CC BY
27Индуцированное светом изменение коэффициента поглощения в кристаллах Y3Fe5O12 в спектральном
интервале 0.7-1.9 Пт
Надеждин М.Д., (gzv@anrb.ru)
Институт физики молекул и кристаллов, Уфимский научный центр РАН
450075, Уфа, Россия
Экспериментально получены фотоиндуцированные спектры изменения коэффициента поглощения а в фотомагнитных монокристаллах иттрий железистых гранатов (ИЖГ) в диапазоне 0.7-1.9 |ш. Показано, что особенности фотоиндуцированных спектров зависят от типа доминирующей в кристалле примеси и спектра фотовоздействия. Воздействие света из области примесного поглощения ферритов - гранатов вызывает уменьшение а во всем исследуемом интервале. Под действием света из области собственного поглощения спектральная зависимость становится знакопеременной: наблюдается уменьшение а вблизи видимой области спектра и возрастание в ближней инфракрасной области. Особенности фотоиндуцированных спектров объясняются изменением поглощения на иновалентных ионах Бе2+/Ре4+ и изменением интенсивности собственных переходов ионов Бе3+ вблизи заряженных дефектов.
1. ВВЕДЕНИЕ
Индуцированное светом изменение коэффициента оптического поглощения а в иттрий - железистых гранатах У3Бе5012 ранее исследовалось в работах [1-3], в кальций-марганец германиевых гранатах (Ca3Mn2Ge3012) в работах [4,5]. Фоточувствительные свойства кристаллов обусловлены точечными дефектами различной природы (донорными и акцепторными примесными ионами, кислородными вакансиями и др.). Особенности фотоиндуцированного поглощения (знак и величина эффекта, временные зависимости изменения поглощения) определяются типом примеси, доминирующей в кристалле.
Приведенные в настоящей работе экспериментальные результаты получены на фотомагнитных кристаллах иттрий - железистых гранатов: ИЖГ^ и ИЖГ(Ва), обладающих разнообразными фотоиндуцированными свойствами [6-8]. В работе [7] для этих образцов получены зависимости изменения поглощения а11 на длине волны 1.1 |ш от длины волны индуцирующего излучения Хт. Учитывая эти результаты в данной работе представлены
фотоиндуцированные спектры изменения коэффициента поглощения в интервале длин волн 0.7 - 1.9 дш при воздействии света из спектральных интервалов, индуцирующих эффект разного знака на 1.1 дш.
2. ОБРАЗЦЫ И МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЯ
Исследованы фотомагнитные монокристаллы с донорным легированием, выращенные из (PbO-PbF2):SiO2 расплава - (ИЖГ^) и кристалл без специального легирования, выращенный из ВаО - В2О3 расплава - (ИЖГ(Ва)), обладающий разнообразными фотомагнитными свойствами [6]. Измерения проводились на плоскопараллельных монокристаллических пластинах различной толщины от 130 до 300 дш. Ориентация нормали к поверхности образца близка к кристаллографическому направлению [110].
Для наведения эффекта использовалась галлогеновая лампа накаливания - КГМ-150/24. Необходимые интервалы длин волн из спектра лампы выделялись широкополосным фильтром (1500-2000 дш), оптическим стеклом ИКС-7 и комбинацией оптических фильтров (СЗС - 25+КС-17). Интенсивность фотовоздействия в экспериментах варьировалась от 20 до 90 mW/cm2.
Измерения проводились с использованием спектрального комплекса КСВУ-12, модернизированным для исследования образцов малых размеров. В оптической схеме использована амплитудная модуляция измерительного луча с последующим синхронным детектированием с постоянной времени 0.1-0.3 с. При интенсивности измерительного луча ~10 дW/cm2, за время проведения измерения не обнаружено изменения оптического поглощения под воздействием данной интенсивности.
После охлаждения образца до 80 К регистрировались спектральные зависимости интенсивности измерительного луча: 1. до освещения образца - ID(^N) и 2. после освещения образца до насыщения эффекта - IL(^N). Регистрация проводилась методом дискретного сканирования с постоянным шагом 10-20 nm одинаковым в обоих случаях. При определении коэффициент поглощения а на основе закона Бугера-Ламберта 1=10 exp(-at), где t - толщина образца (сш), изменение коэффициента поглощения Да в точке ^n определяется выражением:
Да(М=(1/01п(Ь/1ь)
Использование этого выражения предполагает, что коэффициент отражения не изменяется при освещении, что является обоснованным в соответствии с результатами работы [5]. Величина Да есть разность коэффициентов поглощения до (aD) и после (aL) освещения
кристалла: Да=аь - ао. Непрерывная зависимость Да(А) получена интерполяцией дискретных значений в точках А^, используя математическое обеспечение комплекса.
В процессе эксперимента проводилось измерение эффекта, как при первоначальном, после охлаждения образца, фотовоздействии света, так и при последовательном воздействии света различного спектрального состава.
3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ Экспериментальные результаты: спектры изменения коэффициента поглощения Да(А) и спектр оптического поглощения а(А) для ИЖГ приведены на рисунке.
Рис. Кривая 1 - спектр поглощения ИЖГ а(А) в области октаэдрических переходов ионов Бе3+ и разностные спектры Да(А) - (кривые 2-5), индуцированные светом из различных спектральных интервалов ДА®. Разностные спектры 2, 3 индуцированы в кристалле ИЖГ(Ва): 2 - ДАж=1.5-2.0 дш, 3 - ДА/д=0.65-0.90 дш; спектры 4, 5 в ИЖГ:8г 4 -ДАж=0.90-1.0 дш, 5 - ДАж=0.65-0.90 дш. На вставке показана зависимость изменения
коэффициента оптического поглощения а11 (Хт=1.1 |ш) от длины волны индуцирующего излучения Х^: кривая 1 для ИЖГ(Ва) и кривая 2 для ИЖГ^ [7]. Результаты [7] нормированы на максимальное по абсолютной величине значение эффекта и исправлены с учетом поглощения и толщины образца.
Образец ИЖГ(Ва). Для ИЖГ(Ва) значение граничной длины волны в индуцирующем спектре Х^^1.15 |ш (кривая 1 на вставке рисунка). Первоначальное, после охлаждения образца, воздействие света с длинами волн ДХ_ж>Хэ^ вызывает в ИЖГ(Ва) эффект одного знака - незначительное уменьшение поглощения во всем исследуемом интервале - кривая 2 на рисунке. В интервале 0.7-1.3 |ш спектральная зависимость имеет вид широкой, слабо разрешенной полосы. Малая величина фотоиндуцированного изменения не позволяет описать профиль линии с большой точностью, однако в исследованном диапазоне не обнаружено возрастания коэффициента поглощения под действием света с длинами волн больше граничной.
При первичном коротковолновом воздействии ДХ_ж<Хэ^ (ДХ_ж=0.65-0.9 |ш) спектральном зависимость Да(Х) в ИЖГ(Ва) становится знакопеременной - кривая 3 на рисунке: уменьшение а в интервале 0.70-0.83 |ш и возрастание а в ИК- области с максимумом вблизи 1.0 |ш, смена знака эффекта происходит около 0.83 |ш.
Образец ИЖГ:8ь Для ИЖГ^ значение граничной длины волны в спектре фотовозбуждения Хэ^~0.9 |ш (кривая 2 на вставке). При первоначальном длинноволновом воздействии ДХ.ж>Хэ^ ДХш=(1.0-2.0 |ш) в кристалле ИЖГ^ наблюдается уменьшение оптического поглощения во всем исследованном интервале Да(Х)<0 (кривая 3). Фотоиндуцированный спектр имеет отчетливо выраженные особенности эффекта: полосу с максимумом около 1.0 | ш и полосу около 0.7 | ш. После первоначального коротковолнового воздействия света ДХ/й<Хэ^ (ДХ/й=0.65-0.9 |ш) фотоиндуцированный спектр ИЖГ^ становится знакопеременным (кривая 5): происходит возрастание коэффициента поглощения на полосе с максимумом около 1.0 |ш и уменьшение коэффициента поглощения на полосе ~ 0.7-0.9 |ш со сменой знака эффекта около 0.9 |ш.
При последовательном воздействии света из различных спектральных интервалов (относительно для обоих кристаллов ИЖГ:Si и ИЖГ(Ва) обнаружены следующие
общие закономерности: при первичном воздействии света из интервала с длинами волн ДХ_ж>Хэ^ и последующем, вторичном, воздействии света с ДХш<Хэ^ первоначальные разностные фотоиндуцированные спектры с эффектом одного знака (на рисунке кривые 2, 4) трансформируются в знакопеременные спектры (кривые 3, 5). Последнее состояние нельзя изменить оптическим воздействием, оно изменяется только при нагреве образцов. Из вида спектральных зависимостей следует, что вторичное коротковолновое воздействие, разрушая
эффект «просветления» на полосе с максимумом около 1.0 дш, одновременно увеличивает отрицательный эффект около 0.7 дш т.е. спектрально-зависимые изменения знака эффекта происходят на полосе с максимумом ~ 1.0 дш.
4. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Фотоиндуцированное изменение оптического поглощения в Y3Fe5O12 объясняется изменением концентрации иновалентных ионов Fe2+/Fe4+ или их перераспределением относительно точечных примесных дефектов или дефектов решетки (вакансий) при освещении [1 - 3]. Особенности фотоиндуцированного спектра в этом случае определяются, в основном, собственным спектром примесных ионов. Однако, авторы работы [5] полагают, что в гранатах Ca3Mn2Ge3O12 возрастание поглощения обусловлено изменением вероятности
3+
переходов «основных» ионов Мп под действием электрического поля примесных ионов [5]. В работе [9] знакопеременный фотоиндуцированный спектр [3] объясняется
2+ 4+
перераспределением ионов Fe и Fe между октаэдрическими положениями с различными знаками тригональных компонент или из октаэдрических положений с нетригональными компонентами в локализованные положения только с тригональными компонентами кристаллического поля. Параметры кристаллического поля, при которых наблюдается удовлетворительное совпадение рассчитанных и экспериментальных спектров, лежат в области общепринятых значений для ИЖГ.
Обсуждение особенностей фотоиндуцированных спектров, представленных в настоящей работе, проводится с привлечением экспериментальных результатов, полученных ранее в работах [7, 10] на тех же кристаллах ИЖГ.
Воздействие света из области примесного поглощения ИЖГ (ДАт>А$ш, кривые 1,2 на вставке). При начальном, после охлаждения в темноте, воздействии фотонов с энергией Е/д меньшей ширины запрещенной зоны Ео (Е/д<Е^2.9 eV) возможно изменение состояния только примесных уровней с относительно небольшой глубиной залегания.
В работе [1] детально исследована зависимость фотоиндуцированного изменения знака и величины эффекта от типа (донор или акцептор) и концентрации примеси при освещении «белым светом». Аналогичные эксперименты для исследованных в настоящей работе кристаллов ИЖГ^/ИЖГ(Ва) с учетом результатов работы [1] доказывают, что в кристалле ИЖГ^ преобладает донорная примесь (Б^+), в ИЖГ(Ва) - акцепторная (Ba2+). Концентрация ионов Fe /Fe в кристалле, до освещения, определяется степенью компенсации основной примеси, примесями противоположного вида [11]. При охлаждении вследствие кулоновского притяжения ионы Fe2+/Fe4+ локализованы в «ближнем» положении относительно примесных ионов Si4+/Ba2+, образуя связанные комплексы (Si4+-Fe2+)/(Ba2+-
Бс). Комплексы (Si4+-Fe2+)/(Ba2+-Fe4+) представляют собой неионизированные ловушки электронов/дырок относительно низкой глубины, лежащие в запрещенной зоне: наименьшая энергия фотоионизации этих центров в кристаллах ИЖГ^/ИЖГ(Ва) - 0.6 сУ/0.8 еУ, соответственно (кривые 1, 2 на вставке).
Воздействие низкоэнергетического излучения, только на примесные уровни, вызывает их фотоионизацию и последующее перераспределение электронов/дырок в «дальние» положение или уменьшение количества ионов Рс2+/Рс4+. Оба процесса приводят к уменьшению поглощения на примесных ионах в исследованном спектральном диапазоне [12, 13, 14]. Величина Да эффекта пропорциональна концентрации Рс2+/Рс4+ до освещения, откуда следует, что в ИЖГ(Ва) концентрация ионов Бс4+ на порядок меньше, чем Бс2+в ИЖГ^), т.е. в ИЖГ(Ва) достигается почти полная компенсация акцепторной примеси [11].
Отметим, что фотоиндуцированный спектр ИЖГ^ имеет характерные особенности (кривая 4) аналогичные разностному спектру, кристалла ИЖГ легированного Si и нелегированного кристалла [15]. Наименьшая энергия оптической активации процесса ~ 0.6 сУ (кривая 2 на вставке), найденная в эксперименте, близка к энергия активации ионов Бс2+ в ИЖГ^) ~0.7 сУ, полученной в работе [15] по результатам электрических измерений.
Воздействие света из области собственного поглощения ИЖГ (ДХж^^^ кривые 1,2 на вставке). При воздействии света из области собственного поглощения ИЖГ изменение коэффициента оптического поглощения в ИЖГ^ / ИЖГ(Ва) имеет знакопеременный характер. При этих энергиях фотовоздействия происходит одновременное фотовозбуждение «основных» ионов Рс3+, скомпенсированных (до освещения) донорных и акцепторных уровней и ионов Рс2+/Рс4+ и возможны процессы перезарядки между центрами генерации и центрами захвата.
Возрастание а на полосе с максимумом около 1 | ш (кривые 4.5), обусловлено образованием ионов Рс/Рс4 +, которые имеют в этой области собственные переходы с близкими по энергии значениями (~10000 сш-1) (ионы Рс2+/Рс4+ обладают сходной системой уровней) [9, 12, 13]. Образования нетрехвалентных ионов Рс2+/Рс4+ следует ожидать среди
3+
тех ионов Рс , которые испытывают достаточно сильное возмущение со стороны заряженных дефектов противоположного знака.
Для ИЖГ(Ва) дополнительным подтверждением этого положения служит возникновение поляризационно-зависимого эффекта изменения намагниченности ДМ^ в кристалле ИЖГ(Ва) только после предварительного экспонирования кристалла «белым светом» [10] и эффект перераспределение ионов Бс4+ поляризованным светом, возможен после образования этих ионов. Спектральная зависимость эффекта ДМ^(Х) для обоих образцов имеет максимум около 1-1.1 | ш и близкий к максимуму в фотоиндуцированном
спектре (кривые 3, 4). Измерения в работе [10] проведены на образцах изготовленных из тех же кристаллов ИЖГ^/ИЖГ(Ва), что и образцы исследованные в данной работе.
Последовательное фотовоздействии (ДА^^оы) приводит на первом этапе к перераспределению/уменьшению существующих (до освещения) ионов Fe2+/Fe4+, а при последующем воздействии (ДА^^оы) происходит образование нетрехвалентных ионов в поле заряженных дефектов. При формировании пар дефект-ион происходит понижение кулоновской (~г - 1) и упругой (~г -3) энергии кристалла. Минимум упругой энергии реализуется при образовании вблизи иона с большим радиусом иона с малым радиусом ^4+- Fe2+, Ва2+-Рс4+) [16]. Для предложенной модели оба условия выполняются и, при освещении, происходит понижение энергии кристалла в целом. После коротковолнового освещения реализуется равновесное распределение нетрехвалентных ионов относительно заряженных дефектов при данной температуре и его можно изменить только повышением температуры.
Отрицательный Да эффект около 0.7 дш (кривые 3-5) наблюдается в спектре независимо от типа примеси и спектрального состава фотовоздействия. Общими дефектами для исследованных образцов, являются кислородные вакансии Vo с глубокими уровнями в
запрещенной зоне. В зависимости от зарядового состояния (Х++, V*, у°) вакансии при освещении могут служить центрами генерации электронов или являться глубокими ловушками, это обстоятельство усложняет анализ роли кислородных вакансий в фотоиндуцированных процессах. В случае захвата электрона на вакансию число ионов Fe3+ в сфере действия положительного заряда вакансии уменьшается, что приводит к уменьшению интенсивности собственных переходов этих ионов вблизи вакансии или других заряженных дефектов [5]. Наблюдаемое в различных образцах уменьшение поглощения, возможно, связано с изменением вероятности переходов основных ионов Fe3+ вблизи заряженных дефектов.
5. Заключение
Экспериментально получены разностные фотоиндуцированные спектры в диапазоне 0.7-1.9 дш в фотомагнитных монокристаллах ИЖГ. Показано, что особенности фотоиндуцированного спектра зависят как от спектрального состава фотовоздействия, так и от природы точечных дефектов в кристалле. Различие в фотоиндуцированных спектрах, обусловленное спектральным составом индуцирующего излучения, связано с воздействием на локализованные уровни различной глубины. Особенности спектров объясняются изменением поглощения на иновалентных ионах Fe2+/ Fe4+ и изменением интенсивности
собственных переходов «основных» ионов Рс3+ вблизи заряженных дефектов.
Литература
1. Gyorgy E.M., Dillon J.F., Remeika J.P. J.Appl.Phys. 42, 4, 1454 (1971).
2. Находкин Н.Г., Вознюк В.В. ФТТ. 31, 4, 114, (1989).
3. K. Hisatake, I. Matsubara, K. Maeda, H. Yasuoka, H. Mazaki, K. Uematsu. J. Magn. Magn. Mater. 140-144, 2127 (1995)
4. V.A. Bedarev, S.L. Gnatchenko, R.A. Rupp и др.. //FNT, v. 24, No. 3, p. 281-283, (1998).
5. V.V. Eremenko, S.L. Gnatchenko, I.S. Kachur и др../ZFNT, v. 27, No 1, p. 30-45, (2001).
6. Дорошенко Р.А., Надеждин М.Д.. ФТТ. 38, 10, 3075, (1996).
7. Дорошенко Р. А., Надеждин М.Д. // ФТТ. 2001. Т.43, Вып.7. С. 1233-235.
8. Дорошенко Р.А. Труды ИОФАН. Фотомагнетизм // М., Наука. 44, 105, (1992).
9. Z.V.Gareyeva, R.A. Doroshenko //JMMM, 268 (2004), P. 1-7.
10. Веселаго В.Г., Дорошенко Р.А., Ру--дов С.Г.. //ЖЭТФ. - 1994. - т.105, вып.3. - с.638-647.
11. Гуменюк-Сычевская Ж. В., Коваленко В.Ф., Ляхимец С.Н. // ФТТ. - 1986. - Т.28. №3. - С.675-683.
12. Балбашов А.М., Бахтеузов В.Е. Цветкова А.А., и др.. // ЖПС. - 1981. - 34, 3. - С. 537539.
13. Антонов А.В., Балбашов А.М., Червоненкис А.Я. ФТТ, т.12, №6, с.1724-1728. 1970
14.Рандошкин В. В., Червоненкис А. Я.. Прикладная магнитооптика. М., Энергоатомиздат. 1990. 320 с..
15.Scott G.B., Page J.L. Phys. Stat. Sol.(b) 1977. V.79. N203, P.203-212.
16. Ланно М., Бургуен Ж.. Точечные дефекты в полупроводниках. Теория. -М.: «Мир», 1984, 264 с..
