CC BY
17
УДК 537.312
ВЛИЯНИЕ ЗАГЛУБЛЕННОГО ИМПЛАНТИРОВАННОГО СЛОЯ НА РАСПРОСТРАНЕНИЕ НЕРАВНОВЕСНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ФОНОНОВ В АЛМАЗЕ
А. И. Шарков, Т. И. Галкина, А. Ю. Клоков, Р. А. Хмельницкий, В. А. Дравин, А. А. Гиппиус
В данной работе исследовался неравновесный тепло-перенос в алмазе, содержащем заглубленные ионно-имплантир о ванные слои. В частности, ставилась задача обнаружить влияние имплантированного слоя на распространение неравновесных акустических фононов. Показано, что такие слои эффективно отражают неравновесные фононы.
Исследование распространения неравновесных акустических фононов в алмазе проводилось с помощью методики тепловых импульсов. Схема эксперимента и основные процессы с неравновесными фононами показаны на рис. 1. Образец находился в жид ком гелии при Т = 1.8 А'. Неравновесные акустические фононы генерируются в образце в результате импульсного возбуждения Р; в данном случае в качестве генератора фононов использовался заглубленный имплантированный слой, облучаемый импульсами азотного лазера ЛГИ-21 (Л = 337 нм, тр = 7.5 нс). Как было показано в [1], такой способ является эффективным методом генерации неравновесных фононов в алмазе. Фононы распространяются по образцу, испытывая процессы спонтанного ангармонического распада (1), упругого рассеяния на точечных (изотопы, атомы примесей) дефектах (2), дислокациях (3) и плоских (границы зерен, плоскости двойникования) дефектах (4). При попадании на границу образца в случае, если она соприкасается с жидким гелием, большая часть фононов выходит из образца (5).
В данной работе ставилась задача обнаружить влияние такой плоской границы, как заглубленный имплантированный слой (6), на распространение неравновесных фононов. Для решения данной задачи в образец алмаза (тип Па, ориентация (110), толщина
Краткие сообщения по физике ФИАН
номер 12, 2002 г.
Рис. 1. Схема эксперимента и основные процессы с неравновесными фононами. Р - генерация фононов излучением импульсного лазера с возможностью сканирования по передней поверхности образца, и Ь2 - заглубленные имплантированные слои, и Л2 - тонкопленочные сверхпроводниковые болометры; 1 - спонтанный ангармонический распад фононов, 2 - рассеяние фононов на точечных дефектах, 3 - рассеяние на дислокациях, 4 ~ рассеяние на плоских дефектах, 5 - выход из образца в жидкий гелий, 6 - отражение от заглубленного имплантированного слоя.
520 мкм) были встроены два заглубленных слоя и на противоположных сторонах пластины (рис. 1). Слой Ьх был изготовлен путем имплантации в образец ионов дейтерия с энергией 350 кэВ и дозой 8 • 1016 см"2, а слой Ь2 - имплантацией ионов гелия Не+ с энергией 350 кэВ и дозой 4 • 1016 см~2. Слои находились на глубине 0.5 и 1.6 мкм, соответственно; толщина слоев составляла 0.15 мкм [2]. Детектирование неравновесных фононов осуществлялось при помощи сверхпроводниковых болометров й- и Б2 с размерами детектирующей части 50x30 мкм, изготовленных из гранулированного алюминия [3, 4].
На рис. 2 показаны отклики, зарегистрированные болометром (сплошные линии ) в случаях, когда фононы генерировались прямо напротив болометра (кривая 1) и при смещении области генерации фононов в направлении выхода оси (100) на 300, 600 и 700 мкм (кривые 2, 3 и 4, соответственно). Видно, что все представленные отклики имеют характерный баллистический вид и являются достаточно короткими (длитель ность на полувысоте Дт^ ~ 15 — 25 не). Такой вид откликов соответствует тому, что поток неравновесных фононов, приходящий на контактирующую с жидким гелием поверхность алмаза, практически полностью выходит из образца. Можно отметить, кроме того, особенности, связанные с фокусировкой фононов: на кривой 1 отчетливо разрешен
пик ЪА фононов, которые сфокусированы в направлении (110). При смещении в направлении выхода оси (100) количество ЬА фононов падает, а количество ТА фононов растет (кривая 2). При дальнейшем смещении общий вид сигнала сохраняется, а ин тенсивность падает из-за уменьшения "угла видимости" (кривая 3). Далее, при выходе из направления фокусировки ТА фононов, интенсивность сигнала резко падает (кривая
4).
200 400 Время, не
4000 3000 2000 1000 0
«6000
ё5000 &4000
С;
о
^2000 г
В1000
о
60 80 Время, не
Рис. 2. Отклики болометра на приход неравновесных акустических фононов, когда область генерации находится прямо напротив болометра (1) или смещена вбок на 300 (2), 600 (3) и 700 мкм (4). Пунктиром показан отклик болометра .02, когда область генерации находится против (кривая 1 на рис. 3).
Рис. 3. Отклики болометра на приход неравновесных акустических фононов, когда область генерации находится прямо напротив болометра (1) или смещена вбок на 500 (2) и 1000 мкм (3). Пунктиром показан отклик болометра когда область генерации находится против (кривая 1 на рис. 2).
В то же время, вид откликов, зарегистрированных болометром отличается радикально. На рис. 2 пунктиром показан передний фронт такого отклика в случае, когда область генерации находилась прямо напротив детектора Б2 (аналогично кривой 1); а на рис. 3 показан дальнейший ход этого отклика (кривая 1) и отклики, регистрируемые при смещении области генерации на 500 мкм (кривая 2) и, далее, 1000 мкм (кривая 3). Видно, что передний фронт сильно затянут (до 50 не), а длительность откликов больше 100 не. Для иллюстрации на рис. 3 пунктиром показана кривая 1 рисунка 2. Интересно отметить, что в этом случае, когда имплантированные слои расположены с
Краткие сообщения по физике ФИ АН
номер 12. 2002 г.
обеих сторон пластины, при смещении области генерации возрастает величина отклика на больших временах. Это означает, что фононы имеют возможность многократно отражаться от имплантированных слоев и не выходить из образца.
Таким образом, наблюдаемые различия в распространении неравновесных фононов в случае, когда фононы распространяются между двумя заглубленными имплантированными слоями, по сравнению со случаем, когда присутствует только один заглубленный слой и возможен свободный выход фононов через поверхность образца в гелий, объясни ются сильным отражением неравновесных фононов от имплантированных слоев. Более детальный анализ с определением характеристик отражения неравновесных фононов от заглубленного имплантированного слоя будет сделан позднее.
Данная работа поддерживалась Российским фондом фундаментальных исследований, проекты N 01-02-16826, 02-02-17392, и Комиссией РАН по работе с молодежью, грант N 24 6-го конкурса-экспертизы.
ЛИТЕРАТУРА
[1] Г а л к и н а Т. И., Ш а р к о в А. И., Клоков А. Ю. и др. Письма в ЖЭТФ, 64 (4), 270 (1996).
[2] К h m е 1 n i t s k у R. A., D г a v i n V. A., G i p p i u s A. A. J. Chem. Vap. Deposit., 5, 121 (1996).
[3] А л e к с e e в А. С., Блинов А. Ю., Бонч-Осмоловский M M., Галкина Т. И. Краткие сообщения по физике ФИ АН, N 11, 12 (1984).
[4] Б л и н о в А. К)., Бонч-Осмоловский М. М., Галкина Т. И., и др. Краткие сообщения по физике ФИАН, N 7, 31 (1989).
Поступила в редакцию 27 декабря 2002 г..
