Эффекты усиления электромагнитного поля в колебательной спектроскопии поверхностей, тонких пленок и слоистых структур тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.05, кандидат физико-математических наук Петров, Юрий Евгеньевич

• Петров, Юрий Евгеньевич
• кандидат физико-математических наук
• 1999

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Петров, Юрий Евгеньевич

Оглавление

Введение

1. ВЛИЯНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ ПОЛЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ВОЛНЫ НА КОЛЕБАТЕЛЬНЫЕ СПЕКТРЫ

ТОНКИХ ПЛЕНОК (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ)

§ 1 Л. Резонансное усиление полос поглощения тонкой пленки

при взаимодействии с интерференционными модами

§ 1.2. Усиление ИК-поглощения при возбуждении

поверхностных поляритонов

§ 1.3. Усиление ИК-поглощения адсорбатов в присутствии островковой металлической пленки

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ

§ 2.1. Приготовление образцов

§ 2.2. Угловые измерения

§ 2.3. Спектральные измерения

§ 2.4. Фазовые измерения ГШ в среднем ИК

§ 2.5. Определение коэффициента отражения металлов с

помощью фазовой спектроскопии ПП

§ 2.6. Фазовые измерения поверхностных поляритонов в ближней ИК и видимой спектральных областях

3. ЭФФЕКТЫ УСИЛЕНИЯ ПОЛЯ ПРИ ВОЗБУЖДЕНИИ ПОВЕРХНОСТНЫХ ПОЛЯРИТОНОВ В НЕЛИНЕЙНОЙ СПЕКТРОСКОПИИ ГЕНЕРАЦИИ СУММАРНОЙ

ЧАСТОТЫ

§ 3.1. Усиление генерации суммарной частоты на поверхности серебра при возбуждении поверхностного поляритона ИК-диапазона

§3.2. Гигантское усиление генерации суммарной частоты на

поверхности серебра при возбуждении поверхностных поляритонов видимой спектральной области

4. ИССЛЕДОВАНИЕ УСИЛЕНИЯ ЛИНИЙ ИК -ПОГЛОЩЕНИЯ В ПРИСУТСТВИИ ОСТРОВКОВОЙ

МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ПЛЕНКИ

§ 4.1. Усиление ИК поглощения в тонких пленках

фталоцианинов

§ 4.2. Зависимость усиления от толщины серебряной

пленки в системе призма НПВО - СиРЬс - Ag

§ 4.3. Зависимость УИКП от толщины пленки

фталоцианина

§ 4.4. Усиление на пленках 8Юх

5. ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЕ ЭФФЕКТЫ В СЛОИСТЫХ

СТРУКТУРАХ

§ 5.1. Интерференционные эффекты в спектрах комбинационного рассеяния пленок фуллерена на

металлическом зеркале

§ 5.2. Спектроскопические исследования окисления пленок

пористого кремния

§ 5.3. Усиление линий ИК поглощения додекана при взаимодействии с собственной модой микрорезонатора

Фабри-Перо в сверхрешетках из пористого кремния

Заключение

Литература

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Эффекты усиления электромагнитного поля в колебательной спектроскопии поверхностей, тонких пленок и слоистых структур»

ВВЕДЕНИЕ

Инфракрасная (ИК) спектроскопия является эффективным и широко распространенным методом исследования поверхностей. Однако процессы взаимодействия ИК-излучения с поверхностью значительно многообразнее и сложнее для интерпретации, чем в случае спектроскопии объемных образцов. Одним из эффектов, наиболее сильно влияющих на спектры поверхностей и тонких пленок, является резонансное усиление электромагнитного поля падающей волны вблизи границы раздела сред. Учет этого эффекта необходим для правильной интерпретации результатов экспериментов в различных областях спектроскопии. Кроме того, усиление поля в приповерхностном слое, в ряде случаев достигающее очень больших значений, существенно повышает чувствительность ряда спектроскопических методов исследования поверхностей.

Наиболее простым примером такого усиления является интерференционное усиление электрического поля в тонких пленках. Данный эффект проявляется в случае, когда толщина пленки и длина волны зондирующего излучения - величины одного порядка. Усиление, достигаемое в такой геометрии, обычно невелико. Более значительное усиление можно получить, помещая исследуемый слой между двумя структурами с высоким коэффициентом отражения, например, Брэгговскими зеркалами. Однако наибольшей величины усиления электромагнитного поля удается добиться при возбуждении на границе раздела поверхностного поляритона (ГШ). В частности, на гладкой металлической поверхности ПП существуют в широкой спектральной области - от дальней ИК до видимой. В случае

возбуждения ПИ на металле интенсивность электрического поля вблизи поверхности может возрастать по сравнению со случаем зеркального отражения на 2 - 3 порядка.

Еще большее усиление поля наблюдалось на шероховатых металлических поверхностях, а также на островковых металлических пленках, получаемых при термическом испарении металла в вакууме. Усиление внешнего электрического поля на шероховатой поверхности металлов связывают с возбуждением поверхностных электромагнитных мод в присущих системе неоднородностях. В частности, возбуждение локальных ПП рассматривается как одна из причин открытых в 70-е — начале 80-х годов явлений гигантского комбинационного рассеяния (ГКР) [1-3] и усиленного инфракрасного поглощения (УИКП) [4].

Постановка задачи

В данной работе ставилась задача исследования следующих эффектов, сопровождающихся усилением электромагнитного поля на поверхности и в тонких пленках:

1) интерференционного усиления электрического поля в тонких пленках пористого кремния и слоистых структурах на его основе;

2) усиления электрического поля при возбуждении поверхностного поляритона на границе раздела: ставилась задача изучить влияние этого усиления как на линейные, так и на нелинейные процессы на поверхности;

3) усиления ИК-поглощения в диэлектрических пленках, контактирующих с островковой металлической пленкой.

Для проведения данных исследований необходимо было решить следующие методические задачи:

По пункту (1) нужно было установить зависимость диэлектрической проницаемости и толщины получаемых образцов от режима изготовления структур. Также необходимо было выбрать модель, наилучшим образом описывающую изменение оптических свойств в пористом кремнии как в ИК, так и в видимой спектральных областях.

По пункту (2) было необходимо провести сравнительный анализ результатов определения оптических постоянных металлических пленок, полученных по формулам Френеля (из измерений коэффициента отражения) и методом фазовой спектроскопии ПЭВ. Ставилась задача разработать экспериментальную методику для определения оптических постоянных металлических пленок в видимой спектральной области методом фазовой спектроскопии ПЭВ и создать автоматизированную установку для проведения соответствующих измерений.

Научная новизна

Впервые обнаружено и экспериментально исследовано явление гигантского усиления генерации суммарной частоты при возбуждении поверхностных поляритонов.

Впервые экспериментально изучено распространение поверхностного поляритона видимого спектрального диапазона вдоль границы раздела методом фазовой спектроскопии lili.

Продемонстрировано, что резонанс С-Н колебаний молекул примеси додекана с собственной модой сверхрешетки из пористого кремния приводит к расщеплению моды и возрастанию в ней поглощения.

Практическая ценность

Разработанный в настоящей работе интерферометр для фазовых измерений ПЭВ в видимой спектральной области может быть использован в спектроскопических исследованиях адсорбатов на поверхности. Продемонстрирована перспективность использования метода фазовой спектроскопии ПЭВ для контроля качества металлических зеркал.

Использование ГШ в нелинейной спектроскопии позволяет многократно повысить уровень полезного сигнала при одновременном уменьшении нагрева образца падающим излучением.

Усиление оптического поглощения в резонаторе Фабри-Перо в планарных структурах из пористого кремния перспективно как средство повышения порога детектирования примесей, адсорбирующихся на гигантской внутренней поверхности этого материала.

Апробация работы

Основные результаты диссертации докладывались на следующих конференциях:

1) IX Int. Conf. on Fourier Transform Spectroscopy (Calgaru, Canada, 1993);

2) XV Int. Conf. on Raman Spectroscopy (Pittsburgh, PA USA,

1996);

3) XVI Int. Conf. on Raman Spectroscopy, (Cape Town, South Africa,

1998);

4) IX Int. Conf. on Vibrations at Surfaces, VAS-9, (Shonan Village Center, Hayama, Japan, 1998);

5) Int. Conf. on Nonlinear Optics, NOPTI-98 ,(1998);

6) Всероссийском совещании по нанофотоникс, (Нижний Новгород, 1999).

7) Int. Conf. Surface and Interface Optics, Sainte-Maxime (France), 1999.

Заключение диссертации по теме «Оптика», Петров, Юрий Евгеньевич

Основные результаты работы:

1) Разработана методика, позволяющая с высокой точностью определять оптические характеристики приповерхностных слоев за счет усиления электромагнитного поля на исследуемой поверхности при возбуждении на ней поверхностного поляритона. Методика может использоваться в спектральной области от дальней ИК до видимой.

2) Установлено, что взаимодействие валентных С-Н колебаний молекул додекана, адсорбировавшихся на внутренней поверхности пористого кремния с собственной модой резонатора Фабри-Перо приводит к расщеплению моды и значительному увеличению поглощения. Продемонстрировано, что данное явление может быть использовано для повышения порога детектирования примеси внутри резонатора.

3) Показано, что вся совокупность эффектов усиленного инфракрасного поглощения в тонких пленках СиРИс и БЮх в геометрии нарушенного полного внутреннего поглощения может быть объяснена как результат действия трех независимых механизмов: короткодействующего механизма, усиливающего поглощение преимущественно в первом осажденном молекулярном слое, коллективного электронного резонанса и эффекта Берремана, наблюдающегося только в Р - поляризации в относительно толстых пленках.

4) Обнаружено явление гигантского усиления генерации суммарной частоты при возбуждении поверхностного поляритона на серебряной дифракционной решетке. Предложено объяснение данного эффекта как следствия одновременного возбуждения поверхностных поляритонов частоты видимого лазерного излучения и суммарной частоты.

Считаю своим приятным долгом поблагодарить моих научных руководителей Елену Владимировну Алиеву и Владимира Александровича Яковлева за активное руководство и большую помощь в работе. Я благодарен Герману Николаевичу Жижину за всестороннюю поддержку и внимание. Благодарю всех сотрудников Отдела спектроскопии твердого тела за доброжелательность и содействие.

Заключение

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Петров, Юрий Евгеньевич, 1999 год

ЛИТЕРАТУРА

1. J. С. Tsang and J. R. Kirtley, Solid State Commun., 30, 617

(1979).

2. D. L. Jeanmaire and R. P. van Duyne, J. Electroanal. Chem., 84, p. 1,(1977).

3. R. K. Chang, Т. E. Furtak (eds.): Surface enhanced Raman Scattering (Plenum press, New York, 1982). Имеется перевод: Гигантское комбинационное рассеяние, под ред. Р. Ченга, и Т. Фуртака, М.; Мир, 1984.

4. A. Harstein, J. R. Kirtley, and J. C. Tsang, Phys. Rev. Lett., v. 45, N. 3, p. 201, (1980).

5. R. Fuchs, K. L. Kliewer, W. J. Pardee. Phys. Rev., 150, p. 589,

(1966).

6. E. А. Виноградов, Г. H. Жижин, В. А. Яковлев, ЖЭТФ, 77, с. 968, (1979).

7. G. A. Connell, R. J. Nemanich and С. С. Tsai, Appl. Phys. Lett., 36, p. 31, (1980).

8. L. T. Canham, Appl. Phys. Lett., 57, p. 1046, (1990).

9. S. Frohnhoff and M. G. Berger, Adv. Mater. 6 (12), pp. 963965, (1994).

10. M. Kruger, S. Hilbrich, M. Thonissen et. al., Optics Communications, 146, p. 309, (1998).

11. G.Mattei, A.Marucci, V.A.Yakovlev, Material Science and Engineering, B51, p. 158, (1997).

12. Поверхностные поляритоны/ Под ред. Аграновича В.М., Миллса Д. Л., М.: Наука, 1985. 528 с.

13. D. Beaglehole, Phys. Rev. Lett., 22, p. 706, (1969).

14. E. Kretschmann, Ztschr. Phys., 313, p. 241, (1971).

15. Otto A., Ztschr. Phys., 216, p. 398, (1968).

16. Жижин Г. H., Москалева М. А., Шомина Е. В., Яковлев В. А., Письма ЖЭТФ, 29, с. 533, (1979).

17. Гинзбург В.Л., Мотулевич Г.П., УФН, 55, N3, с. 469 -535, (1955).

18. Жижин Г.Н., Москалева М.А., Киселев С.А., Силин В.И., Яковлев В.А., ЖТФ, 54, с. 975, (1984).

19. Y. R. Shen, Nature, 337, p. 519, (1989).

til

20. M. Barmentlo et al., Proc. 5 European Workshop on Free-Electron Lasers. Ed. M. W. Poole, Daresburg, (1993).

21. Peremans et al. Nucl. Instr. and Meth. A., 331, p. 28,

(1993).

22. H. J. Simon, D. E. Mitchell and J. G. Watson, Phys. Rev. Lett., 33, p. 1531, (1974).

23. G. Blau, J. L. Coutaz, R. Reinisch, Opt. Lett., 18, No. 16, p. 1352, (1993).

24. E. В. Алиева, Г. H. Яковлев, В. А. Сычугов и др., Письма в ЖЭТФ, 62, в. 10, с. 794-798, (1995).

25. J.H.Hunt, P.Guyot-Sionnest, Y.R.Shen, Chem.Phys.Lett., 331 (3), p. 189, (1987).

26. P.Dumas, Surface and Interface Analysis 22, p. 561, (1994).

27. F. DeMartini et al., Phys. Rev. Lett., 37, p. 440, (1976).

28. F. DeMartini et al., Phys. Rev. Lett., 38, p. 1223, 1977.

29. F. DeMartini, P. Ristory, E. Santamato et al., Phys. Rev. B, 8, p. 3797, (1981).

30. C.K. Chen, A.R.B. de Castro, I.R. Shen and F. DeMartini, Phys. Rev. Lett., 43, p. 946, (1979).

31. Демкович П.А., Ю.В. Мухин, Н.Ф. Пилипецкий, А.Н. Сударкин, К.Н. Ушаков, Опт. и спектр., 65, с. 595-600, (1988).

32. А. Н. Сударкин, П.А. Демкович, ЖТФ, 59, с. 86-90,

(1989).

33. Ю.В. Мухин, Н.Ф. Пилипецкий, А.Н. Сударкин, К Н. Ушаков, ДАН СССР, 285, с. 874, (1985).

34. ЖЭТФ, 93, с. 118-126, (1987).

35. JI.E. Зубкова, А.А. Мохнатюк, Ю.Н. Поливанов и др., Письма в ЖЭТФ, 45, с. 47, (1987).

36. Н.И. Липатов, А.А. Мохнатюк, Ю.Н. Поливанов и др., ФТТ, 29, с. 1571-1573, (1987).

37. А.Н. Сударкин, К.Н. Ушаков, Письма в ЖЭТФ, 48, с. 1618, (1989).

38. А.Н. Сударкин, К.Н. Ушаков, ЖЭТФ, 96, с. 561-573,

(1989).

39. Д.Н. Быкадоров, П.А. Демкович, А.Н. Сударкин и др., ЖЭТФ, 95, с.280-295, (1989).

40. A. Hatta, Т. Oshima, W. Suetaka, Appl. Phys., A 29, n. 2, p. 71,(1982).

41. A. Hatta, W. Suzuki, and W. Suetaka, Appl. Phys., A 35, p.135, (1984).

42. M. Osawa, M. Kuramitsu, A. Hatta, W. Suetaka and H. Seki, Surf. Sci., 175, L787-L793, (1986).

43. Y. Suzuki, M. Osawa, A. Hatta and W. Suetaka, Appl. Surf. Sci., 33/34, p. 875 (1988).

44. D. A. G. Bruggeman, Annal. Phys. (Leipzig), 24, p. 636,

(1935).

45. M. Osawa, M. Ikeda, J. Phys. Chem., 95, p. 9914, (1991).

46. Y. Nishikawa, T. Nagasawa, K. Fujiwara, M. Osawa, Vibr. Spec., 6, p. 43, (1993).

47.Y. Nishikawa, К. Fujiwara, К. Ataka and M.Osawa, Anal. Chem., 65, pp. 556-662, (1993).

48. M. Osawa, M. Kuramitsu, A. Hatta, W. Suetaka and H. Seki, Surf. Sei. Lett., 175, L787, (1992).

49. M. Osawa, K. Ataka, K. Yoshii and Y. Nishikava, Appl. Spec., 47, p. 1497, (1993).

50. C. G. Grandvist and O. Hunderi, Phys. Rev., B18, p. 2897,

(1978).

51. C. F. Eagan, Appl. Opt., 20, p. 3035, (1981).

52. Сигарев А. А., Яковлев В.А., Опт. и спектр., 56, в. 3, с. 552, (1984).

53. Т. Kamata, A. Kato, J. Umemura, and Т. Takenaka, Langmuir, 3, p. 1150, (1987).

54. Y. Nishikawa, Y. Ito, K. Fujiwara and T. Shima, Appl. Spec., 45, p. 752, (1991).

55. V. N. Spiridonov, V. A. Yakovlev, G. N. Zhizhin, 8 Int. Conf. on FT - Spectr., SPIE, v. 1575, p.542, (1991).

56. Y. Ishino and H. Ishida, Appl. Spec., 42, p. 1296, (1988).

57. C. G. L. Khoo and H. Ishida, Appl. Spec., 44, p. 512, (1990).

58. D.W. Berreman, Phys. Rev., 130, p. 2193, (1963).

59. Ю.Е. Петров, Е.В.Алиева, Г.Н.Жижин, В.А.Яковлев IIФазовые измерения поверхностных электромагнитных волн на серебре при возбуждении сквозь подложку, ЖТФД998, 68, с. 64-68.

60. Е.В.Алиева, Ю.Е.Петров, В.А.Яковлев // Применение поверхностных электромагнитных волн для измерения коэффициента отражения металлических зеркал, Опт. и спектр., 86, вып. 5, 1999.

61. Г. Б. Альтшулер, Н. Н. Ефимов, В. Г. Шакулин: "Кварцевые генераторы", изд. "Радио и связь", 1984.

62. Физика тонких пленок / Под ред. Хасс Г. и Пун Р.З., М.; Мир., 1970, т. 4, с. 334.

63. Авруцкий И.А., Базакуца П.В., Суров С.П. и др., Волноводные гофрированные структуры в интегральной и волоконной оптике, М,; Наука, (1991), - (Труды ИОФАН; том. 34).

64. R.J. Bakker, D.A. Jaroszynski, A.F.G. van der Meer, D. Oepts, P.W. van Amersfoort, IEEE J. Quantum Electron., 30, 1635, (1994).

65. E.W.M. van der Ham, Q.H.F. Vrehen, and E.R. Eliel, Optics Letters, 21, p. 1448, (1996).

66. Алиева E.B., Кузик JI.А., Пудонин Ф.А. и др., ФТТ, 34, вып. 10, с. 3233 - 3237, (1992).

67. Вайчкаускас В., Жижин Г. Н., Яковлев В. А., ФТТ, 32,

N6, с. 1833- 1837,(1990).

68. Борн М., Вольф Э. / Основы оптики. М.; Наука., 1970,

855 с.

69. Жижин Т.Н., Москалева М.А., Шомина Е.В., Яковлев В.А. в кн.: Поверхностные поляритоны / Под. ред. В.М.Аграновича, Д.Л.Миллса, М,; Наука, 1985, с. 70 - 104.

70. Goncharov A.F., Zhizhin G.N., Kiselev S.A. et al., Phys. Lett. A., 133, p. 163 - 166, (1988).

71. Alieva E.V., Yakovlev V.A., Silin V.l., Volkov A., Optics Comm., 96, p. 218 - 220, (1993).

72. Chabal Y. J., Sievers A. J., Appl. Phys. Lett., 32, p. 90 - 92,

(1978).

73. H. Харрик / Спектроскопия внутреннего отражения, М,; Мир, 1970.

74. Шевченко A.B. Плавные переходы в открытых волноводах. М,; Наука, 1969.

75. Ordal M.A., Long L.L., Bell R.G. at al., Appl. Opt., 22, p. 1099- 1119, (1983).

76. Е.В.Алиева, Э.Р.Элиел, Э.В.Р. ван дер Хам, А.Ф.Г. ван дер Меер, Ю.Е.Петров, В.А.Сычугов, К.Х.Ф.Врехен, В.А.Яковлев // Гигантское усиление генерации суммарной частоты при возбуждении поверхностного плазмон-поляритона, Письма в ЖЭТФ, 1997, том 66, вып. 9, стр. 581-584.

77) E.W.M. van der Ham, Q.H.F. Vrehen, E.R.Eliel, V.A.Yakovlev, E.V.Alieva, L.A.Kuzik, J.E.Petrov, V.A. Sychugov, A.F.G. van der Meer // Giant enhancement of sum-frequency yield by surface-plasmon excitation, J. Opt. Soc. Am. B, 1999.

78. D. Beaglehole, Phys. Rev. Lett., 22, p. 706, (1969).

79 P.B. Johnson and R.V. Christy, Phys. Rev., B6, (12), p. 4370,

(1972).

80. E.A.Alieva, Yu.E.Petrov, A.V.Suhorukov, V.A.Yakovlev, G.N.Gigin, G.Mattei, G.Rossi // Infrared optical constants of fullerene and phtalocyanin thin films, 9. Int. Conf. On FT-Spectr., SPIE, 1993, vol. 2089, pp. 401-403.

81. Ю.Е. Петров // Усиление инфракрасного поглощения фталоцианинов и окиси кремния в присутствии островковой металлической пленки, Опт. и спектр., принято в печать.

82. А. Н. Сидоров, И. П. Котляр, Опт. и Спектр., 11, N2, с. 175, (1961).

83. G. С. S. Collins, D. J. Schifrin, J. Electroanal. Chem., 139, p. 335, (1982).

84. B. Heintz, Thesis, Reinisch-Westfallischen Technischen Hochschule, Aachen, 1991.

85. H. Харрик, / Спектроскопия внутреннего отражения, М,; Мир, (1970).

86. G. Mattei, E.V.Alieva, J.E.Petrov, V.A.Yakovlev // Enhancement of adsorbate vibrations due to interaction with microcavity mode in porous silicon superlattice, Surf. Sei., 427-428, 1999, p. 235-238.

87. V. A. Yakovlev, G. Mattei, A. Iembo, et. al., J. Appl. Phys., 78, p. 6321, (1995).

88. M. Krüger, S. Hilbrich, M. Thönissen et al., Thin Solid Films, 297, (1997), 118-121.

89. J. Salonen, V.-P. Lehto, E. Laine, Appl. Surf. Sei., 120, p. 118-121, (1997).

90. W. Theiß, The SCOUT through CAOS, Manual of the Windows application SCOUT, 1994.

91. M. Thönissen, M. G. Berger, S. Billat et al., Thin Solid Films, 297, p. 92-96, (1997).

92. E. P. Boonekamp, J. J. Kelly, J. van de Ven and A. H. M. Sondag, J. Appl. Phys., 75, (12) p. 8121, (1994).