CC BY
66
УДК 535.3
ИССЛЕДОВАНИЕ ФОРМИРОВАНИЯ СИЛЬНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ В ЛЕГИРОВАННЫХ МЕДЬЮ КРИСТАЛЛАХ НИОБАТА ЛИТИЯ
© 2013 К.М. Мамбетова, С.М. Шандаров
Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники
Поступила в редакцию 26.11.2013
Представлены результаты исследований динамики формирования поля пространственного заряда фоторефрактивной голограммы двумя лазерными пучками с длиной волны 532 нм в кристаллах LiNbO3:Cu, имеющих Х-ориентацию. Из данных по дифракционной эффективности голограмм, регистрируемой лазерным пучком с длиной волны 655 нм, получено, что амплитуда первой пространственной гармоники электрического поля голограммы в образцах, полученных диффузионным легированием, может достигать значений, превышающих 17 кВ/см.
Ключевые слова: сегнетоэлектрики, фоторефрактивный эффект, фотогальванический эффект, эмиссия электронов.
1. ВВЕДЕНИЕ
Сильные электрические поля, формируемые в легированных фотовольтаически активными примесями (Fe, Си) кристаллах ниобата лития, являются потенциальной основой для создания компактных кристаллических ускорителей, реализующих генерацию электронных пучков и мягкого рентгеновского излучения [1] и оптически управляемую манипуляцию микро- и наночас-тицами [2]. В работе [3] продемонстрирована возможность создания легированных образцов LiNbO3:Cu, имеющих толщину до 1 мм, методом высокотемпературной диффузии меди из металлических пленок. Для формирования пространственно неоднородных электрических полей в таких образцах и их исследования может быть использован метод записи фоторефрактивных голограмм коротковолновым лазерным излучением и брэгговской дифракции на них лазерного пучка с большей длиной волны, имеющего малую интенсивность и не вносящего заметных возмущений в процессы фотоиндуцированного перераспределения зарядов.
В настоящей работе представлены результаты экспериментов по диффузионному легированию медью пластин LiNbO3, имеющих Х-ориен-тацию, и по динамике формирования в образцах LiNbO3:Cu с различным уровнем легирования поля пространственного заряда фоторефрактив-ной голограммы двумя лазерными пучками с дли-
Мамбетова Ксения Мустафиевна, аспирант, младший научный сотрудник кафедры электронных приборов. E-mail: [email protected]
Шандаров Станислав Михайлович, доктор физико-математических наук, профессор, заведующий кафедрой электронных приборов. E-mail: [email protected]
ной волны 532 нм. Из данных по динамике дифракционной эффективности при считывании голограммы лазерным пучком с длиной волны 655 нм получено, что в исследованных образцах ЫМЬ03:Си, имеющих толщину до 2 мм, амплитуда первой гармоники поля пространственного заряда достигает значений 20 кВ/см.
2. ТЕХНОЛОГИЯ
ДИФФУЗИОННОГО ЛЕГИРОВАНИЯ
В экспериментах по диффузионному легированию использовались оптически полированные пластины Х-среза из конгруэнтного ниобата лития, имеющие толщину d = 1,8 мм. Пленки Си наносились на пластины методом магнетронно-го распыления и имели толщину от 100 до 900 нм. Далее осуществлялся нагрев образца со скоростью 340 К/час до температуры 1000 оС в трубчатой электропечи и проводилась диффузия, с продолжительностью при данной температуре от 2 до 20 часов и с последующим естественным охлаждением за время ~12 час. Полученные диффузией образцы ЫМЬ03:Си приобретали светло-коричневую окраску и дополнительное оптическое поглощение, обусловленное центрами Си2+ и Си+. Концентрация ионов Си2+ и Си+ оценивалась из известных соотношений [3] по величине оптического поглощения на длинах волн 477 и 1040 нм. Параметры процесса диффузии для сформированных образцов 1-4 приведены в табл. 1. Здесь же приведены значения концентраций центров Си2+ и Си+ как для образцов ЫМЬ03:Си 1 - 4, так для образца 5 с традиционным способом легирования путем добавления СиО в исходную шихту, имеющего толщину d = 2,0 мм. В последнем столбце таблицы приведены значения коэффициента поглощения исследованных образ-
Таблица 1. Параметры исследованных образцов LiNbO3:Сu
Номер образца Толщина пленки Си, нм Время диффузии, час Концентрация ионов меди сСи +, м? Концентрация ионов меди сСи2+ , м? Коэффициент поглощения 532 нм . „-ССа для 1^=532 нм, см-1
1 100 2 7.961 х 10 22 8.709 х 10 22 0,063
2 200 3 2.052 х 10 23 1.398 х 10 24 0,615
3 260 20 7.85 х 1023 6.04 х 1024 0,88
4 900 9 6.06 х 1024 2.83 х 1025 7,9
5 7.862 х 10 25 29,341
цов на длине волны записывающего излучения X = 532 нм.
Анализ приведенных в табл. 1 данных показывает, что используемая технология диффузионного легирования подложек конгруэнтного ниобата лития позволяет получать образцы LiNbO3:Сu с толщиной до 1,8 мм с регулируемой концентрацией меди.
3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА
В экспериментальной установке для исследования формирования фоторефрактивных голограмм в образцах LiNbO3:Сu Х-среза, схема которой представлена на рис. 1, использовался световой пучок одночастотного твердотельного лазера Л1 с длиной волны X т=532 нм, мощностью Р0=40 мВт и вектором поляризации, ортогональным плоскости рисунка (плоскости XI кристалла). После коллиматора КЛ он имел апертуру 4 мм и расщеплялся делительным кубом СК на два пучка c равными значениями интенсивности I = / = 390 мВт/см2, которые с помощью призмы П сводились под углом 20 дее" = 12,5° в ис-
следуемом образце симметрично относительно нормали к его входной грани. В этом случае формируемая ими интерференционная картина характеризуется вектором решетки К, параллельным полярной оси I кристалла, и имеет пространственный период Л = 2,44 мкм. В результате в образце LiNbO3:Сu за счет индуцированного обыкновенными волнами пространственного перераспределения носителей заряда вследствие фотогальванического эффекта и модуляции обыкновенного показателя преломления, обусловленной линейным электрооптическим эффектом, записывается фоторефрактивная голограмма.
Регистрация фоторефрактивной голограммы осуществлялась методом брэгговской дифракции светового пучка, распространяющегося в той же плоскости, что и записывающие пучки (см. рис. 1). Считывающий пучок с длиной волны X г=655 нм, излучаемый лазерным диодом Л2 с выходной мощностью Рг=6 мВт, имел вектор поляризации, также ориентированный перпендикулярно плоскости XI кристалла, возбуждая в нем обыкновенную волну. При этом угол падения считывающего луча на входную грань об-
Рис. 1. Схема экспериментальной установки
разца выбирался равным углу Брэгга 0г°а = 7,7° для излучения с используемой длиной волны 655 нм и объемной фазовой решетки с пространственным периодом 2,44 мкм. Временные зависимости мощности прошедшего через исследуемый образец считывающего пучка с интенсивностью I ) и пучка с интенсивностью ), дифрагированного на записываемой решетке, фиксировались с помощью фотодиодов ФД1 и ФД2 и системы обработки данных МА.
4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
Характерные экспериментальные временные зависимости для мощностей прошедшего через голограмму считывающего пучка Р 2($) и дифрагированного пучка Ра (^), полученные для образцов № 3 и № 5 (см. табл. 1), представлены на рис. 2, а и 2, б, соответственно.
Отметим, что скорость роста дифракционной эффективности данных голограмм, определяемой как п(()= Ра ())Рр2 () Ра () и представленной на рис. 3, для образца № 5 с максимальным уровнем легирования существенно выше, чем в образце № 3.
С использованием известных соотношений [4] временная эволюция амплитуды первой пространственной гармоники поля пространственного заряда может быть выражена через дифракционную эффективность п(() в следующем виде
Em (t ) =
2ЛГ cos9
red в
ndnl reff
-arcsin
Ж
ered in
в - угол Брэгга для считывающего пучка внутри образца, а По и Г^ - обыкновенный показатель преломления и эффективная электрооптическая постоянная, учитывающая дополнительный пьезоэлектрический вклад в фото-рефрактивный отклик. Результаты расчета зависимостей Em (t) из приведенных выше данных представлены на рис. 4.
Как следует из рисунка, амплитуда поля пространственного заряда в образце LiNbO3:Cu № 3, полученном диффузионным легированием, достигает значения 17,4 кВ/см за время, составляющее около 2000 с. Для кристалла LiNbO3:Cu № 5 с традиционным способом легирования при используемых условиях формирования фотореф-рактивных голограмм время достижения макси-
а ) б)
Рис. 2. Экспериментальные временные зависимости мощностей прошедшего ( Рр2 ) и дифрагированного ( ) пучков с длиной волны 655 нм, считывающих динамические фоторефрактивные голограммы, формируемые записывающими лазерными пучками с длиной волны 532 нм в образцах Ы№03:Си № 3 (а) и № 5(б)
Рис. 3. Временные зависимость дифракционной
эффективности для фоторефрактивных голограмм в образцах Ы№03:Си № 5 (а) и № 3(б)
Рис. 4. Динамика роста амплитуды поля пространственного заряда фоторефрактивных голограмм в образцах Ы№03:Си № 5 (а) и № 3(б)
мального значения амплитуды электрического поля, равного 18,7 кВ/см, составляет около 400 с.
5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Проведенные в настоящей работе эксперименты показали, что технология диффузионного легирования подложек конгруэнтного ниобата лития позволяет получать образцы LiNbO3:Сu X-среза с толщиной до 1,8 мм с регулируемой путем варьирования параметров технологического процесса концентрацией меди. Фоторефрактивные характеристики и фотовольтаические свойства этих образцов могут быть изучены по брэгговс-кой дифракции считывающего пучка с длиной волны из красной области видимого спектра на объемных фазовых голограммах, формируемых коротковолновым лазерным излучением. Из данных по дифракционной эффективности голограмм, регистрируемой лазерным пучком с длиной волны 655 нм, получено, что амплитуда первой пространственной гармоники электрического поля голограммы в образцах, полученных диффузионным легированием, может достигать зна-
чений, превышающих 17 кВ/см. Это делает возможным их использование для практической реализации кристаллических ускорителей электронов, компактных генераторов рентгеновского излучения и оптических пинцетов.
Работа выполнена в рамках Госзадания Миноб-рнауки РФ на 2013 год (проект 7.2647.2011) и при частичной финансовой поддержке РФФИ (проект № 12-02-90038-Бел_а).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Pyroelectric and photogalvanic crystal accelerators / N.V. Kukhtarev, T.V. Kukhtereva, G. Stargell, J.C. Wang // J. Appl. Phys. 2009. V. 106. P. 014111.
2. Optical trapping and manipulation of metallic micro/ nanoparticles via photorefractive crystals / X. Zhang, J. Wang, B. Tang, X. Tan, R.A. Rupp, L. Pan, Y. Kong, Q. Sun, J. Xu.. // Opt. Express, 2009. V. 17. Pp. 9981-9988.
3. Photorefractive properties of LiNbO3 crystals doped by copper diffusion / J. Hukriede, K. Buse, E. Krätzig // Phys. Rev. B, 2001, v. 61, p. 4615- 4620.
4. Фоторефрактивные эффекты в электрооптических кристаллах / В.М. Шандаров, А.Е. Мандель, Н.И. Буримое. Томск: ТУСУР, 2007, 242 с.
INVESTIGATION OF THE FORMATION OF STRONG ELECTRIC FIELDS IN THE COPPER-DOPED LITHIUM NIOBATE CRYSTALS
© 2013 K.M. Mambetova, S.M. Shandarov
Tomsk State University of Control Systems and Radioelectronics
The results of investigations for the formation dynamics of space charge field of a photorefractive hologram by two laser beams with a wavelength of 532 nm in the X-cut LiNbO3: Cu crystals are presented. From the data on the diffraction efficiency of holograms readable by a laser beam with a wavelength of 655 nm, it was found that the amplitude of the first spatial harmonics of the electric field of the hologram in the samples obtained by the diffusion doping can reach the values exceeding 17 kV / cm. Key words: ferroelectric, photorefractive effect, electron emission, photovoltaic effect.
Ksenia Mambetova, Graduate Student, Associate Research Fellow at the Electronic Devices Department. E-mail: [email protected]
Stanislav Shandarov, Doctor of Physical and Mathematical Sciences, Professor, Head at the Electronic Devices Department. E-mail: [email protected]
