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Sezione d'urto Brillouin di multistrati

Informazioni tesi

  Autore: Andrea Amici
  Tipo: Tesi di Laurea
  Anno: 1997-98
  Università: Politecnico di Milano
  Facoltà: Ingegneria
  Corso: Ingegneria Nucleare
  Relatore: Prof. Carlo Enrico Bottani
  Lingua: Italiano
  Num. pagine: 150

La diffusione anelastica della luce costituisce uno dei mezzi più potenti per indagare le eccitazioni collettive nei solidi, tra cui i fononi acustici. Il modello teorico dello scattering di Brillouin sviluppato nella presente tesi produce risultati in ottimo accordo con gli esperimenti ed è applicabile allo studio di materiali opachi e semi-opachi, nei quali la scarsa penetrazione della luce rende particolarmente evidenti i fononi acustici di superficie. A differenza di quanto avviene nei materiali trasparenti, dove ha per lo più importanza lo scattering di volume dovuto ad effetto elasto-ottico, nei materiali opachi e semi-opachi un rilevante contributo deriva dall’effetto "ripple".
Gli spettri Brillouin evidenziano anche l'esistenza dei cosiddetti pseudomodi di superficie che pur nascendo dalla sovrapposizione delle onde di volume distribuiscono la propria energia per lo più nelle vicinanze della superficie.
Il lavoro affrontato nella tesi può essere suddiviso in due parti, la prima dedicata alla propagazione delle eccitazioni acustiche, la seconda dedicata all’accoppiamento tra campo acustico e campo elettromagnetico. Entrambe i problemi sono stati risolti utilizzando la teoria della risposta lineare ed in particolare il teorema di Fluttuazione-Dissipazione, esteso al caso dei mezzi continui. Un metodo di calcolo ricorsivo permette di ottenere l'espressione in forma chiusa della funzione di Green acustica relativa ad un multistrato costituito da un numero qualsiasi di film.
La descrizione dell’accoppiamento tra campo acustico e campo elettromagnetico, sia per effetto ripple, sia per effetto elasto-ottico, è basata sulla funzione di Green elettromagnetica, seguendo un percorso alternativo ai metodi usuali. Anche per le funzioni di Green elettromagnetiche, un metodo di calcolo ricorsivo permette di ottenere espressioni in forma chiusa.
La teoria sviluppata è stata applicata al calcolo delle sezioni d’urto Brillouin dei fononi sagittali [100] di multistrati cubici. Il confronto tra i risultati sperimentali relativi a due casi di interesse pratico (un substrato puro di Si e una struttura SOI-SIMOX Si/SiO2/Si) e quelli ottenuti per via teorica è più che soddisfacente e permette di confidare sulla validità del metodo utilizzato.

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1 Introduzione La diffusione anelastica della luce costituisce uno dei mezzi più potenti per indagare le eccitazioni collettive nei solidi, quali i polaritoni, i plasmoni, le onde di spin nei materiali ferromagnetici ed in particolare i fononi, ai quali è dedicato il presente lavoro. La luce utilizzata in fase sperimentale ha una frequenza che rientra nello spettro visibile, comportando un'effettiva osservabilità dei fononi che rientrano nella prima zona di Brillouin ove, in generale, sono presenti branche sia acustiche sia ottiche. Le eccitazioni appartenenti a queste ultime hanno tuttavia una frequenza molto maggiore rispetto alle prime, per cui i metodi d'indagine sono nei due casi assai differenti: nel primo caso si usa una tecnica nota come scattering di Brillouin, mentre, nel secondo, il metodo utilizzato è noto come scattering di Raman. Occupandoci esclusivamente dei fononi acustici, cercheremo di sviluppare una teoria il più possibile completa dello scattering di Brillouin, con la speranza di ottenere risultati in buon accordo con gli esperimenti. In particolare, vogliamo che essa sia applicabile allo studio di materiali opachi e semi-opachi, nei quali la scarsa penetrazione della luce rende particolarmente evidenti i fononi acustici di superficie. Alcuni modi di superficie sono noti da tempo e catalogati in letteratura con i nomi di Rayleigh, Sezawa, Love e Stoneley che per primi si sono dedicati al loro studio. L’introduzione del laser e di nuovi dispositivi ottici quale l’interferometro di Fabry- Perot tandem multipasso hanno di molto accresciuto la qualità dell'indagine sperimentale permettendone l'applicabilità allo studio dei fononi di superficie. In effetti questi appaiono in uno spettro Brillouin come picchi molto ravvicinati e di bassa intensità poiché, rimanendo confinati in un sottile strato al di sotto della superficie libera, hanno una bassissima sezione d’urto di scattering. Risulta dunque chiaro che l’apparato sperimentale debba essere sufficientemente preciso, sensibile e ad elevato contrasto.

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Parole chiave

acustica
brillouin
fisica
fluttuazione-dissipazione
fononi
funzione di green
ottica
scattering
spettri
stato solido

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