Материал: Дослідження поляризаційних характеристик тонких плівок нітрид титана і прополісу

Дослідження поляризаційних характеристик тонких плівок нітрид титана і прополісу

Реферат

В роботі наведені результати експериментального дослідження розсіяння поляризованого випромінювання тонкими плівками прополісу та нітрид титану. При цьому проведений аналітичний огляд науково-технічної літератури стосовно вказаних об’єктів, які на даний час являються досить актуальними для реалізації окремих елементів гетероконтакту у фотодетекторах. Розглянуті питання оцінки залежності характеристик розсіяного тонкими плівками випромінювання від форми поляризації падаючого та оцінки «стійкості» світлових потоків різних форм поляризації.

Ключові слова: лінійна поляризація, прополіс, гетероструктура, фотодетектори, кутовий розподіл, нітрид титану, еліптичність.

Зміст

Вступ

Список умовних позначень, термінів та скорочень

. Аналітично-оглядова частина

.1 Поляризація оптичного випромінювання

.1.1 Поняття поляризованого випромінювання

.1.2 Опис поляризаційних параметрів випромінювання

.1.3 Поляризацiйнi властивостi когерентного випромiнювання при багаторазовому розсiюваннi

.2 Тонкі плівки

.2.1 Структурна модель тонких плівок

1.2.2 Дифузне розсіювання носіїв заряду. Залишкова рухливість. Мозаїчні плівки

1.2.3 Полікристалічні плівки

.2.4 Розсіювання на дислокаціях невідповідності. Гетероструктури

.3 Властивості тонких плівок нітриду титану (TiN) та їх використання

.3.1 Оптичні властивості тонких плівок ТіN

.3.2 Дослідження поверхневої морфології тонких плівок ТіN

.3.3 Оптичні константи та коефіцієнти тонких плівок ТіN

.3.4 Механічні властивості нанокерамікі на основі TiN

.4 Прополіс

.4.1 Хімічний склад прополіса

.4.2 Електрофізичні та сорбційні характеристики

. Практична частина

.1 Опис експериментальної установки

.2 Методика вимірювання параметрів Стокса

.3 Умови проведення досліджень

.4 Графіки по результатам проведених досліджень

.5 Аналіз отриманих результатів експерименту

. Техніка безпеки при роботі з лазерами

.1 Основні правила техніки безпеки

Висновок

Список літератури

Вступ

В останні роки проводиться інтенсивний пошук і дослідження різних перспективних матеріалів і структур на їх основі, для застосування у фотоелектричних пристроях. Використання гетероструктур для виготовлення фотоелектричних перетворювачів розширює їх функціональні можливості і підвищує експлуатаційні характеристики в порівнянні з фотоелектричними приладами на основі гомопереходів [1-4].При цьому, в якості матеріалу окремих елементів гетероструктури досить широко використовують як органічні матеріали (наприклад, прополіс), так і напівпровідникові плівки різного типу. Серед них, в останні роки широко застосовується нітрид титану.

Нітрид титану (TiN) - це перспективний широкозонний матеріал, який володіє вдалою сукупністю фізико-хімічних параметрів: низький питомий опір, досить високий коефіцієнт пропускання у видимій частині спектру, високий коефіцієнт відбивання в інфрачервоній частині спектра, висока твердість, висока зносостійкість, хороша хімічна інертність і стійкість до корозії [5-8].

Якщо говорити про прополіс, то на даний час у науковій літературі все більше уваги приділяється питанням можливості використання органічних речовин при створенні нового класу гібридних пристроїв “органічна речовина-напівпровідник” для перетворення електромагнітного випромінювання.

В даній магістерській роботі наведений аналітичний огляд науково-технічної літератури стосовно використання органічної речовини природного походження - прополісу,а також нітрида титану (TiN), як перспективних для фотоелектроніки матеріалів та представлені результати експериментального дослідження розсіювання поляризованого випромінювання вказаними об’єктами, шо і являється метою цієї магістерської роботи. Актуальність подібних досліджень пояснюється практично відсутністю науково обґрунтованої інформації стосовно залежності інтегральної та спектральної чутливості фотоприймачів від типу і форми падаючого на них світлового потоку.

Для досягнення вказаної мети були поставлені наступні задачі:

. Провести аналітичний огляд науково-технічної літератури стосовно тематики магістерської роботи;

. Освоїти методику експериментального дослідження поляризаційних характеристик випромінювання розсіяного тонкими плівками;

. Провести юстування експериментальної установки та окремі виміри на контрольних об`єктах

. Провести комплекс запланованих експериментальних вимірювань використовуючи тонкі плівки прополіса та TiN при різних формах поляризації падаючого випромінювання;

. Провести аналіз отриманих результатів і сформулювати відповідні висновки.

Список умовних позначень, термінів та скорочень

ГК - гетеро контакт

Р - прополіс

СРР - спиртовий розчин прополісу- електрон вольт

ПВ - плівковий варіант

ВАХ - вольтамперна характеристика

ВФХ - вольт-фарадна характеристика

λ - довжина хвилі

σ - електропровідність

плівка нітрид прополіс випромінювання

1. Аналітично-оглядова частина

1.1 Поляризація оптичного випромінювання

1.1.1 Поняття поляризованого випромінювання

При проходженні випромінювання крізь оптичні середовища воно поляризується внаслідок специфіки процесів дисперсії, відбивання, заломлення, розсіювання. У той же час випромінювання з різним станом поляризації буде по-різному взаємодіяти з самим середовищем. Тому питання поляризації займають важливе місце в теорії поширення світла, кристалооптиці, розсіянні світла, являють собою фундаментальні основи, на яких базуються еліпсометричні дослідження.

Розглянемо можливі стани поляризації плоскої гармонічної хвилі у ізотропному однорідному середовищі , яка задовольняє рівнянням Максвела; - комплексна амплітуда, = - хвильовий вектор, i - нормаль до площини рівних фаз, - радіус вектор, w=2πυ - кругова частота. Якщо хвиля поширюється в напрямку осі z (), то електричний () і магнітний () вектори, складові електромагнітної хвилі, розміщуються в площині, перпендикулярній напрямку розповсюдження (вісь z) і зв’язані між собою рівнянням :

=       =. (1.1)

де ξ і µ відповідно діелектричні і магнітні проникності середовища.

Внаслідок попередності поля, складові   рівні нулю і зміни декартових компонент векторів  і  описуються функціями типу

=a, а,

де τ==ωt-z, (1.2)

δ - початкова фаза хвилі.

Для спрощення нехай z = 0, тоді

=, = (1.3)

 і  початкові фази для x і y складових.

Поляризацію хвилі буде визначати певна зміна в просторі її складових - електричних і магнітних векторів. Знайдемо геометричне місце точок, що описує кінець електричного вектора в просторі за час 1/υ. Для цього виключимо із рівняння (1.3) часову складову ωt, зробивши ряд перетворень:

/=-;

Після множення на або ,  або  і віднімання

 -= - ,

-= - .  (1.5)

Підносячи до квадрату кожну із рівностей (1.5) і склавши їх, отримаємо:

- ,                (1.6)

Рівняння (1.6) є рівнянням канонічного перерізу. Оскільки його детермінант

То це буде рівняння еліпса, вписаного в прямокутник із сторонами 22

Таку хвилю називають еліптично поляризованою. Якщо дивитись вздовж променя, то обертання проти годинникової стрілки називають лівоциркулярним, а за годинниковою стрілкою - правоциркулярним. Очевидно, що кінець магнітного вектора  також описує еліпс, так як у відповідності з (1.1)

 = -   =   (1.7)

Еліпс поляризації можна описати двома способами: у системі координат x, y або у системі зв’язаній з еліпсом, яка задається напрямками його великої і малої на півосей Х та Х+π/2. Площина, що проходить через вісь х (орт q) і вісь z , називається площиною референції або площиною відліку. У першій системі (лабораторна x, y) еліпс поляризації характеризується кутами δ і ψ (ψ=arctg/), у другій кутами - Х , γ (γ =). Ці системи рівноправні і між їх кутовими параметрами існує певний зв'язок. Кут Х називається азимутом, кут γ - еліптичністю. Знак «плюс» береться для право циркулярного світла, «мінус» - для лівоциркулярного. Зв'язок між введеними еліпсометричними параметрами встановлюється на основі вимог ідентичності рівняння коливань електричного вектора, представлених у системі х, у (вираз1.2) і Х, Х+π/2.

=a=cos ,               (1.8)

=b=

+ =1; (1.9)

a, b - велика і мала півосі еліпса. Зміст амплітуди  легко зрозуміти із визначення повної інтенсивності:

І=+=+=+,

тобто . У відповідності з рисунком (1.1) маємо:

cosχ += -+. (1.10)

Підставляючи значення ,  у (1.9) і порівнюючи одержаний результат з виразом (1.6) отримуємо зв'язок між параметрами еліпса і ряд характерних співвідношень(1.11-15):

=- ,    (1.11)

  ,     (1.12)

         (1.13)

 ,       (1.14)

=(),    = ab,

2 ,     (1.15)

Знак величини δ вибирається таким, щоб добуток  був додатним, тому що ab > 0. Для лівоциркулярного світла δ - від’ємне, для правоциркулярного - додатнє. Експериментально легше визначаються параметри γ χ. Перехід до параметрів δ ψ відбувається згідно з формулами (1.11), (1.12). Границі зміни параметрів еліпса поляризації слідуючі:

 δ()- довільне, 0/2 ,      (1.16)

0, /4/4.

Введені параметри еліпса поляризації одержані при розгляді ідеального пучка - плоскої монохроматичної хвилі з нескінченним хвильовим цугом.

В кожному із цугів хвиль, що проходять різниця фаз коливань у двох ортогональних напрямках і відношення амплітуд будуть постійними, тобто кути еліпса поляризації для них залишаться незмінними. На практиці такі пучки одержують при пропусканні квазімонозроматичного випромінювання скрізь поляризаційні пристрої.

1.1.2 Опис поляризаційних параметрів випромінювання

При описанні взаємодії оптичного випромінювання з дисперсним середовищем з врахуванням його поляризації широко застосовується формалізм, який базується на стоксових векторах [9, 10], елементи яких можна записати у вигляді:

    (1.17)

де  і  - комплексні осцілюючі функції електричного вектора перпендикулярно напрямку розповсюдження хвилі, а скобки означають усереднення по часу.

Чотири параметри Стокса можна розглядати як компоненти єдиного вектор-параметру в чотирьохмірному функціональному просторі з записом у вигляді:

    (1.18)

Перший параметр  дорівнює сумі інтенсивностей горизонтальної та вертикальної поляризації і являє собою загальну інтенсивність, тобто . Параметр  називається параметром переважної горизонтальної поляризації і дорівнює . Третій параметр Стокса  характеризує надмір інтенсивності з поляризацією під кутом 45° над інтенсивністю під кутом 135°: . , характеризує надмір правоциркулярної поляризації над лівоциркулярною: . Якщо світло повністю поляризоване, то виконується співвідношення , у випадку неполяризованого світла . Нерівність виразу  приводить до визначення ступеня поляризації , ступеня лінійної поляризації  і ступеня циркулярної поляризації .

.1.3 Поляризацiйнi властивостi когерентного випромiнювання при багаторазовому розсiюваннi

Дослiдження процесiв розсiювання електромагнiтного випромiнювання випадково неоднорiдним середовищем проводилися, як правило, у межах окремих модельних уявлень про процеси свiтлорозсiяння, моделi опису яких розроблялися лише для конкретних типiв оп- тично-неоднорiдних об’єктiв (шорсткi поверхнi, об’ємно розсiюючi шари рiзної товщини) [11, 12]. Проведення порiвняльного аналiзу експериментальних даних було утрудненим через необхiднiсть проведення усереднення великої кiлькостi стохастичних випадкових величин i, крiм того, самi результати часто мали емпiричний характер. Пiзнiше традицiйнi методи оптики розсiюючих середовищ були доповненi та розвиненi сукупнiстю методiв, якi були пов’язанi з наслiдками когерентностi свiтла, а саме, зi спостереженням випадкових змiн iнтенсивностi поля пiсля проходження когерентної хвилi крiзь випадково-неоднорiдне середовище (так званих спекл-структур).

Напрямок дослiджень, який має назву “оптика спеклiв”, заснований на аналiзi параметрiв модуля амплiтуди i фази випадкових полiв з подальшим пошуком взаємозв’язку кореляцiйних статистичних моментiв поля з вiдповiдними статистичними характеристиками фазово-неоднорiдного шару. Зазначенi методи оптики спеклiв були застосованi для розв’язання великого кола прикладних задач: для визначення параметрiв мiкрорельєфу; форми дифузних поверхонь; вимiрювання вiдстанi до дифузора; усунення спекл-шуму хвилi, що пройшла крiзь розсiювач; визначення дисперсiї висот нерiвностей шорсткихповерхонь.

Рис. 1.1. Схема проведення поляризацiйних дослiджень: θin, θout - кути падiння, дзеркальне вiдбиття, вiдповiдно; α - кут розсiяння (напрямок спостереження)

Оптика спеклiв переважно використовує аналiз структури поля, що базується на одержаннi iнформацiї про його амплiтудно-фазовi характеристики, не враховуючи векторної структури поля. Доповнення її поляризацiйними вимiрюваннями виявилося дуже корисним для розв’язання ряду задач тестування поверхонь при одноразовому розсiюваннi. Але при багаторазовому розсiюваннi складнiсть вiдповiдних фiзичних механiзмiв стохастичного розсiювання приводить до вiдсутностi однозначних розв’язкiв для задач такого типу. В зв’язку з цим викликає iнтерес побудова простих моделей розсiюючих середовищ, для яких можна знайти аналiтичний розв’язок задачi, або звести її до чисельних розрахункiв.

В роботі [11] отриманий розв’язок прямої задачi багаторазового розсiювання в рамках запропонованої моделi одноразового розсiювання i дослiджено експериментальні залежності ступеня поляризацiї вiд кратностi актiв розсiяння та кута розсiювання, залежно вiд характеристик набору калiброваних дифузних поверхонь. Такi дослiдження дають можливiсть порiвнювати поляризацiйнi залежностi на кожному етапi збiльшення кратностi розсiювання, що дає додаткову iнформацiю при застосуваннях запропонованої моделi.

Розглянемо основну iдею, що використовувалася при моделюваннi процесу розсiювання оптичного випромiнювання статистично неоднорiдним середовищем. Нехай оптична хвиля пiд деяким, ненульовим, кутом θin падає на дифузну гомогенну поверхню RS з заданим показником заломлення n (див. рис. 1. 1.). Якщо поверхня iдеально рiвна, то виникає лише одна хвиля, що поширюється в середовищi зi швидкiстю, яка визначається показником заломлення, i одна вiдбита хвиля, яка йде у зворотному напрямку до джерела випромiнювання. У випадку, коли поверхня є шорсткою, вiдбивання i заломлення матиме стохастичний характер i виникнуть компоненти, якi розповсюджуються у недзеркальному напрямку.