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

Висновки

У дисертаційній роботі наведене теоретичне узагальнення і нове вирішення наукової проблеми, що виявляється у з'ясуванні впливу анізотропії фононної та плазмової підсистем на властивості поверхневих фононних та плазмон-фононних поляритонів в оптично-анізотропних полярних напівпровідниках ZnO і 6H-SiC та структурах на їх основі. Досліджено процес взаємодії 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 типів в області "залишкових променів". Показано, що цілий ряд нових явищ, які спостерігаються в анізотропних кристалах, зокрема, прояв ППФП 2-4-го типів, перспективні для практичного використання. Практична корисність і новизна підтверджена оформленими патентами. Головні наукові і практичні результати роботи:

1. Анізотропія ефективних мас вільних носіїв зарядів (електронів) та кристалічної гратки в 6H-SiC призводить до прояву нових дисперсійних гілок нерадіаційних ПП, які пов'язані з поверхневими плазмонами і з поверхневими оптичними фононами. Показано, що для сильно легованого 6H-SiC при орієнтації К^С, ху^С існує чотири дисперсійних гілки. Визначено критерії збудження та поширення ППФП 3-го та 4-го типів. Показано, що останні існують в обмеженому інтервалі значень хвильового вектора і завжди знаходяться вище відповідно низькочастотної і високочастотної гілок ППФП. При збільшенні концентрації вільних носіїв зарядів початок і кінець дисперсійних гілок 3-го і 4-го типів зміщуються у високочастотну область.

2. Теоретично та експериментально досліджено поверхневі фононні та плазмон-фононні поляритони гексагональних монокристалів ZnO при трьох ортогональних орієнтаціях осі С відносно напрямку поширення ПП. Показано, що поляризація анізотропних ПП оксиду цинку носить змішаний характер ЕН-типу і лише при ортогональних орієнтаціях хвильового вектора ПП відносно оптичної осі С ПП Н-типу.

3. Вперше теоретично визначено області існування поверхневих фононних та плазмон-фононних поляритонів 2-го типу в монокристалах ZnO при орієнтації К||С, ху||С та експериментально отримано їх спектри. 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, а частота поперечного оптичного фонона при Е^С для ZnO може бути "точкою зупинки" лише у гармонічному наближенні. На даній частоті спостерігається спектр ППВВ ПП змішаного типу, коли генеруються одночасно ПП 1-го і 2-го типів.

4. Досліджено коефіцієнти затухання поверхневих фононних та плазмон-фононних поляритонів 1-го та 2-го типів в анізотропному оксиді цинку. Виявлено залежність коефіцієнта затухання ПП від його частоти та хвильового вектора в діапазоні 406-530 см-1 (орієнтація К||С, ху||С). Встановлено, що спектри ППФП 1-го і 2-го типів в околі частоти поперечного оптичного фонона для сильно легованого ZnO за властивостями практично не відрізняються від спектрів ППВВ для фононних ПП, єдина відмінність - збільшений коефіцієнт затухання ППФП.

5. Показано, що при концентрації вільних носіїв зарядів (електронів) no і 1018 cм-3 у монокристалах ZnO за орієнтації К^С, ху^С проявляються нові дисперсійні гілки, які відсутні в ізотропних кристалах. Вперше встановлено, що кількість дисперсійних гілок у ZnO змінюється при зміні концентрації вільних носіїв зарядів, максимально їх три. ППФП 3-го типу виникають при певних значеннях хвильового вектора та існують або при необмеженому збільшенні хвильового вектора К чи в обмеженому зверху інтервалі його значень.

6. Вперше отримано спектри ППВВ ППФП 3-го і 4-го типів для оптично-анізотропних одновісних кристалів. Показана можливість їх експериментального дослідження.

7. Показано можливість визначення оптичних та електрофізичних властивостей тонких легованих плівок оксиду цинку на діелектричних та напівпровідникових підкладинках в області "залишкових променів" плівки та підкладинки методами спектроскопії ППВВ та ІЧ-відбивання. Встановлено, що оптична діагностика анізотропних структур на основі математичної моделі, яка адитивно враховує вклад фононної та плазмової підсистем плівки та підкладинки в діелектричну проникність, дозволяє одержувати значення рухливості та провідності носіїв зарядів у тонких плівках оксиду цинку на напівпровідникових підкладинках.

8. Вперше встановлено критерії, за яких можливе розщеплення областей прозорості у спектрах зовнішнього відбивання в сильно легованих оптично-анізотропних напівпровідниках. Виявлено, що максимальна кількість областей прозорості і непрозорості не перевищує чотирьох.

9. Показано, що в анізотропному карбіді кремнію (політип 6Н) наявність областей прозорості 3-го та 4-го типів зумовлена проявом нових змішаних плазмон-фононних збуджень, перша з яких розміщена в області довгохвильових оптичних коливань гратки і обумовлена наявністю вільних електронів, друга виникає в результаті екранування поля електромагнітних хвиль оптичними коливаннями кристалічної гратки і розміщена вище області "залишкових променів". Встановлено, що збільшення концентрації електронів у зоні провідності в 6H-SiC призводить до розширення областей непрозорості і до звуження областей прозорості. Коли Q = 0 і 90° при Е||С в спектрах відбивання є тільки дві області прозорості і непрозорості, що узгоджується з ізотропним випадком Е^С. Виявлено, що для збудження незвичайної електромагнітної хвилі суттєвою є як анізотропія фононної підсистеми, так і анізотропія ефективних мас носіїв зарядів, чим і можна пояснити відсутність розглянутих ефектів у кубічних напівпровідникових кристалах.

10. Методом спектроскопії ППВВ досліджено властивості ПП (дисперсія, просторова структура поля тощо) плівки ZnO на діелектричних і напівпровідникових підкладинках. Показано, що області "залишкових променів" плівки та підкладинки можуть не перекриватися, частково або повністю перекриватися залежно від типу підкладинки. На основі проведеного розподілу z-компоненти електричного поля від хвильового вектора ПП встановлено належність поляритонних гілок до відповідних границь поділу, що дозволяє більш точно визначити параметри плівки на межі поділу повітря-плівка і плівка-підкладинка.

11. Досліджено властивості поверхневих фононних та плазмон-фононних поля-

ритонів тонких плівок ZnO залежно від товщини шару і концентрації носіїв зарядів у ньому. Показано, що при товщині плівки 0,01-6 мкм дисперсійна залежність фононних ПП плівки має високочастотну та низькочастотну гілки. Встановлено, що при зменшенні товщини плівки ZnO низькочастотна дисперсійна гілка зміщується у короткохвильову, а високочастотна - у довгохвильову ІЧ-області. Виявлено вплив шарів ZnO різної товщини на дисперсійні гілки сапфіра: збільшення товщини шару ZnO призводить до зменшення граничної частоти поверхневого фононного поляритона сапфіра.

12. Розроблено оптико-механічний модулятор світлового потоку, що дозволяє здійснювати модуляцію електромагнітного випромінювання серійних СО2-лазерів в екстремальних умовах. Модуляція світлового потоку відбувається за рахунок зміни інтенсивності коефіцієнта відбивання в області "залишкових променів" матеріалу. Виявлено, що при використанні монокристалів лейкосапфіра в якості модулюючого елемента модуляція світлового потоку може відбуватися у широкому частотному діапазоні при коефіцієнті модуляції понад 90 %. Суттєво, що оптико-механічний модулятор тривалий час може здійснювати модуляцію світлового потоку з густиною енергії потоку до 45 Вт/см2 в хімічно- та радіаційно-активних середовищах при температурі до 1000 °С.

13. Розроблено спосіб визначення концентрації та рухливості носіїв зарядів у полярних оптично-анізотропних напівпровідникових матеріалах. Показано, що значення концентрації та рухливості вільних носіїв зарядів можна одержати, не руйнуючи кристал, при реєстрації коефіцієнта відбивання опроміненої електромагнітним випромінюванням ІЧ-діапазону поверхні напівпровідникового матеріалу та порівнюючи його із еталонними значеннями. Важливо, що вимірювання коефіцієнта відбивання від поверхні напівпровідникового матеріалу відбувається на двох частотах в області мінімуму "залишкових променів" матеріалу.

14. Запропоновано спосіб визначення напрямку орієнтації оптичної осі в полярних оптично-анізотропних напівпровідникових матеріалах. На основі порівняння експериментально отриманої резонансної частоти з розрахунковими даними роблять висновок про орієнтацію оптичної осі відносно напрямку розповсюдження ІЧ-випромінювання. Ці результати добре узгоджуються з експериментальними даними, одержаними іншими методами.

Основні результати дисертації опубліковано в роботах

1. Мельничук А.В., Мельничук Л.Ю., Пасечник Ю.А. Анизотропия электрофизических свойств монокристаллов окиси цинка // Физика твердого тела. - 1994. -Т. 36, № 9.- C. 2624-2633.

2. Венгер Е.Ф., Мельничук А.В., Мельничук Л.Ю., Пасечник Ю.А. Отражательная способность монокристаллов окиси цинка в области остаточных лучей // Квантовая электроника. - 1995. - Вып. 47. - C. 87-93.

3. Venger E.F., Melnichuk A.V., Melnichuk L.Ju., Pasechnik Ju.A. Anisotropy of the

ZnO Single Crystal Reflectivity in the Region of Residual Rays // Physica Status Solidi (b). - 1995. - Vol. 188, № 2. - P. 823-831.

4. Венгер Е.Ф., Мельничук А.В., Пасечник Ю.А., Сухенко Е.И. Дисперсия и коэффициенты затухания ППФП монокристаллов SiC 6H // Оптоэлектроника и полупроводниковая техника. - 1996. - Вып. 31. - C. 169-173.

5. Мельничук А.В., Мельничук Л.Ю., Пасечник Ю.А. Влияние анизотропии на дисперсионные зависимости поверхностных плазмон-фононных поляритонов окиси цинка // Физика твердого тела. - 1996. - Т.38, № 2. - C. 262-264.

6. Мельничук А.В., Пасечник Ю.А. Затухание поверхностных плазмон-фононных поляритонов окиси цинка // Физика твердого тела. - 1996. - Т. 38, № 8. - С. 2343-2346.

7. Венгер Е.Ф., Мельничук А.В., Пасечник Ю.А., Сухенко Е.И. Поверхностные поляритоны в системе ZnO на сапфире // Оптоэлектроника и полупроводниковая техника. - 1996. - Вып. 31. - C. 120-128.

8. Мельничук А.В. Использование волноводных плазмон-поляритонов для модуляции инфракрасного излучения // Узбекcкий физический журнал. - 1997. - № 5/6. - С. 28-32.

9. Dovbeshko G.I., Melnichuk A.V., Ogurtsov S.V., Puchkovskaya G.O., Sekirin I.V. Surface polaritons in ZnO films // Український фізичний журнал. - 1997. - Т. 42, № 6. - С. 728-732.

10. Venger E.F., Melnichuk A.V., Pasechnik Yu.A., Sukhenko E.I. IR spectroscopy studies of the zinc-oxide-on-sapphire structure // Український фізичний журнал. - 1997. - Т. 42, № 11/12. - С. 1357-1360.

11. Исмайлов К.А., Мельничук А.В., Пасечник Ю.А. Спектроскопия поверхностных плазмон-фононных поляритонов в анизотропном ZnO // Узбекcкий физический журнал. - 1998. - № 1. - С. 15-24.

12. Мельничук А.В., Мельничук Л.Ю., Пасечник Ю.А. Поверхностные плазмон-фононные поляритоны гексагональной окиси цинка // Журнал технической физики. - 1998. - Т. 68, вып.1. - С. 58-62.

13. Мельничук А.В. Исследование поверхностных плазмон-фононных поляритонов монокристаллов SiC-6H методом НПВО // Поверхность. Физика, химия, механика. - 1998. - № 7. - C. 76-81.

14. Melnichuk A.V. Investigation of surface polaritons in zinc oxide single crystals // Functional Materials. - 1998. - Vol. 5, № 1. - P. 25-30.

15. Мельничук А.В., Пасечник Ю.А. Влияние анизотропии на дисперсию поверхностных плазмон-фононных поляритонов карбида кремния // Физика твердого тела. - 1998. - T. 40, № 4. - C. 636-640.

16. Венгер Є.Ф., Мельничук Л.Ю., Мельничук О.В., Пасічник Ю.А., Сухенко О.І. Поверхневі плазмон-фононні поляритони карбіду кремнію // Український фізичний журнал. - 1998. - Т. 43, № 6. - С. 726-731.

17. Мельничук О.В. Дослідження тонких плівок ZnO на поверхні SiC 6H методом ІЧ спектроскопії // Оптоэлектроника и полупроводниковая техника. - 1998. - Вып. 33. - С.146-153.

18. Melnichuk A.V. Optical and Electrophysical Properties of Thin Doped ZnO/SiC 6H Films from the IR Reflection Spectra // Український фізичний журнал. - 1998. - Т.43, № 10 - С. 1310-1315.

19. Мельничук О.В. Розщеплення областей прозорості в сильно легованих монокристалах SiC-6H // Український фізичний журнал. - 1998.-Т. 43, № 8. - С. 984-986.

20. Venger E.F., Griban V.M., Melnichuk A.V. Resonance Generation of Sum Harmonic in Static Electric Field // Semiconductor Physics, Quantum Electronics & Optoelectronics. - 1999. - Vol. 2, № 2. - P. 28-32.

21. Мельничук А.В. Влияние плазмон-фононных возбуждений на коэффициент отражения гексагонального карбида кремния // Журнал экспериментальной и теоретической физики. - 1999. - T. 116, вып. 2(8). - C. 646-654.

22. Венгер Є.Ф., Мельничук Л.Ю., Мельничук О.В., Пасічник Ю.А. Вплив плазмон-фононного зв'язку на коефіцієнт відбивання в одновісному полярному напівпровіднику ZnO // Український фізичний журнал. - 2000. - Т.45, № 8. - С. 976-984.

23. Griban V.M., Melnichuk A.V., Ovander L.M., Venger E.F. Some features of two-photon absorption in static electric field // Semiconductor Physics, Quantum Electronics & Optoelectronics. - 2000. - Vol. 3, № 2. - P. 144-149.

24. Давиденко С.М., Мельничук Л.Ю., Мельничук О.В. Вплив плазмон-фононної взаємодії на коефіцієнт відбивання від поверхні електронного 6H-SiC // Збірник наукових праць Полтавського державного педагогічного університету імені В.Г. Короленка (фізика). - 2000. - Вип. 2. - С. 124-128.

25. Венгер Є.Ф., Давиденко С.М., Мельничук Л.Ю., Мельничук О.В., Пасічник Ю.А. Дослідження поверхневих плазмон-фононних граничних поляритонів в ZnO/SiC 6Н // Науковий вісник Чернівецького державного університету (фізика). - 2000. - Вип. 86. - С. 100-103.

26. Венгер Є.Ф., Давиденко С.М., Мельничук Л.Ю., Мельничук О.В., Пасічник Ю.А. Поверхневі поляритони в системі ZnO/SiC 6Н // Оптоэлектроника и полупроводниковая техника. - 2000. - Вып. 35. - С. 190-195.

27. Мельничук О.В., Мельничук Л.Ю., Пасічник Ю.А. Дослiдження анiзотропних монокристалiв оксиду цинку методом спектроскопiї поверхневих поляритонiв // Науковi записки НДПІ ім. М.В. Гоголя, серія фіз.-мат. наук. - 1994. - Т. ХIV. - С. 83-88.

28. Мельничук О.В., Мельничук Л.Ю., Пасічник Ю.А. Метод обробки спектральної інформації при вивченні основ оптики твердого тіла // Науковi записки НДПІ ім. М.В. Гоголя, серія фіз.-мат. наук. - 1994. - Т. ХIV. - С. 132-136.

29. Венгер Є.Ф., Мельничук О.В., Мельничук Л.Ю., Пасічник Ю.А. Дослідження

коефіцієнтів затухання поверхневих поляритонів в одновісних полярних напівпровідниках // Науковi записки НДПІ ім. М.В. Гоголя, серія фіз.-мат. наук. - 1995. - Т. ХV. - С. 116-121.

30. Венгер Є.Ф., Мельничук О.В., Мельничук Л.Ю., Пасічник Ю.А. Поверхневі поляритони в легованих монокристалах окису цинку // Актуальні питання сучасної математики і фізики: Зб. наук. пр. - Ніжин:НДПІ ім. М.В. Гоголя. - 1996. - С. 42-46.

31. Мельничук О.В. Поверхня відбивання SiC 6H в області збудження по-верхневих поляритонів // Актуальні питання сучасної математики і фізики.: Зб. наук. пр. - Ніжин: НДПІ ім. М.В. Гоголя. - 1996. - С. 47-51.

32. Венгер Є.Ф., Мельничук Л.Ю., Мельничук О.В. Вплив фонон-плазмового зв'язку на коефіцієнт відбивання від поверхні полярних напівпровідників 6H-SiC // Математика. Фізика. Методика.: Зб. наук. пр. - Ніжин: НДПІ ім. М.В. Гоголя. - 1997. - С. 43-46.

33. Венгер Є.Ф., Мельничук Л.Ю., Мельничук О.В., Єкименко С.В. Методи обробки експериментальних спектрів відбивання від поверхні одновісних полярних напівпровідників // Фізико-математичні записки.: Зб. наук. пр. - Ніжин: НДПУ ім. М. Гоголя. - 1999. - С. 25-29.

34. Венгер Є.Ф., Мельничук Л.Ю., Мельничук О.В., Єкименко С.В. До питання про методику підвищення точності визначення електрофізичних параметрів одновісних полярних напівпровідників при використанні ЕОМ// Фізико-математичні записки.: Зб. наук. пр. - Ніжин: НДПУ ім. М. Гоголя. - 1999. - С. 29-32.

35. Пат. 2062495. Российская Федерация. МКИ G 02. Способ модуляции электромагнитного излучения и устройство для его осуществления / И.И. Буршта, Е.Ф. Венгер, А.П. Липтуга, А.В. Мельничук, Ю.А. Пасечник: Заявл. 13.08.91; Опуб. 20.06.96, Бюл. № 17.

36. Пат. 2119181. Российская Федерация. МКИ G 02 F 1/19. Оптико-механический модулятор светового потока / Е.Ф. Венгер, А.В. Мельничук, Ю.А. Пасечник; Заявл. 29.07.97; Опуб. 20.09.98, Бюл. № 18.

37. Пат. 15332А. Україна. МКИ G 01 N 21/00. Спосіб визначення концентрації і рухливості носіїв зарядів в полярних напівпровідникових матеріалах / Є.Ф. Венгер, О.В. Мельничук, Л.Ю. Мельничук, Ю.А. Пасічник; Заявл. 10.02.95; Опуб. 30.06.97, Бюл. № 3.

38. Пат. 22744А. Україна. МКИ G 01 N 21/00. Оптико-механічний модулятор світлового потоку / Є.Ф. Венгер, О.В. Мельничук, Ю.А. Пасічник; Заявл. 5.06.97; Опуб. 30.06.98, Бюл. № 3.

39. Пат. 25657А. Україна. МКИ G 01 N 21/17. Спосіб визначення напрямку орієнтації оптичної осі оптично-анізотропних полярних напівпровідників / Є.Ф. Венгер, О.В. Мельничук, Ю.А. Пасічник; Заявл.28.10.97; Опуб. 30.10.98, Бюл. № 5.

40. Мельничук А.В., Мельничук Л.Ю., Пасечник Ю.А. Влияние анизотропии на по-

верхностные поляритоны в монокристаллах окиси цинка. - Киев, 1995. - 28 c. (Препр. 4-95/МО Украины. УГПУ им. М.П. Драгоманова).

41. Melnichuk A.V., Melnichuk L.Yu., Pasechnik Yu.A., Sukhenko E.I. Study of Electrophysical Properties of Thin Films by Spectroscopy of Surface and Wave-Guide Polaritons // Proc. of the 6th International Symposium" Thin Films in Electronics". - Herson (Ukraine), 1995. - P. 167-168.

42. Venger E.F., Burshta I.I., Melnichuk A.V., Melnichuk L.Yu., Pasechnik Yu.A. Use of Surface Excitations in Semiconductor Materials for Modulation of IR Radiation // Proc. of the International Conference on "Optical Diagnostics of Materials and Devices for Opto-, Micro-, and Quantum Electronics" (OPTDIM'95), Kiev (Ukraine). - 1995. - Vol. 2648, № 2. - P. 447-453.

43. Venger E.F., Melnichuk A.V., Pasechnik Yu.A., Sukhenko E.I. Polaritons in Anisotropic Structures // Proc. of the International School-Conferenсe for Young Scientists "Solid State Physics: Fundamentals & Applications" (SSPFA'97). - Katsyveli (Ukraine), 1997. - Р. 67-68.

44. Venger E.F., Melnichuk A.V., Pasechnik Yu.A., Sukhenko E.I. IR Reflection Spectra of the ZnO/Al2O3 Structure // Proc. of the International Conference on "Optical Diagnostics of Materials and Devices for Opto-, Micro-, and Quantum Electronics" (OPTDIM'97), Kiev (Ukraine). - 1997. - Vol. 3359, № 2. - P.79-83.

45. Венгер Е.Ф., Мельничук А.В., Мельничук Л.Ю., Пасечник Ю.А. Влияние свободных электронов и оптических фононов на дисперсию поверхностных поляритонов в гексагональном карбиде кремния // Сб. докл. Междунар. конф. "Современные проблемы физики полупроводников".- Нукус (Узбекистан), 1997.- С. 14-16.

46. Venger E.F., Melnichuk A.V., Pasechnik Yu.A., Sukhenko E.I. Surface Polaritons in Thin ZnO Films on Sapphire // Book of Abstracts of the "International Workshop on Advanced Technologies of Multicomponent Solid Films and Their Application in Photonics”. - Uzhgorod (Ukraine), 1995. - P. 54.

47. Melnichuk A.V. IR Reflection Spectroscopy Studies of Zinc Oxide Films on Sapphire Substrates // Proc. of VI International Conf. "Physics and Technology of Thin Films". Ivano-Frankovsk (Ukraine), 1997. - P. 89-90.

48. Venger E.F., Davidenko S.M., Melnichuk A.V., Melnichuk L.Yu., and Pasechnik Yu.A. Effect of the Plasmon-phonon Coupling Anisotropy on the Reflection Coefficient of Polar Semiconductors ZnO and SiC 6H // Proc. of the Third International EuroConference on “Advanced Semiconductor Devices and Microsystems”. - Smolenice Castle (Slovakia), 2000. - P. 343-346.

49. Венгер Є.Ф., Мельничук Л.Ю., Мельничук O.В., Пасічник Ю.А. Звичайні та незвичайні поверхневі плазмон-фононні поляритони в карбіді кремнію й окисі цинку // Тез. доп. семінара "Cпектральные методы анализа: техника и практика". - Ялта (Республіка Крим), 1995. - C. 8-9.

50. Венгер Е.Ф., Мельничук А.В., Пасечник Ю.А., Сухенко Е.И. Спектроскопия

поверхностных поляритонов как метод исследования слоев окиси цинка на подложках сапфира // Proc. of VI International Conf. "Physics and Technology of Thin Films". - Ivano-Frankovsk (Ukraine), 1997. - P. 69.

51. Venger E.F., Melnichuk A.V., Melnichuk L.Yu. Plasmon-Phonon Excitations in Hexagonal Zinc Oxide // Proc. of the XVI International School-Seminar "Spectroscopy of Molecules and Crystals”. - Odessa (Ukraine), 1999. - P. 214.

52. Venger E.F., Griban V.M., Melnichuk A.V., Melnichuk L.Yu., Ekimenko S.V. Optical Diagnostics of Thin Films of Semiconducting Zinc Oxide on Insulator and Semiconductor Substrates // Abstracts of IV International Conference "Optical Diagnostics of Materials and Devices for Opto-, Micro-, and Quantum Electronics". - Kiev (Ukraine), 1999. - P. 51.

53. Venger E.F., Melnichuk A.V., Melnichuk L.Yu., Ekimenko S.V. Plasmon-Phonon Excitations in Optically-anisotropic Semiconductor Single Crystals // Abstracts of International Conference “Advanced Materials”. - Kiev (Ukraine), 1999. - P. 153.

54. Venger E.F., Davidenko S.M., Melnichuk A.V., Melnichuk L.Yu., Pasechnik Yu.A. Investigation of thin semiconductor zinc oxide films on semiconductor SiC-6H substrates using IR spectroscopy // Abstracts of V International Conference “Materials Science and Material Properties for Infrared Optoelectronics”. - Kiev (Ukraine), 2000. - P. 72.

Анотація

Мельничук О.В. Поверхневі плазмон-фононні збудження в одновісних напівпровідниках ZnO і 6H-SiC та структурах на їх основі. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.10 - фізика напівпровідників і діелектриків. - Інститут фізики напівпровідників НАН України, Київ, 2000.

Дисертація присвячена дослідженню впливу анізотропії фононної та плазмової підсистем на властивості поверхневих фононних та плазмон-фононних поляритонів у полярних, оптично-анізотропних напівпровідниках ZnO і 6H-SiC та структурах на їх основі.

Встановлено, що в одновісних монокристалах 6H-SiC та ZnO при орієнтації К^С, ху^С існує чотири та відповідно три типи змішаних поверхневих плазмон-фононних поляритонів (ППФП). Теоретично передбачено та експериментально підтверджено можливість існування при орієнтації К||С, ху||С у гексагональних монокристалах ZnO поверхневих фононних та змішаних плазмон-фононних поляритонів 2-го типу. Вперше показано можливість дослідження коефіцієнтів затухання ППФП 1-го та 2-го типів у полярних напівпровідниках графічним методом. У спектрах ІЧ-відбивання сильно легованих 6H-SiC та ZnO при орієнтації К^С, ху^С виявлено оптичне явище розщеплення низькочастотної та високочастотної областей прозорості.

Показана можливість визначення оптичних та електрофізичних властивостей тонких легованих плівок оксиду цинку на діелектричних та напівпровідникових підкладинках в області "залишкових променів" плівки та підкладинки методами спектроскопії ППВВ та ІЧ-відбивання

На основі проведених досліджень розроблено безконтактний спосіб визначення концентрації та рухливості вільних носіїв зарядів у полярних кристалах, створено оптико-механічний модулятор світлового потоку та неруйнівний спосіб визначення напрямку орієнтації оптичної осі оптично-анізотропних полярних одновісних кристалів.

Ключові слова: анізотропія, 6H-SiС, ZnО, відбивання, монокристал, тонка плівка, поляритони, дисперсійна залежність, коефіцієнт затухання.

Аннотация

Мельничук А.В. Поверхностные плазмон-фононные возбуждения в одноосных полупроводниках ZnО и 6H-SiС и структурах на их основе. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук по специальности 01.04.10 - физика полупроводников и диэлектриков. - Институт физики полупроводников НАН Украины, Киев, 2000.

Диссертация посвящена исследованию влияния анизотропии фононной и плазменной подсистем на свойства поверхностных фононных и плазмон-фононных поляритонов в полярных, оптически-анизотропных полупроводниках ZnО и 6H-SiС и структурах на их основе. Впервые установлено, что анизотропия эффективных масс свободных носителей зарядов (электронов) и кристаллической решетки в одноосных 6H-SiС и ZnО приводит к проявлению новых дисперсионных ветвей нерадиационных поверхностных плазмон-фононных поляритонов (ППФП). Обнаружено, что в монокристаллах 6H-SiС и ZnО при ориентации К^С, ху^С существует четыре и соответственно три типа смешанных ППФП. Всесторонне исследована зависимость числа дисперсионных ветвей в 6H-SiC и ZnО от концентрации свободных носителей зарядов и ориентации оптической оси кристалла относительно его поверхности. Впервые показана возможность экспериментального исследования ППФП 3-го и 4-го типов в гексагональных монокристаллах 6H-SiC и ZnО.

Впервые теоретически определены области существования поверхностных фононных и ППФП 2-го типа в монокристаллах ZnО при ориентации К||С, ху||С и экспериментально получены их спектры. Экспериментально установлено, что наличие затухания приводит к генерации поверхностных поляритонов (ПП) в окресности "точки остановки" и в реальных случаях она не является “особой точкой”, а частота 412 см-1 для ZnО может быть "точкой остановки" лишь в гармоничном приближении. На частоте 412 см-1 наблюдался спектр ППВВ ПП смешанного типа, когда одновременно генерируются ПП 1-го и 2-го типов. Предложен графический способ исследования коэффициентов затухания ППФП в одноосных полупроводниках при произвольной ориентации оптической оси кристалла относительно его поверхности и волнового вектора ПП. Определены коэффициенты затухания поверхностных фононных и плазмон-фононных поляритонов 1-го и 2-го типов в монокристаллах ZnО.

Впервые в спектрах ИК-отражения при ориентации К^С, ху^С и наличии связи электромагнитного излучения с длинноволновыми оптическими колебаниями и электронной плазмой в оптически-анизотропных полупроводниках 6H-SiС и ZnО обнаружено расщепление низкочастотной и высокочастотной областей прозрачности. Максимальное количество областей прозрачности и непрозрачности в R(n) не превышает четырех. Показано, что увеличение концентрации электронов в 6H-SiC и ZnО приводит к одновременному расширению областей непрозрачности и сужению областей прозрачности в спектрах ИК-отражения. Когда Q = 0 и 90° при Е||С в спектрах отражения есть только две области прозрачности и непрозрачности, что согласуется с изотропным случаем Е^С.

Показана возможность определения оптических и электрофизических свойств тонких легированных пленок оксида цинка на диэлектрических и полупроводниковых подложках в области "остаточных лучей" пленки и подложки методами спектроскопии ППВВ и ИК-отражения. Установлено, что оптическая диагностика анизотропных структур на основе математической модели, что аддитивно учитывает вклад фононной и плазменной подсистем пленки и подложки в диэлектрическую проницаемость, позволяет получать значения подвижности и проводимости носителей зарядов в тонких пленках оксида цинка на диэлектрических и полупроводниковых подложках.

На основе проведенных исследований разработан бесконтактный способ определения концентрации и подвижности свободных носителей зарядов в полярных оптически-анизотропных кристаллах, создан оптико-механический модулятор светового потока, что позволяет осуществлять модуляцию электромагнитного излучения серийных СО2-лазеров в химически- и радиационно-активных средах при температуре до 1000 °С, а также неразрушающий образец способ определения направления ориентации оптической оси полярных одноосных кристаллов.

Ключевые слова: анизотропия, 6H-SiС, ZnО, отражение, монокристалл, тонкая пленка, поляритоны, дисперсионная зависимость, коэффициент затухания.

Summary

Melnichuk O.V. Surface plasmon-phonon excitations in uniaxial semiconductors ZnO and 6H-SiC and structures based on them. - A manuscript.

Dissertation for the degree of Doctor of Phys.-Math. Sci. (specialty 01.04.10 - physics of semiconductors and dielectrics). - Institute of Semiconductor Physics of the National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, 2000.

The dissertation deals with investigation of the effect of phonon and plasmon subsystems anisotropy on the properties of surface phonon and plasmon-phonon polaritons in uniaxial semiconductors ZnO and 6H-SiC and structures based on them.

For 6H-SiC (ZnO) single crystals it was found that there exist four (three) mixed surface plasmon-phonon polaritons at orientation К^С, ху^С. The possibility of surface phonon and plasmon-phonon polaritons of the second kind existing in hexagonal ZnO single crystals at orientation К||С, ху||С was predicted theoretically and confirmed experimentally. The possibility to study the damping coefficients of the surface plasmon-phonon polaritons of the first and second kinds in polar semiconductors using a graphic technique was demonstrated for the first time. The optical phenomenon of low- and high-frequency transparency regions splitting was revealed in the IR reflection spectra of heavily doped 6H-SiC and ZnO at orientation К^С, ху^С.

It was shown that it is possible to determine the optical and electrophysical properties of thin doped zinc oxide films on dielectric and semiconductor substrates in the residual rays region of the film and substrate using ATR spectroscopy and IR reflection spectroscopy.

On the basis of performed investigations the noncontact technique for determination of free charge carrier concentration and mobility in polar crystals, optico-mechanical light flux modulator and nondestructive technique for determination of the optical axis orientation in optically-anisotropic polar uniaxial crystals were developed.

Keywords: anisotropy, 6H-SiС, ZnО, reflection, single crystal, thin film, polaritons, dispersion dependence, damping coefficient.

Размещено на Allbest.ru