Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги из ГПНТБ / Кизель В.А. Отражение света

.pdf
Скачиваний:
18
Добавлен:
24.10.2023
Размер:
11.45 Mб
Скачать

2 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 ( 10,1 % 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].

Соседние файлы в папке книги из ГПНТБ