Міністерство освіти і науки, молоді та спорту України

Львівський національний університет імені Івана Франка

Факультет електроніки

Кафедра фізичної і біомедичної електроніки

Бали	ECTS	Оцінка за національною шкалою	Підпис

ЗВІТ

про проходження навчально-виробничої практики з 05.07.12 по 25.07.12

Виконала студентка

групи ФЕМ-31

Коплак Ольга

Керівник: проф. Стасюк З. В.

Львів 2012

Вступ

Під час проходження навчально-ознайомчої практики з 5 по 25 липня 2012 року був зроблений огляд літератури до курсової роботи на тему: «Особливості протікання високочастотного струму в тонких плівках срібла».

Особливості відбивання світла від металевих поверхонь обумовлені наявністю в металах великого числа електронів, наскільки слабо зв’язані з атомами металів, що для багатьох явищ ці електрони можна вважати вільними. Другорядні хвилі, викликані вимушеними коливаннями вільних електронів, породжують сильну відбиваючу хвилю, інтенсивність якої може досягати 95% (і навіть більше) інтенсивності падаючої хвилі, і порівняно слабку хвилю, яка йде всередину металу. Так як щільність вільних електронів значна (порядку 10²² в 1 см³), тоді навіть дуже тонкі шари металу відбивають велику частину падаючого на них світла і являються, як правило, практично непрозорими. Та частина світлової енергії, яка проникає всередину металу, відчуває в ньому поглинання. Вільні електрони, які переходять в коливання під дією світлової хвилі, взаємодіють з іонами металу, в результаті чого енергія, взята від електромагнітної хвилі, перетворюється в тепло.

Таким чином, електромагнітна хвиля швидко затухає всередині металу. Яка частина світла не пропускається металом внаслідок відбивання і яка затримується в ньому завдяки поглинанню, залежить від його провідності. В ідеальному провіднику поглинання рівне нулю, так що падаюче світло повністю відбивається. Особливо висока відбиваюча здатність (до 99,8%) такого доброго провідного металу, як натрій, і поглинання в ньому відповідно незначне. В металах, гірше провідних, наприклад в залізі, відбивання може досягати всього лише 30-40%, так що непрозора плівка заліза товщиною не більше долі мікрона поглинає близько 60% падаючого на неї світла.

Таким чином, характерна особливість металу, яка входить в його високу відбиваючу здатність і проявляється в наявності особливого «металевого» блиску чистої поверхні металу, зв’язана з електропровідністю металу. Чим більший коефіцієнт електропровідності, тим більша відбиваюча здатність металів.

При порівняно невеликих частотах (інфрачервоне випромінювання) оптичні властивості металу обумовлені поведінкою вільних електронів. Але при переході до видимого і ультрафіолетового світла починають відігравати значну роль зв’язані електрони, які характеризуються власною частотою, що лежить в області більш коротких довжин хвиль. Участь цих електронів обумовлює неметалеві оптичні властивості металу. Так, наприклад, срібло, яке в видимій області характеризується дуже великим коефіцієнтом відбивання (вище 95%) і помітним поглинанням, типовими оптичними особливостями металу, в області ультрафіолету володіє різко вираженою областю поганого відбивання і великою прозорістю. У відповідності з цими даними срібло в тонких шарах є світло фіолетове.

Оптичні константи металів і їх визначення

При спрощеному трактуванню питання, заснованому на електромагнітній теорії Максвелла [1], задача зводиться до врахування провідності металу, формально до введення в рівняння Максвелла членів, залежних від коефіцієнта електропровідності σ. Для світлової хвилі, що поширюється всередині металу, ми отримуємо в такому випадку вираз, який означає, що амплітуда хвилі зменшується по мірі проникнення всередину металу.

У відповідності з цим інтенсивність світла проникає по мірі проникнення всередину металу за законом Ι=Ι₀exp(-αz), де α – коефіцієнт поглинання, який показує, що на глибині z=1/α інтенсивність світла падає в e раз.

Виявляється можливим експериментальне визначення n і χ двома способами. Перший спосіб належить Кундту (1888 р.), який безпосередньо виміряв ці константи для деяких металів, виготовляючи з них дуже тонкі призми з малим кутом заломлення.

Оптичні властивості металу відрізняються від діелектрика тим, що замість звичайного показника заломлення n вводиться комплексний показник заломлення n’=n(1- χ). В відповідності з цим в формулах Френеля для металу амплітуди відбитої (і заломленої) хвилі стають комплексними, виникає різниця фаз між компонентами відбитої (і заломленої) і падаючої хвиль. Ця різниця в фазах не однакова для компонентів електричного вектора, що лежить в площині падіння і перпендикулярно до неї. Тому між двома взаємно перпендикулярними компонентами в відбитому (і заломленому) світлі E_r׀׀ і E_r┴ виникає різниця фаз, і якщо на поверхню металу падає плоскополяризоване світло, то відбите світло буде еліптично поляризоване. Характер поляризації залежить від оптичних властивостей металу (n і χ).

Теорія Друде зв’язує ці величини з експериментально знайденими даними про еліптичну поляризацію і дозволяє таким чином визначити оптичні константи металу.

Розрахунок високочастотної провідності в плівках металу

Згідно з фундаментальними основами оптики, оптичні властивості будь-якого матеріалу можуть бути повністю описаними з допомогою комплексної діелектричної проникності та комплексного показника заломлення , якщо вважати плівку та підкладку на яку осаджена плівка, ізотропними та однорідними (Ландсберг).

Згідно оптики Ладсберга зв'язок між k (коефіцієнт екстинції) та α (показник поглинання світла) можна виразити наступним співвідношенням:

. (1)

Маємо

. (2)

Загальна оптика плівок металів

Теорія розрахунку спектральних характеристик покриття тонких плівок базується на електромагнітній теорії Максвела. Теорія Максвела хоч і володіє деякими неоднозначностями, проте добре враховує інтерференційні та поляризаційні ефекти в тонких плівках всіх типів.

Дослідження відбивання, пропускання та поглинання багатошарових плівок з точки зору електромагнітної теорії зводиться до розв'язку граничної задачі, яка включає в себе розрахунок стаціонарних амплітуд векторів напруженості електричного та магнітного полів на границях багатошарової структури в процесі взаємодії з електромагнітними хвилями.

Характеристикою електромагнітної хвилі, яка поширюється в середовищі є амплітуда електричного та магнітного вектора напруженості поля випромінювання, частота випромінювання, стан поляризації і напрямок поширення, що виражається хвильовим вектором [6].

На практиці світло, що падає не є ідеально монохроматичним і поляризованим; також існують незначні локальні зміни товщини плівок та підкладки. Підкладка не завжди веде себе як елемент багатошарової системи, властивості якої залежать лише від довжини хвилі. Для розв'язку деяких математичних задач можна врахувати дисперсію показника заломлення та вплив другої поверхні підкладки на коефіцієнт відбивання і прозорості багатошарової системи.

Рис. 1. Схема багатошарової плівкової системи

Формули Френеля використовують для розрахунку амплітуд та інтенсивностей відбитого та заломленого світла через границю поділу двох середовищ. Вона дозволяє розрахувати амплітуди та інтенсивності s - і р - складових для різних кутів падіння.

У випадку нормального падіння коефіцієнти Френеля матимуть наступний вигляд:

	(3)

Інтенсивність відбитої хвилі від прозорої підкладки (наприклад скла n₂) рівна:

.

Коефіцієнти Френеля дозволяють здійснювати розрахунки відбитого від поверхні світла також для багатошарового середовища при нормальному та довільному куті падіння світла.

Тоді енергетичні коефіцієнти відбивання та пропускання [4] запишемо:

(4)

(5)