ВВЕДЕНИЕ 3
ГЛАВА I. ТЕОРИЯ
Часть I. Уравнения Максвелла 4
Часть II. Электромагнитное поле и поляризационный отклик среды 7
Часть III. Границы раздела и граничные условия Максвелла 12
Часть IV. Поверхностные электромагнитные волны, условия возбуждения 17
ГЛАВА II.СОБСТВЕННЫЕ СОСТОЯНИЯ ПОВЕРХНОСТНЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН И ИХ ПРОЯВЛЕНИЕ В СПЕКТРАХ НАРУШЕННОГО ПОЛНОГО ВНУТРЕННЕГО ОТРАЖЕНИЯ: МОДЕЛИРОВАНИЕ И РАСЧЕТЫ
Часть I. Метод нарушенного полного внутреннего отражения 20
Часть II. Поверхностные экситонные поляритоны в CdS 23
Часть III. Поверхностные фононные поляритоны в GaP 33
Часть IV. Поверхностные плазмоны в InSb 38
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 43
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 44
Несмотря на то, что активные исследования поверхностных электромагнитных волн начались почти 50 лет назад, они продолжаются по сей день. И это, в значительной степени, связано с разработкой и изучением новых материалов и микро-(нано-)структур на их основе, содержащих разнообразные интерфейсы (включая поверхности). То, что обсуждаемое в работе научное направление остается актуальным, свидетельствуют продолжающиеся интенсивные публикации на эту тему [1-5]. Поверхностные волны - это волны, распространяющиеся вдоль границы раздела двух сред и проникающие (экспоненциально затухающие) в них на расстояния порядка длины волны [ 6]. Электрическое поле этих волн локализовано в узкой области у границы раздела - следовательно, свойства интерфейса сильно влияют на распространение волн. Таким образом, представляется возможность изучать границы раздела на основании данных о локализованном поле.
В настоящей работе изложена теория поверхностных электромагнитных мод и смоделированы экспериментальные условия, в которых возможна регистрация таких мод с помощью метода нарушенного полного внутреннего отражения. Численное моделирование выполнялось с использованием значений параметров реальных кристаллов, для которых были предложены наиболее оптимальные конфигурации эксперимента по исследованию поверхностных волн. Критерием для выбора подходящих конфигураций служило сравнение теоретических дисперсионных кривых поверхностных волн с данными моделирования спектров отражения. В качестве модельных объектов в работе рассмотрены полупроводниковые кристаллы сульфида кадмия (CdS), фосфида галлия (GaP) и легированного донорными примесями антимонида индия (n-InSb).
Целью работы является выяснение оптимальных условий экспериментов по нарушенному полному внутреннему отражению света, в которых могут проявляться поверхностные электромагнитные состояния и измеряться их энергетический спектр. Полученные результаты должны служить базой для последующих исследований поверхностных электромагнитных волн, возбуждающихся на более сложных интерфейсах структурированных твердотельных систем, и прежде всего, пространственно периодических диэлектрических сред.
В работе подробно описана теория собственных поверхностных состояний электромагнитного поля на границах с резонансными средами. Показано, что уравнения, описывающие поверхностные волны, являются решениями макроскопических уравнений электродинамики, дополненных граничными условиями Максвелла. Проанализированы условия, накладываемые на свойства диэлектрических проницаемостей контактирующих сред и на поляризацию света, необходимые для возникновения поверхностных поляритонов.
1. В общем случае контакта разных диэлектрических сред их диэлектрические проницаемости должны иметь противоположные знаки.
2. Возбуждать поверхностные поляритоны возможно только светом р-поляризации.
3. Диэлектрическая проницаемость резонансной среды, контактирующей с воздухом, должна быть отрицательна и не превышать по модулю 1 ( г < — 1 ).
4. Исследуемый интервал частот должен находится в пределах от частоты ыт объемного резонанса до частоты a)s, на которой выполняется условие г(_
5. Параметрами, характеризующими состояние поверхностного поляритона на границе с вакуумом, являются частота и вещественная тангенциальная составляющая волнового вектора, не превышающая по своему значению к 0 - волновое число света в вакууме.
6. Должно реализовываться экспоненциальное затухание поля поверхностной волны в обе стороны от границы.
Целью работы было изучение свойств поверхностных возбуждений, а также моделирование эксперимента НПВО. Результаты моделирования для CdS, GaP, InSb позволили оценить условия, при которых возможно наиболее точное измерение дисперсии поверхностных поляритонов, используя данные по спектроскопии зеркального отражения света. Прямыми расчетами установлено, что наиболее существенное влияние на результаты измерения дисперсии поверхностных поляритонов оказывает толщина воздушного зазора между призмой и исследуемым материалом. При этом толщину зазора следует подбирать так, чтобы глубина провала в спектре НПВО не превышала 10% по отношению к фоновому значению коэффициента отражения. Приведенные в настоящей работе программы численного расчета решают задачу выбора оптимальных условий для экспериментального измерения дисперсии поверхностных поляритонов, обусловленных экситонными, фононными и плазмонными элементарными возбуждениями твердого тела.
