Scattering di Brillouin da fononi di superficie

Per Scattering di Brillouin s’intende la diffusione anelastica di fotoni da parte di fononi eccitati termicamente. Grazie agli studi teorici sulle fluttuazioni termiche nella materia condensata, già
negli anni venti del secolo scorso Brillouin e Mandelshtam, indipendentemente, predissero il fenomeno. Più tardi, negli anni trenta, Gross diede una conferma sperimentale, per liquidi e cristalli, di quanto teorizzato. Il processo d’interazione è tale che i fononi eccitati hanno lunghezza d’onda confrontabile con quella della luce incidente, ma frequenza di ordini di grandezza inferiore a quella del fotone incidente. Questo fatto impose grandi limiti sperimentali che furono in parte superati con l’avvento del laser, che, rispetto alle precedenti sorgenti, garantiva monocromaticità e potenza. La tecnica di scattering di Brillouin cominciò a diffondersi per lo studio di onde di volume in materiali trasparenti. Ulteriori difficoltà sperimentali s’incontrarono per passare all’impiego di questa tecnica a mezzi opachi, nei quali l’effetto dell’interazione può propagarsi solo fino a qualche lunghezza d’onda di profondità nel materiale. Il convenzionale interferometro di Fabry-Perot non era in grado di raggiungere il contrasto necessario per poter distinguere i deboli picchi di frequenze risultanti dall’interazione. Fu nel 1970 John Sandercock a introdurre un innovativo arrangiamento dell’apparato strumentale, con l’impiego di due interferometri di Fabry-Perot in tandem e a triplo passo. Il maggiore contrasto raggiunto e l’eliminazione dell’ambiguità dei picchi permise l’applicazione dello Scattering di Brillouin a mezzi opachi, per investigare le proprietà elastiche di mezzi semi-infiniti, film sottili e multistrati.
La presente tesi si articola in tre capitoli. Il primo tratta della propagazione di fononi nei cristalli, soffermandosi al caso di mezzi continui e non dispersivi. Il secondo ha lo scopo di spiegare in modo qualitativo il processo d’interazione dello Scattering di Brillouin e di presentare l’apparato strumentale a supporto di tale tecnica. Infine nel terzo ed ultimo capitolo sono illustrati i risultati sperimentali ottenuti, applicando lo Scattering di Brillouin, per rivelare fononi di superficie su film sottili e multistrati di diversi materiali e spessori su substrati di silicio.