CC BY
34
УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ КАЗАНСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА Том 150, кн. 3 Физико-математические пауки 2008
УДК 535.215.31
ПРОСТРАНСТВЕННО-ОСЦИЛЛИРУЮЩИЙ ФОТОВОЛЬТАИЧЕСКИЙ ТОК В СЕГНЕТОЭЛЕКТРИКЕ 8Ь81 И ОПТИЧЕСКИ АКТИВНЫХ КРИСТАЛЛАХ
Б.Х. Каримов
Аннотация
В настоящей работе обнаружен и исследован прострапствеппо-осцпллпрующпй фото-вольтанческнй ток (ПОФТ) в направлении [100] в сегиетоэлектрике 8Ь81 при освещении поляризованным светом в направлении [010] и образовании от оптической зависимости в направлении [001] структуры ПОФТ Jx . Изложены результаты исследования ПОФТ в оптически активных кристаллах. Рассмотрены некоторые экспериментальные и физические основы прострапствешго-осциллирующего фотовольтаического тока.
Ключевые слова: фотовольтаический эффект, оптически активные кристаллы, пространственно осциллирующий фотовольтаический ток. сегпетоэлектрик.
Введение
В последние годы стало ясно, что в термодинамических неравновесных условиях возможны токи иной природы, обусловленные отсутствием среды центра симметрии. Важнейшим эффектом этого класса является аномальный фотовольтаический эффект (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 сегиетоэлектрике.
Аномальный фотовольтаический эффект, обнаруженный для сегнетоэлектри-ков впервые в [1. 2]. является частным случаем более общего АФ-эффекта. описываемого для кристаллов без центра симметрии тензором третьего ранга а^к [3, 4]:
= аг^к Е’к, (1)
Согласно (1). при равномерном освещении линейно поляризованным светом однородного кристаллов без центра симметрии (сегнето- или пъезоэлектрического кристалла) в нем возникает фотовольтаический ток , знак и величина которого зависят от ориентации вектора поляризации света с проекциями Е^, Е^ .
Компоненты тензора а^к отличны от нуля для 20 ацентричных групп симметрии. Если электроды кристалла разомкнуть, то фотовольтаический ток генери-
руст фотонапряжения Щ =------------1. где <тт и <Тф темповая и фотопроводимость
соответственно, I - расстояние между электродами. Генерируемое фотонапряжение порядка 10 3 —10 5 В превышает величину ширины запрещепной зоны ед на 2-4 порядка.
В соответствии с (1) и симметрией точечной группы кристалла можно записать выражение для фотовольтаического тока . Сравнение экспериментальной угловой зависимости Зг(в) с (1) позволяет определить фотовольтаический тензор
а^ или фотовольтаический коэффициеит Kjk = a*/aijk (а* - коэффициент поглощения света) [о].
Как показал Белиничер [3]. в зависимости от формы оптической индикатрисы и направления распространения плоскополяризовапиого света, в кристалле могут существовать направления, для которых фотовольтаический ток (1) является пространственно-осциллирующим. В этом случае:
Ji(x) aioeEeEo exp [i(ne no)qx] , (2)
где ne, no показатели преломления обыкновенного и необыкновенного лучей, Ee и E* - проекции вектора поляризации света па оптические оси кристалла, q = = 2п/А - волновой вектор. В этом случае фотовольтаический ток (2) осциллирует в кристалле с периодом lo = А (ne — no) 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 < lo, lo = А (ne — no)-1. (3)
1. Пространственно-осциллирующий фотовольтаический ток
в сегнетоэлектрике SbSI
В настоящей работе обнаружен и исследован ПОФТ в направлении [100] в се-гиетоэлектрике SbSI при освещении поляризованным светом в направлении [010].
Сульфоиодид сурьмы (SbSI) принадлежит к классу халькогенидов металлов пятой группы AVBVICn, где А - Sb, Bi; В - S, Se, Те; С - CL, Br, I. Кристаллы SbSI и SbSIxBr 1-x - двуосные, обладают большим двупреломлением, при температуре Кюри ниже Тс = 22 °С кристаллы SbSI принадлежат к классу mm2 и обладают ромбической симметрией. При фазовом превращении происходит исчезновение центра симметрии, следовательно, ниже точки перехода кристаллы SbSI становятся сегнетоэлектрпкамп.
°
менении температурной зависимости диэлектрической проницаемости. Кристаллы обладают ярко выраженными полупроводниковыми свойствами.
Измерения проводились для монокристаллов SbSI в сегнетоэлектрической фазе при температуре Т = 133 К. Кристалл освещался плоскополяризованным светом с помощью ксеионовой лампы и монохроматора ЗМР. Измерялся стационарный фотовольтаический ток J по ранее описанному [2] методу. В соответствии с симметрией SbSI (точечная группа mm2) при измерении Jz (z - направление спонтанной поляризации) и освещении кристалла в х- и у-направлениях ПОФТ не возникает. Выражения для фотовольтаического тока Jz при освещениив х-и у-направлениях соответственно имеют вид:
Jz = аз2I + (азз — аз2)Icos2 в, (4)
Jz = аз11 + (азз — аз1)/cos2 в, (5)
где I - ^^^^^^^гаость света, в ~ угол между плоскостью поляризация света и z
Jz (в) Для А = 600 нм при освещении вдоль [100]. Путем сравнения эксперимен-
Jz ( в)
а.цк и фотовольтаические коэффициенты Kjk = а*/а.^. С учетом плеохроизма н анизотропии отражения света в SbSI были получены следующие значения:
K31 « 4 • 10-8; K32 « 3 • 10-8; K33 « (2 — 3) • 10-^ ^^Вт-1.
15
30
1
5
10
180/*.град
-5
-10
Рис. 1. Зависимость фотовольтаического тока Jz (I) при Л = 600 нм и Jx (2) при Л = = 460 нм от ориентации плоскости поляризации света в 8Ь81
Таким образом, в 8ЬБ1 фотовольтаические коэффициенты К31, К32, К33 более чем на порядок превышают соответствующие коэффициенты в ОКЪО з :Ге.
Согласно (2), для 8ЬБ1 компоненты фотовольтаического тока Jx и Jy являются пространственно-осциллирующими. Однако при освещении кристалла в области сильного поглощения в направлении осей ^и у и при выполнении условия (3) вдоль поверхностей (100) и (010) соответственно текут токи:
где в - угол между плоскостью поляризации света и осью г. Согласно [1, 5], для БЬБ! условие сильного поглощения (3) должно выполняться уже при А < 470 нм. Для наблюдения ПОФТ в условиях сильного поглощения па грань пинакоида (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 А = 460 нм измерялся ток Jx (кривая 2) и в длинноволновой области (А = 600 нм, кривая 1) измеря лея ток Jz. Угловая зависимость измеряемого тока удовлетворяет (5), в то время как ток Jx в этой области вообще не может наблюдаться из-за нарушения условия (3) и пространственной осцилляции. На рис. 2 представлены спектральные Jz (кривая 1), Jx (кривая 2), отнесенные к единице падающий энергии, а также спектральная зависимость Ь = = 1аа* , построенная с учетом дисперсий п0, пе и коэффициента поглогцения а* в [010] направления.
Угловая зависимость Jx(в) в форме кривой 2 хорошо согласуется с (7) при К15 = (2 — 4) • 10-9 А • см • Вт-1 (А = 460 нм).
В то время как измерявшаяся ранее спектральная зависимость Jz является монотонной, спектральная зависимость Jx обнаруживает резкий максимум вблизи Ь = 1. Таким образом, спад Jx в длинноволновой области, где Ь ^ 1, обусловлен ПОФТ. Интересен спад Jx в коротковолновой области, где Ь > 1. Так как АФ-эффект не связан с временем жизни неравновесных носителей, то, возможно, этот коротковолновой спад Jx обусловлен уменьшением К15 и, следовательно, подвижности в направлении [100].
-а.241 сое 2/3, ^а151в1п2/3,
(6)
(7)
и.отн.ед. и отн.ед
Рис. 2. Спектральная зависимость Jz (1), Jx (2) и Ь = 10а* (3)
2. ПОФТ в оптически активных кристаллах аВ работе рассмотрен пространствснно-осциллирующий фотовольтаичсский ток
а
ные и физические основы ПОФТ в оптически активных кристаллах.
Сернистая ртуть существует в двух модификациях: черная модификация метациппабарит (в-Н^Б) - кристаллизуется в кубической системе (точечная группа 43т), красная модификация - циннабарит, или киноварь, (а-Е^Б) - кристаллизуется в тригоиальной системе (точечная группа 32).
В работе исследовались красные кристаллы киновари, обладающие особенно большим удельным вращением вдоль оптической оси для пропускаемых ими красных лучей ±р = 235 °/мм. Исследовались кристаллы а-Н^Б, выращенные гидротермальным методом в лаборатории гидротермального синтеза Института кристаллографии РАН. Исходными веществами для изготовления циниабарита были чистые ртуть и сера. Электрические, электрооитические и фотоэлектрические а
а
ловое распределение фотовольтапческого тока, измеренного в линейно поляризованном свете.
На рис. 3. показана ориентационная зависимость фотовольтапческого тока Jx(в) в а-^Б. В соответствии с (1) и симметрией точечной группы 32, выражение для ^ (в) при освещении в направлении оси у имеет вид:
Jx = ац/сов 2в, (8)
где в ~ угол между плоскостью поляризации света и осью х.
Сравнение экспериментальной угловой зависимости 7х(в) с (8) дает: К11 =
= (1-2)• 10 9 А•см^Вт-1 (Т = 133 К, А = 500 нм). Совпадение экспериментальной угловой зависимости Jx(в) с (8) показывает, что в области сильного поглощения (А = 500 нм, а* ^ 100 см-1) влияние оптической активности в направлении осп у на угловое распределение Jx(в) является незначительным. Влияние оптической активности в г-направлении было обнаружено при исследовании угловой зависимости Jx(в) в различных спектральных областях (рис. 4).
Рис. 3. Ориентационная зависимость фотовольтаического тока Jx(|3) в а-^в (Т = = 133 К)
Рис. 4. Спектрально-угловая диаграмма фотовольтаического тока в а-^в (Т = 133 К). Направление распространения света указано в верхней части рисунка
В соответствии с (1) угловая зависимость Jx(в) при освещении в г-направлении (ось г совпадает с осью симметрии третьего порядка) имеет вид
^аи1 (2 эш 2в - 1), (9)
где в - угол между плоскостью поляризации света и осью у.
Рис. 4 указывает на хорошее соответствие между экспериментальной зависимостью 7х(в^ ^ ^ ^^^^того поглощения света (А = 400 нм). Переход из
коротковолновой области в длинноволновую, соответствующий уменьшению а*, изменяет характер угловой зависимости Jx(в) и ее амплитуду.
На рис. 4 представлена спектрально-угловая диаграмма фотовольтаического тока Jx. Очевидно, что ее форма определяется оптического активностью в г-наиравлении, ее спектральной дисперсией, а также спектральным распределением фотовольтаического эффекта в а-ЩБ. Оптическая зависимость в -г-направлении приводит, таким образом, к образованию структуры иространственно-осциллирующего фотовольтаического тока Jx.
Фотовольтаический ток Jx осциллирует в 2-направлении с периодом 10 = п/х где х _ коэффициент оптической активности. Угловая зависимость Jx(в) совпадает с (9) только при условии сильного поглощения света (а*)-1 ^ 10.
Автор благодарит В.А. Кузнецова за предоставление кристаллов и В.М. Фрид-кину за обсуждение.
Summary
В.Н. Karimov. Spatially Oscillating Photovoltaic Current, in Ferroelectric SbSI and Optical Active Crystals.
The present work reveals and investigates spatially oscillating photovoltaic current (SOPC) in direction [100] in ferroelectric SbSI at illumination by polarized light in direction [010] and at formation from optical dependence in direction [001] of SOPC structure. Results of SOPC research in optical active crystals are stated. Some experimental and physical basics of SOPC are discussed.
Key words: photovoltaic effect, optical active crystals, spatially oscillating photovoltaic current., ferroelectric.
Литература
1. Glass A.M , Voh der Linbe D., Nerren T.J. Higli-volt.age Bulk Photovoltaic effect, and the Photorefractive process in LiNbOs // J- Appl. Phys. Lett. - 1974. - V. 25, No 4. -P. 233 236.
2. Фридкии B.M. Фотосегиетоэлектрики. М.: Наука, 1979. 264 с.
3. Белиииче.р В. И. Исследования фотогальвапических эффектов в кристаллах:
Дис. ... д-ра физ.-матем. паук. Новосибирск, 1982. 350 с.
4. Фридкии В.М. Объемный фотовольтаический эффект в кристаллах без центра симметрии // Кристаллография. 2001. Т. 46, .V 4. С. 722 726.
5. Стурмаи Б.И., Фридкии В.М. Фотогальвапические эффекты в средах без центра
инверсии. М.: Наука, 1992. 208 с.
6. Fatussu Е., Harbeke G., Mers W., Nitsche R., Ruppel E. Ferroelect.ricit.y in SbSI // Phys.
Rev. 1962. V. 1276. P. 2036 2037.
7. Ефремова Е.П., Кузнецов В.А., Котельников A.P. Кристаллизация киповари в гид-
росульфидных растворах // Кристаллография. 1976. Т. 21, .V 3. С. 583 586.
8. Донецких В.И., Соболев В.В. Спектры отражения тригопалыюго HgS // Оптика и спектроскопия. 1977. Т. 42. Л'! 2. С. 401 403.
Поступила в редакцию 10.05.08
Каримов Вахадир Хошимович кандидат физико-математических паук, доцепт кафедры физики Ферганского государственного университета, г. Фергана, Узбекистан. Е-шаП: каптоь! 94 8вгатЫег. ги
