Введение к работе
Актуальность темы исследования.
Явление перестройки атомных структур под действием света, имеющее широкое практическое применение и исследованное экспериментально1, в физико-химической литературе до сих пор еще не получило должного теоретического объяснения ввиду сложности многокомпонентного процесса кристаллизации кластерных структур. Атомные структуры могут быть перестроены как в результате хорошо изученного термического отжига вещества, так и импульсного фотонного отжига (ИФО), привлекающего всё более пристальное внимание исследователей.
В связи с бурным развитием нанотехнологической индустрии практическую значимость приобретает отжиг аморфных материалов. При этом их кристаллизация путем лазерного облучения, происходящая при температурах меньших критической температуры кристаллизации вещества, имеет ряд преимуществ по сравнению с термическим отжигом аморфных сплавов. Это, прежде всего, более короткое время кристаллизации вещества и возможность его перехода в кристаллическую фазу любой области аморфного сплава, в том числе, и находящейся вдали от поверхности мате-риала. Таким образом, кристаллизация в случае ИФО может идти не послойно, а одновременно во всём объеме материала.
Несмотря на отсутствие теоретической модели процесса кристаллизации аморфных сплавов, в некоторых физических исследованиях имеются предположения о возникновении сверхзвуковой волны в области поглощения атомом фотона. Однако механизм возникновения таких волн учеными до настоящего времени не изучался, а выдвинутые гипотезы, как правило, проверялись лишь на качественном уровне.
Явления подобного рода (поглощение света и изменение состояния молекул) достаточно хорошо исследованы в оптической химии,3'4 где было показано, что свет оказывает каталитическое воздействие, влияя на со-
1 См., например: Иевлев В. М. Влияние фотонного облучения на процесс рекристаллизации тонких металлических пленок / В. М. Иевлев, Т. Л. Тураева, А. Н. Латышев [и др.] // Физика металлов и металловедение. - 2007. - Т. 103, № 1. - С. 61-72.
Двуреченский А. В. Импульсный отжиг полупроводниковых материалов / А. В. Двуреченский, Г. А. Качурин, Е. В. Нидаев, Л. С. Смирнов. - М. : Наука, 1982. - 384 с.
Бугаенко Л. Т. Химия высоких энергий / Л. Т. Бугаенко, М. Г. Кузьмин, Л. С. Полак. - М. : Химия, 1988.-368 с. 4 Турро Н. Молекулярная фотохимия. - М. : Мир, 1967. - 328 с.
стояние молекулы и процесс перестройки ее атомного строения. В химических исследованиях имеется теоретическое описание кристаллизации под действием света для случая молекулярных структур, однако специфика аналогичных процессов взаимодействия света с конденсированными средами в современной научной литературе не описана.
Таким образом, проблема исследования заключается в разрешении противоречия между наличием обширного экспериментального материала явления перестройки атомных структур под действием света и его недостаточным теоретическим обобщением в физической науке.
Целью работы является развитие представлений о физических механизмах процессов, активируемых светом, в конденсированных средах, изучение их специфики, а также создание модели фазовых переходов под действием фотонов, на основе которой становится возможной интерпретация экспериментально наблюдаемых особенностей перехода аморфных сплавов в поликристаллическое состояние.
Объектом исследования являются фазовые переходы атомных структур. Выбор явления переструктурирования вещества для детального фундаментального исследования был обусловлен увеличением экспериментальных работ по данной тематике и потребностью модернизации технологического процесса производства веществ с заданными характеристиками наноструктур. Предмет исследования - механизмы ускорения перестройки атомных структур под действием лазерного облучения.
В соответствии с поставленной целью были сформулированы основные задачи научной работы:
-проанализировать теоретические модели и экспериментальные данные эффекта кристаллизации аморфных сплавов под действием света;
определить роль и вклад различных взаимодействий внутри изучаемой системы;
исследовать физические механизмы и описать стадии оптохимиче-ских процессов под действием света;
-разработать модель переструктурирования аморфных атомных структур под действием света;
-выявить совокупность критериев, определяющих достоверность предлагаемой модели кристаллизации, и соотнести их с известными экспериментальными данными.
Научная новизна исследования.
Основные результаты исследований механизма оптохимических процессов под действием света получены впервые и заключаются в следующем:
- на основе принципа Франка-Кондона предложена модель перехода
энергии фотонов в колебания решетки;
-предложена модель превращения энергии возбужденного состояния в энергию атомов решетки при безызлучательных переходах, рассмотрен механизм таких переходов;
- показано, что в аморфном веществе при взаимодействии со светом,
возникают возмущения типа расходящейся ударной волны, локализован
ной около центра электронного возбуждения. Исследованы основные ха
рактеристики такой волны и оценена область влияния этого возбуждения
решетки на процесс перестройки атомных кластеров.
Практическая значимость работы.
Полученные в диссертации результаты и разработанные модели, изложенные в главах 2 и 3, могут быть использованы для последующего развития физических основ теории оптохимических процессов, а также для интерпретации экспериментально наблюдаемых эффектов кристаллизации аморфных сплавов под действием света. На основании полученных теоретических представлений могут быть оптимизированы технологические процессы получения наноматериалов с заданными свойствами атомной структуры. Описанные модели и механизмы перестройки атомных структур под действием света дают возможность создания чувствительных датчиков для обнаружения электромагнитных волн на основе исследуемого явления.
Положения, выносимые на защиту.
Наряду с тепловым, существует прямое воздействие света на конденсированное вещество, основанное на принципе Франка-Кондона и механизме безызлучательных переходов, способствующее перестройке атомной структуры кластеров. В частности, перестройки из аморфного в кристаллическое состояние.
Механизм процесса перестройки связан с частичной или полной передачей энергии фотона локальному электронному возбуждению и последующей передачей атомному кластеру, в котором инициируется пере-
стройка. В результате релаксации электронного возбуждения в области этого возбуждения возникает расходящаяся волна, также инициирующая перестройку атомных кластеров.
3. В отличие от теплового отжига, при импульсном фотонном отжиге, структурная перестройка конденсированного материала локализуется в пределах малоатомных кластеров.
Апробация работы.
Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на II Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов, молодых ученых и специалистов «Физика и технология аморфных и наноструктурированных материалов и систем» (Рязань, 2009), V Всероссийской конференции «Физико-химические процессы в конденсированных средах и на межфазных границах» (Воронеж, 2010), III Всероссийской школе-семинаре для студентов, аспирантов и молодых ученых по направлению «Наноматериалы» (Рязань, 2010), X Международной научной конференции «Химия твердого тела: наноматериалы, нанотехнологии» (Ставрополь, 2010), XII Всероссийской молодежной конференции по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектронике (С.-Петербург, 2010), а также на научных сессиях Воронежского госуниверситета.
Публикации.
По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, в том числе 3 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Личный вклад автора.
Автор являлся фактическим исполнителем всех поставленных задач, участвовал в обсуждении результатов и проводил подготовку научной публикации для печати.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы, включающего 111 наименований. Работа изложена на 115 страницах, содержит 17 рисунков.
Работа выполнена при поддержке гранта Президента РФ по поддержке ведущих научных школ (НШ-4828.2010.3).
