Кристаллы квантовой и нелинейной оптики - Блистанов А.А.
ISBN 5-87623-065--0
Скачать (прямая ссылка):
Другой механизм - диффузионный. При пространственно неоднородном освещении в кристалле при фотовозбуждении носителей заряда п возникает grad л и направленная диффузия зарядов. В этом случае величина объемного заряда и электрического поля описывается выражением
(9.16)
9.10.2. Механизмы возникновения
ПРОСТРАНСТВЕННОГО ЗАРЯДА
(9.18)
236
Этот механизм не имеет ограничений по симметрии и работает в любых диэлектриках.
В полярных диэлектриках возможны дополнительные механизмы разделения заряда и появления электрического поля Еп. В кристаллах, симметрия которых не содержит центра инверсии, под действием света может возникать ток, получивший название фотовольтаического /фв
(/,)фв = $$к^ек1св, (9.19)
где (/,)фВ - компоненты фотовольтаического тока; и ек - единичные векторы поляризации света;
/св - интенсивность света;
Рчк ~ фотовольтаический коэффициент.
Выражение (9.19) определяет фотовольтаический эффект. Поле, возникающее при фотовольтаическом эффекте, можно получить из уравнения
^-=-а?фв+/фв. (9.20)
Глассом [123] предложено скалярное выражение, связывающее
фотовольтаический ток и интенсивность света
/Фв = /са/св, (9.21)
где а - коэффициент поглощения кристалла; к - константа Гласса (к = р/а).
В стационарном состоянии ^^- = 0 и из (9.20) следует, что
dr
?.=-i. = (9.22)
v о а
Зависимость фотовольтаического поля от времени получаем, переписав (9.20) в виде
^ ?фв 0 „ А
— ?фв
dr ее0 * ее0
±-—аЕ фв+-^. (9.23)
откуда следует, что
^фв(0—^фв ГО ®
—---------------------------------------= ехр -- ,где х=—;
?фв(ст) { v “о
?фв(0 =
¦ / \ ¦
а
1 - ехр 1
1, 66 0 )
Ел,в(ст). (9.24)
Здесь ЕфВ(ст) - стационарное значение поля при t -> оо.
237
Фотовольтаический эффект включает образование свободных зарядов в результате фотовозбуждения, их перенос и захват на глубоких ловушках. По существующим в настоящее время представлениям в процессах возбуждения и захвата носителей решающую роль играют примеси. Микромеханизм этого явления, учитывая его важность для таких кристаллов, как ниобат и танталат лития, будет рассмотрел ниже. Здесь же следует упомянуть еще об одном эффекте, приводящем к появлению объемного заряда и фотоиндуцированного поля. Это так называемый фотополяризационный эффект. Уравнение этого эффекта можно представить в виде
dP. dТ . dTV ...
—s- = y— + Дp----- (9.25)
dr dr df v '
Изменение спонтанной поляризации под действием света склады-
d Т
вается из двух частей. Первая часть у— - пироэффект, возникаю-
dr
. d N
щии из-за нагрева кристалла под действием света; вторая Ар-------- -
dr
поляризационный эффект, вызванный изменением под действием света локального, дипольного момента Ар (N - число мест, в которых происходит изменение дипольного момента). В полярной решетке возникновение Ар может быть вызвано фотовозбуждением [124] или изменением зарядового состояния [125] примеси под действием света. Изменение дипольного момента [126] происходит, например, при изменении состояния иона Сг3+, находящегося в полярном кристалле, в результате перехода 4Аз -> 4Тг. Изменение дипольного момента Ар и спонтанной поляризации происходит в результате внутрицентровых переходов и не сопровождается переносом заряда, а объемный заряд возникает в результате дрейфа свободных носителей под действием деполяризующего поля и захвата их на глубоких ловушках. В этом существенное отличие поляризационного эффекта от фоторефрак-тивного.
Таким образом, общий ток, возникающий в полярном диэлектрике под действием света, можно представить как сумму
dP
1 ~ h +/фв +/диф +~^f~' (9.26)
Вклад того или другого слагаемого в суммарный ток, возникающий под действием света, зависит от вида кристалла. Однако можно считать, что основная конкуренция идет между фотовольтаическим и диффузионным механизмами. Фотовольтаический ток велик в тех кристаллах, где велика Р„ определяющая асимметрию потенциала примесных центров в решетке. Такими кристаллами являются LiNbCb и 238
LiTaCb. Так как эти кристаллы обладают и очень низкой электропроводностью (при комнатной температуре LiNbCb величина ст составляет 1016...10'18 Ом '-см1), в результате чего компенсация внутренних электрических полей происходит очень медленно, фотовольтаическое поле может достигать 104... 105 В/см [123, 124] и сохраняться в течение сотен часов. В других кристаллах (ВаТЮз, BaiNaNbsOis, KNbCb) из-за более низкой константы Гласса и большей электропроводности фотовольтаическое поле ниже (достигает нескольких сотен вольт на 1 см [127 - 130]) и конкурировать могут все механизмы, влияющие на фоторефракцию. В более сложных кристаллах, таких, как твердые растворы Sr^Bai-jNbzOe, фотовольтаический эффект мал и фоторефракция определяется диффузионным механизмом. В этом случае, в частности при записи голограмм, фоторефракцией можно управлять внешними электрическими полями [131, 132].
Учитывая то, что в таких практически важных кристаллах, как LiNbCb и LiTaOj, фоторефракция определяется в основном фото-вольтаическим эффектом, следует рассмотреть подробнее его механизм и возможности управления им. Фоторефракция, вызванная фотов о льтаическим эффектом, наиболее полно изучена на примере кристаллов LiNbCb: Fe [133, 134]. В основу модели фотовольтаического эффекта положена идея о разделении заряда в результате перезарядки примесных центров Fe2+ и Fe3+ [135, 136] (такую же роль могут играть примеси Си, Мо, Сг, Мп и др.). Под действием света электрон от Fe2+ переходит к ближайшему Nb5+, движется по поляронному механизму и захватывается глубокой ловушкой, в качестве которой выступает ион Fe3+. Схема уровней, соответствующая этой модели, показана на рис. 9.50. В этой модели ион Fe2+ выступает как донор, а ион Fe3+ -
