Кристаллы квантовой и нелинейной оптики - Блистанов А.А.
ISBN 5-87623-065--0
Скачать (прямая ссылка):
Рис. 9.50. Схема уровней в запрещенной зоне фоторефрактивного кристалла, обеспечивающих фотовозбуждение и захват носителей в результате перезарядки примесных центров:
<В| - вероятность иоиизации Fe2*; <в2 - вероятность ионизации центров X; at - сечеиие захвата на уровни глубоких ловушек Fe3*; <з2 - сечение захвата на уровни центров X; стга -сечение захвата на уровни мелких ловушек; у - вероятность фотовозбуждеиия иона Nb+
239
как акцептор. Таким образом, ион железа может работать как до-норно-акцепторный центр (ДА-центр). Возбуждению электрона с уровня Fe2+ с его захватом на rf-орбиталь иона Nb5+ приписывается полоса поглощения с максимумом в районе 2,6 эВ. Существование ДА-центра доказывается тем, что под действием УФ света в спектрах ЭПР и ЯГР ослабляются полосы, относящиеся к Fe2+, и усиливаются полосы, относящиеся к Fe3+ [136]. В простейшей модели возможности влияния на фоторефракцию, ее усиление или ослабление, полностью зависят от возможностей влияния на соотношение Fe2+: Fe3+. Определив концентрации доноров и акцепторов как ND и NA соответственно и положив, что Nd = [Fe2+] и NA = [Fe3+], можно записать кинетическое уравнение, определяющее соотношение Fe2+: Fe3+, в виде
^ = ^4e-Y«iV,=0, (9.27)
а г nv
где Nd - концентрация доноров [Fe2+];
Na - концентрация акцепторов [Fe3+]; s - вероятность фотоионизации донора; s Nd = а - коэффициент поглощения; у - коэффициент рекомбинации; п - концентрация носителей.
Концентрацию фотоносителей и зависимую от нее фотопроводимость Стф можно записать в виде
л = —-^й-; (9.28)
Av у N д
/Os[Fe2+] [Fc2+1
Ста = nq\i. = —-±±--------т—Ц (9.29)
hv у [Fe ] [Fe ]
где q, ц, т - заряд, подвижность и время жизни носителей заряда соответственно;
Ф - квантовый выход при фотоионизации.
В этом случае скорость генерации свободных носителей
% ~Ф(т~) ~ = [Fe2+], (9.30)
hv
время жизни носителей т * [Fe3+]'‘
и люкс-амперная характеристика фотов ольтаического тока линейна
/фв = /со(.1 % /А"/-,.
240
В действительности при повышении интенсивности света наблюдается нелинейность зависимости фотопроводимости и фоторефракции от интенсивности {151, 152]. Кроме того, обнаружена зависимость фоторефракции от длительности светового импульса. Эти эффекты не находят объяснения в рамках простой одноцентровой модели, и для их объяснения была предложена деухценпровая модель, в которой роль второго центра выполняют глубокие ловушки типа X (см. рис. 9.50). В качестве таких ловушек могут выступать собственные точечные дефекты, в частности, в LiNbC>3 таким дефектом может быть ион ниобия, располагающийся на месте лития [148].
Таким образом, возможность проявления фоторефракции определяется, во-первых, асимметрией процесса возбуждения заряда и его последующего движения и, во-вторых, возможностью длительного существования объемного заряда. Первое из этих условий требует не только полярности кристалла, но и асимметрии примесных центров, фотовозбуждение которых приводит к появлению неравновесных носителей. Второе условие означает высокую степень локализации электронов в результате электрон-фононного взаимодействия, т.е. существования носителей в виде малых поляронов [140]. Оценить степень локализации носителей позволяет их подвижность, которая тем меньше, чем больше степень локализации. Характеристики носителей заряда для некоторых кристаллов приведены в табл. 9.6.
При изучении механизмов ФР следует учитывать, что особенности метода исследования позволяют в большей или меньшей степени проявляться тем или иным механизмам фоторефракции. Например, в поляризационном методе, в котором размеры областей разделения зарядов могут быть велики (несколько миллиметров), значительную роль в формировании объемного заряда может играть неоднородность кристалла и связанные с ней встроенные электрические поля. Голографические методы предполагают разделение зарядов на относительно небольших расстояниях (длина волны голографических решеток несколько микронов), что выдвигает на первый план диффузионный механизм разделения зарядов.
Таблица 9.6. Сопоставление характеристик носителей заряда и фотовольтаического (ФВ) эффекта в некоторых кристаллах [140]
Кристалл 7V,°C Энергия локализации малого полярона, эВ Подвижность ц, см2/(В с) Напряженность поля объемного заряда при фоторефракции, В/см
LiNbCb 1200 0,5 10^*...10-2 2,3-104
SbNbO^ 600 - - МО^
KNbCh 400 0,3 0,5 2-102
ВаТЮз 120 0,3 0,5 -
SrTiCh -240 < 0,1 >5 ФВ эффект не наблюдается
241
9.10.3. Возможность ОСЛАБЛЕНИЯ ФОТОРЕФРАКЦИИ
Фоторефрактивные материалы одновременно являются сильными электр о оптиками. Применение электрооптических материалов, обладающих высокой фоторефракцией, особенно для управления достаточно мощным и коротковолновым излучением, сталкивается с серьезными трудностями из-за нестабильности рабочих характеристик электрооптических элементов вследствие оптического повреждения. Поэтому для кристаллов, применяемых в электрооптике, необходимо найти способы устранения или, по крайней мере, снижения фоторефракции. Одна из основных возможностей снижения фоторефрактив-ной чувствительности - изменение соотношения концентраций фото-рефрактивных центров ([Fe2+]/[Fe3+] для LiNb03) или изменение их свойств, что может происходить при изменении способа размещения примеси в кристаллической решетке. Воздействовать на фоторефрактивные центры можно с помощью окислительно-восстановительных отжигов, радиации и легирования. Наиболее надежным, обеспечивающим стабильность полученных свойств способом воздействия на состояние центров является легирование. Влияние легирования на фоторефракцию наиболее полно изучено на примере LiNb03.
