ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СИНХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2011, № 2, с. 51-56
УДК 535.5,535.012.2
ВЛИЯНИЕ РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КРИСТАЛЛОВ ТАНТАЛАТА ЛИТИЯ © 2011 г. Т. Р. Волк1, П. В. Ионов2
Учреждение Российской академии наук Институт кристаллографии имени А.В. Шубникова, Москва, Россия 2ГОУВПО Московский государственный индустриальный университет, Москва, Россия
Поступила в редакцию 05.04.2010 г.
Проведены исследования влияния рентгеновского облучения на оптическое поглощение, фоторе-фрактивную чувствительность и величину двупреломления кристаллов LiTaO3, чистых и легированных примесями Cu и Rh. Величина радиационно-индуцированного изменения двупреломления 8Аик в LiTaO3:Cu более чем на порядок превышает ту же величину, полученную во всех исследованных ранее кислородно-октаэдрических сегнетоэлектриках. Наблюдаемый рост фоторефрактивной чувствительности LiTaO3 и LiTaO3:Rh после облучения связывается с образованием метастабильных радиационно-индуцированных фотовольтаических центров, обусловленных, как предполагается, перезарядкой имеющихся О-вакансий.
ВВЕДЕНИЕ
Изучение влияния проникающего излучения на оптические свойства Ы№03 и ЫТа03 представляет интерес, прежде всего, с точки зрения их радиационной стойкости при некоторых практических применениях. Рентгеновское облучение является одним из способов повышения фоторефрактивной чувствительности [1]. Кроме того, радиационно-индуцированные эффекты информативны для анализа природы точечных дефектов в этих кристаллах. Ранее при исследовании воздействия рентгеновского облучения на кристаллы П№03 различных составов были обнаружены два взаимосвязанных эффекта — возрастание оптического поглощения (например, [2—5]), приводящее к увеличению фо-торефрактивной чувствительности, и изменение двулучепреломления (эффект "рентгенорефрак-ции" по аналогии с эффектом фоторефракции) [6, 7]. Поскольку в оксидных материалах, в отличие от щелочногалоидных кристаллов, воздействие проникающего излучения с энергией <0.5—0.7 МэВ не сопровождается образованием анионных вакансий [8, 9], наблюдаемые радиационно-индуцированные эффекты объясняются оптической перезарядкой имеющихся точечных дефектов под действием возбужденных вторичных электронов. В частности, в П№03 эти эффекты при комнатной температуре связываются с перезарядкой исходно присутствующих многозарядных примесных ионов (Бе, Си, и так далее) [3—5]. В настоящей работе приводятся результаты исследования влияния рентгеновского облучения на оптические свойства ЫТа03, являющегося структурным аналогом Ы№03. Проводится сравнение с эффектами, индуцированными рентгеновским излучением в Ы№03, и обсуждается воз-
можное различие природы возникающих неравновесных центров.
КРИСТАЛЛЫ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДИКИ
Исследовались номинально чистые и легированные Си и ЯИ кристаллы ЫТа03. Выбор составов определяется тем, что легирование Си и ЯИ Ы№03 и ЫТа03 [1, 10] приводит к повышению фоторе-фрактивной чувствительности. Измерения проводились в кристаллах ЫТа03, ЫТа03:0.2 вес. % Си и ЫТа03:0.1 вес. % ЯИ, выращенных методом Чо-хральского (приведены концентрации примесей в шихте). Исследуемые образцы представляли собой пластины толщиной 0.2—0.3 мм. Использовалось излучение МоКа (20 кэВ) и А%Ка (24 кэВ), для которых рассчитанный коэффициент ослабления составляет ~50 см-1, мощность дозы ~2 х 104 Р/мин. При времени облучения 1-2 ч рассчитанные поглощенные дозы составляли ~107 рад. Рентгеноре-фракция создавалась путем локального облучения неполярных у-срезов через свинцовую диафрагму диаметром 0.1-0.3 мм; величина 8Аик после облучения определялась методом оптической компенсации путем сканирования облученной области сфокусированным (диаметром 20-30 мкм) лучом Не—№-лазера. Измерения радиационно-индуци-рованного оптического поглощения проводились в неполяризованном свете в однородно облученных пластинах полярного г-среза. Расчет поглощения из спектров пропускания выполнялся с учетом поправок на отражение. Кинетика фоторефракции регистрировалась при записи лучом Аг-лазера (к=488 нм), сфокусированным цилиндрической линзой.
51
4*
а, см 1 (а)
400 500 600
X, нм
Рис. 1. Влияние рентгеновского облучения на спектр оптического поглощения кристаллов ЫТаОз (а) и ЫТаОз : ЯИ (б). Кривые 1 и 2 — спектры до и после облучения.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Облучение кристаллов ПТаО3 и ЫТаО3:КИ сопровождается значительным возрастанием поглощения во всей видимой области (рис. 1а, б). Радиационно-индуцированный спектр в ПТаО3 идентичен спектру, наблюдаемому в тех же кристаллах при низкотемпе-ратрном облучении электронами [11]. Как и в П№О3 [4], величина радиационно-индуцированно-го поглощения Да растет с экспозицией, выходя на
Рис. 2. Оптическое стирание радиационно-индуци-рованного поглощения (1) и радиационно-индуциро-ванной фоторефрактивной чувствительности (2) в кристаллах ЬЛаО3 светом с X = 514 нм, I = 0.2 Вт/см2. Приведена кинетика изменения относительных величин ац.г(0/ацт(0) и $ц.г(0/$ц.г(0).
насыщение при дозах порядка 106 рад. Спектры на рис. 1 соответствуют насыщенным значениям Да. В случае ЫТаО3:КИ наблюдается возрастание исходного пика поглощения при X ~ 470 нм, связанного, очевидно, с присутствием ЯИ. Радиационно-индуциро-ванное поглощение при комнатной температуре очень слабо уменьшается в течение десятков часов (время наблюдения) и стирается при нагреве до 120— 150°С или под действием фотоактивного света (рис. 2). В отличие от этих кристаллов, спектр поглощения ПТаО3:Си после облучения практически не меняется. В согласии с этим результатом в [5] заметный радиационно-индуцированный рост поглощения в кристаллах Ы№>О3:Си, связываемый авторами с перезарядкой Си2+ + е = Си+, наблюдался лишь при значительно более жестких режимах облучения (100 кэВ).
Рассмотрим влияние радиационно-индуциро-ванного поглощения на фоторефрактивную чувствительность. На рис. 3а приведены кривые записи фоторефракции в исследуемых кристаллах при плотности мощности излучения Аг-лазера I = = 20 Вт/см2. На рис. 3б представлены начальные участки кривых записи фоторефракции в кристаллах ЫТаО3 и ПТаО3:КИ после облучения. Величина приведенной фоторефрактивной чувствительности, измеряемая на начальном линейном участке зависимости 8Дй(?), определяется выражением [12]:
^ = (1/а1) с1(ЬДп)/&, (1)
где I — плотность мощности записывающего света; а — коэффициент поглощения. В используемых
A(ne - n0), 10
(а)
A(ne - n0), 10
-3
(б)
t, мин
0.5
1.0 t, c
Рис. 3. Кинетика записи фоторефракции в необлученных (а) кристаллах LiTaO3 (1), LiTaO3 : Rh (2), LiTaO3 : Cu (3) и облученных (б) кристаллах LiTaO3 (1) и LiTaO3 : Rh (2); X = 514 нм, I = 20 Вт/см2.
условиях эксперимента (без пространственной модуляции интенсивности света) фоторефракция в LiNbO3 и LiTaO3 возникает по фотовольтаическому механизму [12], для которого поле пространственного заряда имеет известный скалярный вид:
Esc = Jpv/tf = kGaI/(ad + Gph), (2)
гдеjpv — фотовольтаический ток; kG — фотовольтаиче-ская константа Гласса, aph и ad — фото- и темновая проводимость соответственно. Отсюда после простых преобразований, считая, что aph > ad и люкс-амперная характеристика линейна (aph ~ I), получаем:
S = £gRR/ss0, (3)
где R — обобщенный электрооптический коэффициент, определяемый геометрией опыта, ss0 — диэлектрическая проницаемость. Характеристики фоторефрактивной записи для всех случаев приведены в табл. 1. В необлученных кристаллах LiTaO3 и LiTaO3:Rh незначительное различие величин S
определяется различием поглощения а, откуда следует равенство величин к0. Таким образом, № не является фотовольтаически активным ионом в ЫТа03, и наблюдаемое увеличение голографиче-ской чувствительности ЫТа03:КИ по сравнению с чистым ЫТа03 объясняется лишь увеличением поглощения. Возникновение фоторефракции в обоих кристаллах может быть связано с присутствием неконтролируемой примеси железа. Напротив, большая величина S в ЫТа03:Си (табл. 1) определяется присутствием фотовольтаической примеси Си. Рассчитанная из выражения (3) константа Гласса на два порядка превышает к0 в номинально чистом ЫТа03 (табл. 2) и практически совпадает с той же величиной в П№Ю3:Си: к0 = 0. 55 х 10-9 А • см/Вт [13].
В облученных кристаллах ЫТа03 и ИТа03:КЬ наблюдается резкое возрастание фоторефрактивной чувствительности (табл. 1). Отметим, что величина ¿'ц.,. в облученных кристаллах носит оценочный ха-
Таблица 1. Радиационно-индуцированные оптические эффекты в танталате лития с примесями
Кристаллы а0, см 1 SQ х 10—7 см3/Дж airr, см 1 Sirr х 10—7 см3/Дж SAnR х 10—4 ctr х 10—14 Oм-1 • см—1 SAnphr х 10—4
LiTaO3 0.1 0.35 6 100 2 0.1 0.6
LiTaO3:Rh 0.4 0.5 33 7.25 3 — 1
LiTaO3:Cu 0.3 20 0.3 20 30 0.015 10.5
Примечание: ао и а 1гг — коэффициенты поглощения до и после облучения на длине волны X = 500 нм; ¿0 и ¿¡гг — приведенные значения фоторефрактивной чувствительности до и после облучения (X = 488 нм); 5Аиа и ста — величины рентгенорефракции и рентгенопроводимости (I ~ 2 х 104 Р/мин), 5АярЬг — величина фоторефракции (I ~ 20 Вт/см2).
Таблица 2. Константы Гласса в исходных и облученных кристаллах LiTaO3
Кристаллы LiTaO3 LiTaO3:Rh LiTaO3:Cu
kG, А • см/Вт 0.8 х 10-11 1.1 х 10-11 0.5 х 10-9
klQ , А • см/Вт 2.5 х 10-9 1.6 х 10-10 0.5 х 10-9
Примечание: kG и kG — соответственно, константы Гласса в исходном состоянии и после облучения, рассчитанные из фоторефрактивной чувствительности по уравнению (2).
рактер и относится к начальному участку 5Аи(0, поскольку в процессе записи радиационно-индуциро-ванное поглощение оптически стирается, т.е. величина S, возвращаясь к исходному значению в необлученном кристалле (рис. 2), зависит от времени. Как следует из выражения (3), возрастание S может быть связано лишь со значительным увеличением к0. Полученный результат принципиально отличается от радиационно-индуцированных эффектов в номинально чистом Ы№03 и легированном железом Ы№03:Ре, в которых рентгеновское облучение не приводит к изменению к0 [1].
Непосредственные оценки к0 традиционным методом измерения фотовольтаического то
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.