Электронный научный журнал
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,791

СПЕКТРАЛЬНАЯ ЗАВИСИМОСТЬ ФОТООТКЛИКА В СЭНДВИЧНОЙ СТРУКТУРЕ МЕТАЛЛ-СЕГНЕТОЭЛЕКТРИК-МЕТАЛЛ

Виноградова П.В. 1 Брюханова Т.Н. 2 Иванов В.И. 1 Ливашвили А.И. 1
1 ФГБОУ ВПО «Дальневосточный государственный университет путей сообщения»
2 ФГБОУ ВПО Тихоокеанский государственный университет
Известно аномально сильное влияние диффузии материала электродов на фотогальванический эффект в кристаллах ниобата лития. В данной работе представлено исследование спектральной зависимости фотоотклика в несимметричной системе металл-сегнетоэлектрик-металл в области видимого и ближнего инфракрасного диапазонов. Обнаружена резкая спектральная зависимость стационарного фотоотклика со сменой знака в области 1 мкм. Явление объясняется наличием поглощения в объеме кристалла, так как тонкие электроды частично пропускают излучение. Смена знака сигнала и его рост в сторону коротких волн вызваны наличием фотогальванического и термовольтаического эффектов, имеющих разные знаки. Данный факт подтверждается исчезновением спектральной зависимости фотоотклика при нанесении поглощающего покрытия на приемную площадку. Полученные результаты можно использовать при анализе фотоиндуцированных явлений в сегнетоэлектрических материалах, а также при интерпретации экспериментальных результатов по изучению термоэлектрических свойств слоистых полупроводниковых структур.
ниобат лития
термовольтаический эффект
фотогальванический эффект
1. Здоровцев Г.Г., Иванов В.И., Карпец Ю.М., Климентьев С.В. Термоэлектрические свойства несимметричной сэндвичной структуры металл-ниобат лития-металл // Известия Томского политехнического университета. – 2007. – Т. 311. – № 2. – С. 102-105.
2. Здоровцев Г.Г., Иванов В.И., Марченков Н.В. Термостимулированная ЭДС в сэндвичной структуре металл–ниобат лития-металл // Информатика и системы управления. – 2005. – № 1 (09). – С. 55-60.
3. Здоровцев Г.Г., Карпец Ю.М., Лебедев В.А. Температурная зависимость электропроводности легированных кристаллов ниобата лития // Фундаментальные исследования. – 2014. – № 9-7. – С. 1512-1516.
4. Иванов В.И. Термостимулированные токи в несимметричной сэндвичной структуре металл – сегнетоэлектрик – металл: монография. – Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2007. – 67 с.
5. Иванов В.И., Карпец Ю.М., Климентьев С.В. Тепловые приемники излучения на основе тонкослойных структур металл – сегнетоэлектрик – металл: монография; Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2008. – 80 с.
6. Иванов В.И., Карпец Ю.М., Климентьев С.В. Термоэдс в легированных кристаллах ниобата лития с электродами из различных металлов // Известия высших учебных заведений. Физика. – 2001. – № 1. – С. 96-97.
7. Иванов В.И., Климентьев С.В., Корчевский В.В. Использование динамического пироэффекта в термовольтаическом приемнике излучения // Вестник Тихоокеанского государственного университета. – 2010. – № 2. – С. 013-018.
8. Карпец Ю.М., Максименко В.А. Фотоиндуцированное рассеяние света в кристаллах LiNbO3:Rh // Оптический журнал. – 2004. – Т. 71. – № 9. – С. 6-7.
9. Карпец Ю.М., Строганов В.И., Марченков Н.В., Емельяненко А.В. Спекл-структура излучения, рассеянного фоторефрактивным кристаллом // Оптика и спектроскопия. – 1989. – Т. 67, № 12. – С. 982.
10. Ivanov V. I., Karpets Yu. M., Klimentev S. V. Thermo-EMF in doped lithium niobate crystals with electrodes made of different metals // Russian Physics Journal. – 2001. – V.44, № 1. –pp. 119-121.

Исследование фотоэлектрических свойств ниобата лития (НЛ), легированного атомами железа, довольно подробно были изложены в литературе [1-3]. В тонкослойных контактных системах металл-сегнетоэлектрик-металл (МСМ) такие эффекты, как фоторефрактивный, фотовольтаический, электрооптический, пироэлектрический и др. имеют существенные особенности и даже определятся приповерхностной (приэлектродной) областью кристалла.

В работе Канаева и Малиновского (см. обзор [4]) проведено исследование влияния электродов на фотогальванический (ФГ) ток в кристаллах LiNbO3. Было выявлено аномально сильное влияние диффузии материала электродов на фотогальванический ток. В работе показано, что имеющиеся данные лучше согласуются с классическими представлениями о фототоках, т.е. ФГ-ток генерируется на макроскопических неоднородностях.

Авторы предполагают, что дополнительный вклад в стационарные токи при наличии пленки обусловлен ФГ-эффектом, присущим тонкому приэлектродному слою кристалла. В стационарном состоянии ФГ-токи создают на сопротивлениях разности потенциалов и уравновешиваются токами проводимости. Потенциал, наводимый приэлектродным ФГ-током, оказывается выше потенциала, наводимого исходным ФГ-током, и его величина может превышать 1000 В. Из этого следует, что наблюдаемый дополнительный ток не может быть связан с контактными и градиентными явлениями, поскольку они не могут обеспечить потенциал выше энергии возбуждения носителей (т.е. выше нескольких вольт). Исходя из того, что наводимые приэлектродным ФГ-током поля не превышают максимальных наблюдаемых в LiNbO3 полей, т.е. 105 В/см, авторы получают нижнюю границу толщины (lэ) слоя, где действует приэлектродный ФГ-ток. Его величина оказывается не менее 100 мкм.

Полученные экспериментальные данные показывают, что достаточно легко (проводя диффузионное легирование при относительно невысоких температурах и сравнительно коротких временах) можно в широких пределах менять фотогальванические константы кристаллов. В заключении авторы на основании полученных экспериментальны результатов указывают на возможность больших количественных и качественных изменений свойств кристаллов при диффузионном легировании, что следует учитывать при создании металлических контактов. Асимметрия электропроводности, асимметрия диффузии вещества, генерация под действием света ФГ-тока – обязаны пространственным флуктуациям поляризации и возникновению за счет ΔPS локальных электрических полей. Поле меняет несимметрично работу выхода из зоны флуктуации и работу выхода перехода через нее.

Цель работы

В связи с этим представляет интерес рассмотрение влияние контактной разности потенциалов на фотогальванический эффект в легированном кристалле ниобата лития. В данной работе представлено исследование спектральной зависимости фотоотклика в несимметричной системе МСМ.

Экспериментальная установка

В световых экспериментах применялся детектор излучения, состоящий из чувствительного элемента – изучаемого кристалла и предусилителя. Излучение поглощалось одним из напыленных электродов образца. Кристалл располагался на специальном кристаллодержателе, снижающем влияние вибропомех (так как кристалл НЛ является пьезоэлектриком) и обладающими высокими электроизолирующими свойствами. Предусилитель вместе с кристаллом помещался в экранирующий металлический корпус.

При модуляции светового пучка на выходе детектора регистрировался сигнал фотоотклика, состоящий из быстрой (пироэлектрический сигнал) и медленной компонент. Для количественной характеристики квазистационарного фотоотклика был введен коэффициент :

(1)

где: – напряжение на сопротивлении нагрузки Rн при отсутствии света, – стационарное значение напряжения на Rн при открытом световом пучке, Pпад – мощность падающего на кристалл излучения.

Исследование спектральной зависимости величины квазистационарного  фотоотклика проводились на установке (Рис.1), состоящей из источника света с непрерывным спектром - лампы накаливания с фокусирующим отражателем, набора фильтров, измерителя мощности ИМО - 2Н, собственно детектора, в который ставился изучаемый кристалл. С помощью набора фильтров выделялись участки спектра в диапазоне от 0,5 до 1,5 мкм. Мощность излучения, падающего на кристалл, составляла 1 ÷ 10 мВт. Световой пучок фокусировался на напыленную грань кристалла. Площадь светового пятна в фокусе линзы была больше площади кристалла, т.е. измерялся интегральный по площади сигнал фотоотклика.

В эксперименте использовался детектор с кристаллом НЛ Y - среза (0,3 вес.% Fe, электроды Al - Cr, размеры 2 × 2,5 × 0,13 мм3). Параметры предусилителя: Кус = 21 в полосе частот Δf = 1,5*103 Гц. Результаты измерений представлены на Рис. 2. Коэффициент  обладает резко выраженной спектральной зависимостью с обращением знака около λ = 0,9 мкм.

В эксперименте использовался детектор с кристаллом НЛ Y – среза (0,3 вес.% Fe, электроды Al – Cr, размеры 2 × 2,5 × 0,13 мм3). Параметры предусилителя: Кус = 21 в полосе частот Δf = 1,5*103 Гц. Результаты измерений представлены на Рис. 2. Коэффициент обладает резко выраженной спектральной зависимостью с обращением знака около λ = 0,9 мкм.

Рис.1. Схема экспериментальной установки: 1 – блок питания источника света, 2 – источник света (лампа накаливания), 3 – диафрагма, 4 – фильтры, 5 – модулятор излучения, 6 – фокусирующая линза, 7 – детектор излучения, 8 – осциллограф, 9 – цифровой вольтметр, 10 – измеритель мощности ИМО – 2Н

С целью проверки спектральной зависимости поглощательной способности напыленного на кристалл электрода были проведены калибровочные измерения. В детектор ставился кристалл танталата лития с аналогичным поглощающим электродом (алюминий). Измерения пироэффекта для данного кристалла выявили очень слабую (в пределах нескольких процентов) спектральную зависимость поглощательной способности электрода в диапазоне 0,5 ÷ 1,5 мкм. Отсюда можно сделать вывод, что резкая спектральная зависимость медленных компонент фотоотклика объясняется поглощением в объеме кристалла, т.к. электроды частично пропускают излучение. Наличие объемного поглощения позволяет предположить, что смена знака сигнала и его рост в сторону коротких волн вызваны фотогальваническим эффектом.

На этой же установке были проведены эксперименты по изучению стационарного ФГЭ, его спектральной зависимости; измерению константы Гласса.

Рис. 2. Спектральная зависимость фотоотклика (для кристалла НЛ; 2 × 2,5 × 0,13 мм3; 0,3 вес.% Fe; электроды Al – Cr; Y – срез; Rн = 0,47 ГОм; ку = 21; 1 – нечерненный поглощающий электрод; 2 – черненный поглощающий электрод)

Проведенные оценки константы Гласса в области 0,5 ÷ 1,5 мкм согласуются с данными, имеющимися в литературе [21]. Сравнение рис.2 и рис. 3 подтверждает предположение о наличии ФГЭ в кристалле Y – среза, обусловленного, по-видимому, неточностью среза. Оценки дают величину отклонения от чистого Y – среза ≤ 30.

Заключение

Таким образом, из результатов исследования видно, что резкая спектральная зависимость квазистационарного фотоэлектрического отклика в легированных кристаллах LiNbO3 с электродами из различных металлов обусловлена наличием фотогальванического эффекта и термостимулированной ЭДС, пропорциональной температуре кристалла.

Полученные результаты можно использовать при анализе фотоиндуцированных явлений в сегнетоэлектрических материалах [6-8], а также при интерпретации экспериментальных результатов по изучению термоэлектрических свойств полупроводниковых структур [8-10].

Рис. 3. Спектральная зависимость стационарного фототока в кристалле НЛ (объемное поглощение): 5 × 2 × 1 мм3; Z – срез; 0,3 вес.% Fe; Rн = 0,47 Гом

Рецензенты:

Карпец Ю.М., д.ф.-м.н., профессор по кафедре физики, профессор кафедры «Физика и теоретическая механика» ФГБОУ ВПО Дальневосточный государственный университет путей сообщения, г. Хабаровск;

Криштоп В.В., д.ф.-м.н., профессор по кафедре физики, проректор по учебной работе ФГБОУ ВПО Дальневосточный государственный университет путей сообщения Министерства транспорта РФ, г. Хабаровск.


Библиографическая ссылка

Виноградова П.В., Брюханова Т.Н., Иванов В.И., Ливашвили А.И. СПЕКТРАЛЬНАЯ ЗАВИСИМОСТЬ ФОТООТКЛИКА В СЭНДВИЧНОЙ СТРУКТУРЕ МЕТАЛЛ-СЕГНЕТОЭЛЕКТРИК-МЕТАЛЛ // Современные проблемы науки и образования. – 2015. – № 2-1.;
URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id=21115 (дата обращения: 19.09.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.252