Анотація до роботи:

Крупа М. М. Дрейф електронів і атомів в полі лазерного випромінювання і його вплив на оптичні та магнітні характеристики монокристалів та наномірних плівок. –Рукопис. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора фізико-математичних наук за спеціальністю – 01.04.07 –фізика твердого тіла. –Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України, Донецьк, 2005.

В дисертації представлені результати експериментальних досліджень впливу дрейфу електронів та атомів, який виникає в полі лазерного випромінювання (ЛІД), на оптичні, магнітні та електричні характеристики напівпровідникових кристалів та наномірних багатошарових плівок. Показано, що причиною ЛІД атомів є кулонівська взаємодія іонізованих атомів з полем просторового заряду ЛІД електронів.

ЛІД електронів приводить до великої зміни показника заломлення напівпровідників і намагнічування немагнітних плівок. На основі результатів досліджень запропоновані методи сканування та скорочення наносекундних і пікосекундних лазерних імпульсів, очистки оптичних матеріалів, компенсації деполяризаційного фону в магнітооптичних системах запису інформації, розроблена технологія формування субмікронних фазових структур та створені дослідні зразки оптичних дисків, описані нові схеми безкінематичних оптичних та магнітоакустичних систем запису інформації.

Дана дисертаційна робота, по суті, однією з перших, де розглядаються питання впливу дрейфу електронів і атомів, який виникає в полі лазерного випромінювання, на оптичні та магнітні характеристики напівпровідникових монокристалів і тонких плівок. В ній описані оригінальні дослідження деяких нових аспектів взаємодії лазерного випромінювання з твердими тілами, приведено ряд нових експериментальних результатів, які отримані автором роботи, проведений аналіз і встановлені фізичні механізми, що їх обумовлюють. Основні результати і висновки дисертації наступні:

1. Дрейф електронів в полі лазерного випромінювання (ЛІД) в напівпровідниках за рахунок створення в локальній області високої нерівноважної концентрації електронів впливає на характер взаємодії лазерного випромінювання з напівпровідниковими кристалами і викликає сильну зміну показника заломлення (n), величина якої досягає значень Dn~10^-2, також може змінювати просторові й часові характеристики лазерного випромінювання. Встановлено, що ЛІД електронів в напівпровідниках приводить до порушення повного внутрішнього відбивання, є причиною більш низького порога руйнування вхідної поверхні кристалів з двофотонним поглинанням під дією наносекундних і пікосекундних лазерних імпульсів, а також, знижуючи темп рекомбінації нерівноважних електронів за рахунок просторового розділення електронів і дірок, впливає на фотопровідність і дифракційні характеристики динамічних граток зміни n створюваних лазерними пучками.

2. Виявлено ефект намагнічування тонких немагнітних металевих плівок при опроміненні наносекундними лазерними імпульсами багатошарової наноплівкової структури за рахунок ЛІД спін-поляризованих електронів з феромагнітної плівки. Величина такого локального нерівноважного намагнічування залежить від інтенсивності лазерного випромінювання, від термомагнітних характеристик магнітних плівок, а також від напряму падіння лазерного пучка.

3. Експериментально встановлений факт появи сильного астигматизму при самодефокусуванні лазерного випромінювання в оптично анізотропних напівпровідниках. Сферично симетричний хвильовий фронт лазерного пучка поляризованого в напрямку при самодефокусуванні після кристалу стає сильно асиметричним. Його радіус кривизни в площині оптичної осі кристалу (kC) і радіус кривизни в площині перпендикулярній до неї значно відрізняються. Ця різниця зростає зі збільшенням інтенсивності лазерного випромінювання і при самодефокусуванні в кристалах CdS лазерного випромінювання рубінового лазера наносекундної і пікосекундної тривалості один з радіусів може бути більшим від другого в 1,5 рази. Проведений аналіз особливостей самодефокусування лазерних пучків в анізотропних напівпровідниках показав, що до такий сильний астигматизму виникає за рахунок вкладу в анізотропію коефіцієнтів нелінійної зміни показника заломлення ЛІД електронів.

4. Зареєстрований дрейф поглинаючих домішкових атомів, який виникає при опроміненні напівпровідникових кристалів і багатошарових наномірних плівок потужними лазерними пучками. Такий ЛІД атомів найбільш яскраво проявлявся в прозорих k0,01 см^-1 кристалах ZnSe під дією випромінювання неперервного потужного СО₂ лазера. Опромінення цих кристалів не тільки приводить до значних змін в спектрах низькотемпературної люмінесценції в області виходу лазерного пучка зі зразка, але викликає зростання концентрації домішки атомів вуглецю в поверхневому шарі і на поверхні зразка. В трьохшаровій наноплівковій структурі фталоціаніновий барвник-вісмут-барвник під дією наносекундних лазерних імпульсів появляється асиметричне збільшення коефіцієнта відбивання світла зі сторони вихідної поверхні, а також зростання концентрації атомів вісмуту в вихідному шарі барвника. Оцінки фізичних механізмів, які можуть викликати дрейф атомів в полі лазерного випромінювання, дозволяють стверджувати, що ЛІД атомів поглинаючої домішки в полі лазерного випромінювання в прозорих напівпровідникових кристалах і багатошарових наномірних плівках виникає за рахунок електростатичної взаємодії іонізованого атома домішки з полем просторового заряду ЛІД електронів.

5. Розроблена оригінальна методика дослідження динаміки ЛІД спін-поляризованих електронів і атомів в багатошарових плівках під дією наносекундних лазерних імпульсів, яка базується на вимірюваннях амплітудних і поляризаційних характеристик відбитого світла з двох сторін плівкової структури в момент дії лазерного імпульсу. В дослідженнях ЛІД спін-поляризованих електронів використовуються аморфні феримагнітні плівки залізо-тербієвого сплаву з перпендикулярною анізотропією. Встановлено, що перпендикулярна анізотропія таких плівок зв’язана з анізотропією електронної оболонки атомів тербію і її величина зростає при підвищенні швидкості напилювання плівки наближенні концентрації складу до точки компенсації. Опромінення плівок TbFe інтенсивними лазерними пучками прискорює їх старіння за рахунок процесів стимульованої дифузії.

6. Показано, що опромінення тонких нанодисперсних магнітних плівок наносекндними лазерними імпульсами дозволяє змінювати їх магнітні характеристики, отримувати гранульовані магнітні плівки і формувати в них наноостровки з регулярним розподілом по поверхні. Зміна магнітних характеристик плівок виникає за рахунок рекристалізації і збільшення розмірів магнітних нанокристалів (гранул) в зоні дії лазерного випромінювання. Наноостровки в плівці можна отримувати методом випаровування плівки лазерним випромінюванням, а також методом сильної модифікації її структури і характеристик (перехід з немагнітного стану в магнітний і навпаки). Ефективність процесу модифікації характеристик плівок зростає зі збільшенням енергії кванта лазерного випромінювання, що може бути пов’язане з більш сильною іонізацією атомів і впливом стимульованих лазерним випромінюванням процесів дифузії і дрейфу атомів. Так при опроміненні пермалоєвих плівок одним наносекундним імпульсом ультрафіолетового ексимерного лазера в п’ять-сім разів зростає магнітної сприйнятливості і на порядок знижується коерцитивна сила плівок.

7. Виявлено, що при порушенні повного внутрішнього відбивання за рахунок ЛІД електронів в напівпровідникових кристалах з двофотонним поглинанням спостерігається сканування наносекундних і пікосекундних лазерних імпульсів, що дозволяє створювати оптичні нелінійні елементи для управління просторовими та часовими характеристиками таких імпульсів і отримувати фемтосекундні лазерні імпульси. Оптичні елементи такого типу на основі нелінійної зміни показника заломлення в полі лазерного випромінювання працюють без додаткових управляючих полів, що є суттєвим при роботі з ультракороткими лазерними імпульсами. Встановлені основні фізичні закономірності і визначені вимоги до характеристик напівпровідникових кристалів, які впливають на ефективність роботи нелінійних оптичних елементів даного типу. Найбільш цікавими для практичного використання є дефлектори з порушенням повного внутрішнього відбивання та нелінійні просторові фільтри, в яких отримано сканування більш ніж на 20 градусів і скорочення більш ніж на порядок наносекундних, сканування до 15 градусів і скорочення п’ять разів пікосекундних лазерних імпульсів. Просторовий нелінійний фільтр, в якому нелінійна лінза виготовлена з кристала з великим часом життя нерівноаважних електронів провідності (більшим від часового інтервалу між окремими імпульсами) дозволяє з хорошим контрастом (біля 100) виділяти одиночні пікосекундні імпульси з цугу синхронізованих лазерних імпульсів.

8. Визначена причина і знайдені залежності величини деполяризації лазерного випромінювання, в магнітооптичних системах запису інформації від магнітооптичних характеристик системи і запропоновані методи компенсації деполяризації. Експериментальні зразки фігурних діафрагм дозволяють майже на порядок, а розроблений поляризаційний компенсатор більш ніж на два порядки підняти співвідношення сигнал/шум при зчитуванні..

9. Методики досліджень, експериментальні зразки і технологічні схеми, описані в роботі, можуть бути використані в наукових дослідженнях і у практичних розробках систем та елементів лазерної техніки та оптичного запису інформації. До них, у першу чергу, можна віднести:

метод виділення та скорочення одиночних пікосекундних лазерних імпульсів;

дефлектори потужних лазерних пучків наносекундної та пікосекундної тривалості;

спосіб очистки оптичного селеніду цинку;

метод компенсації деполяризаційного фону та підвищення відношення сигнал/шум у магнітооптичних системах запису інформації;

технологія формування лазерним випромінюванням в плівках субмікронної структури з фазовим контрастом і регулярної структури магнітних наноостровків;

дослідні зразки магнітооптичних головок та дискових носіїв для оптичного запису інформації.

Зрозуміло, що не всі наукові проблеми й задачі дисертації розв’язані в повній мірі і не всі практичні розробки доведені до рівня впровадження. Для більшості з них розроблені фізичні схеми та сформульовані основні закономірності. Ми надіємось, що результати дисертаційної роботи будуть корисними як при вивченні процесів дрейфу електронів і атомів в полі лазерного випромінювання, так і при створенні нових оптичних нелінійних елементів, реєструючих шарів і оптичних систем запису інформації.

Цитована література

1. Гельмуханов Ф. Х., Шалагин А. М. Светоиндуцированная диффузия газов // Письма в ЖЭТФ. – 1979. – Т. – 29, №12. – С. 773-776.

2. Данишевский А.М., Кастальский А.А., Рывкин С. М., Ярошецкий И. Д. Увлечение свободных носителей фотонами при прямых межзонных переходах в полупроводниках // ЖЭТФ. –1970. –Т. 58, №3. – С. 544-550.

3. Смит Р. Полупроводники: Пер. с англ. – М.: Мир, 1982. – 382 с.

Публікації автора:

1. Крицкий А. В., Крупа Н. Н., Купченко Г. А. Лазерное излучение монокристаллов CdS при однофотонном возбуждении // ЖЭТФ. – 1978. – Т. 74, №2. – С. 483-489.

2. Борщ А.А., Бродин М.С., Волков В.И., Войцеховский А.В., Крупа Н.Н., Романенко И. Л., Стеценко Т. П., Черный В. В. Самовоздействие лазерных пучков и природа нелинейности полупроводниковых кристаллов (ZnSe)_x-(GaP)_1-x // Украинский физический журнал. – 1980. – Т. 25, №9. – С. 1549-1556.

3. Борщ А.А., Бродин М.С., Волков В.И., Войцеховский А.В., Крупа Н.Н., Романенко И. Л., Стеценко Т. П., Соболь В. П., Черный В. В. Динамические голограммы в полупроводниковых кристаллах (ZnSe)_x-(GaP)_1-x // Квантовая электроника. – 1980. – Т. 7, №7. – С. 1557-1561.

4. Войцеховский А. В., Крупа Н. Н., Романенко И. Л., Стеценко Т. П., Черный В. В. Фотолюминесценция и фотопроводимость твердых растворов (ZnSe)_x-(GaP)_1-x при разных уровнях возбуждения // Физика конденсированного состояния. – Киев: КГПИ. – 1980. – С. 44-47.

5. Бибик В. А., Давыдова Н. А., Кияк Б. Р., Крупа Н. Н., Мизрухин Л. В. Фотоиндуцируемые ИК-излучением точечные дефекты в монокристаллах СdS // Физика твердого тела. – 1984. – Т. 26, №3. – С.80-86.

6. Крупа Н. Н., Ломакин В. И., Мотрук О. Н. Деполяризационный фон оптических систем магнитооптических запоминающих устройств // Техника средств связи. Сер. общетехническая. – 1986. №2. – С. 80-86.

7. Крупа Н. Н., Леонец В. А., Ломакин В. И., Мотрук О. Н. Компенсация деполяризационного фона фокусирующей оптики в магнитооптических запоминающих устройствах // Автометрия. 1987. – №6. – С. 28-34.

8. Гамаля И. А., Крупа Н. Н., Свириденко Т. И. Влияние многослойных покрытий на соотношение сигнал – фон для магнитооптических дисков // Специальная техника средств связи. Сер. общетехническая. – 1987. – №2. – С. 126-131.

9. Крупа Н. Н., Погорелый А. Н. Сканирование лазерного излучения и очистка материалов на основе явления светоиндуцированного дрейфа частиц в полупроводниках // Журнал технической физики. –1998. – Т. 68, №4. – С. 121-124.

10. Крупа Н. Н. Формирование субмикронной фазовой структуры методами лазерного скрайбирования пленок карбида кремния // Оптический журнал. – 1998. – Т. 65, №3. – С. 80-82.

11. Крупа Н. Н. Компенсатор деполяризационного фона и малогабаритные вращатели плоскости поляризации в системах магнитооптической записи информации // Оптический журнал. –1999.– Т. 65, №9. –С. 54-57.

12. Крупа М. М. Особливості виготовлення та старіння магнітооптичних плівок TbFe // Металлофизика и новейшие технологии. – 2000. –Т. 22, №4. – С. 35-41.

13. Крупа Н. Н. Оптические и магнитоакустические бескинематические устройства записи информации // Известия вузов. Радиофизика. – 2001. – Т. ХLIV, №10. – С. 1-6.

14. Крупа Н. Н. Выделение лазерных пикосекундных импульсов и сокращение их длительности с помощью нелинейных линз // Оптический журнал. – 2000. – Т. 67, №9. – С. 41-45.

15. Крупа Н. Н., Кузьмак О. М., Карасева В. Ю. Особенности формирования перпендикулярной магнитной анизотропии в пленках сплавов редкоземельного и переходного металлов // Поверхность. – 2001. –№11. – С. 92-97.

16. Крупа Н. Н. Светоиндуцированный дрейф электронов в тонких магнитных пленках // ЖЭТФ. – 2001. – Т. 120, № 11. –С. 10-15.

17. Коростиль А. М., Крупа Н. Н., Сергиенко Н. М., Харазашвили Ю. М., Харазашвили П. М. Магнитоупроавляемая модель глазного хрусталика// Электронное моделирование.– 2001.– Т.5, №6. – С. 56-60.

18. Захаров Р. В., Крупа Н.Н., Маер В. Рекристаллизация и изменение магнитных свойств пленок NiFe под воздействием лазерного излучения. // Электронное строение и свойства тугоплавких соединений, сплавов и металлов. Труды Института проблем материаловедения. Серия. Физическое материаловедение, структура и свойства материалов. -Киев 2002.-С. 158-163.

19. Андреева А.Ф., Двойниченко О.К., Захаров Р.В., Маер В., Крупа Н.Н., Сартинская Л.Л. Влияние импульсного лазерного излучения на рельеф поверхности пленок железа, полученных магнетронным распылением// Электронное строение и свойства тугоплавких соединений, сплавов и металлов. Труды Института проблем материаловедения. Серия. Физическое материаловедение, структура и свойства материалов. -Киев 2002.- С. 154-157.

20. Крупа М. М., Коростіль А. М. Інжекція спінів, індукована лазерним випромінюванням з феримагнітного шару в наноплівкових структурах // Металлофизика и новейшие технологии. –2002. –Т.24, №2. – С. 171-179.

21. Устройство для получения ультракоротких лазерных импульсов регулируемой длительности: А. с. 921335 СССР, МКИ 3G 02 1/01. / Н.Н. Крупа, Н.Я. Недбаев, А.А. Стеценко (СССР). -№2958772; Заявлено 16. 06. 80; Опубл. 01.082.81, Бюл. №4. – 6 с.

22. Устройство для получения коротких и ультракоротких лазерных импульсов регулируемой длительности: А. с. 109045 СССР, МКИ G 02 F 1/01. / Н.Н. Крупа, Н.Я. Недбаев, Р.А. Петренко, А.А. Стеценко (СССР).-№345543; Заяв.18.06.82; Опуб. 03.01.84. – 7 с.

23. Носитель информации для запоминающего устройства: А. с. 1199122 СССР, МКИ G 11 С 13/04. / М.П. Иващенко, Н.Н. Крупа, В.А. Леонец, В.И. Ломакин (СССР).-№3764468; Заявл. 26.06.84; Опуб. 15.08.85.–4 с.

24. Способ изменения показателя преломления на поверхности полупроводников и дефлектор лазерного излучения: А.с. 1259844 СССР, МКИ G 02 1/09. / В.Т. Багацкий, Н.Н. Крупа, В.И. Ломакин (СССР). -№3781597; Заявлено 16.08.84; Опубл. 22.04.86. – 4 с.

25. Устройство для воспроизведения записи информации на носитель с магнитооптическим регистрирующим слоем: А. с. 1254549 СССР, МКИ G 11 В 7/00, 11/10. / М. П. Иващенко, А. Ю. Дыбань, В. М. Коломиец, Н. Н. Крупа, В. А. Леонец, В. И. Ломакин, О. Н. Мотрук (СССР). – № 3802680; Заявл. 17.10.84; Опубл. 30.08.86, Бюл. №32.– 5 с.

26. Ахроматическое просветляющее покрытие: А. с. 1398636 СССР, МКИ G 02 F 1/07. М. П. Лисица, Ю. А. Первак, И. В. Фекшгази, Н. Н. Крупа, В.И. Ломакин, С.В. Орлов (СССР). №4048796; Заявлено 07.04.85; Опубл. 22.01.88. – 5 с.

27. Способ очистки кристаллов оптического селенида цинка: А. с. 1294036 СССР, МКИ 4 С3 08 33/0029/46. / Н.Н. Крупа, В.И. Ломакин (СССР). -№3856249; Заявлено 13.02.85; Опубл. 01.11.86. – 5 с.

28. Устройство для выделения одиночного пикосекундного лазерного импульса из цуга импульсов: А. с. 4271869 СССР, МКИ G 02 F 1/03. / Н.Н. Крупа, В.И. Ломакин (СССР).-№4216126; Заявлено 25.03.87; Опубл. 08.12.88. – 5 с.

29. Способ изготовления магнитооптического носителя информации: А. с. 1574086 СССР, МКИ G 11 В 7/24. / С. Н. Алтухов, В. В. Викторов, Н.Н. Крупа, В.А. Леонец, Ю.Ф. Ус (СССР). -№4606082; Заявлено 04.10.88; Опубл. 22.02.90. – 6 с.

30. Способ изготовления магнитооптического носителя информации на стеклянной подложке: А. с. 1579287 СССР, МКИ G 11 В 7/12. / С.Н. Алтухов, Н.Н. Крупа, М.М. Козюба, С.А. Кивенко, В.А. Леонец, Ю.А. Панченко, И.М. Рябоконь, Ю.Ф. Ус (СССР). – №4600175; Заявлено 22.08.88; Опубл. 15.03.90. – 6 с.

31. Магнитооптическая головка для записи и воспроизведения информации: А. с. 1748189 СССР, МКИ G 11 В 11/10. / Н. Н. Крупа (СССР).–№4806137;Заявлено 27.03.90; Опуб.15.07.92, Бюл. №26. – 4 с.

32. Патент 19 UA 13328 Україна, МПК (51) 5 G 11 В 11/10. Магнітооптична головка для запису та відтворення інформації: / М.М. Крупа, А.В. Єрмолович (Україна).Опубл.28.02.97. Бюл. №1. –6 с.

33. Патент 19 UA 14411 Україна, МПК (51) 5 G 11 В 7/26. Станція розмітки та форматизації оптичних дисків: / М.М. Крупа, А.В. Єрмолович, І.М. Рябоконь (Україна). – № ; Заявлено 14.02.92; Опубл. 28.02.97. Бюл. №1. –6 с.

34. Патент 19 UA 16562 Україна, МПК 5 G 11 C 13/04. Носій для однократного запису інформації лазерним випромінюванням:/ М. М. Крупа, А. В. Єрмолович, Ю. А. Панченко (Україна). – №4606082; Заявлено 04.10.88; Опубл. 25.04.97. Бюл. №4. –5 с.

35. Патент 19 UA 19104 Україна, МПК (51) G 11 В 7/06. Пристрій для багаторазового запису та відтворення інформації: / М. М. Крупа (Україна). Опубл. 25.124.97. Бюл. №6. –6 с.

36. Патент 19 UA 16316 Україна, МПК (51) G 11 В 7/06. Пристрій для багаторазового запису та зчитування інформації: / М. М. Крупа, О. В. Вітовцев, А. М. Погорілий (Україна). Заявлено 30.01.1992; Опубл. 30.06.1998. Бюл. №3. –6 с.

37. Деклараційний патент 19 UA 43032 Україна, МПК 7 A 61 H 5/00, A 61 P 27/10. Штучний кришталик для ока. / М. М. Крупа, М. М. Сергієнко, М. М. Тутченко, Ю. М. Харазішвілі (Україна). Заявлено 26.12.2000; Опубл. 15.11.2001. Бюл. №10. – 3 с.

38. Патент 19 UA 72177 Україна, МПК (51) 7 G 11 В 7/08, 7/24, 7,80. Пристрій для багаторазового запису та зчитування інформації: / М.М. Крупа, А.М. Погорілий (Україна). Опубл. 15.02.2005. Бюл. №2. – 6 с.

39. Крупа Н. Н. Бескинематические оптические запоминающие устройства как приборы нового поколения // Материалы ІІІ международной конференции "Динамика, прочность, компьютер, образование" – Севастополь: СевГТУ. – 1998. – С. 10-21.

40. Крупа М. М. Системи безкінематичного запису та обробки інформації на основі магнітоакустичного конвольвера // Материалы IV международной конференции "Механика, компьютер, образование". – Севастополь: СевГТУ. – 1999. – С. 25-32.

41. Андреева А.Ф., Двойниченко О.К., Захаров Р.В., Крупа Н.Н. Изменение структуры пленок железа под действием лазерного облучения // Сборник докладов 14 Международного симпозиума "Тонкие пленки в оптике и электронике". -Харьков -2003. -С. 310-312.

42. Крупа Н.Н., Захаров Р.В., Скирта Ю.Б. Модификация структуры пленок лазерным излучением как метод получения регулярных магнитных наноостровков // Сборник докладов 14 Междунарадного симпозиума "Тонкие пленки в оптике и электронике". -Харьков -2003. -С. 209-211.

43. Krupa M. M., Skyrta Y. B., Zacharov R. Drift of electrons and impurity atoms induced by laser radiation in semiconductor crystals // Proc. International Conf. "Application of Lasers and Electro-Optics" -Florida. -2003. - P. 518.

44. Zacharov R., Ostendorf A., Becker H., Bunte J., Krupa M., Skyrta Y. Modification of Magnetic and Structure Properties of Thin Films by Laser Radiation // Proc. International Conf. "Application of Lasers and Electro-Optics" -Florida. -2003. -P. 534.

45. Крупа Н.Н., Андреева А.Ф., Бондарь Ю.В., Скирта Ю.Б. Фазовые покрытия на основе пленок карбида кремния // Труды ІІІ Международной конференции "Матер. и покрытия в экстремальных условиях". - Кацевели - Понизовка.- 2004. - С. 474-475.