粗い表面からの散乱

表面粗さ散乱または界面粗さ散乱は、粗い固体表面または2つの異なる物質間の不完全な界面に対する粒子の弾性散乱です。この効果は、微粒子散乱^{[ 1 ]}などの古典系だけでなく、電界効果トランジスタや量子カスケードレーザーなどの電子デバイスで発生する量子系でも観測されています。^[²^]

古典的な説明

古典力学の枠組みでは、機械加工された金属表面などの粗い表面は、入射粒子を支配する確率分布関数をランダム化し、粒子流束の正味の運動量損失につながります。^{[ 3 ]}

量子記述

量子力学の枠組みでは、この散乱は閉じ込められた系で最も顕著であり、閉じ込められた系では電荷キャリアのエネルギーは界面の位置によって決まります。このような系の例としては、異なる半導体層を挟んで構成される量子井戸が挙げられます。これらの層の厚さの変化により、粒子のエネルギーは層内の面内位置に依存します。 ^{[ 4 ]} 与えられた位置における粗さの分類は複雑ですが、古典的モデルと同様に、一部の研究者によってガウス分布としてモデル化されています^[⁵^]この仮定は、与えられた特性高さ、および相関長、のアンサンブル平均として次のように定式化できます。 $\Delta _{z}(\mathbf {r} )$ $\Delta$ $\Lambda$

\langle \Delta _{z}(\mathbf {r} )\Delta _{z}(\mathbf {r'} )\rangle =\Delta ^{2}\exp \left(-{\frac {|\mathbf {r} -\mathbf {r'} |^{2}}{\Lambda ^{2}}}\right)

散乱の種類

選択的散乱:選択的散乱では、散乱は光の波長に依存します。

ミー散乱：ミー理論は、電磁波が均質球状粒子とどのように相互作用するかを記述できます。しかし、均質球状粒子の理論では、偏光効果を予測することは全くできません。^{[ 6 ]}^{[ 7 ]}分子の大きさが光の波長よりも大きい場合、光の散乱は不均一になります。

ランバート散乱:このタイプの散乱は、表面に微細な凹凸があり、光があらゆる方向に完全に均一に散乱する場合に発生し、すべての視野角から均等に明るく見えるようになります。

表面下散乱:このタイプの散乱は、光が別の点で表面から出ていく前に材料内で散乱するときに発生します。

等方性結晶散乱（粉末回折とも呼ばれる）：このタイプの散乱は、粉末試料中のあらゆる結晶配向が均等に表れる場合に発生します。粉末X線回折（PXRD）は、試料がランダムに配置され、各面が信号に表れるという仮定に基づいて行われます。

注記

^ Sommerfeld, M., Huber, N. (1999)「粒子壁衝突の実験的解析とモデリング」International Journal of Multiphase Flow 25(6), 1457–1489
^ Valavanis, A.; Ikonić, Z.; Kelsall, RW (2008), 「拡散界面を有するn-およびp -Si/SiGe量子井戸におけるサブバンド間キャリア散乱」, Physical Review B , 77 (7) 075312, arXiv : 0908.0552 , Bibcode : 2008PhRvB..77g5312V , doi : 10.1103/PhysRevB.77.075312 , S2CID 118781380
^ Konan, NA, Kannengieser, O., Simonin, O. (2009)「粒子と粗面壁の衝突における多重反発効果の確率的モデリング」International Journal of Multiphase Flow 35(10), 933–945
^ Prange, RE; Nee, Tsu-Wei (1968)、「表面インピーダンスにおける低電場振動の量子分光法」、Physical Review、168 (3): 779– 786、Bibcode : 1968PhRv..168..779P、doi : 10.1103/PhysRev.168.779
^榊秀次; 野田剛; 平川健; 田中正治; 松末毅 (1987)、「GaAs/AlAs量子井戸における界面粗さ散乱」、応用物理学論文集、51 (23): 1934– 1936、Bibcode : 1987ApPhL..51.1934S、doi : 10.1063/1.98305
^ Jonasz, M., & Fournier, GR (2007).水生粒子の屈折率と形態. 水中粒子による光散乱, 447–558. doi:10.1016/b978-012388751-1/50006-5
^ Twardowski他 (2001年7月15日). 「光後方散乱比からバルク屈折率を推定するモデルと、ケースIおよびケースIIの水における粒子組成の理解への示唆」(PDF) . Journal of Geophysical Research . 106 (C7): 14129– 14142. Bibcode : 2001JGR...10614129T . doi : 10.1029/2000JC000404 – メイン大学経由.

[1] Sommerfeld, M., Huber, N. (1999)「粒子壁衝突の実験的解析とモデリング」International Journal of Multiphase Flow 25(6), 1457–1489

[2] Valavanis, A.; Ikonić, Z.; Kelsall, RW (2008), 「拡散界面を有するn-およびp -Si/SiGe量子井戸におけるサブバンド間キャリア散乱」, Physical Review B , 77 (7) 075312, arXiv : 0908.0552 , Bibcode : 2008PhRvB..77g5312V , doi : 10.1103/PhysRevB.77.075312 , S2CID 118781380

[3] Konan, NA, Kannengieser, O., Simonin, O. (2009)「粒子と粗面壁の衝突における多重反発効果の確率的モデリング」International Journal of Multiphase Flow 35(10), 933–945

[4] Prange, RE; Nee, Tsu-Wei (1968)、「表面インピーダンスにおける低電場振動の量子分光法」、Physical Review、168 (3): 779– 786、Bibcode : 1968PhRv..168..779P、doi : 10.1103/PhysRev.168.779

[5] 榊秀次; 野田剛; 平川健; 田中正治; 松末毅 (1987)、「GaAs/AlAs量子井戸における界面粗さ散乱」、応用物理学論文集、51 (23): 1934– 1936、Bibcode : 1987ApPhL..51.1934S、doi : 10.1063/1.98305

[6] Jonasz, M., & Fournier, GR (2007).水生粒子の屈折率と形態. 水中粒子による光散乱, 447–558. doi:10.1016/b978-012388751-1/50006-5

[7] Twardowski他 (2001年7月15日). 「光後方散乱比からバルク屈折率を推定するモデルと、ケースIおよびケースIIの水における粒子組成の理解への示唆」(PDF) . Journal of Geophysical Research . 106 (C7): 14129– 14142. Bibcode : 2001JGR...10614129T . doi : 10.1029/2000JC000404 – メイン大学経由.

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