CC BY
53
УДК 535.215.31
ПРОСТРАНСТВЕННО ОСЦИЛИРУЮЩИЙ ФОТОВОЛЬТАИЧЕСКИЙ ТОК В ОПТИЧЕСКИ АКТИВНЫХ КРИСТАЛЛАХ Б.Х. Каримов
Ферганский государственный университет, г. Фергана, Узбекистан, e-mail: karimov1948@rambler.ru
В работе рассмотрен фотовольтаический эффект в оптически активных кристаллах a-HgS. В оптически активных кристаллах a-HgS впервые обнаружен пространственно осциллирующий фотовольтаический ток новой природы, а именно, обусловленный вращением плоскости поляризации света, распространяющегося вдоль оптической оси. Исследована спектральная зависимость ПОФТ в a-HgS и показано, что она определяется соответственно дисперсией оптической активности, фотовольтаи-ческого эффекта и поглощения света. Определено фотовольтаический коэффициент kijk для a-HgS. Этот коэффициент Кп=(1-2)-10"9А-см-(Вт)-1 при Т= 133 К и ^=500 нм.
Ключевые слова: фотовольтаический эффект, оптически активные кристаллы, пространственно осциллирующий фотовольтаический ток.
Введение
В последние годы стало ясно, что в термодинамических неравновесных условиях возможны токи иной природы, обусловленные отсутствием среды центра симметрии. Важнейшим эффектом из этого класса является аномальный фотовольтаический эф-фект(АФ эффект).
АФ эффект заключается в том, что при равномерном освещении короткозамкнутого сегнетоэлектрика через него протекает стационарный ток, который в [1,2] был назван фотовольтаическим. Было показано, что именно фотовольтаический ток приводит к аномальному фотовольтаическому эффекту в сегнетоэлектрике.
Аномальный фотовольтаический эффект, обнаруженный для сегнетоэлектриков впервые в [1,2] является частным случаем более общего АФ эффекта, описываемого для кристаллов без центра симметрии тензором третьего ранга aijk [3,7].
J =al]kE]E k, (1)
Компоненты тензора aijk отличны от нуля для 20 ацентричных точечных групп симметрии.
Согласно (1), при равномерном освещении линейно поляризованным светом однородного кристаллов без центра симметрии (сегнето или пьезоэлектрического кристалла) в нем возникает фотовольтаический ток Ji, Знак и абсолютная величина фото-вольтаического тока J зависят от ориентации вектора поляризации света с компонентами Ej электрического поля.
Если электроды кристалла разомкнуть, то фотовольтаический ток J генерирует фотонапряжения Ut = JJ /(uT +&ф), где aT и аф, соответственно, - темновая и фотопроводимости, l - расстояние между электродами. Генерируемое фотонапряжение в кристаллах без центра симметрии имеет порядк 103-105В.
В соответствии с (1) и симметрией точечной группы кристалла, можно написать выражения для фотовольтаического тока J . Сравнение экспериментальной угловой зависимости Ji (в) с (1) позволяет определить фотовольтаический тензор aijk или фотовольтаический коэффициент Kijk = a]k/a * (a * - коэффициент поглощения света) [6].
Как показал Белиничер [3], в зависимости от формы оптической индикатрисы и направления распространения плоско поляризованного света в кристалле, могут существовать направления, для которых фотовольтаический ток (1) является пространственно осциллирующим. В этом случае:
Jг (х) = агоеЕеК ехр[/'(пе - п0 )ЦХ] , (2)
где пе, по - показатели преломления обыкновенного и необыкновенного лучей, Ее и
Е0 - проекции вектора поляризации света на оптические оси кристалла, Ц - волновой вектор, аое - фотовольтаический тензор отличен от нуля в кристаллах без центра симметрии. Из (2) следует, что фотовольтаический ток осциллирует, когда координата х меняется вдоль вектора Ц с периодом /0 = (Цпе - По|)-1. Как указывалось в [3] и как
видно из (2), пространственно осциллирующий фотовольтаический ток (ПОФТ) может экспериментально наблюдаться в условиях сильного поглощения света.
(а*)-1 ^ 1 о > 1 о = Я(пе - Па ) 1 , (3)
где а” - коэффициент поглощения, Я - длина волны.
1. К методике измерения аф эффекта в поляризованном свете
Все исследуемые кристаллы без центра симметрии представляли собой диэлектрики с широкой запрещенной зоной (Ей=2-7эВ) и низкой проводимостью (а=10"8-10"15 Ом"1см"1). Поэтому требования, которые предъявлялись к методике эксперимента, в первую очередь обусловливались малыми величинами измеряемых токов (10"9-10"15А).
В работе использовался двухэлектродной метод непосредственного отклонения. Ток измерялся по падению напряжения на образцовом сопротивлении, включенном последовательно с кристаллом. Образцовым сопротивлением служили входные сопротивления электрометрического усилителя ВК2-16 (108,1010,1012 Ом).
Блок-схема экспериментальной установки представлена на рис.1. Оптическая часть установки включала в себя: источник интенсивного света (1) ксеноновая или ртутная лампа высокого давления (ДКСШ-200, ДРШ-1000), кварцевые линзы (2), зеркальный монохроматор ЗМР-3 с кварцевой призмой (3) вращающийся поляризатор (4). В ряде случае, кристаллы освещались непосредственно монохроматическим светом
лазера гелий - неонового (ЛГ-36, ЛГ36А, ЛГ56) с Я=6326 А, и гелий- кадмиевого (ЛГ-
31) с Я=4400 А.
Исследуемый кристалл (6) крепился к слюдяной подложке (7) клеем БФ или серебряной пастой. Слюдяная подложка приклеивалось непосредственно к микро- нагревателю (9). Микро-нагреватель закрепленными кристаллом устанавливался в металлический оптический криостат (5) (изготовленный в СКБ института кристаллографии РАН).
Вакуум в системе создавался форвакуумным и диффузионными насосами (16) и достигал 2 -10"5мм. рт. ст.
Давление в системе измерялось вакуумметром ВИТ-1 (15). Для электрометрических выводов использовались фторопластовые уплотнения. Вакуум, создаваемый в системе диффузионным насосом с азотной ловушкой предотвращал электрический разряд от внешнего источника напряжения (12), а также уменьшал расход жидкого азота при низко температурных измерениях.
Методические особенности температурных измерений заключается в том, что кристаллы очень чувствительны к малым измерениям температуры и, следовательно, малые колебание температуры могут наводить значительные токи в измерительной це-
пи (особенно в области фазовых переходов). Кроме того, в области фазовых переходов, значительно возрастает диэлектрическая проницаемость в, что приводит к большому времени релаксации и, в совокупности с инерционной системой установления температуры, процесс одного измерения может затянуться на несколько часов. Для предотвращения выше изложенного, был использован высокочувствительной прецизионный терморегулятор ПИТ-3 (изготовленный в СКБ института кристаллографии РАН). Чувствительность используемой схемы позволяла подержать заданную температуру с точностью 0,025°С. Микронагреватель соединялся с кристаллодержателем титановой втулкой, имеющей значительное тепловое сопротивление.
Рис. 1. Блок-схема установки для исследования АФ эффекта.
1 - источник света, 2 - фокусирующие линзы, 3 - монохроматор, 4 - поляризатор,
5 - криостат, 6 - образец, 7 - кварцевая подложка, 8 - термопара, 9 - микронагреватель,
10 - электрометр, 11 - самописец, 12 - стабилизатор постоянного напряжения,
13 - терморегулятор изодромный прецизионный, 14 - нуль индикатор, 15 - вакууметр,
16 - вакуумный насос
Это позволяло при мощности нагревателя 15 Вт изменять температуру в образце от 100 К до 380 К при залитом азоте. Калиброванная термопара медь-константан, один спай который закреплялся в непосредственной близости от образца, а второй подключался к прибору.
Электрическая часть измерительной схемы включала в себя электрометрический
7 15
усилитель ВК2-16 с пределами измерения токов от 10 до 2,10" А и основной погрешностью не более 4%. Источником внешнего напряжения служили измерительный стабилизатор постоянного напряжения с регулируемым выходом. Источник стабилизированного напряжения служил для измерения фотонапряжения методом компенсации и ВАХ кристалла. Полезный сигнал от электрометрического усилителя записывался электронным самопищущим потенциометром КСП-4. Все измерения производились после окончания переходные процессов, связанных с изменением температуры.
Как уже отмечалось, измерения фототоков проводилась по двухэлектродной схеме. Электродами служили серебряная паста, аквадаг, также напыленное методом термического вакуумного испарения, золото, алюминий, платина и прозрачный контакт, полученный катодным распылением Cd или Sn [8]. Интенсивность света измерялось прибором ИМО-2 (измеритель средней мощности и энергии импульсов оптических квантовых генераторов: диапазон длин волн от 0.33 до 10.6 мкм). Спектральные измерения по пропусканию и поглощение проводились на двулучевом спектрофотометре «^ресоМ-ЦУ-УК» производства Карл-Цейс-Иена.
2. Пространственно осцилирующий фотовольтаический ток в оптически активных кристаллах a-hgs
В работе изложен результаты исследования пространственно-осциллирующего фо-товольтаического тока в оптически активных кристаллах a-HgS. Обсуждены некоторые экспериментальные и физические основы ПОФТ в оптически активных кристаллах.
Сернистая ртуть HgS существует в двух модификациях: черная модификация -метациннабарит (P-HgS) - кристаллизуется в кубической системе (точечная группа 43да), красная модификация-циннабарит или киноварь (a-HqS) - кристаллизуется в тригональной системе (точечная группа 32).
В работе исследовались красные кристаллы киновари, обладающие особенно большим удельным вращением плоскости поляризации вдоль оптической оси для пропускаемых ими красных лучей ±р=235 /мм. Исследуемые кристаллы a-HgS, выращены гидротермальным методом в лаборатории гидротермального синтеза Института кристаллографии РАН. Исходными веществами для изготовления циннабарита были чистая ртуть и сера. Электрические, электрооптические свойства кристаллов a-HgS и фотоэлектрические свойства кристаллов исследовались в [4,5].
Рис. 2. показывает ориентационную зависимость фотовольтаического тока Jx (в) в a-HgS. В соответствии с (1) и симметрией точечной группы 32, выражение для Jx (в) при освещении в направлении оси у имеет вид:
Jx =«111 cos2 ^ (4)
где в - угол между плоскостью поляризации света и осью х. Фотовольтаический ток измерялся в направлении [100]. Свет распространялся в направлении [010]. Сравнение экспериментальной угловой зависимости Jx (в) с (4) дает К11=(1-2)^10"9А^см^(Вт)-1 (Т = 133 К, X = 500 нм). Влияние оптической активности при распространения света в направлении [010] смещает угловое распределение Jx (в) (рис. 2).
Рис.2. Ориентационная зависимость фотовольтаического тока Jx (в) в а-Н^ (Т=133°К).
Направление распространения света указано в верхней части рисунка
Влияние оптической активности в г направлении было обнаружено, при исследовании угловой зависимости /х (в), в различных спектральных областях (рис.3).
На рис. 3 показано, что оптическая активность кристалла а-Н§Б сильно влияет на угловое распределение фотовольтаического тока, измеренного в линейно поляризованном свете. В соответствии с (1), угловая зависимость /х (в) при освещение в г направлении (ось г совпадает с осью симметрии третьего порядка) имеет вид.
Зхац1 (2^2 Р-1), (5)
где в - угол между плоскостью поляризации света и осью у Фотовольтаический ток измерялся в направлении [100]. Свет распространялся в направлении [001].
Рис. 3 указывает на хорошее соответствие между экспериментальной зависимостью 3Х (в) и (5) в области сильного поглощения света (X = 400 нм). Переход из коротковолновой области в длинноволновую, соответствующий уменьшению а*, изменяет характер угловой зависимости 3х (в) и ее амплитуду. На рис.3 представлена спектрально-угловая диаграмма фотовольтаического тока 3Х. Очевидно, что ее форма определяется оптического активностью в г-направлении, ее спектральной дисперсией, а также спектральным распределением фотовольтаического эффекта в a-HgS. Оптическая зависимость в г - направлении приводит, таким образом, к образованию структуры пространственного осциллирующего фотовольтаического тока 3Х .
Рис. 3. Спектрально-угловая диаграмма фотовольтаического тока в a-HgS (T=1330K). Направление распространения света указано в верхней части рисунка
Фотовольтаический ток Jx осциллирует в z направлении с периодом lo = п/х где х — коэффициент оптической активности. Угловая зависимость Jx (ß) совпадает с (5) только при условии сильного поглощения света (a* )-1 << l o, где a* - коэффициент поглощения света.
Автор благодарит В.А. Кузнецова за предоставление кристаллов и В.М. Фридки-на за обсуждение.
Литература
1. Glass A.M, Voh der Linbe D., Nerren T.J. High- voltage Bulk Photovoltaic effect and the Photorefractive
process in LiNbO3. // J.Appl. Phys. Let, 1974. -N4. -V. 25. - P.233-236.
2. Фридкин В.М. Фотосегнетоэлектрики. - М.: Наука. 1979. - С.186-216.
3. Белиничер В.И. Исследования фотогальванических эффектов в кристаллах. Дис. ... д-ра. физ-мат. на-
ук. - Новосибирск. 1982. - С 350.
4. Ефремова Е.П., Котельников В.А. Кристаллизация киновари в гидросульфидных растворах // Кристаллография. 1976. - Т.21. - В.3. - С.583-586.
5. Донецких В.И., Соболев В.В. Спектры отражения тригонального HgS // Оптика и спектроскопия. 1977. - Т.42. - В.2. - С.401-403.
6.Стурман Б.И., Фридкин В.М. Фотогальванические эффекты в средах без центра инверсии. М.: Наука. 1992. - 208 с.
7. Фридкин В.М. Объемный фотовольтаический эффект в кристаллах без центра симметрии.// Кристал-
лография. 2001. - Т.46. - № 4. - С.722-726.
8. Мирзамахмудов Т., Каримов М.А., Айибжонов М., Каримов Б.Х., Алиев М.И. Способ изготовления прозрачных токопроводящих плёнок на основе окислов металлов // Авторское свидетельства № 749304. 1980. 4с.
SPATIALLY OSCILLATING PHOTOVOLTAIC CURRENT IN OPICAL ACTIVE CRYSTALS
B.H. Karimov
Fergana State University, Fergana, Uzbekistan, e-mail: karimov1948@rambler.ru
In this work is considered the photovoltaic effect in the optical active crystals a-HgS. In optical active crystals - HgS for the first time is found out the spatially oscillating photovoltaic current of a new nature, namely, caused by rotation of a plane of polarization of light extending along an optical axis. It was investigated the spectral dependence of the spatially oscillating photovoltaic current in a-HgS and was shown it is determined accordingly by a dispersion of the optical activity, the photovoltaic effect and absorption of light. It was determined the photovoltaic factor kijk for a-HgS. This factor Kn=(1-2)-10"9A-sm-(W)-1 t T=133K and X = 500 nm.
Key words: photovoltaic effect, optical active crystals, spatially oscillating photovoltaic current.
