научная статья по теме ВЛИЯНИЕ ПРИМЕСНЫХ ИОНОВ СВИНЦА НА ОПТИЧЕСКОЕ ПОГЛОЩЕНИЕ ЭПИТАКСИАЛЬНЫХ ПЛЕНОК GD3GA5O12 Химия

Текст научной статьи на тему «ВЛИЯНИЕ ПРИМЕСНЫХ ИОНОВ СВИНЦА НА ОПТИЧЕСКОЕ ПОГЛОЩЕНИЕ ЭПИТАКСИАЛЬНЫХ ПЛЕНОК GD3GA5O12»

НЕОРГАНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ, 2008, том 44, № 1, с. 82-87

УДК 535.343.2; 535:548

ВЛИЯНИЕ ПРИМЕСНЫХ ИОНОВ СВИНЦА НА ОПТИЧЕСКОЕ ПОГЛОЩЕНИЕ ЭПИТАКСИАЛЬНЫХ ПЛЕНОК Gd3Ga5012

© 2008 г. Н. В. Васильева*, В. В. Рандошкин*, В. Г. Плотниченко**, Ю. Н. Пырков**, В. В. Воронов*, А. М. Галстян*, Н. Н. Сысоев***

*Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук, Москва **Научный центр волоконной оптики Российской академии наук, Москва ***Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова e-mail: natashav@ok.ru Поступила в редакцию 22.02.2007 г.

Изучено влияние примесных ионов Pb2+ и пары ионов Pb2+ и Pb4+ в монокристаллических пленках гадолиний-галлиевого граната, выращенных методом жидкофазной эпитаксии из переохлажденных растворов-расплавов на основе системы PbO-B2O3 с концентрацией оксида гадолиния 0.10.5 мол. % в шихте, на оптическое поглощение в диапазоне длин волн от 200 до 860 нм.

ВВЕДЕНИЕ

В последнее время большой интерес возник к изучению спектроскопических свойств монокристаллических пленок граната, активированных как редкоземельными ионами [1], так и ионами переходных металлов [2]. На основе этих пленок могут быть изготовлены люминесцентные преобразователи излучения: катодолюминесцентные и рентгеновские экраны высокого разрешения, а-, Р-сцинтилляторы [3], микролазеры или волно-водные лазеры [4], а также пассивные затворы для лазеров, излучающих в спектральном диапазоне 1.4-1.6 мкм [2]. Пленки выращивают методом жидкофазной эпитаксии (ЖФЭ) из переохлажденных растворов-расплавов на основе систем РЪО-В2О3 и/или В12О3-В2О3 на изоморфных подложках из гадолиний-галлиевого граната (ГГГ) с ориен-тациями (111) или (100). При синтезе эпитакси-альных пленок в состав пленки в качестве примеси вводят компоненты растворителя: ионы РЪ2+, пары ионов РЪ2+ и РЪ4+, ионы В13+, а также ионы Р13+ или Р14+ из платинового тигля. Эти примесные

ионы в выращенных эпитаксиальных пленках по сравнению с подложкой дают дополнительные полосы поглощения.

Цель настоящей работы - исследование влияния условий роста на оптическое поглощение примесных ионов свинца в монокристаллических пленках ГГГ.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Монокристаллические пленки ГГГ выращивали на воздухе методом ЖФЭ из переохлажденных растворов-расплавов на основе системы РЪО-В2О3 на подложках ГГГ с ориентацией (111). Состав шихты для выращивания исследуемых эпитаксиальных пленок характеризовался следующими мольными отношениями компонентов (табл. 1):

= [ва203]/[0ё203], Я2 = [РЪО]/[В2Оз], Я3 = ([вё203] + [ва203])/([0ё203] + + [ва203] + [РЪО] + [В2О3]).

Таблица 1. Состав шихты, условия роста и параметры выращенных эпитаксиальных пленок

Состав шихты Gd2O3, мол. % R3 St, °С h^ мкм ...max i f g , мкм/мин

I 0.1 72.10 16.10 0.073 912-855 4.8 0.08

II 0.2 36.05 16.08 0.074 957-937 17.1 0.55

III 0.3 24.03 16.06 0.075 1036-1003 15.2 0.99

IV 0.4 18.03 16.05 0.076 1063-1031 44.7 1.75

V 0.5 14.42 16.03 0.077 1100-1046 27.3 1.82

0.0д92.9 0.1^VX92.8

-V-' )у!. -V'^ч-92.5 ^

а Чд/ Чд/ Чд/ X У v v v \

/- - -х-- - -х-'- - -х-'- --х- - --х--- -х- V- - V- - -V- - -\ °

0.6У - - у. у. - V. - V - - У- У - У - -У -У --V92.3

*.7т v Y v У v Y Y v У v Y v \92.2 7.1 7.2 7.3 7.4_7.5 7.6 7.7 7.8

Ca2Ü3 мол. %

Рис. 1. Фрагмент концентрационного треугольника псевдотройной системы вё20з-Са20з-(РЬ0 + В2О3): точки - составы растворов-расплавов, из которых выращивали эпитаксиальные пленки ГГГ.

t, °C 1100

1050

1000

950

900

850

800

2

0.4 0.5 Gd2O3, мол. %

Рис. 2. Вертикальное сечение политермического разреза псевдотройной системы 0ё20з-ва20з-(РЬ0 + + В2О3) с кривой ликвидуса (1) и неравновесного со-лидуса (2).

Для приготовления шихты использовали оксиды следующих марок: PbO - ОСЧ 5-3, B2O3 - ОСЧ 11-3, Gd203 - ГдО-3, Ga203 - ОСЧ 15-2.

В настоящей работе выращено пять серий пленок из свежеприготовленных растворов-расплавов с концентрацией Gd203 0.1 (I), 0.2 (II), 0.3 (III), 0.4 (IV) и 0.5 мол. % (V).

Ростовые эксперименты иллюстрирует рис. 1, на котором показан фрагмент концентрационного треугольника псевдотройной системы Gd203-Ga203-(PbO + B2O3). По осям отложены концентрации оксидов в шихте.

Раствор-расплав гомогенизировали в платиновом тигле не менее 4 ч при температуре 1100°С, после чего его температуру снижали ступенчато до температуры кристаллизации раствора-расплава. На каждой ступеньке проводили полное горизонтальное погружение подложки на платиновом держателе в раствор-расплав на 5 или 6 мин. Если температура раствора-расплава превышала равновесную температуру кристаллизации или температуру насыщения (ts), то подложка растворялась в растворе-расплаве. Если же температура раствора-расплава была ниже температуры насыщения, то осуществлялось двухстороннее наращивание пленок на подложку при постоянной температуре роста (tg). По этой методике для пяти исследованных растворов-расплавов был определен диапазон температур (St) (табл. 1), который заключал в себе температуру насыщения. На основании экспериментальных исследований было построено вертикальное сечение политермического разреза, на котором показаны кривые ликвидуса (1) и неравновесного солидуса (2), а также показаны температуры, при которых осу-

ществлялся рост пленок (рис. 2). Время роста эпи-таксиальных пленок при разном переохлаждении (At = ts - tg) составляло Tg = 5, 6, 15 и 60 мин. Минимальная концентрация оксида гадолиния, при которой наблюдался эпитаксиальный рост пленок, составляла 0.1 мол. %, а минимальная температура роста - tg = 856°С. С увеличением концентрации Gd203 температура насыщения ts раствора-расплава возрастает, а диапазон температур, в котором имеет место эпитаксиальный рост пленок, смещается в область высоких температур (рис. 2). Максимальная толщина (hmax) (табл. 1) выращенных эпитаксиальных пленок составляла 44.7 мкм, а максимальная скорость роста (/™х), наблюдавшаяся в экспериментах, достигала 1.82 мкм/мин. Следует отметить, что скорость роста пленок возрастала с ростом концентрации оксида гадолиния.

При концентрациях Gd2O3 0.2-0.4 мол. % в шихте, как и [5], обнаружены две области роста пленок. В первой области с относительно малым переохлаждением (At < 47°С для раствора-расплава II, At < 60°С для III, At < 94°С для IV и At < 110°С для V) вырастают прозрачные и бесцветные пленки, а во второй области с большим переохлаждением - прозрачные и фиолетовые. При переохлаждении At > 65°С для раствора-расплава II, At > 60°С для III и At > 35°С для IV и V одновременно с ростом пленки в объеме раствора-расплава наблюдается рост монокристаллов граната в форме тетрагонтриоктаэдра с гранями {211}. При концентрации Gd2O3 0.1 мол. % в шихте в течение 1 ч выросла единственная прозрачная бесцветная пленка без видимой спонтанной кристаллизации.

а, см 1

X, нм

Рис. 3. Спектры оптического поглощения подложки ГГГ (1) и эпитаксиальных пленок, выращенных из растворов-расплавов при малом переохлаждении с концентрацией вё20з 0.5 (2) (пленка У-1), 0.4 (3) (пленка 1У-1), 0.3 (4) (пленка III-1), 0.2 (5) (пленка 11-1), 0.1 мол. % (6) (пленка 1-1); нумерация пленок соответствует табл. 2. На вставке приведен спектр оптического поглощения эпитаксиальной пленки 1-1 (б) с кривыми разложения на отдельные линии.

Суммарную толщину ((2h) пленок, выращенных на обеих сторонах подложки, определяли, взвешивая сначала подложку перед ее погружением в раствор-расплав, а затем выращенную эпитаксиаль-ную структуру (пленка/подложка/пленка). При этом пренебрегали различием количественного состава пленки и подложки.

Спектры пропускания пленок измеряли с помощью спектрофотометра Lambda 900 фирмы Perkin-Elmer при комнатной температуре в диапазоне длин волн от 200 до 860 нм.

Спектры поглощения рассчитывали из спектров пропускания следующим образом: сначала спектр пропускания подложки, измеренный до выращивания, делили на спектр пропускания подложки с выращенными на ней пленками, а затем натуральный логарифм этого отношения делили на суммарную толщину пленок, выросших с обеих сторон подложки.

Разность параметров ячейки структур (пленок Gd3Ga5O12:Pb (af) и подложек ГГГ (as)) измеряли на установке рентгеновской топографии УРТ-1 в режиме двукристалльного спектрометра при комнатной температуре. В качестве кристалла моно-хроматора использовали монокристалл германия (отражение (333)). Величину относительного рассогласования параметров (Aa/as) в направлении,

нормальном к плоскости структуры, рассчитывали по формуле:

Aa/as = - ctg ÖAÖ , (1)

где Aa = af - as, 0 - угол Брэгга. Измеряемая на кривых качания величина разности углов отражений от пленки и подложки (Аф) обусловлена двумя факторами: разностью брэгговских углов подложки и пленки А0, связанной с различием межплоскостных расстояний Aa, и разностью углов наклона кристаллографических плоскостей подложки и пленки к поверхности кристалла Аф. Для разделения этих факторов применяют запись кривых качания при двух геометриях съемки, отличающихся поворотом образца на 180° вокруг нормали к его поверхности (положения А и В). При этом

АшАВ = А0 ± Аф. (2)

Тогда углы А0 и Аф рассчитываются по формулам А0 = 1/2(АшА + Ашв), Аф = 1/2(АшА - Ашв). (3)

Оказалось, что для всех образцов в пределах точности измерений АшА = Ашв, т.е. не наблюдалось разориентации соответствующих кристаллографических плоскостей пленки и подложки (Аф = 0).

Кривые качания записывали для отражений (444) и (888). Расчет проводили по отражению (888), а отражение (444) использовали для определения

Таблица 2. Параметры эпитаксиальных пленок Gd3Ga5O12:Pb

№ образца Gd2O3, мол. % / °С 2h, мкм мкм/мин нм АХ, нм ^^ нм АХ, нм ^^ нм АХ, нм

Pb 2+ Pb4+ Pb2+, Pb4+

I-1 0.1 856 9.5 0.08 281.7 17.16 - - - -

II-1 0.2 921 5.8 0.49 282.1 15.62 - - - -

II-2 0.2 880 7.1 0.51 281.8 19.78 319.6 55.95 552.6 190.3

II-3 0.2 936 10.4 0.09 282.3 14.95 - - - -

II-4 0.2 882 34.2 0.28 - - - - 550.0 193.8

III-1 0.3 982 9.5 0.96 281.6 16.78 - - - -

III-2 0.3 889 3.8 0.38 281.1 17.66 319.3 55.92 572.1 137.0

IV-1 0.4 1021 8.2 0.82 282.4 17.55 - - - -

IV-2 0.4 945 17.5 1.75 - - 319.0 58.55 569.1 168.9

V-1 0.5 1046 40.1 1.34 281.

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.

Показать целиком