Фоторефрактивные эффекты в электрооптических кристаллах

рентным узкополосным излучением полупроводниковых светодиодов с длинами волн 660 и 505 нм.

Измерения начальных коэффициентов поглощения кристаллов Bi12TiO20 на длинах волн 505 и 660 нм при комнатной температуре показали, что они увеличиваются с обеднением расплава диоксидом титана. Для образцов с содержанием TiO2 в расплаве на момент кристаллизации 5,6, 7,8 и 9,8 мол. % полу-

чены соответственно следующие значения коэффициентов по-

глощения: R0 1,0, 0,9 и 0,7 cм–1 ( R 660 нм) и G0 8,6,

7,2 и 6,9 cм–1 ( G 505 нм).

На рис. 3.16 представлены результаты экспериментов, отражающих динамику изменения фотоиндуцированного поглощения в кристаллах с различной стехиометрией при их освещении светом с длиной волны 660 нм ( IR 45,3 мВт/см2). Хорошо

заметно, что скорость роста и величина уровня насыщения фотоиндуцированного поглощения существенно зависят от стехиометрии кристалла. Так, в кристалле с наименьшим содержанием TiO2 (5,6 мол. %), рост поглощения на начальном участке достигал 0,33 см–1 за время ~1600 с. В кристалле с наи-

большим содержанием TiO2 (9,8 мол.%) изменения выражены наиболее слабо (изменения 0,26 см–1 достигаются за

время ~2600 с).

,

см–1

t, с

Рис. 3.16. Динамика фотоиндуцированного поглощения для красного света в нелегированных кристаллах Bi12TiO20 с содержанием TiO2 в расплаве на момент кристаллизации

5,6 мол. % (кривая 1), 7,8 мол. % (кривая 2), 9,8 мол. % (кривая 3)

110

с содержанием TiO2 5,6 мол. % излучением с длинами

волн R 660 нм и G 505 нм: чередование излучений «зеленое – красное – зеленое – красное» (а); чередование излучений «красное – зеленое – красное – зеленое» (б)

Наибольшие изменения G 2,4 см–1 наблюдаются в

образце с наименьшим содержанием TiO2 (5,6 мол. %), а наименьшие, G 1,3 см–1 — в образце с содержанием TiO2

9,8 мол. %.

,

см–1

G G

t, с

,

см–1

G G

t, с

Рис. 3.18. Временная эволюция фотоиндуцированного поглощения для красного ( R) и зеленого ( G) света

112

при двух циклах последовательной засветки кристаллов

ссодержанием TiO2 7,8 мол. % (а) и 9,8 мол. % (б) излучением

сдлинами волн R 660 нм и G 505 нм. Чередование излучений «зеленое – красное – зеленое – красное»

Для определения изменений коэффициента поглощенияR (t) зеленым излучением был проведен эксперимент, в ко-

тором образец Bi12TiO20 с наименьшим содержанием TiO2 (5,6 мол. %) засвечивался слабым красным излучением с интенсивностью IR0 2,5 мВт/см2. Подсветка кристалла зеленым из-

лучением ( IG0 3,5 мВт/см2), включаемая в момент времени

t 5400 c (рис. 3.19), приводила к быстрому росту изменений в поглощении на красном свете R до значений 0,9 см–1 за

время 200 с. Такая скорость роста характерна для изменений поглощения кристалла G (t), наводимых зеленым излучением.

,

см–1

t, с

Рис. 3.19. Временная эволюция фотоиндуцированного поглощения в кристалле титаната висмута (5,6 мол. % TiO2)

для красного света с длиной волны R 660 нм при подсветке кри-

сталла излучением с длиной волны G 505 нм. Подсветка включена в периоды времени 5400–6000 с и 7200–7800 с

Анализ экспериментов при двуцветном облучении нелегированных кристаллов Bi12TiO20, имеющих различную стехиометрию (см. рис.3.17–3.19), показывает, что характерные особенности динамики фотоиндуцированного поглощения для всех

113

исследуемых образцов аналогичны отмеченным в подразд. 3.2 для кристалла титаната висмута, легированного кальцием. Так, для всех исследуемых кристаллов величина изменений коэффициента поглощения коротковолнового (зеленого) света G су-

щественно выше, чем величина изменений коэффициента поглощения длинноволнового (красного) света R ; длинно-

волновое (красное) излучение уменьшает уровень наведенных коротковолновым (зеленым) светом изменений в поглощении; скорость роста поглощения примерно одинакова для всего исследуемого спектра и определяется длиной волны излучения, которая его индуцирует.

Таким образом, проведенные эксперименты свидетельствуют о следующих особенностях фотоиндуцированных явлений

висследованных кристаллах титаната висмута.

1.Поведение фотоиндуцированного поглощения при двуцветном облучении нелегированных кристаллов, имеющих

дефицит по содержанию TiO2, и кристаллов, легированных кальцием, носит общий характер. Это свидетельствует о существовании в монокристаллах титаната висмута оптических центров, ответственных за фотоиндуцированные явления и не являющихся примесными. Подобными центрами могут быть собственные дефекты кристаллической решетки, концентрация которых в кристаллах титаната висмута сравнительно велика [6, 50, 51].

2.Усиление фотохромных свойств с ростом дефицита диок-

сида титана TiO2 в кристаллической решетке титаната висмута свидетельствует о том, что такими центрами в оптическом диапазоне 505–660 нм могут быть вакансии Ti, влияние концентрации которых на циркулярный дихроизм установлено в работе [52], или кислородные вакансии, рассматриваемые как центры фотохромного эффекта в работах [6, 53].

3.8. Теоретическая модель фотоиндуцированного поглощения в кристаллах Bi12TiO20

при p-типе темновой проводимости

В настоящее время не существует единого мнения о механизме темновой проводимости нелегированных силленитов. Ряд авторов считает его дырочным (p-тип) [54–59], хотя в [60, 61]

114

сделан вывод о n-типе темновой проводимости. В подразд. 3.6 для описания динамики фотоиндуцированного поглощения при двухцветном облучении кристалла Bi12TiO20:Ca использовано предположение об электронном механизме темновой проводимости, позволившее существенно упростить математическую модель явления и ограничиться минимально возможным набором материальных параметров. Однако релаксация наведенного поглощения за счет темновой проводимости дырочного типа

зоны 3,1 эВ представляется более обоснованной. Действительно, расстояние нижнего уровня D10 / D и T1 /T0 от потолка

валентной зоны для рассматриваемых систем донорных и ловушечных центров (рис. 3.13) составляет в этом случае всего 0,65–0,93 эВ. Поэтому процессы термического возбуждения дырок в валентной зоне за счет захвата электронов на данном уровне имеют существенно большую вероятность, чем термическое возбуждение электронов с этого уровня в зону проводимости.

В работе [26] для математического описания наблюдаемых экспериментально эффектов в номинально чистых кристаллах титаната висмута использована модель с темновой проводимостью дырочного типа. Она обеспечивается конечными скоростями термического возбуждения D и T и рекомбинацией с эф-

фективностью Dp и Tp между валентной зоной и нижними

уровнями донорного (D) и ловушечного (T) центров (рис. 3.20). Как и для модели, описанной в подразд. 3.6, между верхним (2) и нижним (1) уровнем каждой системы существуют внутри-

центровые переходы со скоростями rDg , Dgr (для доноров), Trg ,Tgr (для ловушек).

115

где n и p — концентрация электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне соответственно.

Используя далее закон сохранения заряда в виде

из уравнений (2.20)–(2.24) находим концентрацию электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне:

Коэффициенты поглощения для длинноволнового и коротковолнового света кристаллом в этом случае могут быть найдены по формулам (3.18) и (3.19).

Численный анализ эволюции фотоиндуцированных изменений коэффициентов поглощения R (t) и G (t) для нелегиро-

ванных кристаллов с различной стехиометрией с использованием уравнений (3.20)–(3.26) был проведен в работе [26] для интенсивностей IR0 15 мВт/см2 и IG0 6,5 мВт/см2, соответст-

вующих экспериментальным значениям. Теоретические зависимости, представленные на рис. 3.17 и 3.18 сплошными кривыми, рассчитывались при следующих материальных параметрах кристалла:

117

Dp 2 10 17 м3/с, Tp 16 10 17 м3/с,rgD 8 10 4 с–1, Dgr 5,76 10 5 с–1,

Trg 0,2 с–1, Tgr 0,148 с–1.

Полная концентрация центров MT и скорость термического возбуждения T в ловушечной системе имели различную вели-

чину для кристаллов с различной стехиометрией. Эти параметры приведены в табл. 3.3.

При выбранных параметрах теоретическая модель хорошо согласуется с экспериментальными данными, полученными для последовательного облучения светом на двух длинах волн для всех трех кристаллов (рис. 3.17 и 3.18). Рассчитанные по формулам (3.17) и (3.18) начальные коэффициенты поглощения для красного ( R0 0,75, 0,69 и 0,61 см–1) и зеленого света

( G0 7,1, 6,9 и 6,8 см–1) для кристаллов с содержанием TiO2

в расплаве на момент кристаллизации 5,6, 7,8 и 9,8 мол. % соответственно близки к измеренным экспериментально.

Таблица 3.3

Параметры нестехиометрических кристаллов Bi12TiO20, используемые при расчете динамики фотоиндуцированного поглощения

Корреляция между концентрацией ловушечных центров MT и дефицитом TiO2 в кристалле позволяет предположить, что именно дефекты кристаллической решетки, связанные с вакансиями титана и кислорода, создают центры, участвующие в фотоиндуцированном изменении поглощения в кристаллах титаната висмута.

Рассматриваемая модель фотоиндуцированного поглощения удовлетворительно описывает и изменения коэффициента поглощения R красного света с длиной волны R 660 нм при

118

подсветке коротковолновым ( R 505 нм) излучением. Теоретическая зависимость временной эволюции R для красного све-

та при подсветке зеленым излучением для кристалла с наименьшим содержанием TiO2 (5,6 мол. %) приведена на рис. 3.19. Расчеты проводились при указанных выше параметрах кристалла. Необходимо отметить, что при расчете представленной на рис. 3.19 кривой для подгонки к экспериментальным данным потребовались большие значения коэффициента термической ионизации , чем при описании экспериментов, иллюстрируемых рис. 2.17. Это может быть связано как с неточностью экспериментов, так и с зависимостью материальных параметров кристалла от температуры, для стабилизации которой не принималось специальных мер.

Полученные в рамках данной модели материальные параметры кристаллов с различным дефицитом по содержанию TiO2 дают основание предположить, что центрами, участвующими в фотоиндуцированном изменении поглощения в кристаллах титаната висмута, являются дефекты кристаллической решетки, связанные с вакансиями титана и кислорода.

Литература к главе

1.Бабонас Г.А. Электронная структура и оптические спектры полупроводников / Г.А. Бабонас // Электроны в полупроводниках ; под ред. Ю. Пожелы. – Вып. 6. – Вильнюс : Мокслас, 1987. – С. 41–124.

2.Фотоиндуцированные явления в силленитах / В.К. Малиновский, О.А. Гудаев, В.А. Гусев, С.И. Деменко. – Новоси-

бирск : Наука, 1990. – 160 с.

3.Лазерная модуляция фотохромного эффекта в кристаллах типа силленита / В. Гаврюшин, Г. Рачюкайтис, Г. Пузонас, Ш. Эфендиев, Р. Алиев // Литовский физический журнал. – 1990.

–Т. 30, № 4. – С. 471–480.

4.Buse K. Light-induced charge-transport processes in photorefractive crystals 1: models and experimental methods / K. Buse // Appl. Phys. B. – 1997. – V. 64. – P. 273–291.

5.Light-induced absorption in a Bi12TiO20 crystal / O.V. Kobozev, S.M. Shandarov, A.A. Kamshilin, V.V. Prokofiev // J. Opt. A : Pure Appl. Opt. – 1999. – V. 1. – P. 442–447.

119