Piezoelektryczna spektroskopia fototermiczna w objętości i na powierzchni półprzewodników A2B6

Fototermika jest dziedziną nauki, która bada zjawiska powstające po absorpcji energii promieniowania elektromagnetycznego i przekazaniu materiałowi na sposób ciepła. Badaniami fototermicznymi można objąć materiały, które trudno zbadać konwencjonalnymi metodami – substancje bardzo dobrze rozpraszające światło, optycznie nieprzezroczyste lub charakteryzujące się bardzo małą absorpcją.

Praca przedstawia rezultaty badań wybranych półprzewodników A2B6 za pomocą piezoelektrycznej spektroskopii fototermicznej. Przeprowadzono systematyczne badania wpływu przygotowania próbek na przebieg amplitudy i fazy widma fototermicznego. Powierzchnie próbek poddano obróbce mechanicznej (szlifowanie, polerowanie), chemicznej (trawienie) oraz termicznej. Przeanalizowano podstawowe zagadnienia w spektroskopii fototermicznej – rozkład pola temperatury w próbce absorbującej promieniowanie elektromagnetyczne. Przedstawiono  symulacje widm amplitudy i fazy dla rożnych wartości parametrów termicznych i optycznych, typowych dla materiałów półprzewodnikowych. 

Wykaz oznaczeń / 7

1. Wstęp / 9
2. Równanie dyfuzji termicznej (przewodzenia ciepła) / 14
2.1. Odbicie i załamanie fali termicznej / 18
3. Rozkład temperatury w próbce absorbującej promieniowanie  elektromagnetyczne / 20
3.1. Model Rosencwaiga i Gersho / 20
3.2. Model interferencji fal termicznych / 25
3.2.1. Rozkład temperatury wzdłuż grubości próbki / 28
3.3. Model Jacksona i Amera (J-A) / 33
3.4. Model Blonskiego / 36
3.5. Rozkład temperatury w dwóch warstwach / 37
4. Generacja sygnału piezoelektrycznego – odkształcenie próbki i detektora / 44
4.1. Wzajemne położenie układu próbka–detektor–promieniowanie wzbudzające (model J–A) / 45
5. Absorpcja w półprzewodnikach / 49
5.1. Przejścia proste dozwolone / 49
5.2. Przejścia pomiędzy ogonami pasm / 51
6. Piezoelektryczne widma fototermiczne / 53
6.1. Przebieg amplitudy i fazy widm fototermicznych / 54
6.2. Zmiana parametrów symulacji / 56
6.2.1. Wpływ podłoża / 56
6.2.2. Grubość próbki / 58
6.2.3. Poszerzenie ogona Urbacha (parametr γ) / 58
6.2.4. Współczynnik kształtu / 60
6.3. Rozszerzenia modelu, symulacje dla materiałów nieidealnych / 61
6.3.1. Wpływ defektów obecnych w objętości próbki / 61
6.3.2. Wpływ defektów obecnych na powierzchni próbki / 63
7. Eksperyment / 68
7.1. Układ pomiarowy / 68
7.1.1. Komórka fototermiczna / 69
7.2. Przygotowanie próbek / 70
7.3. Selenek cynku / 71
7.4. Kryształy mieszane / 85
7.5. Zn1–x–yBexMnySe / 87
7.6. Zn1–x–yBexMgxSe / 97
7.7. CdS / 103
7.8. CdSe / 106
7.9. Inne efekty związane z powierzchnią / 110
8. Podsumowanie / 111
 
Aneks 1. Powierzchnia idealna a rzeczywista / 114
Aneks 2. Zdefektowana warstwa przypowierzchniowa / 118
Aneks 3. Piezoelektryczna spektroskopia fototermiczna  półprzewodników – przegląd literatury / 121
Bibliografia / 130

Jacek Zakrzewski