 [26, |
28] |
и в работах |
1—3]. |
видно, что |
измерения R дают |
зна |
|
РІз предыдущего |
чительно большую информацию, нежели, например, из мерения поглощения: по отражению определяются п и X, тогда как во втором случае — только х *2).
') С точки зрения теории строения вещества часто более удобны первичные параметры е' и е", имеющие более глубокий физический, смысл. Однако связь с ними п и х достаточно однозначна, а экспери ментально в оптике именно эти два параметра определяются непо средственно.
2) Это, в частности, очень важно, когда иеобходймо учитывать влияние внутреннего поля при переходе от к(сй) к коэффициенту Эйнштейна 5 (со).
§ 30] ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИЧЕСКИХ ПОСТОЯННЫХ ВЕЩЕСТВА 2 4 7
Помимо того, что оми дают большее количество ин формации, измерения по отражению являются единствен но возможными для сильно поглощающих сред, так как необходимые для измерений поглощения толщины оказы ваются слишком малыми как с точки зрения практиче ских возможностей изготовления образцов, так и с точки зрения несходства их структуры со структурой массивно го вещества. При измерении жидкостей сказываются трудности измерения толщины слоя и адсорбция на окошках.
Поэтому для металлов, сильно поглощающих молеку лярных кристаллов и красителей методы «на просвет» почти неприменимы, а для жидкостей часто неудобны.
Кроме того, в тонких слоях возникают интерферен ционные явления, усложняющие (см. гл. 4) теоретиче ские расчеты и увеличивающие ошибки эксперимента.
Существуют следующие принципы измерений:
1)Измерения коэффициентов отражения и углов от ражения.
2)Измерения фазовых и амплитудных соотношений
вотраженном свете (эллипсометрия).
3)Метод нарушенного полного внутреннего отраже ния (НПВО).
4)Метод параметров Стокса и ему подобных.
5) Использование соотношений между п и х (е' и е") в дополнение к измерениям отражения.
Измерения коэффициентов и углов отражения. По скольку для данного значения X необходимо определе ние двух констант, следует произвести по крайней меое два независимых измерения. Существует много различ ных методов такого определения. Это могут быть:
А. Измерения коэффициента отражения ReCT (для естественного света) при нормальном падении из двух разных внешних сред («сред 1»). Сюда относится, на пример, метод Кравца [4]. Он заключается в нанесении исследуемого вещества на две различные прозрачные подложки. Для кристаллов и массивных образцов мето дика усложняется и становится неудобной, так как на образец необходимо наносить два различных прозрач ных покрытия'или применять две иммерсии. Для жид ких сред, красителей и им подобных этот метод удобен и применяется [5, 6].