CC BY
87
УДК 535.215.12
ФОТОВОЛЬТАИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ В ПЬЕЗО-И СЕГНЕТОЭЛЕКТРИКАХ
Б.Х. Каримов
В настоящей работе обнаружен и исследован фотовольтаический эффект в пьезоэлектрических кристаллах ZnS и пространственно осциллирующий фотовольтаический ток (ПОФТ) в направлении [100] в сегнето-электрике SbSJ при освещении поляризованным светом в направлении [010]. Обсуждены некоторые экспериментальные и физические основы фо-товольтаических эффектов.
Ключевые слова: фотовольтаический эффект, оптически активные кристаллы, пространственно осциллирующий фотовольтаический ток, фотоволь-таические коэффициенты.
Введение
Аномальный фотовольтаический эффект (АФ эффект), наблюдавшийся для ряда сегнето-электриков [1, 2], является частным случаем более общего фотовольтаического эффекта, существующего в кристаллах без центра симметрии, и описывается тензором третьего ранга а^ [3, 5, 6]
/ = а1]кЕ}Е1. (1)
Компоненты тензора афк отличны от нуля для 20 ацентричных групп симметрии. Согласно (1) при равномерном освещении линейно поляризованным светом однородного кристалла без центра симметрии в нем возникает фотовольтаический ток /■. Знак и величина фотовольтаического
тока / зависит от ориентации вектора поляризации света с компонентами Е]- и Е*. Если электроды кристалла разомкнуть, то фотовольтаический ток / генерирует фотонапряжение и = / I/(ст + Сф), где ст и Сф - темновая и фотопроводимость соответственно, I - расстояние
между электродами. Генерируемое фотонапряжения порядка 103-105 В.
В соответствии с (1) и симметрией точечной группы можно написать выражения для фотовольтаического тока / Сравнение экспериментальной угловой зависимости с /(в) позволяет определить фотовольтаический тензор а^к или фотовольтаический коэффициент Кф = а^/а*, где а* - коэффициент поглощения света.
В настоящей работе изложены результаты исследования фотовольтаического эффекта в пьезоэлектрических кристаллах 2п8 и пространственно осциллирующий фотовольтаический ток в сегнетоэлектрике 8Ь81.
1. Фотовольтаический эффект в пьезоэлектрических кристаллах ZnS
В настоящей работе приводятся результаты исследования объемного фотовольтаического эффекта в пьезоэлектрических кристаллах 2п8, принадлежащих к кубической точечной группе 43 т. В отличие от сегнетоэлектриков [1, 2] фотовольтаический эффект в 2п8 можно наблюдать только в поляризованном свете [5, 6]. В соответствии с (1) и симметрией точечной группы при освещении кристалла в г направлении оси 4 порядка (оси г) выражение для фотовольтаического тока в направлении г имеет вид:
/ = 1 а*К141б1п2Ь , (2)
где I - интенсивность света, в - угол между плоскостью поляризации света и осью х.
В работе использовался двухэлектродной метод непосредственного отклонения. Ток измерялся по падению напряжения на образцовом сопротивление, включенным последовательно с кристаллом. Образцовым сопротивлением служили входные сопротивление электрометрического усилителя ВК2-16 (108,1010,1012 Ом). Измерение фотовольтаического тока /г и генерируемого им поля Е = /Сф производилось путем снятия стационарных вольт-амперных характеристик (сф-фотопроводимость) [1].
На рис. 1 представлена ориентационная зависимость / = /г(в) в направлении [001], снятая при Т = 143К при освещении светом с длиной волны 1 = 500 нм (а* = 5 см1) и интенсивностью I = 2,3-103 Вт/см2. Кристалл освещался плоско поляризованным светом в направлении [001].
Сравнение этой угловой зависимости с (2) даёт К14 = 5-109 А-см/Вт. Таким образом, значение модуля К14 в исследованных кристаллах 7пБ намного больше, чем у известных сегнето- и пьезоэлектриков [1-3].
В кристаллах 7пБ, выращенных гидротермальным методом фотовольтаический эффект имеет, в основном, примесный характер. Это видно из рис. 2 где представлены спектральные распределения фотопроводимости сф (1) фотоволь-таического тока (2), отнесенные к единице падающей энергии и края оптического поглощения (3).
В интервале Т = 140-300 К модуль Ки обнаруживает слабую температурную зависимость. Благодаря г* птн ллсм’^.отн.ед.
этому, а также из-за сильной температурной зависимости фотопроводимости Сф, генерируемое в направление оси г поле Е = /IСф изменялось в пределах от
1 В/см (Т = 300 К) до 40 В/см (Т = 143 К) и не зависело от интенсивности света I.
Примесная полоса в спектральном распределении / имеет место вблизи 1 = 500 нм. Там же расположен примесный максимум фотопроводимости. Для кристаллов, выращенных, в кислотной или щелочной среде примесный максимум имеет разное положение и сдвигается в пределах 450-500 нм. Природа примесных центров, ответственных за фотовольтаический эффект в 7пБ, пока неизвестна.
2. Пространственно осциллирующий фотовольтаический ток в сегнетоэлектрике SbSJ
В настоящей работе обнаружен и исследован пространственно осциллирующий фотовольтаический ток (ПОФТ) в направлении [100] в сегнетоэлектрике 8ЬБ1 при освещении поляризо-
ванным светом в направлении [010].
Сульфоиодид сурьмы (8ЬБ1) принадлежит к классу халькогенидов металлов пятой группы АУВУ1СП, где А - БЬ, Вц В - Б, Бе, Те; С - С1, Вг, I Кристаллы 8ЬБ1 и БЬБХхВг^* - двуосные, обла-
дают большим двупреломлением. Ниже температуры Кюри Тс = 22 °С кристаллы 8ЬБ1 принадлежат к классу тт2 и обладают ромбической симметрией. При фазовом превращении происходит исчезновение центра симметрии, следовательно, ниже точки перехода кристаллы 8ЬБ1 становятся сегнетоэлектриками.
Фазовый переход при 22 °С был зарегистрирован впервые Фатуццо [4] при измерении температурной зависимости диэлектрической проницаемости. Кристаллы обладают ярко выраженными полупроводниковыми свойствами.
Измерения проводились для монокристаллов 8ЬБ1 в сегнетоэлектрической фазе при температуре Т = 133 К. Кристалл освещался плоско поляризованным светом с помощью ксеноновой лампы и монохроматора ЗМР. Измерялся стационарный фотовольтаический ток / по ранее описанному методу [1].
В соответствии с (1) и симметрией точечной группы кристалла можно написать выражения для фотовольтаического тока / Сравнение экспериментальной угловой зависимости /¡(в) с (1) позволяет определить фотовольтаический тензор ацк или фотовольтаический коэффициент Кфк.
Рис. 2. Спектральное распределение фотовольтаического тока Л (2), фотопроводимости Сф (1)и оптического поглощения а* (3) приГ = 143 К. в = 45°
Рис. 1. Ориентационная зависимость плотности фотовольтаического тока Л в направлении [001]. (Г = 143 К, I = 2,310-3 Втсм-2, 1 = 500 нм)
Физика
Как показал Белиничер [3], в зависимости от формы оптической индикатрисы и направления распространения плоскополяризованного света, в кристалле могут существовать направления, для которых фотовольтаический ток (1) является пространственно осциллирующим. В этом случае
Ji(х)=ехР [(пе - по) qx], (3)
где пе, по - показатели преломления обыкновенного и необыкновенного лучей, Ее и Е*0 - проекции вектора поляризации света на оптические оси кристалла, q = 2п/Х - волновой вектор. В этом
случае фотовольтаический ток (3) осциллирует в кристалле с периодом 10 = 1{пе - п0 ) 1. Как указывалось в [3] и как видно из (3) пространственно осциллирующий фотовольтаический ток (ПОФТ) может экспериментально наблюдаться в условиях сильного поглощения света.
и1
= ^(ne - no )
(4)
где а* - коэффициент поглощения.
В соответствии с симметрией SbSJ (точечная группа mm2) при измерении Jz (z - направление спонтанной поляризации) и освещении кристалла в x и у направлениях ПОФТ не возникает. Выражение для фотовольтаического тока Jz при освещения в x и у направлениях, соответственно, имеет вид:
Jz = a32 + (a33 - a32) I cos2 b
Jz = a31I + (a33 -a31)I cos b,
(5)
(6)
Jx.101fA
SbSJ
Jz- 101?A
30
10
180 У?, град -10
Рис. 3. Зависимость фотовольтаического тока Л (1) при 1 = 600 нм и Л (2) при 1 = 460 нм от ориентации плоскости поляризации света в ЭЬви
где I - интенсивность света, в - угол между плоскостью поляризация света и осью г.
На рис. 3 кривая 1 представляет экспериментальную угловую зависимость Jz(в) для X = 600 нм при освещении вдоль [100]. Из сравнения экспериментальных угловых зависимостей Jz(в) с (5) и (6) были оценены численные значения фотовольтаиче-ские коэффициенты Кф. С учетом плеохроизма и
анизотропии отражения света в были получены следующие значения: К31 ~ 4-10-8; К32 ~ 3-10-8;
К33 ~ (2-3)-10-8 А-см-(Вт)-1. Таким образом, в 8Ь81 фотовольтаические коэффициенты К31, К32, К33 более чем на порядок превышают соответствующие коэффициенты в Ь1КЬ03:Бе.
Согласно (3), для 8Ь81 компоненты фотовольтаического тока Jx и Jy являются пространственно осциллирующими. Однако при освещении кристалла в области сильного поглощения в направлении осей х или у и при выполнении условия (4) вдоль поверхностей (100) и (010), соответственно, текут токи
Jy = ^а241 008 26 , (7)
'/х = 1 «151 ^П26 , (8)
где в - угол между плоскостью поляризации света и осью г. Согласно [1, 3] для 8Ь81 условие сильного поглощения (4), должно выполняться уже при X < 470 нм. Для наблюдения ПОФТ в
условиях сильного поглощения на грань цинакоида (010) напылялись серебряные электроды в
форме полос, параллельных оси спонтанной поляризации г. С помощью этих электродов при освещении кристалла в направлении [010] поляризованным светом с X = 460 нм измерялся ток Jx кривая 2 и в длинноволновой области (X = 600нм, кривая 1) измерялся ток Jz. Угловая зависимость измеряемого тока удовлетворяет (5), в то время как ток Jх в этой области вообще не может наблюдаться из-за нарушения условия (4) и пространственной осцилляции. На рис. 4 представлены спектральные Jz (кривая 1), Jx (кривая 2), отнесённые к единице падающий энергии, а также спектральная зависимость Ь = 1оа*, построенная с учётом дисперсии п0, пе и коэффициента поглощения а в [010] направлении. Угловую зависимость Jx(в) в форме кривой 2, которая хорошо согласуется с (7) при К15 = (2-4)-10-9 А-см (Вт)1 (X = 460 нм).
В то время как измерявшаяся ранее в спектральная зависимость ^ является монотонной, спектральная зависимость обнаруживает резкий максимум вблизи Ь @ 1. Таким образом, спад Л в длинноволновой области, где Ь << 1, обусловлен ПОФТ.
Интересен спад Зх в коротковолновой области, где Ь > 1.Так как АФ эффект не связан с временем жизни неравновесных носителей, то, возможно, это коротковолновой спад обусловлен уменьшением К15 и, следовательно, подвижности в направлении [100].
Заключение
В работе обнаружен и исследован фотовольта-ический эффект в пьезоэлектрических кристаллах 2п8. Определён единственный отличный от нуля фотовольтаический коэффициент К14 = 2-10-9
Л-см-(Вт)-1 в кубическом кристалле 2п8. исследован пространственно осциллирующий фотовольтаический ток в направлении [100] в сегнетоэлектрике при освещении поляризованным светом в направлении [010] и определены фотовольтаические коэффициенты К31»4-10~8 А-см-(Вт)1, К32»3-10-8 А-см-(Вт)1, К33»(2—3)-10-8 А-см-(Вт)1 для 8Ь8Р Коэффициенты кф более чем на порядок превышают соответствующие коэффициенты в Ы№03^е.
Литература
Рис. 4. Спектральная зависимость Jz (1), Jx (2) и L = la (3)
1. Фридкин, В.М. Фотосегнетоэлектрики / В.М. Фридкин. М.: Наука, 1979. - С. 186-216.
2. Glass, A.M. High-voltage Bulk Photovoltaic effect and the Photovoltaic effect and the Photore-fractive process in LiNbo / A.M. Glass, D. Voh der Linbe, T.J. Nerren // Appl. Phys. Lett. - 1974. -V. 25, № 4. - P. 233-236.
3. Belinicner, V.I. Space-oscillating photocurrent in crystals without symmetry center / V.I. Belinicner // Phys. Lett. - 1978. - V. 66, A. 3. - P. 213-214.
4. Fatusso, E. Ferroelectricity in SbSJ / E. Fatusso, G. Harbeke, W. Mers et al. // Phys. Rev. -1962. - V. 1276. - P. 2036-2037.
5. Стурман, Б.И. Фотогальванические эффекты в средах без центра инверсии / Б.И. Стурман, В.М. Фридкин. - М.: Наука,1992. - 208 С.
6. Фридкин, В.М. // Объемный фотовольтаический эффект в кристаллах без центра симметрии / В.М. Фридкин // Кристаллография. - 2001. - Т. 46, № 4. - С. 722-726.
Поступила в редакцию 25 апреля 2008 г.
THE PHOTOVOLTAIC EFFECT IN THE PIEZOELECTRICS AND FERROELECTRICS
In this work the author analyses the photovoltaic effect of the piezoelectric crystals ZnS and treedimensional oscillate photovoltaic current (TDOPC) in the line [100] in the ferroelectric SbSJ during polarized illumination in the line [010]. The author covers some experimental basis and basic physics of the photovoltaic effects.
Keywords: photovoltaic effect, optically active crystals, tree-dimensional oscillate photovoltaic current, photovoltaic indexes.
Karimov Bakhadir Khoshimovich - Cand.Sc. (Physics and Mathematics), Associate Professor, Physics Department, Fergana State University
Каримов Баходир Хошимович - кандидат физико-математических наук, доцент, кафедра физики, Ферганский Г осударственный университет. e-mail: karimov1948@rambler.ru
