НЕОРГАНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ, 2004, том 40, № 12, с. 1459-1462
УДК 535.417
ТЕМПЕРАТУРНЫЕ ЗАВИСИМОСТИ ОПТИЧЕСКОГО ПОГЛОЩЕНИЯ И ЕГО ФОТОИНДУЦИРОВАННЫХ ИЗМЕНЕНИЙ В КРИСТАЛЛЕ В112ТЮ20<Са>
© 2004 г. А. Н. Дубровин*, А. Е. Мандель*, С. М. Шандаров*, М. А. Жныкина*, Ю. М. Суховерхов*, Ю. Ф. Каргин**, В. В. Волков**, А. В. Егорышева**, В. В. Шепелевич***
*Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники **Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова Российской академии наук, Москва ***Мозырский государственный педагогический университет Поступила в редакцию 10.06.2004 г.
Исследованы температурные зависимости фотоиндуцированного поглощения света в красной (660 нм), желтой (570 нм) и зеленой (505 нм) областях спектра в кристалле В112ТЮ20, легированном Са.
ВВЕДЕНИЕ
Фоторефрактивные кристаллы со структурой силленита В112М020 (М - 81, ве, Т1) являются перспективными материалами для динамической голографии и ее приложений [1-6] благодаря быстрому отклику на световое воздействие. К достоинствам кристаллов титаната висмута В112Т1020 относятся малое удельное оптическое вращение и чувствительность к излучению из видимой и ближней инфракрасной областей спектра [1, 7]. Оптическое поглощение оказывает заметное влияние на характеристики фоторефрактивных устройств, а его температурная зависимость определяет диапазон температур, в котором они могут сохранять свою работоспособность.
Другим эффектом, характерным для титаната висмута, является значительное фотоиндуциро-ванное поглощение света [2, 8-15]. Его физической причиной принято считать перезарядку дефектных центров с различными сечениями фотоионизации под действием видимого света [8-14]. Значения концентрации таких центров, вероятностей фотовозбуждения и термической генерации неравновесных носителей заряда и возможных внутрицентровых переходов, а также величины рекомбинационных коэффициентов определяют динамику и величину фотоиндуцированных изменений поглощения света [15] и могут быть темпе-ратурно-зависимыми. Отметим, что температурные зависимости спектров оптического поглощения для кристаллов силиката и германата висмута подробно исследованы в работах [16-18].
Цель настоящей работы - исследование температурных зависимостей коэффициентов поглощения для квазимонохроматического излучения полупроводниковых светодиодов из красной (660 нм), желтой (570 нм) и зеленой (505 нм) областей спектра в В112ТЮ20(Са). Влияние температуры крис-
талла на кинетику роста фотоиндуцированного поглощения света и его релаксацию в темновых условиях изучено для зеленого света.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Эксперименты проводили на монокристаллическом образце В112Тю20(Са), выращенном Т88в-методом при условиях, описанных в [19]. Исследуемый образец имел высокое оптическое качество, толщину 5.9 мм вдоль кристаллографического направления [100] и оптически полированные грани (100) с поперечными размерами 12 х 12 мм. С помощью медного держателя кристалл закрепляли на нагревательном модуле, выполненном на основе термоэлектрического элемента Пельтье. Электронный блок управления нагревателем, построенный на базе микроконтроллера ЛБиС824, позволял задавать закон изменения температуры и поддерживать ее для исследуемого образца с точностью ±0.5°С. Температуру кристалла измеряли с помощью цифрового термодатчика Б8-1620 и в режиме реального времени фиксировали компьютером. Рабочий диапазон термостабилизации кристалла составлял 5-110°С при комнатной температуре ~23°С.
При изучении температурной зависимости коэффициента поглощения (а0) кристалла в отсутствие засветки скорость роста температуры составляла 1°С/мин. После достижения заданного значения температуры образец до проведения измерений выдерживали при постоянной температуре в течение 5 мин. При измерениях зависимости Оо(?) образец каждый раз открывали для прохождения света на непродолжительное время (порядка 1-2 с), что позволило минимизировать фотоиндуцированные изменения поглощения. Изменения оптического поглощения образца регис-
1459
4*
Да, см
0.20 0.15 0.10 0.05 0
-1
(а)
Дау
Дар
2.0 1.6
1.2 0.8 0.4
(б)
0 20
о
_1_
40
60
80
100 г, °С
Рис. 1. Температурные зависимости изменений коэффициента поглощения в кристалле В112ТЮ20(Са) для излучения на длине волны X = 660 (Да^), 570 (Дау) (а) и 505 нм (б).
Да, см
-1
0 2000 4000 6000 8000 10000 т, с
Рис. 2. Кинетика фотоиндуцированного поглощения при температурах 23 (1,3) и 100°С (2,4) (показаны два цикла последовательной засветки кристалла излучением с длиной волны X = 505 нм).
трировали с помощью связанной с тем же компьютером экспериментальной установки, подробно описанной в [15].
Все эксперименты проводили в отсутствие внешнего освещения, а в промежутках между ними кристалл выдерживали в темноте не менее 72 ч для релаксации а0 к исходному значению. В качестве источников оптического излучения использовали полупроводниковые светодиоды, излучающие на длинах волн 660, 570 и 505 нм.
Эксперименты по изучению динамики фотоиндуцированного поглощения проводили на длине волны X = 525 нм при интенсивности засветки 3 мВт/см2 и температурах 23 и 100°С. В обоих случаях после засветки кристалла в течение 2400 с световой пучок перекрывали и в кристалле происходила темновая релаксация наведенных изменений поглощения.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
Эксперименты по определению коэффициентов поглощения необлученого кристалла В112ТЮ20(Са) показали, что на длинах волн X = 660, 570 и 505 нм при температуре ^ = 23°С их значения составляют
а к = 0.15 см-1, а у = 0.74 см-1 и аа = 4.06 см-1 со-
к0 ' 10 °0
ответственно. Температурные зависимости изменений коэффициента поглощения Да(г) = а0^) -- а0(£0) для красного и желтого света представлены на рис. 1а, для зеленого света - на рис. 16. С ростом температуры коэффициент поглощения увеличивается для всех длин волн, причем величина его изменений, как и а0(^0), растет с уменьшением X. Величины приращения коэффициента поглощения при увеличении температуры с 23 до 100°С (Дак = 0.018 см-1, Да7 = 0.24 см-1 и Даа = 1.65 см-1) составляют от 12 до 40% от значений коэффициента поглощения а0(*0) при температуре 23°С.
Как известно, кристаллы В112ТЮ20(Са) характеризуются заметным фотоиндуцированным поглощением в видимой области спектра, которое было подробно изучено при комнатной температуре [19]. На рис. 2 представлена кинетика фотоиндуцированного поглощения, измеренная при 23 и 100°С. Как видно, рост поглощения при температуре 100°С (кривая 2) происходит значительно быстрее, чем при 23°С (кривая 1), но имеет значительно меньший уровень насыщения.
В моменты времени т = 3000, 4200 и 6000 с световой пучок открывали на непродолжительное время (1-2 с) для наблюдения релаксации коэффициента поглощения. При температуре 100°С релаксация Да(т) к нулевому значению происходит за время, меньшее 1800 с, в то время как при 23 °С за 5600 с величина фотоиндуцированного поглощения уменьшается только до Да - 0.75 см-1. Временные зависимости нарастания фотоиндуцированного поглощения во время первого и второго (т = 8000 с) циклов засветки практически идентичны друг другу.
3
1
4
2
ТЕМПЕРАТУРНЫЕ ЗАВИСИМОСТИ ОПТИЧЕСКОГО ПОГЛОЩЕНИЯ 1461
Да, см 1
Рис. 3. Кинетика фотоиндуцированного поглощения для зеленого света (X = 505 нм) при температуре 100°С (показаны циклы засветки кристалла с последовательным увеличением времени выдержки в темноте).
Для более детального изучения процесса релаксации фотоиндуцированного поглощения при температуре кристалла 100°С был проведен эксперимент, в котором кристалл подвергался семи циклам засветки излучением с X = 505 нм (рис. 3). После каждого цикла засветки, в течение которого величина фотоиндуцированного поглощения выходила на стационарный уровень, время выдержки в темноте увеличивали в 2 раза. Это позволило построить временную зависимость релаксации фотоиндуцированного поглощения для зеленого света (рис. 4). Кривые релаксации фотоиндуцированного поглощения удовлетворительно описываются экспоненциальной функцией с постоянными времени тг = 11700 и 149 с при температурах 23 и 100°С соответственно. Анализ кинетических кривых изменения величины фотоиндуцированного поглощения на начальных участках засветки (рис. 2 и 3) показывает, что ее рост происходит по линейному закону. Скорость роста зависит от интенсивности света и составляет 1.5 х 10-3 см/(мВт с) при температуре 23°С. Увеличение температуры до 100°С приводит к незначительному увеличению этой скорости до 1.7 х 10-3 см/(мВт с).
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Для качественного объяснения наблюдаемых эффектов воспользуемся предложенной в [15] моделью, предполагающей наличие в кристалле двух систем дефектов: фотоактивных донорных центров одного типа и ловушечных центров другого типа. Каждая из этих систем характеризуется своим набором энергетических уровней, а переходы электронов между донорными и лову-шечными центрами могут происходить под действием света и термического возбуждения. Рост фотоиндуцированного поглощения в рамках данной модели обусловлен тем, что сечение фотоионизации заселенных электронами ловушеч-
ных центров превышает таковое для доноров. Уменьшение стационарной заселенности донор-ных и ловушечных уровней в темновых условиях с ростом их энергетического положения относительно потолка валентной зоны обусловливает падение поглощения с увеличением длины волны света.
Рост коэффициента поглощения кристалла с увеличением температуры, наблюдаемый для излучения из красной, желтой и зеленой областей спектра, может быть связан с заселением более высоко лежащих уровней за счет внутрицентро-вых переходов и увеличением вероятности тер-моиндуцированных переходов электронов с донорных на ловушечные центры. Длительное освещение кристалла вызывает перераспределение существовавшего в темноте равновесного распределения зарядов по уровням в связанных системах донорных и ловушечных центров вследствие фотовозбуждения электронов в зону проводимости и их последующий захват ионизированными донорами и пустыми ловушками. Как следствие, это
Да, см-1 0.8
э
0.60.4
о
о
_I_5_I_о_I_I
0 750
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.