Статья 1/2 .

Квантованные скорости медленных солитоно-подобных возбуждений в монокристалле кремния. Измерения с помощью термопар.

Кудрявцев Е.М. (kudriavt@sci.lebedev.ru ), Зотов С.Д. Физический институт им. П.Н.Лебедева РАН, Отделение оптики

1. ВВЕДЕНИЕ

Квантованные значения скоростей последовательности медленных (порядка см/сек) солитоно-подобных возбуждений были экспериментально установлены в различных материалах по ходу исследований Медленной Уединённой Упругой Волны (МУУВ). В первые годы после обнаружения этой волны [1,2] мы называли её «Волной изменений (оптического) отражения и проводимости» (ВИОП) по предложению Н.А.Пенина, в соответствии с первыми методами её исследования. Хотя об этом явлении известно к настоящему времени довольно много (см. обзоры [3-5]), его физический механизм ещё только разрабатывается (см., например, [6,7]). С уверенностью можно сказать, что природа МУУВ и звука различны, поскольку температурные зависимости их скоростей различаются качественно (одна растёт с температурой, другая - падает) и, к тому же, имеют на 6 порядков различающиеся температурные коэффициенты

[7,8].

Одним из наиболее фундаментальных и требующих дальнейших исследований является следующее свойство МУУВ. Однократный возбуждающий импульс (электро-магнитного, корпускулярного излучения или механический) с порогом (1^100) кВт/см2 вызывает в материале целую серию из /=30 или более уединённых волн - компонентов МУУВ. Они распространяются по материалу каждый со своей постоянной скоростью U , значения которой уменьшаются примерно вдвое для последующего i+1 -го компонента, начиная от продольной скорости звука vl (км/сек) до значений много меньше, чем мм/сек. Важно, что на всём интервале изменений скорости, составляющем более 9 порядков, по-видимому, выполняется [3] условие :

U = vt /2i F(T),.(1)

где F(T) - некоторая функция температуры Т. Реально проверка этого соотношения выполнялась пока только для нескольких групп компонентов МУУВ в разных частях указанного диапазона и для ограниченного набора исследованных материалов. В настоящей серии из двух работ мы проанализируем независимые данные о скоростях МУУВ для одного и того же материала - монокристаллического кремния, полученные разными методами в разных интервалах значения скорости, причём частично с использованием одного и того же образца (см. ниже).

Измерения, проводившиеся в Физическом институте им.П.Н.Лебедева РАН с помощью термопары в качестве детектора волны и СО2-лазера, позволили обнаружить компоненты МУУВ, движущиеся со скоростями в интервале 0,5^10 см/сек. К относящимся сюда результатам [9,10] мы

возвращались на протяжении нескольких лет; их обсуждение и новые данные изложены в первой статье из этой серии.

Диапазон измеренных скоростей компонентов МУУВ был существенно расширен (до ~ 200^1000 см/сек, статья вторая из серии), когда удалось получить информацию о скоростях этих уединённых волн из первичных данных по измерениям теплопроводности кремния с помощью быстрого ИК-детектора и Nd:YAG- лазера. Эти данные использовались в качестве контроля при измерениях теплопроводности образцов синтетического алмаза [11] и были предоставлены нам, благодаря сотрудничеству, коллегами из Института общей физики им. А.М.Прохорова РАН. Они также предоставили нам один из использованных для измерений образцов кремния, который затем исследовался нами в статье первой.

Задачей исследования, кроме желания ещё раз надёжно подтвердить факт возбуждения компонентов МУУВ в таком важном материале, как кремний, было проверить, будут ли удовлетворять соотношению (1) измеренные независимыми способами и в разных интервалах значения скорости компонентов МУУВ. Это важно знать для разработки механизма явления. Соотношение (1) связывает дискретные значения скорости компонентов МУУВ с продольной скоростью звука для исследуемого материала (а точнее - с соответствующими параметрами этого материала, - через удобное посредство одной табулированной величины - продольной скорости звука).

2.1. СХЕМА ИЗМЕРЕНИЙ.

Схема измерений локальных вариаций температуры поверхности образца с помощью термопары представлена на рис. 1. Для возбуждения МУУВ применялся обычный 10,6 микронный СО2-лазер непрерывного действия. Для получения импульса его излучения длительностью около 300^500 мсек применялся электроуправляемый затвор. Излучение мощностью в несколько ватт фокусировалось ИК-линзой на площадку около 0,25 мм2.

Рис.1

Образец монокристаллического кремния был предоставлен нам коллегами из ИОФ РАН (см. Введение). Нам важно было сравнить результаты регистрации МУУВ и измерения их скоростей двумя разными методиками, частично с использованием одного и того же образца.

К сожалению, ориентация осей этого образца пока не установлена. На лицевую и тыльную стороны образца толщиной 0,92 мм и диаметром 31,8 мм была напылена титановая плёнка (поскольку этот образец использовался в качестве некоторого эталона для градуировки установки по измерению теплопроводности алмазных образцов, на которые необходимо было наносить такую плёнку, см. [11]). В условиях наших опытов титановая плёнка приводила к поглощению возбуждающего ИК-излучения на лицевой поверхности образца; разрушение этой плёнки в результате воздействия ИК-лазерных импульсов, возможно, приводило к изменению условий возбуждения МУУВ.

При изготовлении образца кремния в форме круглого диска специальных требований к контролю окружности не ставилось. К обработке торцевой поверхности диска специальных требований также не предъявлялось, она достаточно шероховата. Лицевая плоская поверхность образца была неполированная, тыльная сторона - полирована.

Для измерения локальных изменений температуры поверхности образца кремния при прохождении компонентов МУУВ, как это уже было проверено на медном образце [12], применялась термопара как весьма надёжный и простой в интерпретации результата измерений тепловой датчик (использовалась пара медь-константан, диаметр проводников 0,1 мм, термопара имела вид шара диаметром ~0,2 мм).

В первой серии опытов, результаты которых опубликованы в [9,10], была использована только одна термопара. Она крепилась с помощью клея БФ в центре образца, на его тыльной стороне, тогда как центр лицевой поверхности облучался импульсом 10,6 микронного СО2 лазера. Сам образец был открыт с лицевой стороны, расположен вертикально и закреплён на теплоизолирующей пластинке тыльной стороной.

Во второй серии опытов, проведенных недавно, были использованы две одинаковые термопары на тыльной стороне того же самого образца в виде диска. Одна из них по-прежнему находилась в центре диска. Другая термопара находилась на расстоянии около 13 мм от центра и в 3-х мм от края диска.

Термопары прикреплялись акриловым лаком к тыльной стороне образца, но на этот раз через слой термопасты, которая обеспечивала улучшение теплообмена. В этой серии опытов образец был помещён в закрытую теплоизолирующую коробку из пенопласта размером 50ммх50ммх20мм с отверстием диаметром 5 мм в крышке коробки для входа возбуждающего лазерного излучения.

Применявшаяся во всех этих опытах система регистрации (L-1250 фирмы L-Card) обеспечивала запись в 10 000 точек на канал. В первой серии опытов длительность записи составляла 250 сек с минимальным промежутком времени между моментами измерения в 25 мсек. Во второй серии измерений с той же системой регистрации использовались записи сигналов длительностью 15 сек (1,5 мсек между точками) и 120 сек (12 мсек между точками).

Как видно из рис. 1, с помощью ИК-детектора (ФСГ-22-3) для каждого опыта регистрировалось время подачи лазерного импульса на поверхность образца, форма, а также относительная интенсивность этого импульса.