Главная  Усиленная люминесценция 

[0] [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] [33] [34] [35] [36] [37] [38] [39] [ 40 ] [41] [42] [43] [44] [45] [46] [47] [48]

процессы. Рассматривая всю Вселенную как замкнутую систему, Клаузиус пришел к выводу о неизбежности тепловой смерти Вселенной.

Л. Больцман показал, что энтропия S является мерой неупорядоченности системы, и вывел формулу

S = k\og Р,

где k - постоянная Больцмана; Р - число состояний системы.

Поскольку в природе наряду с обратимыми процессами происходят и необратимые процессы, то из второго начала термодинамики следует, что общая неупорядоченность систем должна возрастать. На этом основании в естествознании укрепилось представление, что упорядоченные системы и движения могут перейти к хаосу, но из хаоса порядок сам собой возникнуть не может. Это казалось таким же бесспорным, как закон сохранения энергии.

Тем не менее уже в 1900 г. Бенар наблюдал явление, выходящее за рамки этих представлений. Он нагревал слой жидкости (китовый жир, минеральное масло) снизу и поддерживал температуру постоянной сверху. До некоторой разности температур Т2 - Т1, меньшей критической АГкр, жидкость остается в покое, а тепло снизу вверх передается путем теплопроводности. Если же Т2 - Т\> > АГкр, то начинается конвекция, и через некоторое время на поверхности жидкости образуется система правильных шестиугольников, напоминающих пчелиные соты; перемещения жидкости становятся упорядоченными: в центре ячеек, названных ячейками Бенара, она поднимается вверх, а по окраинам - вниз. Этим достигается более эффективный перенос тепла.

В 1950 г. Б. П. Белоусов открыл периодическую химическую реакцию, названную его именем. Ее течение также противоречило установившимся представлениям о химических реакциях.

Окислительно-восстановительная реакция Белоусова вначале протекает в сторону окисления, потом восстановления, потом опять окисления и так многократно повторяется. При этом раствор в колбе периодически меняет свою окраску. Если имеется градиент концентрации реагирующих веществ, то в пробирке устанавливается система красных и синих полос, причем полосы со временем меняются местами.

Открытие Б. П. Белоусова долгое время не признавалось крупными авторитетами в области химии, но именно оно послужило началом развития нового взгляда на процессы, происходящие в природе. Оказалось, что ячейки Бенара и реакция Белоусова не являются исключениями. В гидромеханике, физике, химии, астрономии, биологии открыто и открывается все больше явлений, сопровождающихся спонтанным образованием высокоорганизованных структур. Для их описания развита термодинамика систем, далеких от состояния термодинамического равновесия (И. Р. Пригожий), теория нелинейных колебаний (А. А. Андронов), предложено развивать особую науку самоорганизованных структур - синергетику (Г. Хакен).

Известны условия образования самоорганизованных структур в системах. Главные из них следующие: система должна быть термодинамически открытой и обмениваться с окружающей средой веществом или энергией (или тем и другим); состояние системы должно быть далеким от термодинамического равновесия; поведение большого числа подсистем, образующих систему, должно быть согласованным; должен выполняться универсальный критерий эволюции Пригожина - Гленсдорфа о минимальном производстве энтропии.

Установлено также, что самоорганизация структур носит пороговый характер, они возникают из хаоса, определяются объемными свойствами системы, а не граничными условиями, разрушают друг друга при столкновениях.

По мнению автора, все эти требования выполняются при возникновении стримерных разрядов.

1. Монокристаллический образец, в котором распространяются стримеры, является открытой термодинамической системой, обменивающейся с окружающей средой веществом и энергией. Для возбуждения стримеров в образце необходимо создать объемный заряд с помощью внешнего источника - генератора электронов или генератора высоковольтных импульсов напряжения.

2. Стримеры возникают при большом отклонении системы от состояния термодинамического равновесия. В равновесном состоянии электрические, оптические и акустические характеристики образца во всех макроскопических объемах практически одинаковы. В нем отсутствуют объемный заряд, градиент электрического



потенциала, источники тепла и света. Концентрация свободных носителей не превышает Ю см~. В то же время на переднем фронте стримера концентрация свободных носителей на четыре-пять и более порядков выше, электрическое поле достигает эначений 10* В-см, имеется объемный заряд, генерируются фотоны и фо-ноны.

3. В образовании стримеров участвует большое количество свободных носителей заряда, фононов и фотонов. В канале стримера концентрация электронов достигает значений 5-10" см~. Переход каждого свободного электрона с возбужденных уровней на дно зоны проводимости и дырки на потолок валентной зоны сопровождается испусканием фононов, а их рекомбинация - испусканием фотонов и фононов. Поэтому даже при абсолютном нуле температуры в кристалле, где распространяются стримеры, число фотонов сравнимо с числом инжектированных носителей заряда N, а число фононов значительно превосходит Ле. /

О важной роли фононов и фотонов в формировании и распространении стримеров свидетельствует изменение картины стримерного разряда с понижением температуры (уменьшением числа фононов), а также тушение и стимуляция разрядов излучением.

4. Линейный кристаллографически ориентированный стример является более организованным процессом, чем просто диффузия заряда или коронный разряд. Поэтому при стримерном разряде должен выполняться критерий Пригожина - Гленсдорфа о минимальном значении производства энтропии.

5. Возникновение стримерных разрядов имеет пороговый характер По скорости возбуждения. Для монокристаллов сульфида кадмия в трансформаторном масле пороговое значение скорости нарастания напряженности электрического поля W на поверхности кристалла dW/dt равно Ю В-см~-с~. При меньших скоростях стримеры не возникают, даже если амплитуду поля увеличить в несколько раз.

6. Стримерные структуры возникают из хаоса. При любом способе возбуждения объемный заряд, сообщаемый кристаллу и, служащий источником стримерных лавин, не имеет какой-либо структуры. Его можно рассматривать как хаотическую совокупность заряженных частиц или сгусток плазмы. Высокоорганизованная структура


Рис. 7.8. Самоорганизация стримеров из коронного разряда в двух образцах ZnSe при комнатной температуре (В. В. Паращук н др., 1981 г.)

возникает, вероятно, в результате кооперативного взаимодействия электронов, фононов и фотонов.

Возникновение стримеров из хаоса особенно наглядно проявляется в том случае, если после возбуждения кристалла вначале реализуется бесструктурный коронный разряд (рис. 7.8, а), а затем формируются кристаллографически направленные стримеры (рис. 7.8,6).

7. Совокупность стримеров в кристалле образует структуру, которая выступает как характеристика локальных свойств кристалла, а не образца в целом. И только в тонких приповерхностных слоях наблюдаются отличные стримерные структуры.

В целом направления распространения стримеров не совпадают с направлением высокой симметрии кристалла.

Характеристика каждого отдельного стримера (поперечное сечение, скорость распространения, спектр излучения и др.) также не зависит от места его образования: в области приложения объемного заряда, в точках ветвления стримеров или при «отражении» от поверхности.

8. Стримерные структуры, пересекаясь, разрушают одна другую, что свидетельствует о нелинейном характере процессов, приводящих к их возникновению.

Более интенсивный стример гасит второй, пересекающийся с ним, стримерный поток (рис. 7.9).

Следовательно, стримерные разряды в полупроводниках и, возможно, в других средах следует внести в перечень кооперативных самоорганизующихся структур, а их теоретическое описание должно базироваться на решении соответствующих нелинейных уравнений.



Р н с. 7.9. Гашение стримера другим более интенсивным стримером при пересечении нх путей в CdS в плоскости

(1010) (А. Л. Гурскнй и др., 1985 г.)

Можно предположить, что стримеры формируются следующим образом. Сообщенный кристаллу объемный заряд-плазма первоначально расширяется неупорядоченно, путем дрейфа и диффузии носителей. В результате неустойчивости плазмы и ее взаимодействия с решеткой в плазме возникают флуктуации и колебания. Некоторые из них оказываются устойчивыми и становятся преобладающими, что ведет к фокусировке движущихся носителей в некоторых направлениях. В результате отрицательного значения производной от электросопротивления по плотности тока происходит каналирование электронов в определенных кристаллографических направлениях, связанных с устойчивыми колебаниями плазмы.

На многочисленных фотографиях между областью приложения объемного заряда и началом стримера, а также в местах ветвления стримеров видны темные участки, свидетельствующие о наличии пространственно-временного интервала формирования стримеров. Периодическое чередование светлых и темных полос, наблюдаемое иногда по длине стримера, также свидетельствует об автоволновом характере их распространения. Однако поскольку еще не создана законченная теория стримерных разрядов, представление о них как о самоорганизованных структурах следует рассматривать как гипотезу автора книги.

§ 7.3. ГЕНЕРАЦИЯ ИЗЛУЧЕНИЯ

Стримерный лазер с плоским резонатором. Активную среду стримерного лазера можно представить в виде цилиндра диаметром 2...3 мкм и длиной до 8 мкм, движущегося вдоль канала стримера со скоростью, близкой к фазовой скорости света. Отсюда вытекают особенности


Рис. 7.10. Точечная пульсирующая генерация в канале стримерного

разряда:

а - общий вид пластины из CdS (ближнее поле генерации); б - хронограмма микроскопического участка ближнего поля (стример распространяется, в плоскости пластины); в - хронограмма ближнего поля излучения в плоскости, перпендикулярной к направлению распространения стримера (А. 3. Обидин, 1983 г.)

конструкции, спектрального состава, направленности и временных характеристик излучения такого лазера. Созданы лазеры с плоским резонатором, зеркала которого параллельны плоскости, содержащей стримерный разряд, а также получена генерация вдоль оси стримера без изготовления резонатора.

Лазер с плоским резонатором состоит из плоскопараллельной полупроводниковой пластины толщиною 10...50 мкм, на боковые грани которой обычно наносятся высокоотражающие диэлектрические покрытия: гх = \, Г2 = 0,97, хотя возможна генерация и на френелевском отражении. Пластинка крепится к подложке из сапфира, кварца или другого материала, обладающего большим удельным сопротивлением и прозрачного для длины волны генерируемого излучения. К пластинке подводится игловой электрод либо на прямой контакт, либо через искровой зазор в диэлектрической жидкости.

Если напряжение на игловом электроде ниже порога генерации и выше порога возбуждения стримеров, то наблюдается обычная, но менее яркая картина разряда из-за отражения люминесценции внутрь кристалла.



[0] [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] [33] [34] [35] [36] [37] [38] [39] [ 40 ] [41] [42] [43] [44] [45] [46] [47] [48]

0.0007