CC BY
21
ИССЛЕДОВАНИЕ ФОТОХРОМНЫХ СВОЙСТВ НИТРИДА ГАЛЛИЯ
Колчинский Владислав Андреевич
аспирант Института Лвтоматики и Процессов Управления, РФ,
г. Владивосток E-mail: vladko. 88@mail.ru Черепахин Артем Борисович, студент Школы естественных наук Дальневосточного Федерального
Университета, РФ, г. Владивосток Ромашко Роман Владимирович д-р физ.-мат. наук, зав. кафедрой Квантовой и оптической электроники Школы естественных наук Дальневосточного Федерального Университета,
РФ, г. Владивосток E-mail: romashko @iacp. dvo. ru
INVESTIGATION PHOTOCHROMIC PROPERTIES OF GALLIUM
NITRIDE
Vladisla v Kolchinskiy
postgraduate, Insitute of Automation and Control Processes, Russia, Vladivostok
Artem Cherepahin
student, School of Natural Sciences, Far Eastern Federal University, Russia,
Vladivostok Roman Romashko
doctor of sciences, professor, Department of Quantum and Optoelectronics, School of Natural Sciences, Far Eastern Federal University, Russia, Vladivostok
Исследование выполнено при поддержке Дальневосточного федерального университета, проект № 12-02-13009-42/13.
АННОТАЦИЯ
Данная работа посвящена исследованию влияния примесей, вносимых в фоторефрактивный кристалл нитрида галлия, на изменение его фотохромных свойств. Были получены спектры фотоиндуцированного изменения поглощения образцов нитрида галлия под накачкой 400 и 470 нм. Полученные результаты могут быть полезны для реализации адаптивного интерферометра на основе тонких кристаллов нитрида галлия, работающего с использованием излучения из синей и/или УФ областей спектра.
ABSTRACT
This paper investigates the influence of impurities introduced into the photorefractive crystal gallium nitride to change its photochromic properties. Spectra were obtained of the photoinduced changes in the absorption of samples of gallium nitride by pumping 400 and 470 nm. The results may be useful for the implementation of an adaptive interferometer based on thin gallium nitride crystals, working with radiation from blue and / or ultraviolet regions of the spectrum.
Ключевые слова: нитрид галлия; фотохромные свойства.
Keywords: gallium nitride; photochromic properties.
В настоящее время лазерные измерительные технологии находят все более широкое применение в задачах метрологии, в то время как методы оптической интерферометрии рассматриваются как одни из наиболее чувствительных для регистрации сверхмалых физических величин. Вместе с тем, такая высокая чувствительность интерферометрических систем делает их в значительной степени подверженными влиянию внешних неконтролируемых факторов (случайные механические воздействия, дрейф температуры, давления и пр.), что в большинстве случаев делает невозможным или крайне затруднительным практическое применение интерферометрических систем в реальных условиях. Альтернативой служит измерительная система [3], построенная на основе динамических фоторефрактивных голограмм, приобретающая адаптивные свойства, что обеспечивает высокую помехозащищенность измерительной системы и, как следствие, устойчивое детектирование слабых воздействий в реальных условиях.
Среди фоторефрактивных материалов [2, 3] одним из наиболее перспективных в настоящее время является нитрид галлия, поскольку обладает, с одной стороны, широкой запрещенной зоной (3,39 эВ), а с другой стороны — большой подвижностью зарядов (от 100 до 900 см /В-с). Это обеспечивает возможность перехода в синюю область спектра при сохранении быстрого отклика, что открывает перспективы более эффективного применения
оптической измерительной системы для исследования микромасштабных объектов за счет возможности обеспечения более плотной фокусировки.
В этой связи целью данной работы является исследование фоточувствительных сред на основе GaN для формирования динамических голограмм.
В настоящей работе проводилось исследование фотохромных свойств 5 различных образцов нитрида галлия, подготовленные коллегами из Университета Сунь Ятсена (размер 10x10 мм):
(1) GaN, толщиной 150 мкм, не легированный примесями — образец 1;
(2) GaN, толщиной 150 мкм, не легированный примесями, отожженный в вакуумной камере при 750 °C — образец 2;
(3) GaN/Al2O3, на сапфировой подложке, толщиной 70 мкм, не легированный примесями — образец 3;
(4) GaN, толщиной 230 мкм, легированный кремнием — образец 4;
(5) GaN bulk, толщиной1000 мкм, не легированный примесями — образец
5.
Рисунок 1. Чистый образец нитрида галлия и образец на сапфировой
подложке
Фотохромизм — явление обратимого изменения окраски вещества, под действием света видимого и ультрафиолетового диапазона, результат перехода атомов или молекул из основного синглетного в возбуждённые синглетные или триплетные состояния. Изменение окраски в этом случае обусловлено изменением заселённости электронных уровней [1]. Фотохромные свойства определяются примесями, которые могут вноситься в кристаллы, как на стадии
выращивания кристаллов, путем добавления в расплавы примесей, так и путем внесения примесей в уже выращенный кристалл методом диффузии.
Для исследования спектральных зависимостей фотоиндуцированного изменения пропускания и поглощения образцов ОаК была собрана установка (рис. 2), состоящая из источника белого света, монохроматора, системы линз, светового фильтра, фотоприемника и лазерного диода, с помощью которого осуществлялось облучение кристаллов двумя различных длинами волн (400 и 470 нм).
Рисунок 2 Схема установки : 1 — источник белого света (1 = 350 - 1100 нм) 2 — монохроматор ,3 — линзы, 4 — оптический фильтр ( 1отсечки = 630 нм) 5 — фотоприемник, 6 — лазерный диод; 7 — ПК; 8 — контроллер
Были получены фотохромные спектры исследуемых образцов нитрида галлия при облучении накачкой 400 и 470 нм (рис. 3).
550 ТОО 750 300 ВЫ} ЗМ 950 1000 1050 6;с 7(ю 8оС иа
(пт) П'з^еп^ГКпгП
а) 6)
Рисунок 3 Фотохромный спектр образцов нитрида галлия под накачкой
400(а) и 470 нм (б)
в) 1.1 П и 1,4 1.5 1,6 17 1.В 15 2,0 г)ы 1,2 1.3 1,4 1.5 1.5 1.7 1.Б 1.9 2.0
Рисунок 4 Спектры фотоиндуцированного изменения поглощения образцов нитрида галлия под накачкой 400 и 470 нм (а — ваМ, б — ваМ 750, в —
ваМ/А1203, г — ва^.Б!)
Параметры светоиндуцированного снижения поглощения различных образцов ОаК приведены в табл. 1.
Таблица 1.
Параметры светоиндуцированного снижения поглощения различных
_образцов GaN_
Образец
400 нм
470 нм
Aamin, см-1 Aamax, см-1 AaCp, Aamin, см-1 Aamax, см-1 AaCp,
см- см-
GaN -1,8 -2 -1,25 -1,8 -2 -1,9
GaN 750 -2 -4 -3 -1,8 -2 -1,9
GaN/AbOs -10 -35 -22,5 -10 -35 -22,5
GaN:Si -10 -14 -12 -12 -6 -9
Произведено исследование фотохромных свойств нитрида галлия. Как можно увидеть, все образцы проявляют светоиндуцированное снижение поглощения во всем спектральном диапазоне на обеих длинах волн накачки. Наибольшее снижение поглощения наблюдается у образца на сапфировой подложке и составляет -35 см-1. Следует отметить, что образец № 3 (GaN/Al2O3) имеет относительно толстую подложку из сапфира, что также способствует поглощению света. Поглощение этого образца завышено (и изменение оптической плотности) из-за рассеяния света на подложку. Последнее верно и для образца №4 (нитрида галлия, легированного Si).
Полученные результаты могут быть полезны для реализации адаптивного интерферометра на основе тонких кристаллов нитрида галлия, работающего с использованием излучения из синей и/или УФ областей спектра.
Список литературы:
1. Барачевский В.А., Герман И.Л., Цехомский В.А. Фотохромизм и его применение. Химия, 1977.
2. Gunter P., Huignard J-P. Photorefractive Materials and Their Applications 2. Springer, 2007, — Ch. 11.
3. Stepanov S.I. Adaptive interferometry: a new area of applications of photorefractive crystals / International Trends in Optics, ed. J.W. Goodman. New York, London: Academic Press, Inc, 1991. — Ch. 9.
