CC BY
42
СПЕКТРОСКОПИЯ
С. А. Воронов, Г. Я. Жихин, С.А. Киселеву Л.А. Кузик, В.А. Яковлев
ФАЗОВАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ ПОВЕРХНОСТНЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН
Амплитуда поля поверхностных электромагнитных волн (ПЭВ) максимальна на границе раздела сред и убывает при удалении от границы. Распределение ПЭВ вдоль границы раздела описывается эффективным показателем преломления ПЭВ [1]
к - волновой вектор ПЭВ; а) - круговая частота. Для границы раздела вакуум - среда с диэлектрической проницаемостью е
При комплексной диэлектрической проницаемости величина х., также комплексна. Мнимая часть ее обусловливает пространственное затухание ПЭВ и может быть определена по изменению интенсивности с расстоянием, пройденным ПЭВ (амплитудная спектроскопия). Для определения действительной части эффективного показателя преломления (фазовая спектроскопия ПЭВ) могут быть использованы интерференционные измерения [2,3].
На рис. 1 дана схема такого эксперимента с призменным возбуждением ПЭВ. На зазоре между образцом и экраном ПЭВ частично преобразуется в объемное излучение. Оставшаяся часть ПЭВ на краю образца также превращается в объемное излучение. Эти два пучка интерферируют между собой.
(1)
где
эффективный показатель преломления определяется формулой [1]
(2)
-ъ
1
А
о 18(х)
-Ч Т \ ч ч ч ч
X -
Рис. 1. Схема экспериментальной установки. Вверху - интерференционные измерения, внизу - измерение коэффициента поглощения ПЭВ двухпризменным методом
Условие интерференционного максимума в точке г можно записать следующим образом [3]:
аИех + /Ь2+г2 - /(а+Ь)2 +г2= (т+Д)Л>, х
(3)
где
I отн. ед.
а - расстояние от экрана до края образца? Ь - расстояние от края образца до плоскости наблюдения; ш - целое для максимумов (для минимумов - полуцелое); V = со/2лс - линейная частота (волновое число) . Величина Л введена для учета возможного сдвига фаз между объемной волной и ПЭВ.
На рис. 2 приведены зависимости интенсивности от г, полученные при перемещении пироэлектрического приемника с постоянной скоростью. По положению интерференционных экстремумов можно определить действительную часть эффективного показателя преломления либо графически [3,4], либо методом наименьших квадратов (по формуле (3)) с использованием ЭВМ. Если при этом известен и коэффициент поглощения ПЭВ (из измерений зависимости интенсивности ПЭВ от расстояния), то можно определить диэлектрическую проницаемость образца. Для меди и ванадия такие измерения были сделаны В [4,5].
4 2 , СМ
Рис. 2. Интерферограммы для разных значений а. Образец - медь
При наличии тонких пленок на поверхности металла уравнение дисперсии ПЭВ (2) усложняется [1]. При этом х зависит от толщины и свойств пленки. Решая обратную задачу, по измеренным значениям действительной и мнимой части эффективного показателя преломления ПЭВ можно определить параметры пленки. В [6,7] исследовались окисные пленки на меди и алюминии. На рисунках 3, 4 приведены частотные зависимости длины пробега ПЭВ Ь = 1/4пл>1тх и величина 2 (х -1) для естественной окисной
X X
пленки на алюминии (кривая 1) и для окислов, полученных после прогрева образца при 250°С в течение 5 мин (кривая 2) и при 370°С в течение 20 мин (кривая 3). Кривые - расчет, в котором единственным варьируемым параметром были толщины окисного слоя, толщина возросла в 2,5 раза после максимального теплового воздействия.
Рис. 3. Частотные зависимости действительной части эффективного показателя преломления ПЭВ на алюминии с термически выращенными окисными пленками
Рис. 4. Частотные зависимости длины пробега ПЭВ по алюминию с термически выращенными окисными пленками (см. рис. 3)
Регистрация интерференционной картины с линейным перемещением приемника (рис. 1) удобна только при изучении хорошо проводящих металлов. При увеличении поглощения ПЭВ уменьшаются расстояния а, при которых можно получить удовлетворительную интерференционную картину. Это приводит к увеличению расстояния между экстремумами. С другой стороны, из-за уменьшения высоты локализации поля ПЭВ над образцом расширяются диаграммы направленности интерферирующих объемных волн. В этом случае более удобным оказывается угловое сканирование (перемещение приемника по дуге окружности). Схема эксперимента показана на рис. 5. В этом случае используется апертурное возбуждение ПЭВ [8] на зазоре между поверхностью образца и экраном (лезвием бритвы).
о
50 0°
Рис. 5, Схема экспериментальной установки с угловым сканированием. Вверху - интерферограммы для кристаллического кварца, полученные на разных частотах
В рассматриваемой геометрии при a-m /v много меньше радиуса дуги, по которой перемещается приемник
* cos 0^ + m/va, (4)
a m
ГДе " угловые положения интерференционных экстремумов.
При сильном поглощении ПЭВ измерение его величины обычными методами оказывается довольно сложной задачей [5,9]. С другой стороны, распределение интенсивности в интерферограмме содержит информацию и о коэффициенте поглощения ПЭВ. Согласно [7],
a/2L + А (0) = 1п ( * ' (5)
^max ^
где I и I . определяются по огибающим максимумов и минимумов интер-шах min
ферограммы, а величина А(0) не зависит от а. Измерив интерферограммы для разных расстояний а, можно, используя формулу (5), определить длину пробега ПЭВ, то есть определить из интерферограмм как действительную, так и мнимую часть xv-
На рис. 6 приведены частотные зависимости действительной части эффективного показателя преломления ПЭВ (дисперсия ПЭВ) кристаллического кварца для различных направлений распространения ПЭВ относительно оптической оси (анизотропия) [10]. Нанесение тонких пленок на поверхность кварца приводило к изменению дисперсии; при этом пленки с положительной
(x'-l)-10a
Рис. 6. Частотные зависимости действительной части эффективного показателя преломления ПЭВ для кристаллического кварца при различных ориентациях оптической оси. Кривая 1 - для С II х. Кривая 2 - для С II у и С II z
(оси координат см. на рис. 5)
диэлектрической проницаемостью увеличили значение Rexv, а пленки с от-рицательной диэлектрической проницаемостью (металла) уменьшили его [11] .
для высокотемпературных сверхпроводников YBa2 Сиз07_^ проводимость при комнатной температуре примерно на два порядка хуже, чем для хорошо проводящих металлов, поэтому затухание ПЭВ велико, и мы использовали схему эксперимента, показанную на рис. 5, для изучения распространения ПЭВ по различным образцам такого состава. Исследовались керамические образцы [12], монокристаллы [13] и пленки, нанесенные на титянат стронция. Для монокристаллов в десятимикронном диапазоне получено значение комплексной диэлектрической проницаемости е -45+90i.
Все перечисленные результаты получены с использованием лазерного источника излучения (С02-лазер с перестройкой в области 930-1080 см-1). В [14] с использованием Фурье-спектрометра интерференционные измерения выполнены в широком спектральном интервале (700-2500 см-"1) для пленки серебра.
Литература
1. Поверхностные поляритоны / Под ред. В.М. Аграновича, Д.Л. Миллса. М.: Наука, 1985.
2. Яковлев В.А., Сычугов В.А., X а к и м о в A.A. Квантовая электроника, 1983, т. 10, № 3, с. 611.
3. Ж и ж и н Г.Н., Киселев С.А., Москалева М.А., Силин В.И., Яковлев В.А. ЖТФ, 1984, т. 54, № 5, с. 975.
4. Ж и ж и н Г.Н., Силин В.И., Яковлев В.А. Эффекты дифракции и интерференции ПЭВ: Препринт ИСАИ, Троицк, 1986, № 18, 47 с.
Ю70
1080
1090
V, см-1
5. С и л и н В.И. Дифракция и интерференция поверхностных электромагнитных волн ИК диапазона в задачах спектроскопии поверхности: Дисс. ... канд. физ.-мат. наук. Троицк, 19 85.
6. Воронов С.А., Ж и ж и н Г.Н., Яковлев В.А. Поверхность. Физика, химия, механика, 1987, № 4, с. 85.
7. Воронов С.А. Исследование свойств реальных поверхностей твердых тел методом фазовой спектроскопии поверхностных электромагнитных волн: Дисс. ... канд. физ.-мат. наук. М. , 1987.
8. Barlow H.M., Brown J. Radio surface waves. Oxford: Clarendon press, 1962.
9. Zhizhin G.N., Sychugov V.A., Silin V.l., Y a-kovlev V.A. Solid State commun., 1984, v. 51, № 8, p. 613.
10. Воронов С.А., Ж и ж и h Г.H., Уваров Ф.А., Яковлев В.А. ФТТ, 1986 , т. 28, № 10, с. 3206 .
11. Antonova К.T., V о г о п о v S.A., Yakovlev V.A., Zhizhin G.N. Opt. commun., 1986, v. 60, № 4, p. 222.
12. Ж и ж и h Г.H., Крайская K.B., К у з и к J1.A., Уваров Ф.А., Яковлев В.А. ФТТ, т. 30, № 3, с. 929 .
13. Goncharov A.F., Zhizhin G.N., К i s е 1 е v S.A., Kuzik L.A., Yakovlev V.A. Phys. Lett. В., 1988, v. 133,
№ 3, p. 163.
14. Chesters M.A., Parker S.F., Yakovlev V.A. Opt. commun., 1985, v. 55, № 1, p. 17,
