Исследование фотоиндуцированных явлений в кристалле ниобата лития LiNbO3: Сu X-среза

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР) Кафедра электронных приборов (ЭП) ОТЧЕТ ПО УЧЕБНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ РАБОТЕ Исследование фотоиндуцированных явлений в кристалле ниобата лития LiNbO₃:Сu X-среза Томск 2014

Содержание Введение

1. Сегнетоэлектрики. Их свойства и применение

2. Экспериментальная часть

2.1 Экспериментальная установка

2.2 Методика эксперимента

2.3 Исследование динамики мощностей прошедшего и дифрагированного пучков, считывающих голограмму, формируемую записывающими пучками Заключение Список литературы

Введение

В сегнетоэлектрических кристаллах ниобата лития, обладающих при обычных для приложений температурах спонтанной поляризацией, формирование фоторефрактивных голограмм может происходить за счет фотогальванического эффекта. Этот эффект, возникающий и при однородном освещении кристалла, сопровождается образованием электрических полей большой напряженности. Такие большие поля в кристаллах ниобата лития вызывают импульсную электронную эмиссию с их поверхности [2], сопровождающую явление так называемого спонтанного электрического пробоя.

Эмиссионные эффекты на поверхности сегнетоэлектриков вызывают в настоящее время значительный интерес. Исследование эмиссии электронов с поверхности сегнетоэлектрических материалов позволяет моделировать процессы в приповерхностной области кристалла, дает возможность судить об электрических свойствах, о кристаллической и энергетической структуре исследуемых материалов [3, 4].

1. Сегнетоэлектрики. Их свойства и применение Сегнетоэлектрики — это кристаллические диэлектрики, обладающие в определенном интервале температур спонтанной (самопроизвольной) поляризацией, которая существенно изменяется под влиянием внешних воздействий.

Свойства сегнетоэлектриков во многом подобны магнитным свойствам ферромагнетиков (отсюда название ферроэлектрики, принятое в зарубежной литературе). К числу наиболее исследованных и используемых на практике сегнетоэлектриков относятся титанат бария, сегнетова соль (давшая название всей группе кристаллов), триглицинсульфат, дигидрофосфат калия и др. (см. табл. 1). Известно несколько сотен сегнетоэлектриков.

Наличие спонтанной поляризации, т. е. электрического дипольного момента в отсутствии электрического поля — отличительная особенность более широкого класса диэлектриков, называется пироэлектриками. В отличии от других пироэлектриков, монокристаллические сегнетоэлектрики «податливы» к отношению к внешним воздействиям: величина и направление спонтанной поляризации могут сравнительно изменяться под действием электрического поля, упругих напряжений при изменении температуры. Это обусловливает большое разнообразие эффектов, наблюдающихся в сегнетоэлектриках. Для других пироэлектриков изменение направления поляризации затруднено, т. к. требует радикальной перестройки структуры кристалла (рис. 1.1.).

Рисунок 1.1.

Электрические поля, которые могли бы осуществить такую перестройку в пироэлектриках, существенно выше пробивных полей. В отличие от других пироэлектриков, спонтанная поляризация сегнетоэлектриков связана с небольшими смещениями ионов по отношению к их положениям в неполяризованном кристалле (рис. 1.2).

Рисунок 1.2.

Обычно сегнетоэлектрики не являются однородно поляризованными, а состоят из доменов (рис. 1.3) — областей с различными направлениями спонтанной поляризации, так что при отсутствии внешних воздействий суммарный электрический дипольный момент P-образца практически равен нулю. Рис. 1.4 поясняет причину образования доменов в идеальном кристалле.

Рисунок 1.3. Рисунок 1.4.

Электрическое поле, созданное спонтанной поляризацией одной части образца, воздействует на поляризацию другой части так, что энергетически выгоднее противоположная поляризация этих двух частей. Равновесная доменная структура сегнетоэлектриков определяется балансом между уменьшением энергии электростатического взаимодействия доменов при разбиении кристалла на домены и увеличением энергии от образования новых доменных границ, обладающих избыточной энергией. Число различных доменов и взаимная ориентация спонтанной поляризации в них определяются симметрией кристалла. Конфигурация доменов зависит от размеров и формы образца, на нее влияет характер распределения по образцу дефектов в кристаллах, внутренних напряжений и других неоднородностей, неизбежно присутствующих в реальных кристаллах.

Наличие доменов существенно сказывается на свойствах сегнетоэлектриков. Под действием электрического поля доменные границы смещаются так, что объемы доменов, поляризованных по полю, увеличиваются за счет объемов доменов, поляризованных против поля. Доменные границы обычно «закреплены» на дефектах и неоднородностях в кристалле и необходимо электрическое поле достаточной величины, чтобы перемещать их по образцу. В сильном поле образец целиком поляризуется о полю — становится одноименным. После выключения поля в течение длительного времени образец остается поляризованным. Необходимо достаточно сильное электрическое поле противоположного направления, чтобы суммарные объемы доменов противоположного знака сравнялись. В сильном поле происходит полная поляризация образца. Зависимость поляризации P-образца от напряженности электрического поля Е нелинейна и имеет вид петли гистерезиса.

Сильное изменение поляризации образца под действием электрического поля за счет смещения доменных границ обусловливает тот факт, что диэлектрическая проницаемость е многодоменного сегнетоэлектрика больше, чем однодоменного. Значение е тем больше, чем слабее закреплены доменные границы на дефектах и на поверхности кристалла. Величина е в сегнетоэлектриках существенно зависит от напряженности электрического поля, то есть сегнетоэлектрики обладают нелинейными свойствами.

Таблица 1. Характеристики некоторых сегнетоэлектриков

При нагревании сегнетоэлектриков спонтанная поляризация, как правило, исчезает при определенной температуре T_c, называется точкой Кюри, т. е. происходит фазовый переход. Сегнетоэлектрики из состояния со спонтанной поляризацией (полярная фаза) в состояние, в котором спонтанная поляризация отсутствует (неполярная фаза). Фазовый переход в сегнетоэлектриках состоит в перестройке структуры кристалла (в отличии от магнетиков). В разных сегнетоэлектриках T_c сильно различаются.

Величина спонтанной поляризации P_S обычно сильно изменяется с температурой вблизи фазового перехода. Она исчезает в самой точке Кюри T_c либо скачком (фазовый переход первого рода, например в титанате бария), либо плавно уменьшаясь (фазовый переход второго рода, например в сегнетовой соли).

Резкий рост е с приближением к точке Кюри (рис. 1.5) связан с увеличением «податливости» кристалла по отношению к изменению поляризации, т. е. к тем смещениям ионов, которые приводят к изменению структуры при фазовом переходе [5]

Рисунок 1.5.

Возникновение поляризации при переходе сегнетоэлектриков в полярную фазу может быть вызвано либо смещением ионов (фазовый переход типа смещения, например в титанате бария), либо упорядочением ориентации электрических диполей, существовавших и в неполярной фазе (фазовый переход типа порядок-беспорядок, например в дигидрофосфате калия). В некоторых сегнетоэлектриках спонтанная поляризация может возникать как вторичный эффект, сопровождающий перестройку структуры кристалла, не связанную непосредственно с поляризацией. Такие сегнетоэлектрики называются несобственными (например молибдат гадолиния), обладают рядом особенностей: е слабо зависит от Т, в точке Кюри значение е не велико и др.

Все сегнетоэлектрики в полярной фазе являются пьезоэлектриками. Пьезоэлектрические постоянные сегнетоэлектриков могут иметь сравнительно с другими пьезоэлектриками большие значения, что связано с большими величинами е. Большие значения имеют также пироэлектрические постоянные сегнетоэлектриков из-за сильной зависимости P_S(T).

Сегнетоэлектрическими свойствами обладают некоторые полупроводники и магнитоупорядоченные вещества. Сочетание различных свойств приводит к новым эффектам, например магнитоэлектрическим. В некоторых диэлектриках при фазовом переходе с изменением кристаллической структуры спонтанная поляризация не возникает, но наблюдаются, однако, диэлектрические аномалии, сходные с аномалиями при сегнетоэлектрических переходах: заметное изменение е, а также двойные петли гистерезиса. Такие диэлектрики часто называются антисегнетоэлектриками, хотя наблюдаемые свойства, как правило, не связаны с исторически возникшими представлениями об антипараллельных дипольных структурах.

Сегнетоэлектрические материалы (монокристаллы, керамика, пленки) широко применяются в технике и научном эксперименте. Благодаря большим значениям е их используют в качестве материала для конденсаторов высокой удельной емкости. Большие значения пьезоэлектрических констант обусловливают применение сегнетоэлектриков в качестве пьезоэлектрических материалов в приемниках и излучателях ультразвука, в преобразователях звуковых сигналов в электрические наоборот, в датчиках давления и др. Резкое изменение сопротивления вблизи температуры фазового перехода в некоторых сегнетоэлектриках используется в позисторах для контроля и измерения температуры. Сильная температурная зависимость спонтанной поляризации позволяет применять сегнетоэлектрики в приемниках электромагнитных излучений переменной интенсивности в широком диапазоне длин волн (от видимого до субмиллиметрового). Благодаря сильной зависимости е от электрического поля сегнетоэлектрики используют в нелинейных конденсаторах (варикондах), которые нашли применение в системах автоматики, контроля и управления. Зависимость показателя преломления от поля обусловливает использование сегнетоэлектриков в качестве электрооптических материалов в приборах и устройствах управления световыми пучками, включая визуализацию инфракрасного изображения. Перспективно применение сегнетоэлектриков в устройствах памяти вычислительных машин, дистанционного контроля и измерения температуры и др.

2. Экспериментальная часть

2.1 Экспериментальная установка Схема эксперимента для исследования динамики формирования поля пространственного заряда пропускающих голограмм в кристалле ниобата лития LiNbO₃:Сu X-среза приведена на рис. 2.1.

Рис. 2.1 — Схема экспериментальной установки:

Л1 — твердотельный лазер л=532 нм, КЛ — коллиматор, СК — светоделительный кубик, П — призма, Кр — исследуемый кристалл, Л2 -лазерный диод л=655 нм, Ллинза, ФДфотодиоды, МА-микроамперметр Луч света от твердотельного лазера с длиной волны излучения л=532 нм и мощностью P₀=40 мВт, проходя коллиматор КЛ, расширялся до необходимого диаметра и расщеплялся на два луча светоделительным кубиком СК. Данный кубик в сочетании с призмой П образует интерферометрическую схему, на выходе которой опорный (с интенсивностью I_P1) и сигнальный (с интенсивностью I_S) световые лучи пересекались под углом 12.5є и формировали голографическую решетку с вектором K, ориентированным вдоль полярной оси Z. Голографическая решетка, соответствующая данной интерференционной картине, формировалась в исследуемом кристалле LiNbO₃ благодаря фоторефрактивному эффекту, заключающемуся в изменении показателя преломления среды под действием света и обусловленному фотовозбуждением и пространственным перераспределением носителей заряда. Векторы поляризации записывающих волн были ориентированы вдоль оси X кристалла.

Считывание фоторефрактивной решетки в процессе её формирования осуществлялось методом дифракции светового пучка с длиной волны л=655 нм, отличающейся от записывающих пучков. Этот пучок излучался лазерным диодом с выходной мощностью P_ir=6 мВт и вектором поляризации, ориентированным вдоль полярной оси Z, и проходил через голографическую решетку под углом Брэгга =7.7є для считывающей длины волны. Фотодиоды ФД1 и ФД2 фиксировали мощности прошедшего через кристалл ниобата лития считывающего пучка от лазерного диода (с интенсивностью) и пучка, дифрагированного на записываемой решетке (с интенсивностью), соответственно. Цифровые микроамперметры типа В7−40/1, с помощью которых фиксировалась динамика изменения мощностей прошедшего и дифрагированного пучков, были связаны с компьютерной системой обработки данных.

2.2 Методика эксперимента В эксперименте использовался кристалл ниобата лития со следующими параметрами:

Таблица 2 -Параметры исследуемого LiNbO₃:Сu X-среза

Используя соотношения концентраций из работы ,

по спектрам поглощения была оценена концентрация ионов длине волны 1040 нм. В данной работе измерение спектров поглощения LiNbO₃:Cu проводилось на спектрофотометре GENESYS 2 в диапазоне (200−1100 нм) с шагом 1 нм.

Для исключения засветки рассеянным излучением с длиной волны 532 нм фотодиодов ФД1 и ФД2 перед ними устанавливался светофильтр ОС13, пропускавший свет с длиной волны 655 нм с минимальными потерями и практически полностью поглощавший излучение пучков, записывающих голограмму. Таким образом, фотодиоды ФД1 и ФД2 типа ФД-24К фиксировали с помощью компьютерной системы обработки данных временные зависимости мощностей прошедшего пучка и пучка, дифрагированного на фоторефрактивной голограмме. Исследуемый образцец кристалла периодически подвергался отжигу при температуре 190^ОС, или выдерживался в темновых условиях для стирания записанных фоторефрактивных голограмм.

2.3 Исследование динамики мощностей прошедшего и дифрагированного пучков, считывающих голограмму, формируемую записывающими пучками По зафиксированным в экспериментах компьютерной системой значениям мощностей прошедшего через кристалл ниобата лития считывающего пучка лазерного диода и пучка, дифрагированного на фоторефрактивной голограмме, в математической среде Mathcad были построены временные зависимости для относительных значений мощностей и в LiNbO₃:Сu. В кристалле LiNbO₃:Сu X-среза с толщиной d = 2 мм излучение с длиной волны 655 нм, используемое для формирования голограммы, практически полностью поглощалось и не проходило через образец. Однако оптическое поглощение для считывающего излучения было достаточно слабым и позволяло регистрировать динамику формирования фоторефрактивной голограммы. Характерные временные зависимости относительных мощностей прошедшего и дифрагированного пучков, характеризующих динамику формирования фоторефрактивной пропускающей голограммы в кристалле ниобата лития представлены на рисунке 2.2

Рис. 2.2 — Динамика мощностей прошедшего P1 и дифрагированного пучков P2, считывающих голограмму, формируемую записывающими пучками в кристалле LiNbO₃:Сu X-среза Как видно из (рис. 2.2), в данном случае наблюдаются скачки мощностей обоих пучков в некоторые моменты времени. В большинстве случаев, при таких скачках происходит уменьшение мощности дифрагированного пучка и её увеличение для прошедшего пучка. Это свидетельствует об уменьшении дифракционной эффективности голограммы, связанной с уменьшением амплитуды поля пространственного заряда.

Дифракционная эффективность голограммы определяется как отношение мощности светового потока, формирующего изображение объекта, записанного на голограмме, к мощности потока опорной световой волны. Как видим, дифракционная эффективность голограмм представляет собой параметр, который сродни коэффициенту полезного действия, широко используемому в физике и технике. Различные виды голограмм обладают различной дифракционной эффективностью.

Расчет динамики изменения амплитуды возмущений показателя преломления среды в кристалле ниобата лития, легированного медью, выполняется по формуле:

ДN_p = 655*10^-9 р*d *asin (з), (1.1)

Где d — толщина кристалла;

з — дифракционная эффективность Расчет амплитуды поля пространственного заряда выполняется по формуле:

E_p = -2* ДN_p n³ * r, (1.2)

Где n — показатель преломления для обыкновенной волны кристалла ниобата лития, легированного медью;

r — эффективный электрооптический коэффициент.

r= r13+(p13*e33)/c33

Рисунок 2.3 — Динамика изменения амплитуды поля пространственного заряда в кристалле ниобата лития, легированного медью.

Заключение

Исследована динамика зависимостей мощностей прошедшего и дифрагированного пучков в кристалле ниобата лития, легированного медью; проведен расчет изменения амплитуды возмущения показателя преломления в данном кристалле. Было получено, что амплитуда поля пространственного заряда в кристалле ниобата лития, легированного медью с концентрацией двухвалентной меди м^-3достигает значений 5,5*10⁵ В/м.

ниобат литий голограмма заряд

Список использованных источников

1. Б. И. Стурман, В. М. Фридкин. Фотогальванический эффект в средах без центра симметрии и родственные явления. — М.: Наука, 1992.

2. N.V. Kukhtarev et al., J. Appl. Phys. Vol. 97, 5 4301(2005)

3. Бабичева, Н. Г. Кинетика эмиссии электронов из ниобата лития/ Н. Г. Бабичева, А. С. Сидоркин, О. В. Рогазинская, С. Д. Миловидова, А. Б. Плаксицкий // Физика твердого тела, 2009, том 51, вып. 7.

4. Барфут, Дж.

Введение

в физику сегнетоэлектрических явлений / Дж. Барфут// Изд-во «Мир», 352 стр., 1970.

5. Иона Ф., Ширане Д. Сегнетоэлектрические кристаллы, перевод с англ., 1965 г.

6. Гуревич А. В., Зыбин К. П. Пробой на убегающих электронах и электрические разряды во время грозы. Успехи физических наук, том 171,№ 11, ноябрь 2001 г.

7. K. Buse, S. Breer, K. Peithmann, S. Kapphan, M. Gao, and E.Kratzig. Origin of thermal fixing in photorefractive lithium niobate crystals. Phys. Rev. B 56, 1225 (1997).

8. Буримов Н. И., Шандаров С. М. Структура упругих и электрических полей, возникающих вблизи границы кристалла LiNbO₃ при фотогальваническом механизме записи фоторефрактивных решеток. — Физика твердого тела, 2006, том 48, вып.3.

9. Самарский А. А., Андреев В. Б. Разностные методы для эллиптических уравнений. — М.: Наука, 1976. 352 с.

10. Бубенников А. Н., Садовников А. Д. Физико-технологическое проектирование биполярных элементов кремниевых БИС. — М.: Радио и связь, 1991. 288 с.