Введение к работе
Актуальность теыы и степень исследования тематики диссертации. Взаимодействие электромагнитного излучения с поверхностью металла представляет собой одну из актуальных задач современной физики твердого тела. Интерес к этой проблеые связан с развитием к углублением существующих представлений о характере проникновения высокочастотного поля в металл. С точки зрения прикладных задач теория поглощения электромагнитного излучения неоднородной поверхностью металла составляет физическую основу для создания элементной базы твердотельной электроники - высокоэффективных приемников излучения, преобразователей энергии, устройств передачи и обработки информации. Регение этой проблемы требует, в свою очередь, создания новых устройств и материалов с заданными максимально возможными коэффициентами поглощения» Таким образом, тема диссертации представляется актуальной и имеющей вааное как теоретическое, так и прикладное значение.
В настоящее время существует больное число технологий, позволяющих получать вещества и структуры, включающие пленки и малые частицы нормального металла, которые обладают высокой поглощающей способностью. Однако, методы создания таких структур и материалов, имеют в основном интуитивно-эмпирический характер. Для расчета поглощения в многослойных неоднородных структурах развиты, главным образом, численные методы, а последовательная аналитическая теория нуждается в дальнейшем развитии. Во многих часто реализуемых и физически важных ситуациях, в особенности это относится к неупорядоченным средам, отсутствуют ясные представления о механизмах наблюдаемого аномально большого взаимодействия излучения со средой.
Цель работы и основные задачи исследования. Целью настоящего исследования является разработка и обоснование теоретических методов расчета коэффициента поглощения электромагнитного излучения инфракрасного /ИК/ диапазона в не-
однородных средах, включающих в качестве поглощающих элементов и малые частицы, обладающие металлической проводимостью. Задачей предпринятого нами исследования является поиск оптимальных структур, обладающих высоким монотонным поглощением в широкой спектральной области. В металлах такой областью является инфракрасный диапазон 1-20 мкм, для которого характерно отсутствие аномалий,связанных с собственным поглощением /типа межзонных переходов/.
Обьектами исследования являются, во-первых, многослойные структуры нормальный металл-диэлектрик с периодически профилированной металлической поверхностью, и во-вторых, высокодисперсные слои, состоящие из малых металлических частиц. Обе рассматриваемые нами системы широко используются на практике в качестве чувствительных элементов приемников Ж излучения. Для теоретического рассмотрения проблемы поглощения излучения в слоистой структуре металл-диэлектрик были разработаны аналитические методы асимптотически точного решения задачи о дифракции электромагнитной волны на мелкой металлической решетке вблизи частот резонансного возбуждения собственных мод системы - поверхностных электромагнитных волн /ПЭВ/. До настоящего времени такие задачи решались главный образом, численными методами.
Для исследования высокодисперсной среды,состоящей из малых металлических частиц, были использованы методы рассмотрения случайно-неоднородных сред с учетом высоких поглощающих свойств отдельных металлических частиц.
Научная новизна работы определяется тем, что в ней впервые получено аналитическое решение задачи о собственных модах в многослойной структуре периодически профилированная металлическая пленка - диэлектрическая подложка, найдены явные выражения дія спектра и затухания поверхностных электромагнитных волн. Исследована роль диэлектрика в формировании энергетического спектра система и показано, что резонансное возбуждение ПЭВ может приводить к полному
поглощению излучения.
Впервые предложена и обоснована физическая модель случайной неоднородной сильно поглощающей среды. При этой оказалось возможным использовать приближение однократного рассеяния в модели независимых рассеивателей, что существенно облегчает рассмотрение задачи. Указан новый физический механизм, приводящий к полному поглощению излучения ква-зиыеталлической средой в широком спектральном интервале и рассчитан коэффициент поглощения излучения.
Теоретическая и практическая ценность работы. Проведенное в работе аналитическое исследование задачи о возбуждении ПЭВ в многослойной периодической системе металл-диэлектрик может быть использовано для решения ряда задач преобразования и обработки электромагнитных сигналов в устройствах твердотельной электроники. Полученные в работе аналитические выражения для спектра и возбуждения ПЭВ позволяют, в частности, решить задачу об определении оптических постоянных тонкослойных покрытий.
Практически полное поглощение излучения металлической чернь», которое до сих пор не имело объяснения, оказалось возможным интерпретировать с помощью развитой в работе теории. Полученные теоретические результаты находятся в хорошем качественном, а в ряде случаев и в количественном согласии с экспериментальными данными. Использование полученных результатов позволяет создавать чувствительные элементы с улучшенными характеристиками.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Аналитическое решение задачи о дифракции электромагнитной волны на мелкой периодической неоднородности на поверхности слоистой структуры металл-диэлектрик.
-
Расчет затухания поверхностных электромагнитных волн в слоистой структуре с периодически профилированной поверхностью.
-
Вычисление коэффициента поглощения инфракрасного
излучения, падающего на поверхность многослойной структуры из вакуума.
-
Теоретические расчеты и механизм явления практически полного поглощения инфракрасного излучения в слое высокодисперсной среды, состоящей из малых частиц, толщина которой сравнима с длиной волны в вакууме.
-
Теоретическая модель высокодисперсной квазиыеталли-ческой среды, в которой осуществляется полное поглощение инфракрасного излучения.
-
Расчет коэффициента поглощения в неупорядоченной среде малых частиц.
-
Расчет коэффициента отражения инфракрасного излучения от слоя малых металлических частиц в модели независимых рассеивателей.
-
Критерий применимости приближения однократного рассеяния инфракрасного излучения для случайно-неоднородной среды, обладающей поглощением.
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 3 работах.
Личный вклад соискателя состоит в проведении конкретных вычислений, в обсуждении полученных результатов и в осуществлении сравнения с экспериментом.
При исследовании резонансного возбуждения поверхностных электромагнитных волн /ПЭВ/ в металлических решетках на поверхности диэлектрика вклад соискателя заключается в теоретическом обосновании модели мелкой металлической решетки, в проведении конкретных расчетов, рассмотрении всех частных случаев, расчетов законов дисперсии ПЭВ и вычислении затухания ПЭВ.
При рассмотрении явления полного поглощения излучения в высокодисперсной квазиметаллической среде соискателю принадлежит расчет энергетического спектра малой металлической частицы в форме эллипсоида в квазистатическом элект-
рическом поле, им также решена задача о рассеянии волны на бесконечном цилиндре, исследованы предельные случаи для длины затухания переменного поля в среде, получена частотная зависимость длины поглощения з модели Друде.
При расчете коэффициента отражения от слоя малых частиц соискатель выполнил расчеты и оценки сечений рассолы.я и поглощения і.злучения отдельной частице в условиях резонансного возбукпег.кя собственных мод, а также оценки, применимости используемых в теории приблизні;"' тля реальных экспериментальных ситуаций.
Апробация работы, материалы диссертации были доложены на: 9-й Международной конференции по фотометрии, Москва, НКИО!, 1993; на Международной конференции по физике малых частиц, Триест /Италия/, Международный центр теоретической физики / /СТР/, 1993; 2-й конференции физического факультета ХГУ "Физические явления в твердых телах", Харьков, 199о.
Структура и обьем диссертации. Диссертация состоит из Введения, четырех глав, заключения, приложений и списка литературы. Содержит 125 страниц машинописного текста, включает 13 рисунков и библиографию из 47 наименований.
КРАТКОЕ СОДЬР.тЛШЬ РАБОТА
Во введении обоснована актуальность темы диссертации, определена цель работ, обсуждаются научная новизна полученных результатов и их практическое значение, сформулированы выносимые на защиту положения.
В первой главе "Современное состояние проблемы поглощения электромагнитного излучения инфракрасного диапазона в тонких пленках и малых частицах нормальных металлов" обсуждаются физические механизмы проникновения переменного электромагнитного поля в металл, приводяпше к увеличению поглощения.
Тонкие пленки металлов находят широкое применение з качестве приемников ЙК диапазона. Распространенным методом' контроля оптических параметров тонких пленок является измерение коэффициентом отражения и пропускания, дополненное измерениями статической проводимости тех же образцов. о тон-
ких пленках металлов /толщиной менее глубины скин-слоя/
h^f /і/
из-за конкуренции между высокой отражательной способностью металла и прозрачностью пленок поглощение может возрастать до половины всего падающего излучения. Одним из механизмов увеличения коэффициента поглощения является возбуждение в металле поверхностных электромагнитных волн.
Возбуждение поверхностных поляритонов светом имеет резонансный характер. При этом одновременно должны выполняться законы сохранения энергии и импульса взаимодействующих квазичастиц. Однако, на гладкой поверхности металла одновременное их выполнение невозможно. Таким образом, поверхностные поляритоны не возбуждаются светом и не переизлучаются на гладкой поверхности металла. Методы, используемые для возбуждения поверхностных плазмонов, связаны с неоднородной поверхностью.
Наибольший интерес для эксперимента и приложений представляют тонкопленочные структуры, представляющие собой периодическую систему тонких металлических полос, разделенных узкими щелями, нанесенные на диэлектрическую подложку. Существо этого подхода подробно изложено в первой главе.
Расчет поглощения ИК излучения в периодической металлической структуре, находящейся на диэлектрической подложке, проведенный автором с помощью этих методов, показывает, что поглощение в такой структуре может при определенных условиях достигать единицы. Рост поглощения обязан резонансному возбуждению в системе различных ПЭВ на дискретных частотах.
Представляет значительную теоретическую и практическую важность исследование сред и структур, позволяющих реализовать прямое поглощение падающего излучения в достаточно широком интервале длин волн инфракрасного диапазона. Эта возможность связана с увеличением проникновения электромагнитного поля в металл с уменьшением доли отраженного от среды излучения. Такая ситуация может быть реализована в высокодисперсной среде, состоящей из малых частиц металла. Та-
кие среды /образующиеся из металлических частиц/ аномально сильно поглощают падающее на них электромагнитное /ЪЫ/ излучение в широком диапазоне частот /в оптическом и инфракрасном/, то есть ведут себя подобно абсолютно черному тепу, в связи с чем даже называются чернью. Характерной особенностью высокодисперсных металлических порошков с размерами частиц . 100 А0 является глубокий черный цвет, что позволяет использовать их в качестве приемников теплового излучения, обладающих почти равномерным высоким коэффициентом поглощения видимого и ближнего инфракрасного /ЙК/ излучения при малой теплоемкости.
Характерным для высокодисперсной металлической среды является резонанс, связанный с возбуждением собственных мод малых частиц.
Резонансная частота этой моды равна
ty^tytf
/2/
где фр - плазменная частота металла; J- - поляризационный фактор, определяемый формой частицы. Одновременное возбуждение поверхностной моды на всех частицах одинаковой формы приводит к пику поглощения на частоте fty
Из формулы /2/ следует, что резонансная частота благодаря фактору JL зависит от формы частицы. Для вытянутых частиц, например для цилиндров, резонансная частота переходит в область больших длин воян. При падении электромагнитной волны с частотой d?i происходит резонансное возбуждение поверхностной моды на частицах, обладающих величиной параметра / , которая удовлетворяет условию
ьЭ = їм! . Таким образом, внешняя электромагнитная волна производит отбор частиц, удовлетворяющих условию резонанса, что делает сложным поглощение в широком диапазоне длин волн. Экспериментально наблюдалось практически полное поглощение излучения в широком диапазоне 2-20 мкм, относящихся к ИК-области.
Вторая глава "Поглощение электромагнитного излучения в слоистой структуре металл-диэлектрик" посвящена исследованию
резонансного возбуждения ПЭБ б рассматриваемой системе.
Для тонкой пленки при выполнении неравенства /I/ используются упрощенные граничные условия, связывающие электрические и магнитные поля по разные стороны пленки, что позволяет избежать решения электромагнитной /GM/ задачи внутри металла.
Задача дифракции ЗМ волны на слабо неоднородной металлической решетке' решена асимптотически точно вблизи собственных частот ШВ многослойной структуры с периодически профилированной поверхностью. Найдены аналитические выражения для спектра и радиационного затухания ПЭВ. Спектр ШВ рассмотренной структуры близок к спектру однородной пленки. Анализ дисперсионного уравнения показывает, что в системе существуют три собственные моды ШВ, структура законов дисперсии которых имеет следующий общий вид
где Q - продольное волновое число с -й гармоники,
/\ и В - коэффициенты, зависящие от диэлектрической проницаемости подложки $ и набега фазы в диэлектрическом слое J\g , с - скорость света, В - безразмерная поверхностная проводимость металлической пленки
о.- ІЗПгл , С - проводимость массивного металла.
Первая из собственных мод, которую естественно назвать вакуумной, распространяется преимущественно вдоль обращенной к вакууму поверхности металлической пленки и представляет собой разновидность известных ШВ,существующих в металлической пленке.
Две остальные моды в пленке без подложки отсутствуют -одна из них распространяется, главным образом, вблизи границы металл-диэлектрик, в то время как другая оказывается сугубо "подложечной". Ее поля занимают всю толщину подложки и исчезают вне подложки на расстояниях порядка J\ Рассчитано и проанилизировано выражение для радиационного затухания ШВ. Показано, что радиационное затухание может
приводить к эффекту накопления энергии ВЧ поля в пленке и к эффекту подавления отражения излучения от многослойной структуры. Выяснена роль подложки в формировании энергетического спектра системы. Показано, что диэлектрическая подложка ре-нормирует величину радиационного затухания, что может приводить к полному поглощению излучения в структуре.
В третьей главе "Полное поглощение инфракрасного излучения в тонких слоях металлической черни" исследовано взаимодействие электромагнитного поля с неупорядоченной системой малых металлических частиц.
Давно и хорошо известным является экспериментальный факт практически полного поглощения инфракрасного излучения в широком диапазоне частот 1-20 мкм в тонких слоях металлической черни при малом /не более нескольких процентов/ коэффициенте отражения падающего излучения. Фактически сдой малых металлических частиц поглощает излучение как черное тело, хотя длина волны поглощенного излучения не является малой по сравнению со средним расстоянием между частицами. Это явление до настоящего времени не находило объяснения, хотя и было широко использовано при создании высокоэффективных тепловых приемников.
В описываемой главе описала дискретная модель высокодисперсной квазиметаллической среды и предложен физический механизм поглощения излучения. В рассматриваемой модели среда представляет собой случайную реализацию - малой плотности частиц, агрегированных в протяженные гранулы толщиной менее скин-слоя массивного металла. Указанный характер среда обусловливает проникновение электромагнитного поля как в пространство между гранулами, так в обьем гранул, электрическое поле волны в которых является кваэистатическим. Металлические гранулы моделируются в свою очередь сплюснутыми эллипсоидами с малым отношением поперечных и продольных полуосей.
Механизм аномального поглощения ИК излучения состоит в резонансном возбуждении собственных дипольных колебаний электронов в гранулах. В квазистатическом приближении собст-
венная частота отих колебаний имеет вид /2/. Для коэффициента поглощения н системе гранул получено выражение
А*=. і-Я= j-'.[i--t] /4/
р * L - J
где л - коэффициент отражения, 6*іЛ - соответственно
сечение рассеяния и поглощения в расчете на одну частицу,
п - толшина слоя частиц, / - длина затухания
волны в слое частиц;
Здесь К - волновое число, /v - обьемная доля металла, віго - результаты усреднения по углу между наибольшей в слое осью гранулы и вектором поляризации падающей волны,
itff - диэлектрическая проницаемость металла, у плотность вероятности распределения гранул.
Используя для оценок значения /1-І - Ю мкм, ty — 10 - 100, >\, — 0.1, получаем, что поглощение происходит на длине / "- 10" - 10 /I
Проведенное рассмотрение основано на возможном использовании приближения однократного рассеяния, что обусловлено доминирующей ролью процессов поглощения над процессами рассеяния при взаимодействии электромагнитного поля с малой металлической частицей. Математически это обстоятельство виражается в том, что отношение сечений рассеяния и поглощения отдельной гранулой оказывается малым по параметру квазистатики
/б/
Отот же параметр определяет и малость коэффициента отражения излучения от слоя частиц, расчет которого произведен в главе 4.
Проведенные численные оценки показывают хорошее согласие полученных теоретических результатов с данными эксперимента .
В заключении кратко резюмированы основные выводы и результаты диссертации.
-
Рассмотрено взаимодействие излучения со слоистой структурой металл-диэлектрик, в которой металл представляет собой тонкую пленку с периодически профилированной поверхностью, нанесенную на диэлектрическую подложку. Исследован энергетический спектр слоистой структуры, аналитически решена задача о дифракции электромагнитной волны на мелкой периодической неоднородности на поверхности структуры. Показано, что энергетический спектр слоистой структуры в отличие от металлической пленки без диэлектрика состоит из трех слабо связанных ветвей, отвечающих поверхностным электромагнитным волнам. Таким образом, выяснена роль диэлектрической подложки в формировании энергетического спектра слоистой структуры.
-
Вычислено затухание поверхностных электромагнитных волн в слоистой структуре с периодически профилированной поверхностью. Показано, что наряду с диссипативным имеет место радиационное затухание, связанное с трансформацией поверхностных волн в обьемные. Обнаружено, что подложка ренорми-рует радиационное затухание, приводя тем самым к его увеличению. Указанный механизм приводит к накоплению поля электромагнитной волны в пленке.
-
Лсследовано резонансное во радение поверхностных электромагнитных волн излучения, падающих на поверхность структуры из вакуума. Вычислен коэффициент поглощения падающего излучения. Показано, что в резонансе коэффициент поглощения может достигать единицы и выяснены условия его увеличения.
-
Изучено поглощение инфракрасного излучения в высокодисперсной среде, состоящих из малых металлических частиц. Показано, что излучение практически полностью поглощается в слое толщиной порядка длины волны в вакууме. Явление может иметь место в широком диапазоне длин волн I - 20 мкм. Хотя это явление наблюдается давно и широко используется для создания высокоэффективных тепловых приемников, механизм этого явления не был известен, а теоретические расчеты отсутствовали.
Ь. Предложена теоретическая модель высокодисперсной квазиметаллической среды, в которой осуществляется полное поглощение излучения. Исследован энергетический спектр малых частиц и показано, что собственные поверхностные частоты малых частиц лежат в инфракрасной области. Резонансное возбуждение указанных мод в различных группах частиц приводит к аномальному росту поглощения в широком частотном диапазоне. Рассчитан коэффициент поглощения излучения в рассматриваемой среде и вычислена длина затухания падающего излучения.
-
Исследована зависимость коэффициента поглощения падающего излучения в неупорядоченной среде малых частиц от длины волны. Показано, что рассчитанная уже в модели Друде зависимость удовлетворительно согласуется с экспериментом.
-
Рассмотрено отражение излучения от слоя малых металлических частиц. Рассчитан коэффициент отражения в модели независимых рассейвателей. Показано, что коэффициент отражения составляет не более нескольких процентов падающей энергии. Полученные результаты хорошо согласуются с экспериментальными фактами.
-
Рассмотрены условия применимости приближения независимых рассеивателей и однократного рассеяния в рассматриваемой среде с сильным поглощением. Показано, что приближение независимых диполей хорошо выполняется для рассматриваемой среды. Получен общий критерий однократного рассеяния излучения для случайно-неоднородной среды, обладающей поглощением. Полученный критерий позволяет рассмотреть частные случаи среды как с малым,, так и большим поглощением на отдельной частице. В случае слабого поглощения он совпадает
с известным критерием, а в рассматриваемом случае сильно поглощающей среды хорошо выполняется для частиц с малой плотностью и с малым отношением поперечных размеров к глубине проникновения поля в металл.
