Поверхневі плазмон-фононні збудження в одновісних напівпровідниках ZnO і 6H-SiC та структурах на їх основі

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національна академія наук України

Інститут фізики напівпровідників

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора фізико-математичних наук

01.04.10 - Фізика напівпровідників та діелектриків

Поверхневі плазмон-фононні збудження в одновісних напівпровідниках ZnO і 6H-SiC та структурах на їх основі

Мельничук Олександр Володимирович

Київ 2000

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Інституті фізики напівпровідників Національної академії наук України

Науковий консультант: доктор фізико-математичних наук, професор, член-кореспондент НАН України Венгер Євген Федорович, Інститут фізики напівпровідників НАН України, заступник директора

Офіційні опоненти:

доктор фізико-математичних наук, професор, член-кореспондент НАН України Литовченко Володимир Григорович, Інститут фізики напівпровідників НАН України, завідувач відділу фізичних основ інтегральної мікроелектроніки;

доктор фізико-математичних наук, професор Кікінеші Олександр Олександрович, Ужгородський національний університет, завідувач кафедри твердотільної електроніки;

доктор фізико-математичних наук, професор Слободянюк Олександр Валентинович, Київський національний університет імені Тараса Шевченка, завідувач кафедри експериментальної фізики

Провідна установа: Чернівецький національний університет імені Ю. Федьковича, кафедра мікроелектроніки та напівпровідникових приладів, м. Чернівці

Захист відбудеться 26 січня 2001 р. о 14 год на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.199.02 при Інституті фізики напівпровідників НАН України (03028 Київ 28, просп. Науки, 45)

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Інституту фізики напівпровідників НАН України (03028 Київ 28, просп. Науки, 45)

Автореферат розісланий 25 грудня 2000 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Іщенко С.С.

1. Загальна характеристика роботи

анізотропія плазмовий поляритон напівпровідник

Актуальність теми. Використання оптично-анізотропних одновісних полярних напівпровідників оксиду цинку і карбіду кремнію та структур на їх основі при створенні цілого ряду напівпровідникових приладів (в тому числі люмінесцентних індикаторів, лічильників ядерних випромінювань, короткохвильових оптоелектронних приладів, термо-, п'єзо- і тензодатчиків, акустоелектронних генераторів та ін.) має науковий та практичний інтерес і, безперечно, потребує дослідження їх оптичних та електрофізичних властивостей, провідне місце серед яких посідають методи спектроскопії відбивання та поверхневих поляритонів (ПП).

Залишається актуальним питання вивчення взаємодії електромагнітного випромінювання з різними типами коливань (наприклад, фонони, плазмони тощо) та умов, за яких відбуваються збудження і розповсюдження поверхневих електромагнітних хвиль, тобто ПП. Під останніми розуміють поверхневі квазічастинки, що відповідають коливанням змішаного електромагнітно-механічного характеру, максимум амплітуди поля яких знаходиться на поверхні твердого тіла, а амплітуда поля експоненційно зменшується в обох напрямках від межі поділу середовищ. Взаємодія поверхневих оптичних фононів із поверхневими плазмовими коливаннями вільних носіїв заряду призводить до збудження змішаних поверхневих плазмон-фононних поляритонів (ППФП), у яких перебудова спектра коливань максимальна, коли плазмова частота nр виявляється близькою до частоти поздовжніх оптичних фононів nL.

В багатьох анізотропних напівпровідникових сполуках (наприклад, Sb2S3, LiIO3, ZnP2, CdP2, CdS тощо) поверхневі фононні поляритони досліджено достатньо добре. В.В. Бриксін [1], В.М. Агранович [2,3], М.Л. Дмитрук [4] та співавтори показали, що в анізотропних кристалах цей тип коливань на відміну від ізотропних має особливості, які проявляються в дисперсійних залежностях, просторовій структурі та коефіцієнтах затухання ПП.

Монокристали ZnO i 6H-SiC кристалізуються в структурі вюртциту і належать до однієї просторової групи (P63mc). Оксид цинку характеризується значною анізотропією властивостей фононної і слабкою анізотропією плазмової підсистем, в той час як карбід кремнію (політип 6Н) - незначною анізотропією властивостей фононної підсистеми та сильною анізотропією властивостей плазмової підсистеми. Тому дані об'єкти є модельними кристалами, зручними під час дослідження властивостей поверхневих фононних і плазмон-фононних поляритонів, анізотропії оптичних властивостей в ІЧ-області спектра при наявності зв'язку довгохвильових оптичних коливань гратки з електронною плазмою в полярних оптично-анізотропних напівпровідникових структурах.

Про можливість існування ПП в 6H-SiC вперше було вказано у роботі Ю.А. Пасічника та співавт. [5], де наведено розрахунок їх дисперсійних залежностей при трьох орієнтаціях оптичної осі гексагонального карбіду кремнію відносно поверхні і хвильового вектора. Однак вивчення впливу анізотропії на властивості ПП у сильно легованих монокристалах 6H-SiC потребувало додаткових досліджень. На початок виконання дисертаційної роботи в літературі були лише суперечливі дані стосовно спектра коливань гратки оксиду цинку. Анізотропія ефективної маси вільних носіїв зарядів m, коефіцієнтів затухання фононів gф і плазмонів gр, дисперсійні залежності та коефіцієнти затухання ППФП оксиду цинку при різних орієнтаціях оптичної осі кристала С відносно хвильового вектора К в літературі взагалі не розглядалися. Г.І. Довбешко та співавт. [6, 7] вивчили ПП у шарах ZnO на кварці, Al, Si тощо. Ними показано, що частоти, дисперсійні залежності і коефіцієнт затухання ПП суттєво залежать від технології виготовлення структури, типу підкладинки, товщини шарів та цілої низки інших параметрів. Навіть такі фундаментальні характеристики, як частота поперечного nт і поздовжнього nL оптичного фонона, високочастотна eҐ і статична eо діелектричні проникності при ЕС і Е||С, у різних авторів відрізнялися на 10-40 %.

Недостатньо вивчено і ППФП, які збуджуються у полярних одновісних напівпровідникових структурах при np ” nL і ортогональних орієнтаціях оптичної осі кристала відносно поверхні ху. Перші теоретичні дослідження на прикладі одновісних анізотропних напівпровідників зроблено Л.Є. Гуревичом та Р.Г. Тарханяном [8]. Автори розробили теорію поширення електромагнітних хвиль в одновісних полярних кристалах із урахуванням слабкої дисперсії оптичних коливань гратки і показали, що при дослідженні ППФП в анізотропних кристалах ситуація якісно відрізняється від ізотропних. Проте відомості про вплив анізотропії фононної та плазмової підсистем на дисперсійні залежності ППФП гексагональних монокристалів оксиду цинку та карбіду кремнію (політип 6Н), прояв нових дисперсійних гілок при збільшенні концентрації вільних носіїв зарядів у зоні провідності та зміні орієнтації оптичної осі кристала відносно напрямку розповсюдження ППФП, коефіцієнти затухання звичайних і незвичайних ППФП тощо в літературі до даного циклу робіт були відсутні.

Зв'язок дисертаційної роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота відповідає основним науковим напрямкам діяльності Інституту фізики напівпровідників НАН України і виконувалася в рамках таких тем:

1."Спектроскопія фононних, екситонних та домішкових збуджень в об'ємних напівпровідниках, квантово-розмірних шарах і багатошарових системах на основі кремнію і бінарних напівпровідникових сполук" (затверджена Постановою Бюро ВФА АН УРСР від 19.12.1989 р., протокол №10, номер державної реєстрації 01.910025907).

2. "Дослідження фізичних явищ на поверхні напівпровідників та межах розділу фаз, перспективних для розробки нових приладових пристроїв" (затверджена Постановою Бюро ВФА АН УРСР від 19.12.1989 р., протокол №10, номер державної реєстрації 0193U028658).

3. "Дослідження і моделювання нерівноважних електронних процесів, масопереносу і стимульованих структурно-фазових перетворень на поверхні напівпровідників та у шаруватих структурах; розробка на їх основі нових приладів і технологій" (затверджена Постановою Бюро ВФА НАН України від 20.12.94 p., протокол №9, номер державної реєстрації 0195U008108).

Мета і задачі дослідження. Виявлення нових явищ та з'ясування впливу анізотропії фононної та плазмової підсистем на властивості поверхневих фононних, плазмон-фононних поляритонів в оптично-анізотропних напівпровідниках ZnO і 6H-SiC та структурах на їх основі. Реалізація поставленої мети вимагала вирішення таких завдань:

1. Проведення систематичних досліджень впливу анізотропії фононної та плазмової підсистем одновісних напівпровідників ZnO, 6H-SiC та структур на їх основі на властивості поверхневих поляритонів різних типів при довільних орієнтаціях електричного вектора Е ІЧ-випромінювання відносно оптичної осі C кристала та хвильового вектора ПП.

2. Визначення умов існування, збудження та розповсюдження нових типів ППФП в сильно легованих напівпровідниках ZnO i 6H-SiC.

3. Проведення дисперсійного аналізу спектрів ІЧ-відбивання та поверхневих поляритонів одновісних напівпровідників ZnO, 6H-SiC і структур на їх основі типу ZnO-Al2O3, ZnO-6H-SiC з метою визначення оптичних та електрофізичних параметрів.

4. Вивчення можливостей практичного використання ІЧ-спектроскопії відбивання і поверхневих поляритонів при розробці методів оптичної діагностики напівпровідників і пристроїв для акусто-, мікро- та оптоелектроніки.

Об'єктом дослідження є процес взаємодії ІЧ-випромінювання з поверхнею анізотропних напівпровідників та структур на їх основі як при звичайному зовнішньому відбиванні, так і в режимі збудження поверхневих поляритонів фононного та плазмон-фононного типу.

Предметом дослідження обрано полярні оптично-анізотропні напівпровідники з різним ступенем легування, що характеризується значною анізотропією властивостей фононної і плазмової підсистем. Як базові напівпровідники використовувались одновісні монокристали ZnO і 6H-SiC та структури на їх основі типу ZnO-Al2O3, ZnO-6H-SiC.

Методи дослідження. Основними експериментальними методами досліджень були оптичні вимірювання спектрів зовнішнього відбивання, пропускання та модифікованого порушеного повного внутрішнього відбивання поляризованого випромінювання у широкому спектральному діапазоні. Вимірювання в області "залишкових променів" та відповідних резонансів оптично-анізотропних полярних напівпровідників та структур на їх основі дають змогу визначити їх оптичні та електрофізичні властивості, дослідити вплив анізотропії фононної та плазмової підсистем на властивості змішаних поверхневих плазмон-фононних поляритонів. Крім того, проведено теоретичні дослідження методами машинного моделювання в прикладних пакетах MathCad, Excel, Pascal і співставлення їх з результатами експериментальних досліджень. Як допоміжні методи використовувались: інтерферометрія, ефект Холла, парамагнітний резонанс, рентгеноструктурний аналіз.

Наукова новизна одержаних результатів. В результаті комплексних експериментальних і теоретичних досліджень полярних оптично-анізотропних напівпровідників ZnO, 6H-SiC та структур на їх основі методами спектроскопії ІЧ-відбивання та поверхневих поляритонів вперше отримано такі наукові результати:

1. Встановлено, що в монокристалах 6H-SiC та ZnO при орієнтації К^С, ху^С можливе існування чотирьох і відповідно трьох типів змішаних ППФП, збудження та розповсюдження яких обумовлено впливом анізотропії ефективної маси вільних носіїв зарядів і кристалічної гратки напівпровідників 6H-SiC та ZnO на поверхневі електромагнітні хвилі; ці типи коливань відсутні у оптично-ізотропних напівпровідниках; виявлено також залежність кількості дисперсійних гілок у 6H-SiC і ZnO від концентрації вільних носіїв зарядів у зоні провідності та від орієнтації оптичної осі кристала відносно його поверхні.

2. Теоретично передбачено та експериментально підтверджено можливість існування поверхневих фононних та плазмон-фононних поляритонів 2-го типу в гексагональних монокристалах ZnO при орієнтації К||С, ху||С і отримано спектри порушеного повного внутрішнього відбивання поверхневих фононних та плазмон-фононних поляритонів. Експериментально встановлено, що затухання фононної та плазмової підсистем оксиду цинку дозволяє зареєструвати поверхневі фононні та плазмон-фононні поляритони в околі "точки зупинки" і в реальних випадках вона не є “особливою точкою”. Частота поперечного оптичного фонона для ZnO може бути "точкою зупинки" лише у гармонічному наближенні. На частоті поперечного оптичного фонона спостерігається спектр модифікованого порушеного повного внутрішнього відбивання (ППВВ) ПП змішаного типу, коли одночасно генеруються ПП 1-го та 2-го типів.

3. Встановлено, що для одновісних полярних напівпровідників, значення коефіцієнтів затухання плазмової підсистеми яких порівнянні із плазмовою частотою, можливе дослідження коефіцієнтів затухання ППФП різних типів графічним методом. Виявлено залежність коефіцієнта затухання ППФП від частоти та хвильового вектора ПП в області "залишкових променів" полярних напівпровідників.

4. Показано, що коефіцієнти затухання ППФП 1-го та виявлені ППФП 2-го типів ZnO в околі частоти поперечного оптичного фонона можна отримати графічним методом. Встановлено, що просторова структура полів ПП 1-го і 2-го типів не проявляє суттєвих особливостей ні в спектрах ПП, ні в коефіцієнтах затухання, а поляризація ПП в гексагональному оксиді цинку носить змішаний характер ЕН-типу і лише при ортогональних орієнтаціях хвильового вектора ПП відносно оптичної осі існують ПП Н-типу.

5. Встановлено, що взаємодія ППФП тонких сильно легованих плівок оксиду цинку, осаджених на діелектричних і напівпровідникових підкладинках, з поверхневими фононними поляритонами підкладинки супроводжується збудженням нової дисперсійної гілки.

6. На основі дисперсійного аналізу спектрів ІЧ-відбивання та ППВВ визначено електрофізичні властивості системи тонка плівка-ZnO на діелектричних та напівпровідникових підкладинках, одержаних методом низькотемпературного плазмохімічного синтезу при різній товщині плівки та концентрації вільних носіїв зарядів у ZnO; встановлено, що при збільшенні концентрації вільних носіїв зарядів у плівках ZnO товщиною понад 0,4 мкм спостерігається збудження нової високочастотної дисперсійної гілки, яка проявляється завдяки плазмон-фононній взаємодії.

7. Розроблена математична модель, що враховує наявність порушеного шару на поверхні одновісних напівпровідників, дозволила шляхом порівняння розрахунків з експериментом виявити зміни в спектрах ІЧ-відбивання при різних орієнтаціях електричного вектора Е ІЧ-випромінювання відносно оптичної осі С і поверхні монокристала ZnO при різних обробках поверхні. Показано, що оптичні параметри порушеного шару ZnO можна визначати за допомогою дисперсійного аналізу спектрів ІЧ-відбивання в околі частоти поперечного оптичного фонона.

Практичне значення одержаних результатів. Серед основних результатів, що мають важливе прикладне значення для оптики напівпровідників і приладобудування, слід виділити такі:

1. Методами дисперсійного аналізу спектрів ІЧ-відбивання та ПП вперше отримано дані щодо впливу анізотропії ефективної маси електронів та анізотропії кристалічної гратки на прояв змішаних поверхневих плазмон-фононних збуджень в монокристалах 6H-SiC та ZnO.

2. Розроблено безконтактний спосіб визначення концентрації no та рухливості mL вільних носіїв зарядів у полярних оптично-анізотропних напівпровідникових матеріалах, що дає можливість розширити діапазон вимірювання концентрації та рухливості носіїв зарядів і підвищити точність їх вимірювань.

3. Створено оптико-механічний модулятор світлового потоку, що функціонує за рахунок зміни коефіцієнта відбивання на частоті модуляції при зміні поляризації електромагнітного випромінювання або орієнтації оптичної осі С монокристала в площині обертання оптичного елемента.

4. Розроблено неруйнівний спосіб визначення напрямку орієнтації оптичної осі оптично-анізотропних полярних одновісних кристалів.

5. Запропоновано використовувати властивості ППФП 2-4-го типів у полярних оптично-анізотропних напівпровідниках для визначення їх фундаментальних характеристик (коефіцієнтів анізотропії ефективної маси вільних носіїв зарядів, частоти довгохвильових оптичних коливань гратки, показника заломлення тощо).

6. Розроблено метод визначення оптичних параметрів порушеного шару в полярних одновісних кристалах при використанні спектроскопії ІЧ-відбивання в області "залишкових променів".

7. Розроблено методику проведення оптичної діагностики тонких високотекстурованих шарів ZnO на діелектричних і напівпровідникових підкладинках, яка використана для визначення ступеня легованості тонких плівок оксиду цинку, питомої провідності та рухливості вільних носіїв зарядів, товщини плівки тощо.

8. До результатів, які мають практичне значення, можна віднести також метод визначення оптичних параметрів приповерхневої області одновісних напівпровідників шляхом порівняння поверхонь розрахункових і експериментальних значень спектрів зовнішнього відбивання та ППВВ.

Особистий внесок здобувача. В дисертації узагальнено результати досліджень, виконаних автором особисто та групою співробітників під його керівництвом. Всі експериментальні результати, представлені у дисертаційній роботі, належать авторові. Автором самостійно вивчено оптичні та електрофізичні властивості тонких плівок оксиду цинку на підкладинках карбіду кремнію (політип 6Н) при різних ступенях легування плівки та підкладинки. Досліджено частотну залежність коефіцієнта відбивання R(n) від поверхні одновісних оптично-анізотропних монокристалів 6H-SiC за наявності зв'язку довгохвильових оптичних коливань гратки з електронною плазмою.

В роботах, які увійшли до дисертації, виконаних автором у співавторстві, йому належить участь у постановці задач досліджень, виборі та підготовці об'єктів досліджень та одержанні результатів, визначенні методів їх вирішення, провідна роль в інтерпретації цих результатів, формулюванні висновків та узагальнень на їх підставі, написанні статей.

Основна частина отриманих результатів доповідалась автором особисто на симпозіумах, конференціях, вітчизняних і міжнародних нарадах, семінарах.

Апробація результатів дисертації. Основні результати, що викладено у дисертації, доповідались та обговорювались на таких симпозіумах, конференціях, вітчизняних і міжнародних нарадах, семінарах: Х - XIII International School-Seminars "Spectroscopy of Molecules and Crystals" (Kharkiv, 1993; Nizhyn, 1995; Sumy, 1997; Odessa, 1999), IV - VI Міжнародних конференціях з фізики і технології тонких плівок (Івано-Франківськ, 1993 - 1995), II Українській конференції "Материаловедение и физика полупроводниковых фаз переменного состава" (Ніжин, 1993), Шостому Міжнародному симпозіумі "Тонкие пленки в электронике" (Лазурне, 1995), Міжнародному семінарі "Спектральные и химические методы анализа: техника и практика" (Ялта, 1995), SPIE - International Conference on "Optical Diagnostic of Material and Device for Opto-, Micro-, and Quantum Electronics" (Kиїв, 1995), International Workshop on Advanced Technologies of Multicomponent Solid Films and their Application in Phonics (Ужгород, 1996), VI International conference "Physics and technology of thin films" (Івано-Франківськ, 1997), Solid State Physics: Fundamental Application International School-Conference for Young Scientists (Kaцевелі, 1997), Міжнародній конференції "Современные проблемы физики полупроводников" (Нукус, 1997), International Conference on Optical Diagnostics of Materials and Devices for Opto-, Micro and Quantum Electronics (Kиїв, 1997), International Conference “Advanced Materials” (Kиїв, 1999), VI International Conference “Optical Diagnostics of Materials and Devices for Opto-, Micro and Quantum Electronics (Kиїв, 1999), V International Conference “Material Science and Material Properties for Infrared Optoelectronics” (Kиїв, 2000), 11th European Conference on Diamond, Diamond-Like Materials, Carbon Nanotubes, Nitrides and Silicon Carbide (Porto, Portugal, 2000), International Conference on Optoelectronics Information Technologies “Photonics-ODS 2000” (Vinnitsia, Ukraine, 2000), The Third International EuroConference on Advanced Semiconductor Devices and Microsystems, (Smolenice Castle, Slovakia, 2000).

Публікації. Основні матеріали дисертації відображено у 54 наукових роботах, опублікованих у провідних вітчизняних та зарубіжних журналах, збірниках, матеріалах міжнародних і вітчизняних конференцій, шкіл, нарад. 28 робіт опубліковано в реферованих фахових журналах, з них 7 виконано без співавторів; 6 - у збірниках наукових праць; 9 - у матеріалах конференцій; 5 - у тезах конференцій; опубліковано 1 препринт; оригінальні рішення захищено 5 патентами на винахід, з яких 2 - Російської Федерації і 3 - України.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, п'яти розділів основного тексту, кожний з яких починається вступним підрозділом і закінчується висновками, загальних висновків і списку використаних джерел. Загальний обсяг дисертаційної роботи становить 329 стор., в тому числі 21 таблиця і 80 рисунків, з яких 7 зображено на 6 окремих сторінках, інші вмонтовано в текст. Список літератури налічує 298 джерел на 31 стор.

2. Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовано основну мету і завдання досліджень, вказано наукова новизна та практичне значення отриманих результатів, зв'язок роботи з плановими завданнями інституту, наведено відомості стосовно апробації роботи, публікацій, структури і короткого змісту дисертації за розділами.

У першому розділі розглядаються методи дослідження властивостей плазмон-фононних збуджень у полярних напівпровідниках при довільних орієнтаціях електричного вектора та оптичної осі кристала. Проаналізовано рівняння розрахунку спектрів ПП та зовнішнього ІЧ-відбивання для нелегованих та сильно легованих оптично-анізотропних напівпровідників при адитивному врахуванні у діелектричні проникності взаємодії фононної та плазмової підсистем. Показано, що врахування їх затухання призводить до цілого ряду цікавих ефектів, які можуть бути зареєстровані експериментально.

На основі проведеного аналізу існуючих методів експериментального дослідження взаємодії електромагнітного випромінювання з полярними напівпровідниками встановлено, що найефективнішим методом для вивчення властивостей плазмон-фононних збуджень у анізотропних напівпровідниках є метод спектроскопії зовнішнього ІЧ-відбивання та модифікований метод порушеного повного внутрішнього відбивання, коли його елемент розміщується на певній відстані від поверхні зразка.

У літературному огляді розглянуто роботи, присвячені методам дослідження коефіцієнтів затухання поверхневих фононних та плазмон-фононних поляритонів Гпп(н). показано, що описані методи справедливі за умов gф < нт і gp < нp. Відзначено, що існує цілий ряд напівпровідників, у яких коефіцієнт затухання плазмонів порядку частоти плазмових коливань. Наприклад, у карбіді кремнію (політип 6Н) частота поперечного оптичного фонона дорівнює 797 см-1, а його коефіцієнт затухання - 3 см-1, в той же час при сильному легуванні азотом плазмова частота в карбіді кремнію змінюється до 900 см-1 і більше при коефіцієнті затухання плазмонів 700-1200 см-1, що значно ускладнює дослідження коефіцієнтів затухання ППФП у кристалі.

Для дослідження коефіцієнтів затухання ППФП нами вперше запропоновано використовувати графічний метод визначення Гпп(н) ? сильно легованих оптично-анізотропних напівпровідникових кристалах типу 6H-SiC, ZnO, теоретичне обґрунтування якого для фононних ПП подано у роботі [9]. Встановлено, що він справедливий для кристалів, в яких існує залежність між експериментальною шириною мінімуму в спектрі ППВВ Гп та істинним значенням коефіцієнта затухання ПП Гпп і в першому наближенні вона є функцією тільки частоти та залежить від коефіцієнта затухання фонона ?ф.

У другому розділі наведено результати досліджень монокристалів 6H-SiC методами спектроскопії ІЧ-відбивання та ПП. За допомогою спектрометра SPEСORD-M80 у поляризованому випромінюванні зареєстровано спектри IЧ-відбивання R(?) монокристалів 6H-SiC при орієнтаціях E^C та Е||С в області частот 200-4000 см-1 при концентраціях електронів no в кристалах від 1016 до 5 Ч 1019 см-3. Коефіцієнт поляризації становить 0,98.

Концентрація електронів у с-зоні для ряду монокристалів 6H-SiC визначалась за допомогою вимірювання пропускання зразків при Е^С на довжині випромінювання хвилі ? = 0,628 мкм, для деяких монокристалів використано електронний парамагнітний резонанс. Отримані дані добре узгоджуються з результатами вимірювань за ефектом Холла. Під час аналізу спектрів ІЧ-відбивання було використано об'ємні параметри 6H-SiC, одержані нами раніше. Всі виміри проводились при кімнатній температурі. Монокристали 6H-SiC мали розміри 8 х 5 х 0,5 мм3 із природною поверхнею, протравленою 15 хв у плавиковій кислоті.

Теоретичні спектри зовнішнього відбивання R(?,нр) сильно легованого 6H-SiC при E^C (а) і Е||С (б) при скануванні за частотою n та при концентраціях носіїв зарядів no = 1,5 Ч 1017 ё 1,5 Ч 1019 см-3 наведено у вигляді кривих. Точками показано експериментальні спектри відбивання для сильно легованого карбіду кремнію (зразки типу SC-1, С-5, ПСЕ-3Б) при E^C (а) і (ПСЕ-3Б) при Е||С (б). Розрахунок R(?,нр) добре узгоджується з експериментальними даними за виключенням діапазону 800-940 см-1. За допомогою дисперсійного аналізу спектрів відбивання визначено параметри 6H-SiC при E^C та Е||С. Встановлено, що причиною розбіжності RT(н) ? RЕ(н) ? діапазоні 800-940 см-1 є прояв тонкого порушеного шару товщиною d < 0,1 мкм, викликаного обробкою поверхні 6H-SiC алмазною пастою з діаметром частинок абразива d Ј 0,5 мкм.

В результаті проведених досліджень показано, що при орієнтації Е^С істотної різниці між спектрами відбивання природного і лінійно-поляризованого випромінювання не виявлено. Це свідчить про ізотропність оптичних властивостей кристалів при Е^С.

Для легованого карбіду кремнію (політип 6Н) в спектрах ІЧ-відбивання існують два різкі спади. Під час сканування за частотою перший реєструється близько ?p, другий - нL, в той час як максимум спостерігається завжди поблизу ?т. Спектр R(n,нр) має області пропускання (R(n,нр) ” 0) та не пропускання (R(n,нр) = 1), кількість яких залежить від концентрації електронів і орієнтації оптичної осі кристала С.

Із проведених досліджень коефіцієнтів відбивання від поверхні монокристалів 6H-SiC із різним ступенем легування вперше встановлено, що за наявності зв'язку довгохвильових оптичних коливань із електронною плазмою в сильно легованому 6H-SiC (Е||С, 0 < Q < 90o) можливе розщеплення областей прозорості. Коли 30 см-1 Ј nр^< 320 см-1, у спектрах відбивання проявляється три, а коли nр^ і 320 см-1 - чотири мінімуми і така ж кількість областей прозорості і непрозорості, що пов'язано з проявом у 6H-SiC нових зв'язаних плазмон-фононних збуджень. В роботі вперше для 6H-SiC із no = 1,0 Ч 1019 cм-3 зареєстровано дві нові області непрозорості, перша з яких розміщена в діапазоні nL- < n < WL- і обумовлена наявністю вільних електронів, друга - виникає в результаті екранування поля електромагнітних хвиль оптичними коливаннями кристалічної гратки і розміщена вище області "залишкових променів" (nL+< n < WL+). Виявлено, що збільшення концентрації електронів у зоні провідності в 6H-SiC призводить до розширення областей непрозорості і до звуження областей прозорості. Коли Q = 0 і 90о при Е||С в спектрах відбивання є тільки дві області прозорості і непрозорості, що узгоджується з ізотропним випадком Е^С.

Отримані в пунктах 2.1-2.4 дисертації результати дозволили перейти до досліджень ППФП у монокристалах 6H-SiC.

У дисертації показано, що для 6H-SiC справедлива нерівність ?т|| < нт^ < нL|| < нL^.. Плазмові частоти вільних носіїв зарядів ?р^ і ?р|| пов'язані співвідношенням ?p|| = [(m^еҐ^)/(m||еҐ||)]1/2нр^. Отримані раніше нами значення ефективної маси для 6H-SiC при Е^С m^= 0,25 me і при Е||С m|| = 1,75 me, де me - маса вільного електрона, дозволили розрахувати коефіцієнт анізотропії плазмової підсистеми ?р^ = 2,682нр||. ППФП розраховувалися при врахуванні анізотропії ефективних мас електронів у 6H-SiC, яка призводить до того, що частоти плазмонів уздовж і поперек осі С суттєво відрізняються, відповідно відрізняються і дисперсійні залежності. Проведені дослідження 6H-SiC методом ППВВ дозволили виявити, що ППФП мають особливості, відсутні як в ізотропних, так і в нелегованих кристалах.

Встановлено, що при орієнтації K^C, xy||C в 6H-SiC проявляються звичайні, а при K^C, xy^C і K||C, xy||C - незвичайні ППФП. Звичайні ППФП та незвичайні при K||C, xy||C в 6H-SiC на відміну від поверхневих фононних поляритонів, для яких збуджується лише високочастотна гілка ?s(К), мають дві дисперсійні гілки. Високочастотна гілка ?+ починається в точці ? = нт^, а низькочастотна ?- - від нуля. Із збільшенням К (К®Ґ) частоти асимптотично наближаються до значень частот змішаних поверхневих плазмон-фононів . При орієнтації К^С, xy^C ситуація якісно відрізняється від ізотропного випадку. З'являються нові гілки ППФП, кількість і області існування яких залежать від концентрації електронів у зоні провідності та орієнтації оптичної осі кристала С і напрямку розповсюдження ППФП.

Cпектри ППФП 4-го типу одержано при використанні даних зразка ПСЕ-3Б. Мінімуми спектрів відповідають частотам ?мін = 1009,5 i 1084 см-1, при цьому ширина спектрів Гп = 4 i 200 cм-1 відповідно. Для спектрів ППВВ характерне радіаційне розширення. Експериментально спектри ППФП 4-го типу спостерігати не вдалося, що пов'язано із значними коефіцієнтами затухання плазмонів у зразках.

Зміна коефіцієнтів затухання ППФП Гпп пов'язана з вкладом у дисипацію енергії механічних коливань плазми та іонів кристалічної гратки. Розрахунки показали, що при значеннях ?p ” нт максимальна величина Гпп для низько- і високочастотної гілок лежать в області між ?ф і ?p, причому низькочастотна гілка має переважно плазмову природу. В дисертації показано, що максимальне значення дорівнює об'ємному затуханню плазмонів ?p. Верхня гілка має переважно фононний характер і відповідно Гпп - максимум при значеннях, рівних затуханню об'ємного фонона.

Третій розділ включає опис експериментально підібраних умов вирощування оксиду цинку гідротермальним методом, які дозволили вперше отримати монокристали розміром 10 х 8 х 8 мм3 за зміни концентрації легуючої домішки від 1016 до 5 Ч 1019 см-3. Монокристали ZnO були безкольорові або блідо-жовтого кольору, ізометричного габітусу, що характеризуються низькою густиною дефектів упаковки, відсутністю політипних модифікацій. Всі монокристали ZnO перед термообробкою орієнтувались за площинами спайності, коноскопічній картині та рентгенівським методом.

Методом ІЧ-спектроскопії досліджено поверхню зовнішнього відбивання R(?,нр) монокристалів оксиду цинку при скануванні за частотою в діапазоні 200-1000 см-1 та концентрації електронів від 1018 до 5 Ч 1019 см-3. При розрахунках використовувались отримані нами раніше взаємно узгоджені об'ємні параметри ZnO і ?ф = 14 см-1. В роботі вперше зареєстровано прояв анізотропії фононної та плазмової підсистем в спектрах зовнішнього відбивання ZnO при Е^C і E||C. Характерні особливості анізотропії властивостей гратки проявлялися на частоті 200-560 і 700-1100 см-1, де форма кривих близька одна до одної. Чітко зареєстровано відмінності спектрів R(?,nр) ZnO в діапазоні 580-660 см-1, що пов'язано із анізотропією коливального спектра кристала, з різними концентраціями електронів в цих зразках та анізотропією властивостей плазми носіїв зарядів.

Встановлено, що максимальне відхилення розрахункових спектрів R(?,нр) від експериментальних спостерігається в області 500-700 см-1. Ми пов'язуємо це із залежністю коефіцієнта затухання плазмон-фононної моди від частоти. На основі проведених досліджень отримано залежності коефіцієнтів затухання оптичних фононів gф^,|| ZnO від частоти плазмового резонансу. Показано, що підвищення концентрації електронів до 5 Ч 1019 см-3 призводить до збільшення ?ф від 11 до 40 см-1. Аналіз спектрів показав, що gф^ = gф|| = гф. Зміна концентрації електронів пов'язана з наявністю міжвузлового цинку. Лише 0,1 % його атомів виступає як активний донор. Тому така значна кількість цинку між вузлами в кристалі призводить до високої концентрації дефектів, що проявляється в підвищенні коефіцієнтів затухання фононів і плазмонів.

Вперше досліджено коефіцієнти відбивання від поверхні монокристалів ZnO в ІЧ-області спектра при врахуванні коливань трьох попарно зв'язаних підсистем: електромагнітних хвиль, оптичних коливань гратки і плазмових коливань вільних носіїв зарядів. Показано, що значна анізотропія фононів і незначна анізотропія плазмонів призводять до ряду особливостей спектра зв'язаних коливань і областей прозорості. У випадку Q № 0,p/2 в спектрах відбивання спостерігаються чотири області повного відбивання та чотири мінімуми. Визначено умови, за яких можливе експериментальне дослідження областей прозорості.

Експериментально доведено, що у формуванні R(?) в області "залишкових променів" бере участь тонкий приповерхневий шар кристала, найбільш чутливий до поверхневих обробок в області частот ?т^,||. Для зменшення його впливу кристали ZnO полірували стандартними абразивними мікропорошками (ВС-3), алмазною пастою з наступним травленням. Обробка поверхні монокристалів ZnO в ряді випадків відповідала 14-му класу точності. Контроль за товщиною та орієнтацією монокристалів ZnO здійснювався за допомогою рентгеногоніометра.

Вперше показано, що R(?,nр) з точністю d = 10-3 моделюється системою тонкий поглинаючий однорідний шар на поглинаючій “напівнескінченній” підкладинці. Ця математична модель дозволила запропонувати метод визначення оптичних та електрофізичних властивостей тонкого порушеного шару на поверхні одновісних оптично-анізотропних напівпровідників в широкому діапазоні концентрацій носіїв зарядів.

Розділ включає результати дослідження властивостей ППФП монокристалів ZnO при використанні в розрахунках даних, одержаних за допомогою методу спектроскопії зовнішнього відбивання.

Розміри монокристалів ZnO дозволили за допомогою спектрометра ИКС-29М і приставки НПВО-2 вперше зареєструвати спектри ППВВ у р-поляризованому випромінюванні для довільних орієнтацій поверхні кристала ZnO відносно осі С і напрямку розповсюдження ПП. В якості елемента ППВВ використано напівциліндр із KRS-5. Точність установки кутів у приставці НПВО-2 з елементом із KRS-5 відповідає 0,1°. Спектральна ширина щілини під час запису спектрів ППВВ з поляризатором дорівнює 3 см-1. Експериментальні спектри ППВВ вказують на чітко зареєстровану анізотропію оптичних властивостей кристалічної гратки в області "залишкових променів".

Вперше досліджено дисперсійні залежності та коефіцієнти затухання ППФП в анізотропному оксиді цинку. На основі отриманих взаємно узгоджених параметрів

ZnO та при використанні загальної теорії поверхневих поляритонних станів в анізотропних кристалах розраховані дисперсійні залежності ПП ZnO, коли вісь С орієнтована під кутом до хвильового вектора К або лежить в площині, перпендикулярній до К.

Продемонстровано добре узгодження розрахункових дисперсійних залежностей із експериментальними. Виявлено вплив анізотропії кристалічної гратки на дисперсійні властивості ПП.

В роботах В.В. Бриксіна та співавт. [1] ПП, які виникають в областях, де головні значення тензора діелектричної проникності кристала від'ємні, названі поверхневими поляритонами 1-го типу, а в областях, де одна з цих величин від'ємна, а друга додатна - поляритонами 2-го типу. Останні існують лише в анізотропних кристалах і не мають аналога в ізотропних середовищах. Нами вперше вивчено ППФП 1-го і 2-го типів в анізотропному ZnO. Встановлено, що ППФП 2-го типу для ZnO існують в діапазоні частот 380-412 см-1 при орієнтації К||С, ху||С. Частота 412 см-1 є межею між ПП 1-го і 2-го типів, її називають “особлива точка”, або "точка зупинки". У збільшеному масштабі зображено частину дисперсійної залежності ?s(К) в області частот 380-420 см-1. Практично ?s(К) представляє собою пряму, що переходить із ППФП 2-го типу в ?s(К) 1-го типу. Показано, що наявність затухання дозволяє зареєструвати ПП в околі "точки зупинки" і в реальному випадку вона не є “особливою точкою”. В нашому випадку спектри ППФП 2-го типу плавно переходять в спектри 1-го типу. Встановлено, що частота 412 см-1 може бути "точкою зупинки" лише в гармонічному наближенні. На частоті 412 см-1 спостерігаються спектри ППВВ ПП змішаного типу, коли одночасно генеруються ПП 1-го і 2-го типів. Встановлено, що коефіцієнти затухання нелегованого ZnO для цих частот однакові і дорівнюють 4 см-1, хоча реальні спектри ПП значно ширші. Визначено умови дослідження незмішаних "чистих" ПП 2-го і 1-го типів.

Теоретично передбачено та експериментально підтверджено залежність властивостей ПП від орієнтації оптичної осі кристала С, ступеня легування ZnO та взаємного розташування частот полярних коливань кристалічної гратки при E^C та E||C. На підставі одержаних результатів для ПП 1-го і 2-го типів зроблено висновок про ефективність одночасного використання методу спектроскопії цих типів ПП як незалежного, неруйнівного методу для визначення частот полярних коливань ZnO і концентрації вільних носіїв зарядів, напрямку оптичної орієнтації осі кристала С, що співпадає з даними рентгеноструктурного аналізу з точністю до розорієнтації кристала.

Для монокристалів ZnO із ступенем легування від 1017 до 5 Ч 1019 см-3 досліджено коефіцієнти затухання поверхневих фононних та плазмон-фононних поляритонів 1-го та 2-го типів. Показано, що затухання ППФП 2-го типу зі збільшенням частоти монотонно зростає. Дисперсійний аналіз коефіцієнтів затухання ПП показав, що експериментальні значення Гпп більші за розрахункові на 5-10 %. Причиною цього є дисипація енергії у приповерхневому шарі, а також на шорсткостях поверхні реальних кристалів, які існують навіть при високій чистоті обробки зразків. Дослідження дисперсійних залежностей ПП 2-го типу були проведені раніше в роботах Д.Н. Мірліна, І.І. Решіної, В.Л. Стрижевського та інших авторів, але коефіцієнти затухання ПП 2-го типу нами досліджені вперше. Збільшення концентрації електронів до 6,6 Ч 1017 см-3 в околі частоти 412 см-1 призводить до прояву коефіцієнта затухання Гпп = 5,5 см-1. Коефіцієнти затухання ПП 1-го типу у нелегованому ZnО в діапазоні від 406 до 530 см-1 змінюються від 3,8 до 13,6 см-1 при K||C, xy||C; від 4,1 до 15,2 см-1 при K^C, xy^C і від 4,3 до 17 см-1 при K^C, xy||C.

Математичний експеримент показав, що ширина лінії в теоретичних спектрах ППВВ для монокристалів оксиду цинку менша величини об'ємного затухання фонона і лише при граничній частоті досягає його значення Гпп. Експериментальні значення Гпп, що визначаються за напівшириною мінімумів спектрів ППВВ, виявляються більшими, ніж затухання об'ємних фононів. Причиною цього є дисипація енергії у навколишньому середовищі (це можуть бути порушені аморфизовані шари, порушення ближнього порядку в приповерхній області ZnО, що формують сигнал ППВВ, включення нестехіометричного походження тощо), а також шорсткості реальних поверхонь, які мають місце навіть при високій чистоті обробки зразків.

При використанні даних зразка ZC1M вперше розраховано спектр ППВВ ППФП 3-го типу. Його одержано при врахуванні коефіцієнтів затухання фононної (gф^,|| = 6 см-1) та плазмової (gр^,|| = 1 см-1) підсистем при куті падіння ІЧ-випромінювання 28° і величині зазору між елементом і зразком 26 мкм. Мінімум спектра ППФП 3-го типу знаходиться на частоті ?мін = 312,5 см-1 при Кс/?т|| = 0,92.

У четвертому розділі наведено результати комплексних досліджень тонких плівок оксиду цинку на діелектричних і напівпровідникових підкладинках, отриманих в умовах плазмохімічного низькотемпературного синтезу. Показано, що даний метод дозволяє одержувати прозорі, текстуровані плівки оксиду цинку товщиною від 0,01 до 10 мкм на підкладинках Al2O3, SiO2, 6H-SiC при концентрації електронів у зоні провідності ZnО від 1017 до 5 Ч 1018 см-3, які знаходять широке застосування в оптоелектроніці. При легуванні плівок ZnО використано високолеткі металоорганічні сполуки b-дикетонати відповідних металів індію, алюмінію, галію. Встановлено зв'язок оптичних та електрофізичних характеристик одержуваних плівок ZnО із технологічними параметрами процесу осадження та визначено їхні оптимальні значення.

Методами спектроскопії ІЧ-відбивання та ПП досліджено оптичні та електрофізичні властивості плівок ZnО на підкладинках Al2O3, SiO2, 6H-SiC тощо. Встановлено, що наявність вільних носіїв зарядів (електронів) у плівках ZnО порядку nо = 1018-1019 cм-3 істотно деформує спектр відбивання в області 400-1200 см-1. Однак зміна положення легованих плівок оксиду цинку на діелектричних і напівпровідникових підкладинках у площині ху практично не змінює форми спектра R(?), що свідчить про ізотропність оптичних та електрофізичних властивостей досліджуваної системи. На основі одержаних результатів було зроблено висновок, що оптична вісь текстурованих шарів оксиду цинку на підкладинках Al2O3, SiO2, 6H-SiC перпендикулярна до площини ху.

Вперше методом дисперсійного аналізу спектрів ІЧ-відбивання визначено плазмову частоту та коефіцієнти затухання фононів gф = 12 ё 25 см-1 і плазмонiв gр = 100 ё 800 см-1, які змінюються залежно від технології отримання й обробки шарів оксиду цинку. Показано, що спектри ІЧ-відбивання структур типу ZnО-Al2O3, ZnО-6H-SiC, ZnО-SiО2 добре моделюються при використанні взаємно узгоджених параметрів (див. розділ 3) для монокристалів ZnО, що підтверджує перспективність методу ІЧ-спектроскопії при визначенні як електрофізичних властивостей плівок ZnО, так і ступеня їх текстурованості.

На прикладі ZnО-6H-SiC показано, як зміна ступеня легування плівки та підкладинки може впливати на коефіцієнт відбивання в області "залишкових променів". Встановлено, що вигляд спектрів відбивання складним чином пов'язаний з інтенсивностями коливань. У той же час є проста кореляція спектра відбивання з частотами полюсів і нулів e(н), ?обто з частотами поперечних і поздовжніх оптичних фононів. Точка перегину низькочастотного схилу першої (діапазон 300-500 см-1) та другої (діапазон 700-1000 см-1) смуг відбивання близька до частоти поперечного оптичного фонона оксиду цинку та карбіду кремнію (політип 6Н) відповідно, а високочастотного схилу - до частоти поздовжніх оптичних фононів цих напівпровідників. При товщині плівки d < 90 нм форма спектра R(?) визначається переважно підкладинкою 6H-SiC, а плівка оксиду цинку при d > 10 мкм має форму спектра відбивання "напівнескінченного" ZnО. Зміна ступеня легування підкладинки 6H-SiC від 5 Ч 1017 до 3 Ч 1018 см-3 характеризується зміщенням RЕ(?) і RТ(?) в області мінімуму "залишкових променів" підкладинки 6H-SiC на 18 см-1 та необхідністю врахування при аналізі спектрів R(?) наявності плазмон-фононної взаємодії.

Експериментально встановлено, що gф у плівці ZnО суттєво впливає на спектр відбивання структури ZnО-6H-SiC тільки в області частоти поперечного оптичного фонона ZnО (412 см-1). В інших діапазонах вплив gф на R(?) практично відсутній.

Методом спектроскопії ПП досліджено напівпровідникові структури типу напівпровідник-діелектрик та напівпровідник-напівпровідник.

У дисертації теоретично передбачено, що в системі ZnO-SiO2 існують три дисперсійні гілки ПП, однак експериментально було зареєстровано лише дві гілки. Спостереження третьої гілки обмежувалось можливостями спектрофотометра. У разі товщини плівки d < 0,1 мкм відстань між ns(К) максимальна. Високочастотна і низькочастотна гілки дуже близькі до частоти ?L плівки оксиду цинку і до дисперсійної гілки плавленого кварцу відповідно. Зі зростанням товщини плівки ці гілки зближуються, і для d > 10 мкм вони відрізняються тільки при дуже малих значення хвильового вектора (K < 2,3) та практично співпадають при великих K. Результуюча вироджена гілка накладається на дисперсійну криву монокристала ZnО. При фіксованій товщині плівок (3-10 мкм) збільшення К призводить до "переключення" локалізації поля від однієї границі поділу до іншої, а при товщині плівки 1-2 мкм відбуваються резонансні ефекти: ріст амплітуди електричного поля ПП та збільшення відстані між дисперсійними гілками (особливо при малих значеннях К) внаслідок просторового перекривання полів, локалізованих на різних границях плівки.

У роботі показано, що для найбільш товстих плівок високочастотна гілка ПП локалізована на межі поділу ZnO-повітря, а дві інші гілки - ZnО-SiO2. Однак було помічено, що при товщині плівки 1-2 мкм області локалізації ПП на двох різних границях поділу помітно перекриваються, це може призвести до їх змішування.

Із проведеного аналізу одержаних результатів встановлено, що якщо товщина плівок ZnО більша 10 мкм, то слід говорити про ПП, локалізовані на межі повітря - ZnО або ZnО-SiO2 відповідно. Для більш тонких плівок, коли їх товщина стає такою ж, як область локалізації ПП (d = 1-2 мкм), відбувається змішування останніх, які належать до вказаних границь. У тонких плівках (d < 1 мкм) амплітуди поля в усіх трьох середовищах одного і того самого порядку. Урахування затухання ПП призводить тільки до малих змін положення їх гілок і розподілу полів.

Методом ППВВ досліджено дисперсію ПП одновісного Al2O3. Експериментальні результати показали прояв чотирьох дисперсійних гілок. Зареєстровано залежність частоти ПП для четвертої високочастотної гілки (630-820 см-1) від орієнтації оптичної осі відносно поверхні кристала та хвильового вектора.

Аналіз проведених досліджень ПП системи плівка-ZnО на сапфірі показав, що при товщині шару порядку 0,01-6 мкм дисперсійна залежність ZnО ПП має високочастотну та низькочастотну гілки. Перша з них гілка фононних ПП проявляється в спектрах ППВВ у діапазоні частот 571-600 см-1, а низькочастотна - 443-483 см-1. При зменшенні товщини плівки ZnО від 1 до 0,01 мкм граничні частоти низькочастотної гілки зміщуються в область менших частот на 7 см-1, а граничні частоти високочастотної гілки збільшуються на 2 см-1.

У п'ятому розділі розглянуто деякі можливості та приклади практичного застосування результатів досліджень, викладених у попередніх розділах.

Дано опис запропонованого оптико-механічного модулятора світлового потоку. Спосіб дозволяє здійснювати амплітудну модуляцію електромагнітного випромінювання серійних СО2-лазерів, що працюють у неперервному режимі генерації. Його суть полягає в тому, що модулюючий елемент, виготовлений із оптично-анізотропного монокристала лейкосапфіра, жорстко кріпиться в оправі таким чином, що плоска поверхня перпендикулярна до осі двигуна і обернена до джерела та приймача випромінювання. Експериментально встановлено, що для Al2O3 при орієнтації E^C в області мінімуму "залишкових променів" 900-1050 см-1 R(n) рівний нулю, а при E||C значення R(n) у цьому діапазоні максимальне (93 %). Змінюючи напрям орієнтації оптичної осі монокристала, при повороті Al2O3 на 90°, можна здійснити амплітудну модуляцію електромагнітного випромінювання за рахунок зміни інтенсивності R(n) в області "залишкових променів".

Головна відмінність даного способу модуляції від існуючих полягає в тому, що оптико-механічний модулятор простий за конструкцією та у використанні, забезпечує великі коефіцієнти модуляції (понад 90 %) потужного світлового потоку з густиною енергії до 45 Вт/см2, має велику швидкість дії, не потребує унікального обладнання і може бути широко використаний у радіо-, фото-, пірометрії, космічній техніці та інших галузях вимірювальної техніки, пов'язаної з модуляцією світлового потоку енергії в хімічно - та радіаційно-активних середовищах при температурі до 1000 °С.

Представлено неруйнівний спосіб визначення концентрації nо і рухливості mL вільних носіїв зарядів у полярних оптично-анізотропних напівпровідниках. Показано, що для визначення nо і mL достатньо виміряти R(n) на двох частотах ?1 та ?2 з області мінімуму "залишкових променів" матеріалу:

, .

Значення R(?1) та R(?2) підставляють у формулу для розрахунку R(?), яка адитивно враховує вклад фононної та плазмової підсистем у діелектричну проникність. Маємо два рівняння з двома невідомими (всі інші параметри відомі). За допомогою ЕОМ визначаються концентрація та рухливість вільних носіїв зарядів у кристалі.

Переваги цього способу очевидні, оскільки необхідно виміряти лише два значення R(?) на заздалегідь відомих частотах, постійних для даного полярного напівпровідника. Точність визначення nо і ?L в даному способі залежить лише від точності експериментального визначення R(?1,2), які вимірюються з точністю ± 1 %.

Як приклад метод апробовано для монокристалів ZnO та 6H-SiC. Для них було розроблено прості аналітичні вирази, які характеризують залежність концентрації носіїв зарядів від коефіцієнта відбивання на частоті мінімуму в області "залишкових променів" (за відомих параметрів полярного кристала, включаючи значення коефіцієнтів затухання плазмонів). Враховуючи їх, можна визначати концентрацію носіїв заряду, вимірявши зміну коефіцієнта відбивання DR(н) ?а частоту ?min.

Запропоновано спосіб визначення напрямку орієнтації оптичної осі оптично-анізотропних полярних одновісних кристалів, який полягає в тому, що на плоску поверхню монокристала направляють пучок лінійно-поляризованого інфрачервоного випромінювання з області "залишкових променів". Експериментальне значення R(n) реєструється на частоті nR із вказаної області, теоретично вона визначається за допомогою отриманого нами рівняння:

.

Для кожного полярного кристала резонансна частота nR є величина стала, яка належить ІЧ-діапазону. Крім того, якщо товщина порушеного шару d < 1 мкм, то nR визначається тільки параметрами кристалічної гратки та напрямком орієнтації оптичної осі С.

Напрямок орієнтації оптичної осі визначається шляхом порівняння R(n), розрахованого запропонованою математичною моделлю з експериментальним значенням резонансної частоти. Статична та високочастотна діелектричні проникності, частота поперечного і поздовжнього оптичного фонона в даній математичній моделі є функцією кута ? (б - кут між напрямком електричного вектора Е та оптичною віссю кристала С). Точність визначення напрямку орієнтації оптичної осі залежить від достовірності R(nR), яка в області резонансної частоти визначається з точністю 1-2 % стандартними промисловими приладами без необхідності їх модернізації (заміна фільтрів, граток, приставки для відбивання і т. д.), що розширює можливості застосування способу, спрощує та робить його універсальним.

Закінчується робота основними висновками за результатами досліджень і розробок, переліком використаної літератури.