Кристаллы квантовой и нелинейной оптики - Блистанов А.А.
ISBN 5-87623-065--0
Скачать (прямая ссылка):
В одном из методов определения энергии активации электропроводности в интервале температур от 20 до 120 °С использованы кристаллы ниобата лития с регулярной доменной структурой. Электропроводность номинально чистого ниобата лития (рис. 9.45) определялась по времени релаксации встроенного электрического поля в кристаллах с регулярной доменной структурой [112, 122]. Показано, что при температуре выше 80 °С энергия активации Н\ равна 1,2 ± 0,06 эВ и хорошо согласуется с литературными данными для 100 °С < Т < 400 °С, а в интервале температур 20...80 °С энергия активации Нг равна 0,4 ± ± 0,05 эВ. Эта область температур наиболее интересна, так как это область рабочих температур для приборов, использующих оптические элементы из кристаллов ниобата лития. Особенностями электропроводности в этом интервале температур являются: а) низкое значение энергии активации (не выше 0,4 эВ); б) низкое значение электропроводности (а < 1016 Ом-1 • см1), совпадение энергий активации электропроводности и дрейфовой подвижности [116]; в) малая величина холловской подвижности носителей заряда в ниобате лития при этих температурах (при комнатной температуре цн = = 1,1 -10~3 см2-В_1-с_1 [117]). Замечено, что энергия активации холловской подвижности в три раза ниже, чем энергия активации дрейфовой подвижности. Кроме того, в ниобате лития наблюдается полоса оптического поглощения с максимумом при 1,6 эВ [118, 119]. Эта по-
230
г
лоса может быть связана с поляронными состояниями, так как энергия оптической ионизации полярона в четыре раза больше, чем энергия активации дрейфовой подвижности [120].
Поляроны в ниобате лития могут локализоваться на ионах ниобия Nb4+. Для прыжкового перехода полярона с одного иона ниобия на другой требуются определенные затраты энергии. В движении поляронов по прыжковому механизму могут принимать участие примеси и собственные точечные дефекты, образующие донорно-акцеп-торные центры (ДА-центры).
Используя модель, аналогичную модели [120], рассмотрим подробнее движение поляронов по прыжковому механизму с участием ДА-центров и проиллюстрируем вывод формул для определения энергии ионизации примеси Wd и захвата полярона примесным центром W,, проведенный в [121].
Перенос заряда с участием малых поляронов можно представить себе следующим образом. При переходе электрона от одного иона ниобия (позиция
1, рис. 9.46) к другому (позиция 2, рис.
9.46) захваченный ионом ниобия электрон меняет потенциал взаимодействия ионов, окружающих позицию 2. В результате ионы изменяют свое положение в кристаллической решетке. Если определить усредненное смещение ионов, как q, то изменение упругой энергии при образовании малого полярона
есть Aq\, изменение энергии электрона
4,0м-1см'1
Рис. 9.45. Температурная зависимость электропроводности кристаллов ниобата лития
Рис. 9.46. Энергетическая схема переноса заряда по механизму малых поляронов
231
(электростатической энергии) есть -Bq2> так что суммарное изменение энергии при переходе электрона в позицию 2 определяется, как
Wx = Aq\ -Bq2,
(9.8)
где В и А - коэффициенты упругого и электростатического взаимодействия ионов соответственно.
Эта энергия минимальна при q2 = qo = BI1A. Величина минимальной энергии есть энергия малого полярона Wp, равная
Элементарный акт переноса заряда представляет собой переход электрона из состояния 2 на rf-орбиталь соседнего катиона, т.е. переход из состояния 2 в состояние 1, что соответствует переходу малого полярона 2 -> 1. Этот переход происходит при равенстве электростатической энергии электрона в двух состояниях, т.е. при Bq2 = Bq\ = Bq'.
Для деформации окружения иона 1 от q\ - 0 до q\ = q' и иона 2 от q2 = qo до q2 = q' требуется энергия Wi = A(q')2 и Wi = A(qo - q')2 соответственно.
Величина q' определяется из условия минимальных затрат суммарной энергии
Величина WL определяет подвижность заряда, так что энергия активации подвижности малых поляронов равна половине их энергии.
Как следует из рис. 9.45, электрон в результате релаксации на уровне малого полярона понижает свою энергию на
В переносе заряда с помощью малых поляронов могут принимать участие примесные центры и центры, образуемые собственными точечными дефектами. В [121] показано, что захват электрона примесным центром Fe3+ есть термоактивационный процесс. Переход электрона из иона Nb4+ на примесный ценггр или наоборот требует затрат
232
Wp=-Aq\.
(9.9)
Wz=Wi + W-.2 = A(q')2 + A(q0 - q')2\
откуда
(9.10)
(9.11)
Д Жэл = 2Wp.
(9.12)
энергии для искажения решетки, так же как и в случае перехода электрона между ионами ниобия. Электрон, находящийся в примесном центре, образует новое поляронное состояние с другой энергией, т.е. в качестве поляронных центров могут служить донорно-акцепторные центры с участием примесей и собственных дефектов. Подробнее эта возможность рассмотрена в [122].
9.10. ФОТОРЕФР АКТИВНЫЙ ЭФФЕКТ В
КИСЛОРОДНО-ОКТАЭДРИЧЕСКИХ КРИСТАЛЛАХ
9.10.1. Основные причины фоторефракции
Явление фоторефракции состоит в изменении показателя преломления кристаллов под действием света. Под фоторефракцией или оптическим повреждением (optical damage) понимаются обратимые изменения кристаллов в отличие от необратимого лазерного повреждения (laser induced damage). Многочисленными экспериментами показано, что фоторефракция (ФР) в кислородно-октаэдрических (КО) сегнето-электриках определяется электрооптическим эффектом, вызванным полем пространственного заряда. Поэтому ФР наиболее ярко проявляется в кристаллах, обладающих сильным электр о оптическим эффектом. Наблюдать ФР можно при освещении кристалла, находящегося между двумя поляроидами так, что оптическая ось кристалла перпендикулярна оси системы. В результате ФР в зоне освещения кристалла лазерным лучом возникает наведенное двупреломление, приводящее к расплыванию луча. Эффект ФР играет двоякую роль: ФР может быть полезна и используется для голографической записи информации; в то же время ФР определяет нестабильность кристаллов при их применении в нелинейной и электрооптике,
