Фоторефрактивные кристаллы в когерентной оптике - Петров М.П.
Скачать (прямая ссылка):
Глава 1
ОСНОВЫ ЭФФЕКТА ФОТОРЕФРАКЦИИ
1.1. Фоточувствительные центры
Несмотря на то что процессы фотовозбуждения носителей электрического заряда и процессы захвата носителей на ловушки (мелкие и глубокие) являются принципиально важными в механизме записи информации в фоторефрактивных кристаллах (ФРК), эта проблема изучена еще недостаточно полно и лишь в отдельных случаях можно говорить о достаточно установившихся представлениях. Совершенно ясно, что важнейшее требование для формирования объемного заряда под действием света — это наличие примесных центров в запрещенной зоне кристалла — доноров, которые обеспечивают появление электронов при освещении, и центров захвата электронов — глубоких ловушек. В простейшем, хотя, по-видимому, достаточно часто встречающемся случае, и донорами, и ловушками являются примеси ионов одного и того же типа атомов, но в различном валентном состоянии. В качестве примера рассмотрим ионы железа Fe2+ и Fe3+. Эта примесь считается важнейшей при записи информации в таких кристаллах, как LiNb03, KNb03, BaTi03 и Др. [1.1—1.6]. Ионы железа могут присутствовать в окисных кристаллах либо за счет естественного содержания примеси железа в исходном сырье, либо благодаря специальному допированию. Характер размещения ионов железа зачастую бывает неизвестным (замещают ли они какие-либо катионы в кристалле, находятся в междоузлиях или образуют другого сорта дефекты). В LiNb03 и KNb03 ионы железа, например, замещают ионы Nb5+, причем для обеспечения локальной электронейтральности рядом с Fe2+ может образовываться вакансия по кислороду, т. е. формируется Fe2+—У0-центр. Наряду с Fe2+ присутствуют и ионы Fe3+.
При освещении кристалла происходит поглощение света примесями Fe2+, осуществляется дальнейшая ионизация иона с образованием Fe3+ + е~, и возбужденный фотоэлектрон уходит из освещенной области, пока не будет захвачен глубокой ловушкой, в частности другим ионом Fe3+, находящимся в неосвещенной части кристалла.
Характерные значения энергии фотовозбуждения ионов Fe2+ составляют 3.2—3.1 эВ в кристаллах типа LiNb03 и KNb03.
Концентрация ионов Fe3+, как и Fe2+, может варьироваться в широких пределах (101вн-Ю19 см-3) при допировании кристаллов. Причем пропорция между Fe2+ и Fe3+ также может быть весьма различной в зависимости от дополнительной технологической обработки
О
(отжиг в» восстановительной или окислительной среде). Наличие примесей железа существенно изменяет проводимость кристаллов и влияет на длину дрейфа и диффузии электронов. В различных кристаллах эти величины варьируются от единиц ангстрем до единиц микрометров.
Как уже упоминалось, рассмотренный пример светочувствительных центров в виде примесей железа характерен для LiNb03, KNb03, BaTi03.
В случае весьма популярных и практически важных кристаллов Bi12SiO20, Bi12GeO20, Bi12TiO20 однозначных представлений о наиболее важном типе фотоактивных центров пока нет.
В различных работах рассматриваются такие модели, как вакансии Si (или Ge), возникновение комплексного иона ВЮ7, наличие примесей хрома и др. [1.7—1.10]. В процессе переноса фотовозбуж-денного заряда могут принимать участие не только электроны, но и дырки. Однако подвижность дырок часто бывает значительно ниже подвижности электронов, а время жизни короче, и поэтому их вклад в фоторефракцию обычно мал. Но тем не менее имеется ряд работ, где установлена заметная роль дырок в формировании объемного заряда [1.11 —1.15], В работе [1.16] предполагается, что в кристаллах типа Bi12SiO20 дырочный механизм вообще является доминирующим. В этой работе принято, что ионы висмута имеют валентность не только Bi3+, но и Bi5+ за счет избытка кислорода. Ионы Bi5+ можно рассматривать как дырочный биполярон, т. е. совокупность двух дырок в синглетном состоянии (спины взаимно скомпенсированы). Запись изображения в примесной области'поглощения связывается с возбуждением биполярона, диссоциацией на две дырки, движением этих дырок во внешнем поле или за счет диффузии и рекомбинацией дырок с образованием нового биполярона, т. е. Bi6+, но уже в другом месте — на некотором расстоянии от места возбуждения, что обеспечивает формирование объемного заряда и его устойчивое хранение.
Для сегнетоэлектрических (или вообще полярных, т. е. в том числе пироэлектрических) кристаллов важным фактором, влияющим на перенос электронов в отсутствие внешнего поля, является фото-вольтаический эффект [1.3, 1.17]. Суть эффекта можно пояснить на примере, когда при возбуждении электрона вероятность его движения в ту или иную сторону (направление импульса) оказывается анизотропной и возникает некоторое преимущественное движение электронов, приводящее к тому, что в разомкнутом образце появляется результирующее фотонапряжение. Для возникновения фотоволь-таического эффекта необходимо, чтобы сам фотоактивный центр не был пространственно симметричным, например обладал диполь-ным моментом, и чтобы такие центры имели преимущественную ориентацию в кристалле, благодаря которой не происходит полного усреднения в направлении движения фотовозбужденных электронов. В фотовольтаический эффект столь же важный вклад дает анизотро_ пия рекомбинации носителей, анизотропия рассеяния и др. Необхо_ димые условия для существования фотовольтаического эффекта име_
