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.