Влияние отжига на Спектральные зависимости оптического поглощения в кристаллах силленитов Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

УДК 535343.2

ВЛИЯНИЕ ОТЖИГА НА СПЕКТРАЛЬНЫЕ ЗАВИСИМОСТИ ОПТИЧЕСКОГО ПОГЛОЩЕНИЯ В КРИСТАЛЛАХ СИЛЛЕНИТОВ

© 2013 Е.С. Худякова, А.Н. Гребенчуков

Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники

Поступила в редакцию 15.01.2013

Представлены результаты экспериментальных исследований и численной аппроксимации спектральных зависимостей оптического поглощения в нелегированных кристаллах силиката висмута Б1128Ю20 (Б80), подвергнутых термическому отжигу, а также ИК облучению. Обнаружены различия в спектральных зависимостях оптического поглощения и чувствительности к вакуумному отжигу и ИК засветке для кристаллов Б80, имеющих разное происхождение.

Ключевые слова: силикат висмута, спектральная зависимость, оптическое поглощение, отжиг в вакууме.

1. ВВЕДЕНИЕ

Оптические и фотоэлектрические свойства фоторефрактивных кристаллов со структурой силленита определяются дефектными центрами, уровни которых расположены в запрещенной зоне. Эти центры с высокой концентрацией связаны с нарушениями структуры или стехиометрии, как считается в [1], а не только с легирующими и неконтролируемыми примесями, и приводят к появлению "плеча" поглощения в диапазоне Л = 380 - 500 нм [1]. Вариации стехиометрии кристаллов силленитов в результате отжига в вакууме и на воздухе приводят к изменениям параметров дефектных центров и изменениям в спектре оптического поглощения.

В настоящей работе представлены результаты экспериментальных исследований и численной аппроксимации спектральных зависимостей оптического поглощения в спектральном диапазоне 400 - 1100 нм в нелегированных кристаллах силиката висмута, подвергнутых отжигу в вакууме при температурах от 620 до 785 ° C и последующему поэтапному отжигу в воздушной атмосфере в диапазоне температур 160 - 390 ° C.

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 2.1. Методика эксперимента

В экспериментах использовалась серия образцов среза (100), нарезанных из двух пластин номинально нелегированного монокристаллического силиката висмута, выращенного методом

Худякова Елена Сергеевна, магистрант, младший научный сотрудник кафедры электронных приборов. E-mail: [email protected]

Гребенчуков Александр Николаевич, студент кафедры электронных приборов. E-mail: [email protected]

Чохральского, с толщиной d1 = 0,75 мм (образец типа 1) и d2 = 0,9 мм (образец типа 2), имеющих различное происхождение. В ходе эксперимента образцы были подвергнуты отжигу в вакууме в диапазоне температур 620 - 785 ° С в течение 30 мин и последующим этапам отжига в воздушной атмосфере в диапазоне температур 160 - 390 ° С в течение 30 мин каждый. Образцы BSO, как нео-тожженные, так и отожженные, подвергались облучению импульсным лазерным излучением (Л = 1064 нм) со средней интенсивностью 235 мВт/см2 в течение 15 мин. Спектры оптического пропускания в диапазоне 400 - 1100 нм регистрировались на спектрофотометре Genesys 2 для исходного состояния кристалла, после отжига в вакууме и воздушной атмосфере, и после ИК-облучения.

2.2. Экспериментальные результаты

Спектральные зависимости коэффициента поглощения k( Л ) в исследованных образцах BSO типа 1 и типа 2 для исходного состояния представлены на рис. 1. Как видно из данного рисунка, имеются различия в спектрах оптического поглощения в образцах типа 1 и типа 2, заметные в диапазоне 390-500 нм. Эксперименты по исследованию вращения плоскости поляризации показали, что значения постоянных вращения для кристаллов BSO типа 1 и типа 2 одинаковы и равны ахх =20 угл.град/мм на длине волны Л = 632 нм и (ХЛ2 = 30 угл.град/мм для Л2 = 532 нм.

После отжига в вакууме при температуре 720 ° C образца типа 1 наблюдается увеличение его оптического поглощения во всем исследованном диапазоне. Спектральные зависимости наведенных изменений в поглощении Д£(Л), полученные вычитанием коэффициентов поглощения кристалла до и после отжига, для температуры отжига 720 ° C пред-

Рис. 1. Спектральные зависимости оптического поглощения в кристаллах BSO в исходном состоянии: 1 - образец типа 1, 2 - образец типа 2. Кружки - экспериментальные данные; сплошные линии - расчетные зависимости

ставлены на рис. 2 (кривая 1). Увеличение температуры отжига до 785 ° C приводило к увеличению наведенных изменений в спектре оптического поглощения и появлению широкой полосы с максимумом при X = 450 нм и значением Ak: 2 см-1 при значении коэффициента поглощения на этой длине волны k = 16 см-1.

Исследования спектральных зависимостей коэффициента поглощения в образцах типа 2, подвергнутых отжигу в вакууме в диапазоне температур 620 - 680 ° C, показали, что отжиг в вакууме не приводит к изменениям в оптическом поглощении. Облучение исходных образцов типа 1 импульсным излучением ( X = 1064 нм) привело к уменьшению их оптического поглощения в диапазоне 400 - 550 нм, однако после отжига в вакууме они теряли чувствительность к ИК засветке. Образцы типа 2 на ИК засветку не реагировали, как в исходном состоянии, так и после отжига в вакууме.

Последующий отжиг в воздушной атмосфере образцов типа 1 привел к уменьшению изменений в оптическом поглощении. С увеличением температуры отжига от 160 до 350 ° С интенсивность полосы поглощения при X : 450 нм значительно снижается (рис. 2, кривые 2 и 3), и для области 500 — 1100 нм наблюдается постепенное приближение к исходному спектру примесного поглощения.

Известно [1], что отжиг кристаллов силлени-тов в вакууме приводит к образованию вакансий кислорода и висмута, в то время как последующий отжиг на воздухе уменьшает концентрацию только кислородных вакансий. Можно предположить, что широкая полоса с максимумом на длине волны X : 450 нм, появляющаяся в спектре наведенных изменений в поглощении после вакуумного отжига, может быть связана с дефектами, обусловленными вакансиями кислорода.

Рис. 2. Спектральные зависимости изменений в оптическом поглощении в образце Б80 типа 1: после отжига в вакууме при Т = 720 ° С (1) и после отжига в воздушной атмосфере при 160 ° С (2) и 350 ° С (3).

Кружки - экспериментальные данные; сплошные линии - расчетные зависимости

Последующий отжиг кристалла в воздушной атмосфере приводит к насыщению его кислородом, и как следствие, к снижению поглощения в полосе, обусловленной значительным количеством кислородных вакансий. Полученные в экспериментах данные по отсутствию эффекта уменьшения оптического поглощения в образце типа 1 после засветки излучением с длиной волны X = 1064 нм могут быть связаны с обеднением ионами Б1 исследованного образца Б80 при отжиге в вакууме. Кроме того, данный эффект просветления кристалла не наблюдался и после всех последующих этапов отжига в воздушной атмосфере.

3. АНАЛИЗ И ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Для аппроксимации экспериментальных зависимостей &( X ) и Д£(X) мы учитывали вклад в примесное поглощение процессов фотовозбуждения электронов в зону проводимости с глубоких донорных центров с нормальным законом распределения концентраций по энергии ионизации Е1 [2],

N (E,) = X Р„ exp

(E. - E, )2

A E2

(1)

где Еп и ДЕп - параметры нормального распределения, а коэффициенты рп учитывают заполнение центра гс-типа электронами.

Кроме этого мы учитывали вклад в примесное поглощение внутрицентровых переходов, описывающихся кривыми Гаусса вида [3]

к 1(Йю) = 2 кгт ехр

где Ет и АЕт соответствуют центральной частоте Ют = Ет / Й и спектральной ширине Ают = АЕт / Й для m-го перехода, а Шт определяет вклад данного внутрицентрового перехода в оптическое поглощение.

Суммарный коэффициент поглощения для излучения с частотой ю может быть найден в виде интеграла

к(Йю) = к1(Йю) +

ы ЩЕЕ^1 '

( - ( Ет - Й Ю )2 Л

V

АЕ,

, (2)

У

\ ЩЦ )-

(Ю Е1 / 1+ехр[(( -Ц )/к?]

-Е

+Ь

ЛЕ - Щ

. АЕ . V р У

, (3)

расчетные зависимости, представленные на рис. 1 и рис. 2 сплошными линиями, приведены в табл. 1 и 2.

Согласно численной аппроксимации получено, что в образце типа 2 в исходном состоянии практически отсутствуют вклады в поглощение внутрицентровых переходов и имеет место меньшее заполнение электронами глубоких центров, по сравнению с образцом типа 1. Спектральные зависимости вблизи края поглощения для обоих образцов описываются правилом Урбаха с параметрами, различающимися для образцов 1 и 2.

Расчеты показали, что с ростом температуры отжига в вакууме в образце типа 1 происходит увеличение заполнения электронами глубоких центров и уменьшение вклада внутрицентровых переходов в поглощение. Последующий отжиг в воздушной атмосфере приводит к уменьшению заполнения глубоких центров и уменьшению наведенных изменений в поглощении.

4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

где 5 - сечение фотоионизации глубокого центра; энергия ЕР равна расстоянию от уровня Ферми до дна зоны проводимости; кв - постоянная Боль-цмана и Т - абсолютная температура. Третье слагаемое в выражении (3) описывает край фундаментального поглощения, подчиняющийся правилу Урбаха с шириной запрещенной зоны для Б80, составляющей величину Е^ = 3,25 эВ [1].

Значения параметров модели в образцах типа 1 и типа 2 кристалла Б80, при которых получены

Таким образом, отжиг в вакууме кристалла В1128Ю20 (образец типа 1) при температурах от 620 до 785 ° С приводит к увеличению коэффициента поглощения в спектральном диапазоне 400 -1100 нм и появлению широкой полосы с максимумом на длине волны X = 450 нм в спектре наведенных изменений в оптическом поглощении. Последующий отжиг в воздушной атмосфере при температурах 160 - 350 ° С приводит к уменьшению наведенных изменений в этой полосе.

Таблица 1. Параметры модели для аппроксимации вклада внутрицентровых переходов в оптическое поглощение

т

о

т 1 2 3 4 5 6

Е э СО 1,5 1,635 1,76 2,156 2,414 2,696

АЕ , эВ т ' 0,010 0,074 0,1 0,32 0,155 0,282

Шт (образец типа 1), см 0,063 0,051 0,054 0,021 0,29 0,03

Ыт (образец типа 2), см 0 0 0 0 0,109 0

Таблица 2. Параметры модели для аппроксимации вклада в оптическое поглощение переходов с глубоких донорных центров в зону проводимости

п 1 2 3 4 5 Параметр Урбаха

Е , эВ п 0,818 1,22 1,602 1,947 2,7 3,25

АЕ , эВ п 7 0,221 0,2 0,17 1,136 0,253 0,0782(1) 0,062 (2)

Ьп = 5 ■Рп см"1-эВ"1 образец типа 1 3,36 0,096 1,85 2,98 331 186

образец типа 2 0 0,448 0,048 1,116 289,4 206,3

Обнаруженные различия в спектральных зависимостях оптического поглощения и в их чувствительности к вакуумному отжигу и ИК засветке для нелегированных кристаллов Б80, имеющих разное происхождение, могут быть связаны с их разной стехиометрией в исходном состоянии. Природа таких процессов и их возможный вклад в примесное поглощение в кристаллах силлени-тов требует дальнейшего изучения.

Работа выполнена в рамках Госзадания Ми-нобрнауки РФ на2012 г. (проект № 7.2647.2011) и при поддержке РФФИ (проект № 12-02-90038-Бел_а). Авторы благодарят М.Г. Кистеневу за постановку задачи и С.М. Шандарова за полезные консультации.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Фотоиндуцированные явления в силленитах / В.К. Малиновский, О.А. Гудаев, В.А. Гусев и др. Новосибирск: Наука, 1990. 160 с.

2. Спектральная зависимость фотоиндуцированного поглощения, наведенного в кристалле Bi12TiO20 импульсным излучением с длиной волны 532 нм / АЛ. Толстик, А.Ю. Матусевич, М.Г. Кистенева, С.М. Шан-даров, С.И. Иткин, А.Е. Мандель, Ю.Ф. Каргин, Ю.Н. Кульчин, Р.В. Ромашко // Квантовая электроника. 2007. Т. 37, № 11. С. 1027-1032.

3. Photo- and thermoinduced changes of the optical absorption in Bi12SiO20 crystals/ M.G. Kisteneva, A.S. Akrestina, S.M. Shandarov, S.V. Smirnov // Journal of Holography and Specie. 2009. Vol. 5, P. 1-6.

ANNEALING INFLUENCE ON SPECTRUM DEPENDENCE OF THE OPTICAL ABSORPTION OF BISMUTH SILICON OXIDE CRYSTALS

© 2013 E.S. Khudyakova, A.N. Grebenchukov

Tomsk State University of Control System and Radioelectronics

In the present work, the results of experimental investigations and approximation of the spectral dependence of optical absorption in undoped bismuth silicon oxide crystals Bi12SiO20 (BSO) annealed, as well as after IR-radiation are presented. Differences in the spectral dependence of the optical absorption and in sensitivity to the vacuum annealing and IR radiation are experimentally shown in BSO crystals with different origin. Key words: bismuth silicon oxide, spectrum dependences, optical absorption, vacuum annealing.

Elena Khudyakova, Undergraduate, Associate Research Fellow at the Electronic Devices Department. E-mail: [email protected]

Alexander Grebenchukov, Student at the Electronic Devices Department. E-mail: [email protected]