2. Поглощение

Точное рассмотрение взаимодействия света с экситонами приводит к дальнейшему усложнению энергетического спектра дипольно-активных экситонов. Поскольку свет, распространяющийся по кристаллу, является поперечной волной вторичной поляризации, то в области резонанса световые волны должны сильно взаимодействовать с поперечными волнами экситонной поляризации и смешиваться с ними. В результате взаимодействия света с поперечными экситонами в кристалле происходит образование новых элементарных возбуждений – свето-экситонов (поляритонов).

Уравнения Максвелла дают следующую связь между индукцией D и поперечной компонентой поля :

При совместном решении данного уравнения и материального уравнения получаем дисперсионное соотношение:

Далее, используя выражение для диэлектрической проницаемости

можно найти и конкретный вид дисперсионной зависимости для поперечных поляритонов Рис. 6. Для среды с пространственной дисперсией диэлектрическая проницаемость выражается как: и закон дисперсии принимает вид:

,

где , , где Г – константа затухания, ε₀-фоновая диэлектрическая проницаемость, обусловленная другими возбуждениями кристалла, ω₀-резонансная частота. Две ветви решения T₁ и T₂ соответствуют возбуждениям свето-экситонов и называются поляритонами.

Ход дисперсионных ветвей T₁ и T₂ в области «антипересечения» показывает, что свето-экситонам примерно в одинаковой степени присущи как свойства фотонов, так и свойства экситонов. Вследствие этого процессы поглощения и излучения света экситонами определяются динамикой поляритонов в области резонанса. Продольные экситоны (L) не участвуют в свето-экситонном взаимодействии с поперечными световыми колебаниями, поэтому дисперсия ветви продольных экситонов не изменяется.

Дисперсионная зависимость экситона представлена на Рис 6.

Рис. 6. Дисперсионная кривая экситона при учете взаимодействия поперечного поля с полем поперечного экситона.

4. Исследование полупроводниковой гетероструктуры на основе оксида меди

Гетерофазные оксидные системы на основе сегнетоэлектрических пленок, являются перспективными [1]: для создания энергонезависимых ЗУ с оптическим считыванием из-за переключения вектора спонтанной поляризации внешним электрическим полем; для солнечных элементов и устройств оптической обработки информации [2] из-за фоторефрактивного эффекта, эффекта появления статической поляризации диэлектрика под действием электрического поля лазерного луча. Рассмотрим эти применения подробнее.

Сегнетоэлектрическая память с неразрушающим оптическим считыванием информации. В связи с тем, что наиболее распространенный на данный момент тип энергонезависимой памяти (флэш-память) имеет критический недостаток, заключающийся в ограниченном числе циклов перезаписи, то одним из вариантов решения этой проблемы является применение памяти с произвольным доступом на основе сегнетоэлектрических конденсаторов. Это новое поколение энергонезависимой памяти, которое объединяет высокую скорость записи/чтения данных и низкое энергопотребление.

В основе записи информации в структурах с применением сегнетоэлектрических материалов лежат эффекты остаточной фотопроводимости и остаточной фотоемкости. Суть эффектов заключается в том, что после прекращения освещения, установленные значения емкости структуры сохраняются в течение длительного времени [4]. В таких устройствах предлагается производить запись путем поворота или реориентации спонтанной поляризации во внешнем поле или используя фоторефрактивный эффект [5].

В [6] рассматривается применение лазерного луча для записи и считывания информации. При записи облучение лазерным лучом позволяет снизить значение коэрцитивного поля. При считывании изменение направления сегнетоэлектрической поляризации находится в зависимости от интенсивности лазерного излучения. Плотность записи в этом случае зависит от диаметра лазерного луча, а быстродействие от скорости локального нагрева. Пример такой структуры приведен на Рис. 7 [7]. Также возможен другой вариант организации плотноупакованных ячеек сегнетоэлектрической памяти. В таком случае используются полосковые лазеры, как источники света, который доставляется к ячейке памяти путем отражения от 45⁰ зеркал.

Рис.7 − Схема массива ячеек сегнетоэлектрической памяти

с оптическим считыванием [6]

Другим перспективным вариантом является применение тонкопленочных конденсаторов с гетерофазной сегнетоэлекртической пленкой (к примеру ЦТС). Тонкие пленки ЦТС представляют интерес практического использования для энергонезависимой памяти с неразрушающим оптическим считыванием. В статье [8] рассматривалась структура поперечного сечения и качественный вид зонной диаграммы, который показан на Рис. 8. Также возможно использование органических сегнетоэлектриков в качестве элементов памяти. Это позволяет решить проблему ―полупереключения в массиве ячеек [9].

Рис.8 − Поперечное сечение (a) и зонная диаграмма в отсутствие освещения (b) тонкопленочных структур Ni–ЦТС–Pt. 1 – p−n-переход, 2 – слой пленки ЦТС с проводимостью n-типа, 3 –область пленки p-типа проводимости, 4 –приэлектродный барьер Шоттки[8]

Хотя рассмотренные методики имеют свои недостатки, из-за предельной простоты, малой потребляемой мощности, стабильности электрически переключательных свойств, и низкой стоимости системы записи и считывания информации, они являются перспективными для устройств энергонезависимой памяти.

Солнечные элементы. В настоящее время на рынке солнечной энергетики преобладают кремниевые солнечные элементы [10]. Методы получения таких солнечных элементов хорошо разработаны, и в зависимости от используемых материалов и технологий имеют КПД от 8 до 23 % [11]. Другим типом солнечных батарей являются тонкопленочные солнечные элементы [12]. Тонкопленочная технология обладает рядом преимуществ, таких как низкий расход материала, способность эффективно воспринимать рассеянное солнечное излучение. На Рис. 9 показана зависимость эффективности по годам для различных типов ФЭП по данным [13].

Величина фото-ЭДС в тонких сегнетоэлектрических пленках не ограничена шириной запрещенной зоны. Поэтому для них возможно использование фотовольтанического эффекта для создания солнечных элементов [14-16]. В работе [15] авторам удалось получить фото-ЭДС, равную 7 В, на пленках толщиной 0,42 мкм, заполяризованных параллельно поверхности пленки. В качестве сегнетоэлектрика использовался Pb_0.97La_0.03(Zr_0.52Ti_0,48)O₃, легированный WO₃. Величина и направление фототока и фото-ЭДС зависят от направления и величины предварительной поляризации (см. Рис. 10).

Рис. 9 − Эффективность преобразования солнечной энергии различными типами ФЭП

Рис. 10− Зависимость фото-ЭДС от интенсивности облучения [15]

В работе [17] сообщается о формировании сегнетоэлектрической структуры на основе ЦТС легированной лантаном и возможности ее использования в качестве датчика прозрачности. В данную структуру при изготовлении была имплантирована платиновая проволока, которая играет роль внутреннего электрода. Данная структура может быть использована в качестве датчика задымленности из-за ее сегнетоэлектрических свойств и может иметь другие приложения, такие как: 2-D сканирование перед пересадкой роговицы для проверки ее непрозрачности, 2-D сканирование насекомых на непрозрачность (энтомология), 1-D сканирование кожи перед пересадкой для анализа ее цвета, 1-D сканирование выбросов СО₂ автомобилей в реальном времени.

Полезная модель [18] описывает добавление в солнечный элемент дополнительного фотопреобразующего слоя из сегнетоэлектрического материала. Следствием введения дополнительного фотопреобразующего слоя является повышение эффективности преобразования солнечного излучения за счет повышения значений встроенных полей, связанных с увеличенными размерами кристаллитов и однородностью стехиометрического состава по толщине фотопреобразующих слоев. Таким образом, заявляемый солнечный элемент позволяет повысить эффективность преобразования солнечного излучения.

Перспективными материалами являются оксиды различных металлов, например Cu₂O [19], CuO, ZnO и др. и гетероструктуры на их основе, по причине их низкой себестоимости, широкой распространенности на Земле, шириной запрещенной зоны, лежащей в диапазоне 1,2 – 3,3 эВ и относительно высокого коэффициента спектрального поглощения солнечного света.

Для получения гетеропереходов ZnO/CuO было использовано множество методов, среди которых можно выделить твердотельный синтез [20], прессование [21], соосаждение [22], золь-гель метод [23], магнетронное распыление [24], термическое окисление [25], гидротермальный метод [26]. В работе [27] структуры солнечных элементов на основе CuO/ZnO были получены методом электроосаждения. Полученные гетероструктуры характеризуются высоким оптическим поглощением в диапазоне длин волн 400…800 нм. В поликристаллическом варианте установлено, что, несмотря на различные типы кристаллических решеток, наблюдается хорошая физикохимическая совместимость слоев. Авторы предполагают, что увеличение кристалличности приведет к увеличению эффективности солнечных элементов. Предполагается, что гетероструктура CuO/ZnO относится к гетероструктурам второго типа (ковариантным структурам), при этом энергетические уровни зон для CuO находятся выше уровней энергетических зон ZnO. Выбор в качестве электродов – ITO для контакта с CuO и Al для ZnO обеспечивают эффективное разделение неравновесных носителей заряда. Это приводит к увеличению эффективности солнечных элементов.

В работе [28] структура солнечного элемента, состоящего из серебряного электрода, поглощающего слоя p-CuO, прозрачного слоя n-ZnO:Sn, была получена вакуумным напылением. Значение КПД составило всего 0,232 %. Это вероятнее всего связано с поверхностным отражением падающих фононов, нагреванием и неомическими контактами. Несмотря на низкую эффективность, разработанные солнечные элементы остаются перспективными вследствие низкой стоимости и доступности материалов.

Для солнечных элементов на основе Cu₂O максимальное значение КПД ~3.8 % было получено в работе [29]. Для получения поглощающих слоев были использованы высокотемпературный отжиг и импульсное лазерное осаждение [29, 30].

Перспективными методами улучшения эффективности солнечных элементов на основе гетеропереходов CuO/ZnO является использование активных слоев в виде нановолокон и наностержней, что позволяет увеличить площадь перехода и улучшить накопление носителей заряда [31].