Дослідження формування і поширення електронних та фононних теплових хвиль у сильно поглинаючих напівпровідниках. Дослідження фази та амплітуди термоелектричних відгуків на нерівноважну електронну температуру в фототермічних процесах у напівпровідниках.
В останні роки фізика теплових хвиль викликала до себе підвищену увагу завдяки успішному розвитку її прикладних напрямів і, в першу чергу, фототермічних методів дослідження різних матеріалів - твердих тіл, рідин, полімерів, біологічних обєктів тощо [1]. Вимірюваний в експерименті відгук середовища, наприклад, акустичний, пєзоелектричний, істотно залежить від його оптичних і теплових властивостей, ефективності перетворення енергії випромінювання в тепло, генераційно-рекомбінаційних процесів і т.п. і дозволяє отримати інформацію про такі параметри, як теплопровідність, температуропровідність, коефіцієнт поглинання світла і багато інших. При теоретичному описі фототермічних процесів у напівпровідниках використовується, як правило, однотемпературна модель, яка зводиться до апріорі рівних нерівноважних температур всіх підсистем квазічастинок, що беруть участь в процесі теплопереносу [3]. Цілком очевидно, що і фототермічні процеси в напівпровідниках більш коректно розглядати з точки зору двох самоузгоджених нестаціонарних теплових процесів - електронного та фононного, тобто з точки зору поширення електронних і фононних теплових хвиль. Актуальність цієї задачі визначається необхідністю вивчення впливу теплових характеристик інтерфейсу між шарами на поширення теплових хвиль, а також відсутністю універсальної процедури для теоретичного визначення ефективних значень теплових параметрів, зокрема ефективних значень теплопровідностей та температуропровідностей в умовах фототермічних експериментів.В першому розділі аналізуються відомі літературні джерела, присвячені проблемі фізики теплових хвиль у твердих тілах в однотемпературному наближенні та розглянуто специфіку переносу тепла в напівпровідниках при статичних теплових полях. У відповідноті з характером зовнішнього збурення шукані температури (електронна Те(x,t) та фононна Тр(x,t)) представлені у вигляді сум відповідних статичних та динамічних частин, де w - частота модуляції лазерного випромінювання, індекси “е”, “р” відповідають електронам та фононам. Строгий розвязок задачі показав, що як статичні, так і динамічні частини температурних розподілів в загальному випадку різні для електронів та фононів. Показано, що у випадку гранично слабкої взаємодії (P®0, де Р - коефіцієнт, що визначає інтенсивність електрон-фононного енергообміну), в зразку є два незалежних температурних поля. Внаслідок цього динамічна частина електронної температури залежить від параметрів як електронної, так і фононної підсистем; динамічна частина фононної температури визначається тільки характеристиками фононного газу.В результаті розвязків систем рівнянь теплового балансу самоузгоджено отримано нерівноважні, залежні від координат та періодичні в часі температурні розподіли в електронній та фононній підсистемах геометрично обмежених напівпровідників (теплові хвилі) з врахуванням енергетичної електрон-фононної взаємодії при поверхневому та обємному поглинанні модульованого лазерного випромінювання. Характер розповсюдження електронних та фононних теплових хвиль істотно залежить від співвідношень між частотою модуляції падаючого випромінювання і характерними частотами задачі - частотами термодифузії електронів та фононів, а також частотою релаксації енергії при електрон-фононній взаємодії. Механізм релаксації енергії фононів у невироджених напівпровідниках не залежить від геометричних розмірів зразка і носить термодифузійний характер. В електронній підсистемі цей механізм в тонких зразках визначається електронною термодифузією, а в масивних - електрон-фононною взаємодією.
План
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
Вывод
В результаті розвязків систем рівнянь теплового балансу самоузгоджено отримано нерівноважні, залежні від координат та періодичні в часі температурні розподіли в електронній та фононній підсистемах геометрично обмежених напівпровідників (теплові хвилі) з врахуванням енергетичної електрон-фононної взаємодії при поверхневому та обємному поглинанні модульованого лазерного випромінювання.
Характер розповсюдження електронних та фононних теплових хвиль істотно залежить від співвідношень між частотою модуляції падаючого випромінювання і характерними частотами задачі - частотами термодифузії електронів та фононів, а також частотою релаксації енергії при електрон-фононній взаємодії.
Механізм релаксації енергії фононів у невироджених напівпровідниках не залежить від геометричних розмірів зразка і носить термодифузійний характер. В електронній підсистемі цей механізм в тонких зразках визначається електронною термодифузією, а в масивних - електрон-фононною взаємодією.
При вивченні електронних теплових хвиль детектування нестаціонарної електронної температури може бути здійснено термоелектричними вимірюваннями, що розширює прикладний напрям термоелектрики. Цей метод, на відміну від інших, дозволяє вимірювати електронну та фононну тепло- та температуропровідності, величину електрон-фононної взаємодії в напівпровідниках, коефіцієнт поглинання світла в межах одного фототермічного експерименту.
Вивчено вплив теплових параметрів поверхонь та інтерфейсу між шарами на розповсюдження теплових хвиль в двошаровій структурі. Отримано критерії, коли теплові контакти між шарами можна вважати ізотермічними.
У відповідності до загальної процедури вимірювань у фототермічних експериментах запропоновано загальний підхід для теоретичного розрахунку ефективних значень теплопровідності та температуропровідності двошарових структур, адекватних експерименту. Показано, що отримані до цього часу результати є частковими випадками наведених загальних міркувань.
Ефективні параметри не є однозначними, а залежать від точки та способу фототермічних вимірювань. Це означає, що при виборі експериментальних значень ефективних параметрів обовязково треба обумовлювати метод їх вимірювання.
Список литературы
А. Mandelis. Photoacoustic and thermal waves phenomena in semicondutors. - North-Holland, Amsterdam, 1987.
H. Vargas and L.C.M. Miranda. Photoacoustic and related photothermal techniques // Phys. Rep. - 1988. - Vol.161, №2. - Р.43-101.
A. Rosencwaig, A. Gersho. Theory of the photoacoustic effect with solids // J. Appl. Phys. - 1976. - Vol.47, №1. - P.64 - 69.
Ф.Г.Басс, В.С. Бочков, Ю.Г. Гуревич. Электроны и фононы в ограниченных полупроводниках. - М.: Наука, 1984, - 287 с.
Г.Н. Логвинов. Электронная температура в неоднородно нагретом полупроводниковом субмикронном слое // ФТП, - 1991. - Т.25, №.10. - С.1815-1818.
A.M.Mansanares, A.C.Bento, H.Vargas, N.F.Leite and L.C.M.Miranda. Photoacoustic measurement of the thermal properties of two-layer systems // Phys.Rev. (B), - 1990. - Vol.42, №7. - P.4477-4486.
T.Tominaga, K.Ito. Theory of Photoacoustic Measurements of the Thermal Diffusivity of Two-Layer Samples // Jap. J. Appl. Phys., - 1988. - Vol.27, №12. - P.2392-2397.
Результати дисертації опубліковані в таких роботах: Yu.G. Gurevich, G. Gonzalez de la Cruz, G.N. Logvinov, M.N. Kasyanchuk. Thermal Waves in Semiconductors // Journal of Thermoelectricity. - 1997. - № 2. - P.45-54.
G.N. Logvinov, M.N. Kasyanchuk, Yu.G. Gurevich, G. Gonzalez de la Cruz, Narciso Munoz Aguirre. Nonequilibrium Electron and Phonon Temperature Fields in Two-Layer Structure Semiconductor-Dielectric Caused by Static Photothermal Excitation. Thermo-EMF in Electron Subsystem // Journal of Thermoelectricity. -1997. - № 4. - P. 65-75.
Ю.Г. Гуревич, Г. Гонзалез де ла Круз, Г.Н. Логвинов, М.Н. Касянчук. Влияние электрон-фононного энергообмена на распространение тепловых волн в полупроводниках // ФТП. - 1998. - T.32, №11. - C.1325-1330.
М.M. Касянчук, І.М. Лашкевич, Г.М. Логвінов. Двотемпературні теплові хвилі в обмежених напівпровідниках // Збірник “Наукові записки ТДПУ”. Серія “Математика і фізика”. - 1998. - №1(11). - C. 58-63.
М.М.Касянчук, І.М.Лашкевич. Нестаціонарна електронна і фононна температури у невироджених напівпровідниках субмікронних товщин // Фізика і хімія твердих тіл (Івано-Франківськ, Україна). - 2000. - T.1, №1. - C.49-54.
Ю.Г.Гуревич, Г.М.Логвінов, Г.Гонзалез де ла Круз, А.Ф.Карбало Санчез, Ю.В.Дрогобицький, М.М.Касянчук. Динамічний тепловий транспорт в напівпровідникових субмікронних плівках // Фізика і хімія твердих тіл (Івано-Франківськ, Україна). - 2000. - T.1, №1. - C. 27-40.
N.Munoz Aguirre, G.Gonzalez de la Kruz, Yu.G.Gurevich, G.N.Logvinov, M.N.Kasyanchuk. Heat Diffusion in Two-Layer Structures:Photoacoustic Experiments // Phys. Stat. Sol.(b). - 2000. - Vol.220. - P. 781-787.
Ю.Г.Гуревич, Г.Гонзалез де ла Круз, Г.Н.Логвинов, М.Н.Касянчук. Электронные и фононные тепловые волны в полупроводниках // Доклады V Межгосударственного семинара “Термоэлектрики и их применения”. - Санкт-Петербург: ФТИ им. А.Ф.Иоффе. - 1997. - С.155-158.
Yu.G. Gurevich, G. Gonzalez de la Cruz, G.N. Logvinov, M.N. Kasyanchuk. Thermoelectric Detection of Photothermal Signals in Semiconductors // Proceeding of XVI International Conference on Thermoelectrics. - Dresden (Germany). - 1997. - P. 738-740.
Yu.G.Gurevich, G.Gonzalez de la Cruz, M.N.Kasyanchuk, G.N.Logvinov. Some Physical Aspects of Forming and Propagation Thermal Waves // Proceedings of the 28th Winter School on Molecular and Quantum Acoustics and 4th Workshop on Photoacoustics and Photothermics. - Gliwice (Poland). -1999. - Р. 121-124.
М.М.Касянчук, І.М.Лашкевич. Нестаціонарні термодифузійні процеси в двошарових структурах // Матеріали ІІ Міжнародного смакулового симпозіуму “Фундаментальні та прикладні проблеми сучасної фізики”. - Тернопіль (Україна). - 2000. - С. 46-47.
Yu.G. Gurevich, G. Gonzalez de la Cruz, G.N. Logvinov, M.N. Kasyanchuk. Elektron and Phonon Thermal Waves in Semiconductors // Доклады V Межгосударственного семинара “Термоэлектрики и их применения”. - Санкт-Петербург: ФТИ им. А.Ф.Иоффе. - 1997. - С.226.
Yu.G. Gurevich, G. Gonzalez de la Cruz, G.N. Logvinov, M.N. Kasyanchuk. Thermoelectric Detection of Photothermal Signals in Semiconductors // Program and Abstracts of XVI International Conference on Thermoelectrics. - Dresden (Germany). - 1997. - P. 106.
Yu.G. Gurevich, G. Gonzalez de la Cruz, G.N. Logvinov, M.N. Kasyanchuk, T.N. Kondratova. About Possibility of Determination of Electron and Phonon Heat Parameters by Thermoelectric Detection of Electron Thermal Waves // Abstract Booklet of Second International School-Conference “Physical Problems in Material Science of Semiconductors”. - Chernivtsi (Ukraine). -1997. - P. 103.
G.N. Logvinov, M.N. Kasyanchuk, I.M. Lashkevych, Yu.G. Gurevich, G. Gonzalez de la Cruz. Thermal Waves in Semiconductors and Semiconductor Films. Thermoelectric Detection of Waves // Program and Abstracts of XVII International Conference on Thermoelectrics. - Nagoya (Japan). - 1998. - P. 34.
М.М.Касянчук, І.М.Лашкевич, Ю.Г.Гуревич, Г.М.Логвінов. Нестаціонарна самоузгоджена електронна та фононна термодифузія в напівпровідниках // Міжнародна школа-конференція з актуальних питань фізики напівпровідників. Тези доповідей. - Дрогобич, Україна. - 1999. - C. 80.
Gonzalez de la Cruz, Yu. G. Gurevich, G.N. Logvinov, N. Munoz Aguirre, M.N. Kasyanchuk. The Heat Effective Parameters in Two-Layer Mediums // 15th European Conference on Thermophysical Properties. Book of Abstracts. - Wьrzburg (Germany). - 1999. - P. 229.
Yu.G.Gurevich, G.Gonzalez de la Cruz, M.N. Kasyanchuk, I.M. Lashkevich, G.N.Logvinov. The Theory of the Photothermal Processes in Semiconductors: Two-Temperature Model // 15th European Conference on Thermophysical Properties. Book of Abstracts. - Wьrzburg (Germany). - 1999. - P. 230.
G.Gonzalez de la Cruz, Yu.G.Gurevich, M.N.Kasyanchuk, T.N.Kondratova, G.N.Logvinov. The Effective Thermal Parameters in Two-Layer Systems. Application to Photothermal Experiments // Abstract Booklet of Third International School-Conference “Physical Problems in Material Science of Semiconductors”. - Chernivtsi (Ukraine). - 1999. - P. 227.
G.Gonzalez de la Cruz, Yu.G.Gurevich, G.N. Logvinov, M.N.Kasyanchuk, I.M.Lashkevich. Selfconsistent Electron and Phonon Thermal Waves in Semiconductors // Book of Abstracts of 29th Winter School on Molecular and Quantum Acoustics. 5th Workshop on Photoacoustics and Photothermics. - Gliwice (Poland). - 2000. - Р. 59.
Yu.G.Gurevich, G.N.Logvinov, G.Gonzalez de la Kruz, M.N.Kasyanchuk, I.M.Lashkevich. The Interacted Electron and Phonon Thermal Waves in Semiconductors // Abstract of 11th International Conference on Photoacoustic and Photothermal Phenomena. - Kyoto (Japan). - 2000. - Р.02-10.
Касянчук М.М. Електронні та фононні теплові хвилі у напівпровідниках. - Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.10 - Фізика напівпровідників та діелектриків. - Волинський державний університет імені Лесі Українки, Луцьк, 2001.
Дисертація присвячена дослідженню електронних та фононних теплових хвиль у напівпровідниках при поверхневому і обємному поглинанні модульованого електромагнітного випромінювання. Інший її напрям зводиться до вивчення теплових хвиль у двошарових структурах.
Самоузгоджено отримано і проаналізовано температурні розподіли в електронній та фононній підсистемах. Досліджено термоелектричний метод детектування електронної температури.
Вивчено вплив теплових параметрів поверхонь та інтерфейсу на поширення теплових хвиль в двошаровій системі. Запропоновано загальний підхід для визначення ефективних тепло- і температуропровідностей в рамках фототермічного експерименту.
Касянчук М.Н. Электронные и фононные тепловые волны в полупроводниках. - Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.10 - Физика полупроводников и диэлектриков. - Волынский государственный университет имени Леси Украинки, Луцк, 2001.
Диссертация посвящена исследованию электронных и фононных тепловых волн в полупроводниках приповерхностном и объемном поглощении внешнего модулированного электромагнитного излучения. Другое ее направление сводится к изучению тепловых волн в двухслойных структурах с учетом интерфейса между слоями и теплообмена между образцом и внешней средой.
Самосогласованно получены и проанализированы аналитические выражения температурных распределений в электронной и фононной подсистемах полупроводникового образца с учетом энергетического электрон-фононного взаимодействия. Введены характерные частоты задачи: частоты термодиффузии электронов и фононов, а также частота релаксации энергии при электрон-фононном взаимодействии. Характер распространения тепловых волн существенно зависит от соотношений между этими частотами и частотой модуляции падающего излучения.
Для невырожденных полупроводников определен механизм релаксации энергии, который в фононной подсистеме не зависит от геометрических размеров образца и носит термодиффузионный характер. В электронной подсистеме этот механизм в тонких образцах определяется электронной термодиффузией, а в массивных - электрон-фононным взаимодействием. Построены графические зависимости амплитуд и фаз температурных волн от частоты модуляции.
Исследована возможность использования термоэлектрического детектирования электронной температуры, которое позволяет получить информацию об электронных и фононных тепло- и температуропроводностях, величине электрон-фононного взаимодействия в полупроводниках и коэффициенте поглощения света
Изучено влияние тепловых параметров поверхностей и интерфейса между слоями на распространение тепловых волн в двухслойной системе приповерхностном поглощении внешнего излучения в однотемпературной модели. Получены критерии изотермичности теплового контакта между слоями.
Предложен общий подход для теоретического определения адекватных эксперименту эффективных значений тепло- и температуропроводностей двухслойной структуры. Наглядно продемонстрированы более широкие возможности этого метода для определения эффективной теплопроводности на примере статических тепловых полей. При нестационарных тепловых полях записаны общие системы уравнений для получения эффективных тепло- и температуропроводностей, которые могут быть использованы для ряда аналитических расчетов и универсальных компьютерных вычислений. Рассмотрены частные случаи, в которых значения эффективных параметров определяются аналитически точно.
Делается вывод, что измерения и адекватные вычисления эффективных параметров различными методами в общем случае приводят к различным результатам, то есть эффективные параметры определяются не однозначно, а зависят от точки и способа измерений. При выборе же экспериментальных значений эффективных тепловых параметров необходимо оговаривать метод их измерения.
Kasyanchuk M.N. Electron and phonon thermal waves in semiconductors. - Manuscript.
The thesis for the scientific degree of candidate of physics and mathematics science, speciality 01.04.10 - Semiconductor and Insulator Physics. - L. Ukrainky Volyn’ State University, Lutsk, 2001.
The thesis is devoted to an investigation of electron and phonon thermal waves in semiconductors with taken into account surface and bulk absorption of modulated electromagnetic irradiation. Another direction of the dissertation is to study thermal waves in two-layer structures.
Temperature distributions in electron and phonon subsystems are self-consistently obtained and analyzed. Thermoelectricity detection of electron temperature is investigated.
Thermal parameters surface and interfaces influence on propagation thermal waves in two-layer system has been investigated. General approach to determinate effective thermal conductivity and thermal diffusivity has been suggested within the frame of photothermal experiments.
