Актуальность проблемы.
Интересной и актуальной проблемой в современной науке является проблема управления интерференцией поляризованных лучей в тонких пленках дисперсных наносистем. Результаты, полученные в данном направлении, могут быть использованы в технике просветляющей оптики, в технике отображения информации разными цветами.
Всвязи с ярко выраженными оптическими эффектами (изменение спектра отраженного света [125], визуализация автоволн [2], которые в отраженном свете ярко окрашены разными цветами) для изучения интерференции в тонких пленках дисперсных наносистем удобным объектом является магнитная жидкость (МЖ). Во внешних электрических полях в МЖ наблюдается увеличение концентрации частиц дисперсной фазы вблизи электродов. Следствием этого является изменение интерференционной картины света, отраженного от границы «прозрачный электрод — приэлектродный слой МЖ». Кроме того, при отражении света от такой границы в электрическом поле наблюдается изменение эллипса поляризации света. Оба эффекта зависят от величины электрического поля, концентрации дисперсной фазы МЖ и др. Поэтому исследования оптических свойств в МЖ напрямую связаны с проблемой интерференции лучей в тонких пленках. С другой стороны, благодаря таким исследованиям возможно уточнение свойств границ раздела между слоями МЖ различной концентрации и электродом, которые на сегодняшний день не до конца исследованы. Слабоизученным остается вопрос о влиянии концентрации дисперсной фазы МЖ в объеме ячейки и рода электрода на величину образующегося приэлектродного слоя при данной напряженности электрического поля в ячейке с МЖ.
Также является известным факт, что свойства вещества в случае тонких пленок отличаются от свойств объема из-за проявления размерных эффектов. Всвязи с этим, научный и практический интерес вызывает исследование свойств тонких (—0,1 мкм) приэлектродных слоев МЖ в электрическом поле вблизи принципиально различающихся по свойствам электродов — металлического и полупроводникового.
Целью настоящей работы является исследование особенностей образования приэлектродного слоя вблизи металлического (алюминий: N??=0,50 -4,591) и полупроводникового (кремний: ЛГ5/=3,86 — 0,021) электродов по оптическим и электрофизическим измерениям.
В соответствии с целью работы были поставлены следующие задачи:
— определение закономерностей образования слоя концентрированной МЖ в зависимости от концентрации частиц дисперсной фазы МЖ в объеме ячейки, а также от свойств электрода на основе анализа результатов экспериментального исследования эллипса поляризации света, отраженного от границ «МЖ — оксидная пленка — металл» и «МЖ — полупроводник» в электрическом поле;
— численный расчет отражательных способностей металлического и полупроводникового электродов, на которых образовался слой концентрированной МЖ. Сравнение результатов численного моделирования с экспериментальными результатами, полученными ненулевым методом эллипсометрии;
— определение электрофоретического заряда частицы вблизи электрода и в объеме ячейки с МЖ;
— определение удельной проводимости приэлектродного слоя МЖ вбли- 4 зи металлического электрода на основании исследования электрических свойств ячейки с МЖ в электрическом поле;
— моделирование процесса образования приэлектродного слоя концентрированной МЖ.
Научная новизна:
Впервые на основе систематических эллипсометрических измерений и численного моделирования отражающих систем установлено, что изменение эллипса поляризации света при отражении от приэлектродного слоя МЖ в электрическом поле зависит как от оптических свойств электрода, так и концентрации МЖ в объеме ячейки. Впервые на основе результатов исследования изменения экстинкции света при прохождении через слой МЖ в электрическом поле установлено, что частицы дисперсной фазы приобретают заряд в области локализации объемного заряда, вне этой области они не заряжаются. На основе известных теоретических представлений и результатов моделирования процесса образования концентрированного слоя МЖ показано, что концентрированный приэлектродный слой образуется за счет движения в приэлектродной области заряженных агрегатов частиц дисперсной фазы МЖ.
Достоверность результатов, представленных в диссертационной работе, обеспечивается использованием современного высокоточного оборудования и стандартных методов исследования. Полученные экспериментальные результаты и результаты численного моделирования исследуемых отражающих систем не противоречат основным положениям физики.
Практическая ценность диссертации состоит в том, что результаты, полученные в ходе экспериментальных исследований свойств тонкого слоя концентрированной МЖ, обратимо образующегося на электродах ячейки с МЖ в электрическом поле, могут быть использованы при моделировании процессов электроочистки жидкостей от загрязнений размером 10−100 нм. Также результаты диссертационного исследования могут быть использованы в технике определения толщины и оптических свойств многослойных структур на поверхности известных и перспективных материалов.
На защиту выносятся следующие положения.
1. Результатыэкспериментального исследования изменения эллипса поляризации монохроматического света, отраженного от границы «МЖ — оксидная пленка — металл» и «МЖ — полупроводник» в электрическом поле. Результаты исследования зависимости изменения толщины приэлектродного слоя концентрированной МЖ с течением времени при различных напряжен-ностях электрического поля, а также зависимости характера отражательной способности ячейки с МЖ в электрическом поле от оптических свойств отражающего электрода.
2. Вывод о том, что частицы дисперсной фазы МЖ заряжаются в области локализации объемного заряда.
3. Результаты моделирования процесса образования приэлектродного концентрированного слоя МЖ, на основе которых показано, что основную роль при образовании слоя играют агрегаты частиц дисперсной фазы МЖ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных результатов и выводов, а также списка цитируемой литературы. Диссертация изложена на 150 страницах, содержит 64 рисунка, б таблиц и список литературы из 161 наименования.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.
1. С помощью нулевого эллипсометрического метода определены оптические свойства электродов, использующихся в экспериментах. Для алюминия показатели преломления оказались равными п= 0,43 ± 0,08 и к= 1,7 ± 0,1. Показатели преломления и толщина оксидной пленки на поверхности алюминия равны п= 1,7 ± 0,1- к= 0,09 ± 0,01, (1=0,2 мкм. Оптические константы полупроводникового электрода: п = 2,9 ± 0,4 и к= 1,3 ± 0,3. Значения оптических констант отражающих электродов, определенных экспериментально, близки к табличным значениям.
2. На основе результатов эллипсометрических измерений установлено, что толщина слоя концентрированной МЖ растет с увеличением напряженности электрического поля в ячейке и не зависит от свойств электрода. Это свойство может быть использовано в технике определения толщины и оптических констант многослойных наноструктур на поверхности известных и перспективных материалов. Изменять один из параметров, входящих в основное уравнение эллипсометрии, можно не посредством изменения угла падения света или замены типа жидкости, заливаемой в ячейку, а путем наслаивания на поверхность произвольного электрода слоя концентрированной МЖ с известной толщиной и оптическими свойствами. Толщину слоя можно легко менять посредством изменения напряженности электрического поля в ячейке с МЖ. Затем после решения обратной задачи эллипсометрии для многослойной системы определяются неизвестные параметры отражающего электрода.
3. Проведено численное моделирование отражательных способностей рассматриваемых в экспериментах систем, представляя слой концентрированной МЖ ввиде тонкой однородной пленки с резкими границами. На основе анализа уравнения Фоккера — Планка для движения частиц дисперсной фазы МЖ в электрическом поле установлено, что образование приэлектродного слоя концентрированной МЖ вблизи электрода происходит за счет движения.
131 в приэлектродной области заряженных агрегатов, состоящих из 10 и более частиц дисперсной фазы МЖ. Результаты моделирования согласуются с результатами экспериментального исследования динамики образования слоя концентрированной МЖ вблизи полупроводникового и металлического электродов в электрическом поле.
4. На основе результатов исследования изменения экстинкции света, проходящего через слой МЖ в электрическое поле, установлено, что частицы дисперсной фазы в объеме ячейки не участвуют в электрофорезе и приобретают заряд только в области локализации объемного заряда.
5. Проведены исследования электрических и оптических свойств элек-трофоретической ячейки с МЖ. Установлено, что удельная проводимость приэлектродного слоя концентрированной МЖ вблизи металлического электрода (~5−10″ 12 См/м) на 3−4 порядка меньше удельной проводимости МЖ в объеме ячейки и не зависит от напряжения на электродах ячейки. Это позволяет считать, что заряд накапливается на границе «приэлектродный слой МЖ — МЖ в объеме ячейки».
6. Проведен численный расчет изменения электрической части свободной энергии ячейки с МЖ в электрическом поле. Ячейка с МЖ в стационарном состоянии заменена трехслойным конденсатором с проводимостью. На основе результатов моделирования, показано, что приэлектродный концентрированный слой МЖ образуется только при некотором минимальном напряжении на электродах ячейки, что и наблюдается в эксперименте.