CC BY
22
УДК 53.043+53.09+535.4
ВЛИЯНИЕ ПОСТОЯННОГО ТОКА СМЕЩЕНИЯ НА ФОТОТОК В Ag/Pd НАНОКОМПОЗИТНОЙ ПЛЁНКЕ ПРИ ИМПУЛЬСНОЙ ЛАЗЕРНОЙ НАКАЧКЕ
ЗОНОВ Р. Г., САУШИН А. С., СТЯПШИН В. М., МИХЕЕВ Г. М.
Удмуртский федеральный исследовательский центр Уральского отделения РАН, 426067, г. Ижевск, ул. Т. Барамзиной, 34
АННОТАЦИЯ. В данной работе представлены результаты экспериментальных исследований влияния постоянного тока смещения на форму импульсов поляризационно-ориентационного чувствительного фототока в Ад/Рё нанокомпозитных пленках при наносекундном лазерном возбуждении на длине волны 532 нм. Обнаружено, что при постоянном токе смещения в исследуемых пленках возникает не зависящая от знака угла падения дополнительная составляющая фототока, длительность импульса которой, значительно превышает длительность поляризационно-чувствительного фототока. Приведены закономерности, характеризующие влияние постоянного тока смещения на амплитуду и временную форму импульсов поляризационно-чувствительного фототока в исследуемых пленках.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: Ад/Рё нанокомпозитные плёнки, поляризационно-ориентационно-чувствительный фототок, постоянный ток смещения, временная форма импульсов фототока, импульсное лазерное возбуждение.
ВВЕДЕНИЕ
Электрический ток, возникающий в материале под действием света, называется фототоком. Воздействие лазерного излучения на электропроводящие материалы может приводить к генерации фототока, амплитуда и знак которого зависят от поляризации и угла падения излучения [1, 2]. Такой фототок будем называть поляризационно-ориентационно-чувствительным фототоком (ПОЧФТ). В соответствии с [2], ПОЧФТ, возникающий на поверхности поликристаллической медной пластины, можно объяснить одновременным проявлением эффекта увлечения (ЭУ) [3, 4] и поверхностного фотогальванического эффекта (ПФГЭ) [5]. Фототок при ЭУ возникает за счёт взаимодействия носителей заряда (например, электронов) с фотонами, при котором, помимо энергии, носитель заряда также получает и импульс фотона, что может приводить к возникновению движения носителей заряда относительно решётки твёрдого тела. Фототок, возникающий за счёт ПФГЭ, обусловлен поляризационно-индуцированной анизотропией распределения фотовозбужденных электронов по квазиимпульсам и диффузностью их рассеяния на поверхности исследуемого образца. ЭУ и ПФГЭ возможны в средах без ограничения по симметрии [6]. В объёмных материалах с высокой электропроводимостью результирующий фототок, обусловленный ЭУ и ПФГЭ, существенно ослабляется за счёт внутренних токов короткого замыкания. По этой причине наблюдение ПОЧФТ в объёмных электропроводящих материалах (медь, серебро, золото) требует специальной сверхчувствительной аппаратуры. В работе [2] ПОЧФТ в медной пластине исследовался при температуре жидкого гелия с помощью сверхчувствительного СКВИД-магнитометра. Однако в Ад/Рё нанокомпозитных пленках с удельным поверхностным сопротивлением несколько десятков Ом на квадрат фототок ПОЧФТ может достичь уровня до 1 нА/Вт при комнатной температуре. Такой фототок можно зарегистрировать с помощью стандартных цифровых осциллографов с внутренним сопротивлением 50 Ом с чувствительностью 2 мВ/деление [7 - 9]. ПОЧФТ, возникающий при импульсном лазерном возбуждении, исследовался и в других плёночных структурах из полуметаллов и металлов [1, 10 - 13], в двумерном электронном газе [14] и в наноуглеродных плёнках [15 - 18], имеющих приемлемое значение удельного поверхностного сопротивления. Обычно ПОЧФТ, возникающий в плёночных структурах, связывают с ЭУ. При этом фототок, возникающий за счёт ЭУ в наноструктурированных
плёнках, может быть усилен за счёт возбуждения поверхностных плазмонов при определённой поляризации и геометрии эксперимента [11]. Величина вклада ПОЧФТ, возникающего за счет ПФГЭ, исследовалось в небольшом количестве работ [2, 16, 19].
Обычно фототок, возникающий за счёт ЭУ, практически безынерционен. Характерное время фотоотклика ЭУ определяется временем релаксации импульса носителей заряда, которое составляет величину 10-12 - 10-13 с (см., например, [20]). Поэтому это явление можно использовать для разработки и создания быстродействующих фотоприёмников для определения энергетических и временных параметров коротких лазерных импульсов [20 - 23] и анализаторов поляризации лазерного излучения [24, 19], работающих в видимом, среднем, дальнем ИК и субмиллиметровом диапазонах. В реальных фотоприёмниках на основе ЭУ время нарастания сигнала составляет около 1 нс, что определяется временем прохождения света через полупроводниковый образец и переходными процессами измерительной электрической цепи [20].
Между тем, исследования взаимодействия наносекундных лазерных импульсов с Ag/Pd нанокомпозитными плёнками показали, что импульсы ПОЧФТ, возникающие в этих структурах, не только не повторяют форму падающих наносекундных лазерных импульсов, но и их длительность существенно больше длительности возбуждающих импульсов света [7, 9, 25, 26]. Эксперименты, проведённые с использованием фемтосекундных лазерных импульсов показали, что длительность импульсов ПОЧФТ в Ag/Pd нанокомпозитных плёнках составляет не менее 4,8 нс [27, 28]. В то же время амплитудные и поляризационные зависимости фототока в указанных плёнках хорошо описывались ЭУ и ПФГЭ. Согласно [29], основными структурными составляющими Ag/Pd нанокомпозитных плёнок являются металлическая (твёрдый раствор Ag-Pd) и полупроводниковая (оксид палладия PdO) фазовые составляющие. Исходя из этого, в работах [27, 28] была выдвинута гипотеза о влиянии барьеров Шоттки, возможных на стыке металлических и полупроводниковых составляющих исследуемых плёнок [30], на форму импульсов ПОЧФТ. Можно предположить, что подключением источника постоянного напряжения можно уменьшить влияние барьеров Шоттки на ПОЧФТ. В связи с этим, целью данной работы является исследование влияния постоянного тока смещения на форму импульсов ПОЧФТ.
ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Для экспериментов по толстоплёночной технологии [31] путём вжигания резистивной пасты на керамической подложке были изготовлены Ag/Pd резистивные плёнки размером 12,5^11 мм и толщиной ~ 10 мкм. В состав пасты входили следующие компоненты: Ag2O - 17,78, Pd - 18,05, стекло свинцовоборосиликатное - 44,17, органическая связка -20 вес. %. Пасту вжигали при температуре Tbur = 833 K в течение 40 минут. Для измерения фототока между керамической подложкой и нанокомпозитной плёнкой формировались два параллельных плёночных серебряных электрода. Сопротивление постоянному току RAB между измерительными электродами составляло около 60 Ом.
Оптические и электрическая схемы экспериментов представлены на рис. 1 и рис. 2 соответственно. Эксперименты проводились с помощью линейно поляризованного
3+
излучения второй гармоники YAG:Nd -лазера на длине волны 532 нм. Длительность лазерного импульса tp, измеренная по уровню 0,5 от максимального значения амплитуды с помощью фотоприёмника SIR-5 (ThorLabs) с быстродействием около 60 пс и широкополосного цифрового осциллографа TDS7704B (Tektronix) с полосой пропускания 7 ГГц и входным сопротивлением r = 50 Ом, составляла 13,6 нс. Энергия лазерных импульсов Ein, падающих на плёнку, измерялась с помощью пироэлектрического измерителя энергии ES111 через интерфейс PM100USB (ThorLabs).
Мощность лазерного излучения управлялась с помощью полуволновой пластины и поляризатора. Исследуемая плёнка была ориентирована под углом a = 45° к падающему пучку лазера, а измерительные электроды были ориентированы перпендикулярно к
плоскости падения (рис. 1, а). Таким образом, в экспериментах измерялся продольный фототок, т.е. фототок, лежащий в плоскости падения. Для исследования фототока, не связанного с ПОЧФТ, использовалась геометрия эксперимента, когда измерительные электроды ориентированы параллельно к плоскости падения (рис. 1, б). При такой геометрии эксперимента в соответствии с [19] и р- и я-поляризациях падающего излучения при любом угле падения ПОЧФТ не возникает.
к - волновой вектор падающего излучения, п - нормаль к поверхности пленки, а - плоскость падения, А и В - измерительные электроды
Рис. 1. Оптические схемы экспериментов для: а) измерения продольного (электроды расположены перпендикулярно плоскости падения); б) поперечного фототоков (электроды расположены параллельно плоскости падения)
Для возбуждения постоянного электрического тока в пленке между измерительными электродами использовался источник постоянного напряжения в виде аккумуляторной батареи (рис. 1, б). В экспериментах использовались аккумуляторные батареи с напряжением е = 3,7 В. Для управления силой тока смещения /ь, определяемого по формуле /ь = е/(Я+Ядв) применялся подстроечный резистор Я, состоящий из двух, первого номиналом 470 Ом для грубой установки тока и второго, номиналом 100 Ом для точной подстройки. Последовательно с резистором была подключена индуктивная нагрузка Ь = 60 цИ из расчёта шЬ >> Ядв, шЬ >> г, где ш - ширина частотного спектра импульсов фототока. Измерительные электроды подключались к входу широкополосного цифрового осциллографа через разделительный конденсатор с емкостью С = 1 цФ. Характерное время т = гС переходной цепочки удовлетворяло условию т >> где ^ - длительность импульса фототока, измеряемая по уровню 0,5 от амплитудного значения. Это обеспечивало разделение постоянного тока смещения и импульсного фототока, возбуждаемых аккумуляторной батареей и импульсами лазера соответственно. Таким образом, осуществлялось регистрация временной формы импульсов фототока без какого-либо его искажения, вносимого разделительным конденсатором С.
Для проведения сравнительных экспериментов в электрическую цепь (рис. 2) вместо исследуемой плёнки подключался серийный фоторезистор (УТ23№). При этом сопротивление резистора К выбиралось на уровне нескольких тысяч Ом.
осциллограф
Рис. 2. Электрическая схема эксперимента
Для выявления влияния тока смещения на фототок в исследуемой пленке при лазерном облучении эксперименты проводились при нормальном падении лазерного излучения на пленку (а = 0), при котором ПОЧФТ отсутствует.
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Временная форма лазерного импульса, падающего на пленку и соответствующая временная форма продольного импульса ПОЧФТ, возникающего в пленке при угле падения а = 45°, показаны на рис. 3, а и рис. 3, б соответственно. Согласно работам [7 - 9, 18, 25, 28], генерация ПОЧФТ в Ag/Pd нанокомпозитных пленках при нормальном падении лазерного излучения не возникает (рис. 3, в). Однако при подаче напряжения на пленку согласно электрической схеме, представленной на рис. 1, а, при а = 0 (нормальное падение) возникает импульс фототока (рис. 3, г). Его длительность на один порядок больше длительности лазерного импульса, а также длительности ПОЧФТ, возникающего в пленке, например, при а = 45°. Далее этот импульс будем называть импульсом тока смещения (ИТС). Эксперименты показали, что полярность ИТС не зависит от знака угла падения, но зависит от полярности напряжения на плёнке. На рис. 3, г верхняя осциллограмма ИТС получена при положительной полярности е источника постоянного напряжения (положительный электрод аккумуляторной батареи подключен к подстрочному резистору К), а нижняя осциллограмма была получена при отрицательной полярности е источника постоянного напряжения (отрицательный электрод аккумуляторной батареи подключен к подстрочному резистору К) в соответствии с электрической схемой, представленной на рис. 2.
Рис. 3. Формы импульсов: а) форма лазерного импульса, б) форма импульса ПОЧФТ при а = 45°, в) форма импульса ПОЧФТ при а = 0, г) форма ИТС при а = 0 в случаях положительного и отрицательного напряжениях аккумуляторной батареи
На рис. 4 и 5 показаны зависимости коэффициента преобразования лазерной мощности Литс в ИТС от тока смещения /ь, протекающего через исследуемую пленку, при заданной лазерной мощности Pm, а также зависимость Литс от Pin при заданном значении /ь, где Литс = //Pin, / = иитс/r, Цитс - амплитуда напряжения ИТС, измеряемого с помощью цифрового осциллографа с входным сопротивлением r, Pin = Ein/tp. Обе эти зависимости носят монотонно нарастающий характер по линейному закону.
Ток смещения /„, шА Рис. 4. Зависимость коэффициента преобразования лазерной мощности в ИТС от модуля тока смещения при мощности лазерного излучения 100 кВт (точки - эксперимент, прямая -аппроксимация)
0 40 80 120 160 200
Мощность лазерного излучения Pin, кВт
Рис. 5. Зависимость коэффициента преобразования лазерной мощности в ИТС от мощности лазерного
излучения при токе смещения /ь = 40 шЛ (точки - эксперимент, прямая - аппроксимация)
На рис. 6 показаны временные формы ИТС, полученные при различных диаметрах лазерного пучка на пленке, но при заданной падающей мощности. Видно, что полученные импульсы практически полностью совпадают и по амплитуде, и по форме. Таким образом, ИТС зависит от мощности, но не зависит от плотности мощности падающего излучения. Дополнительные исследования показали, что при фиксированной полярности аккумуляторной батареи амплитуда и полярность ИТС также не зависит от координаты точки пленки, облучаемой узким лазерным пучком.
Рис. 6. Формы ИТС при различных диаметрах лазерного пятна на поверхности Ag/Pd пленки
ПОЧФТ в Л§/Рё пленках отсутствует при ориентации измерительных электродов параллельно плоскости падения при р- и ^-поляризациях падающего излучения при любом угле падения (см., например, [8, 18, 32]). В связи с этим зависимость ИТС от угла падения а исследовалась для р-поляризованного излучения при ориентации измерительных электродов параллельно к плоскости падения. Полученный результат представлен на рис. 7. Видно, что полярность ИТС не зависит от знака угла падения, а его амплитуда практически не зависит от а.
Рис. 7. Зависимость коэффициента чувствительности ИТС от угла падения а лазерного излучения на Ag/Pd пленку
Появление ИТС можно объяснить изменением сопротивления Ag/Pd пленки под действием лазерного излучения. Хорошо известно явление фотопроводимости, при котором происходит изменение электропроводности вещества при поглощении фотонов. Обычно это явление наблюдается в полупроводниковых материалах, в которых под действием света происходит появление добавочных (неравновесных) электронов (в зоне проводимости) и дырок (в валентной зоне). В результате этого электрическое сопротивление полупроводникового образца уменьшается. После выключения источника освещения электрическое сопротивление через некоторое время приобретает первоначальное значение. В нашем случае появление положительного ИТС для электрической цепи, представленной на рис. 2 (где положительный вывод аккумуляторной батареи подключен к подстроечному резистору) свидетельствует о том, что электрическое сопротивление Ag/Pd пленки во время действия импульса лазерного излучения не уменьшается, а возрастает. Это следует из анализа электрической цепи, представленной на рис. 2. Если бы сопротивление Ag/Pd пленки во время лазерного облучения уменьшалось, то на экране осциллографа можно было бы наблюдать появление отрицательного импульса. Однако в эксперименте наблюдается импульс положительной полярности (рис. 8, верхняя осциллограмма). Между тем, при подключении фоторезистора (например, VT23N3) в электрическую цепь, вместо исследуемой пленки, на экране осциллографа возникает отрицательный импульс (рис. 8, нижняя осциллограмма), обусловленный уменьшением сопротивления фоторезистора во время лазерного облучения. Уменьшение проводимости Ag/Pd пленки под действием лазерного излучения может быть связано с нагревом поверхности пленки, приводящим к увеличению поверхностного сопротивления пленки.
Следует отметить, что ИТС по своим проявлениям и физической природе отличаются от импульсов термо-ЭДС, наблюдаемых в Ag/Pd пленках под действием периодических лазерных импульсов с высокой частотой повторения [33, 34].
ОмВ
0 мВ импульс ИТС в Ад/Рс1, £ = +3,7 В
; !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! ! , 80нс,
1 импульс фотопроводимост! 4 в фоторезисторе УТ23№, е = +3,7 В
Рис. 8. Временная форма ИТС в Ag/Pd плёнке и временная форма импульса фотопроводимости в фоторезисторе УТ23Ю, возникающие при их облучении импульсами лазера при положительной полярности аккумуляторной батареи (см. рис. 2)
На рис. 9 представлены формы импульсов ПОЧФТ, полученные при углах падения а = 45° (рис. 9, а) и а = -45° (рис. 9, б) без подачи и с подачей постоянного положительного и отрицательного токов смещения 1ь на пленку. Видно, что в случае 1ь = 0 импульсы ПОЧФХ, полученные при а = 45° и а = -45°, имеют противоположную полярность и являются зеркально симметричными относительно оси времени /. Это согласуется с ранее полученными результатами по исследованию ПОЧФТ в Ag/Pd пленках [28, 32]. Однако эта симметрия нарушается при подаче тока смещения на пленку. Это объясняется наложением на импульсы ПОЧФТ импульсов ИТС, не меняющих свою полярность при изменении знака угла падения (рис. 9). В результате амплитудные значения и временные параметры (длительность, время нарастания/спада переднего фронта, а также время спада/нарастания заднего фронта) импульсов ПОЧФТ при а = ±45°, полученных при наложении постоянного напряжения на пленку заметно отличаются. Из рис. 9 ясно видно, что при а = 45° и £ = +3,7 В включение тока смещения приводит к увеличению амплитуды фототока ПОЧФТ, а при а = -45° и £ = +3,7 В подача тока смещения сопровождается уменьшением амплитуды фототока. При £ = -3,7 В изменение угла падения с +45° на -45° приводит к увеличению амплитуды импульсов ПОЧФТ.
Рис. 9. Формы импульсов ПОЧФТ при угле падения лазерного излучения а = ±45°, полученные при пропускании тока смещения /ь различного номинала и полярности через Ag/Pd пленку
На рис. 10 показаны экспериментальные зависимости коэффициентов преобразования ЛПОЧФТ лазерной мощности в ПОЧФТ, измеренные при а = 45°, от постоянного тока смещения /ь, проходящего через пленку (напряжение е аккумуляторной батареи 3,7 В), где ЛПОЧФТ = иПОЧФТ/Рт. Здесь иПОЧФТ - амплитуда импульса напряжения ПОЧФТ, возникающего на экране осциллографа при облучении пленки импульсом лазера, имеющем энергию Ет. На рис. 11 и 12 показаны соответствующие зависимости временных параметров импульсов тПоЧФТ поляризационно-чувствительного фототока от /,. Видно, что при фиксированном напряжении аккумуляторной батареи е = 3,7 В увеличение тока смещения в зависимости от знака угла падения может приводить либо к увеличению, либо к уменьшению времени спада импульсов ПОЧФТ (рис. 12). При этом изменение длительности и времени нарастания импульсов ПОЧФТ с увеличением тока смещения проявляется не столь явным образом. Все это наглядно демонстрирует, что постоянный ток смещения может заметно влиять на амплитуду и временную форму импульсов ПОЧФТ.
Рис. 10. Экспериментальные зависимости коэффициентов преобразования лазерной мощности в ПОЧФТ от постоянного тока смещения /ь при е = 3,7 В для углов падения а = ±45°
са
200
-45°, е = +3,7 В
20 40
Ток смещения |/ь|, мА Рис. 11. Зависимости длительности и времени нарастания импульсов ПОЧФТ от постоянного тока смещения при е = 3,7 В для углов падения а = ±45°
20 40
Ток смещения /ь, мА
Рис. 12. Зависимости времени спада импульсов ПОЧФТ от постоянного тока смещения при е = 3,7 В для углов падения а = ±45°
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Таким образом, в данной работе проведены эксперименты по исследованию влияния постоянного тока смещения на ПОЧФТ в Ag/Pd нанокомпозитной пленке при возбуждении лазерными импульсами наносекундной длительности на длине волны 532 нм. При нормальном падении излучения на пленку без тока смещения генерация ПОЧФТ отсутствует. При подаче постоянного напряжения на пленку при нормальном падении излучения на пленку возникает ИТС с крутым передним фронтом и медленно спадающим задним фронтом, определяющим его большую длительность около 500 нс. Поляризация падающего излучения и угол падения практически не влияют на амплитуду и временную форму ИТС. Полярность ИТС не зависит от знака угла падения, а определяется полярностью постоянного напряжения, приложенного к пленке. При постоянном токе смещения амплитуда ИТС возрастает с увеличением мощности падающего излучения, а при постоянной мощности падающего излучения, амплитуда ИТС возрастает с увеличением тока смещения. Импульс тока смещения не зависит от положения лазерного пятна на пленке. При наклонном падении излучения на пленку возникает импульс ПОЧФТ, на временную форму которого оказывает влияние генерация ИТС, причем, чем больше ток смещения, тем больше такое влияние.
Работа выполнена при финансовой поддержке Президиума УрО РАН (проект № 18-10-1-29) и РФФИ (проект № 18-32-00224).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Берегулин Е. В., Валов П. М., Рывкин С. М., Ярошецкий И. Д., Лискер И. С., Пукшанский А. Л. Эффект увлечения электронов светом в полуметаллах // Письма в Журнал экспериментальной и теоретической физики. 1977. Т. 25, № 2. С. 113-116. http://www.jetpletters.ac.ru/ps/494/article_7826.pdf
2. Gurevich V. L., Laiho R. Photomagnetism of metals. First observation of dependence on polarization of light // Physics of the Solid State, 2000, vol. 42, no. 10, pp. 1807-1812.
3. Danishevskii A. M., Kastal'skii A. A., Ryvkin S. M., and Yaroshetskii I. D. Dragging of Free Carriers by Photons in Direct Interband Transitions in Semiconductors // Журнал экспериментальной и теоретической физики. 1970. Т. 58, № 2. С. 544-550.
4. Gibson A. F., Kimmitt M. F., Walker A. C. Photon drag in germanium // Applied Physics Letters, 1970, vol. 17, no. 2, pp. 75-77.
5. Альперович В. Л., Белиничер В. И., Новиков В. Н., Терехов А. С. Поверхностный фотогальванический эффект в твердых телах. Теория и эксперимент для межзонных переходов в арсениде галлия // Журнал экспериментальной и теоретической физики. 1981. Т. 80, № 6. С. 2298-2311.
6. Glazov M. M., Ganichev S. D. High frequency electric field induced nonlinear effects in graphene (review) // Physics Reports, 2014, vol. 535, no. 3, pp. 101-138.
7. Михеев Г.М., Зонов Р.Г., Александров В.А. Светоиндуцированная ЭДС в серебро-палладиевых резистивных пленках // Письма в Журнал технической физики. 2010. Т. 36, № 14. С. 79-87.
8. Михеев Г. М., Александров В. А., Саушин А. С. Наблюдение циркулярного фотогальванического эффекта в серебро-палладиевых резистивных пленках // Письма в Журнал технической физики. 2011. Т. 37, № 12. С. 16-24.
9. Михеев Г.М., Саушин А.С., Зонов Р.Г., Стяпшин В.М. Спектральная зависимость циркулярного фототока в серебро-палладиевых резистивных пленках // Письма в Журнал технической физики. 2014. Т 40, № 10. С. 37-45.
10. Vengurlekar A. S., Ishihara T. Surface plasmon enhanced photon drag in metal films // Applied Physics Letters, 2005, vol. 87, no. 9, pp. 091118.
11. Noginova N., Rono V., Bezares F. J., Caldwell J. D. Plasmon drag effect in metal nanostructures // New Journal of Physics, 2013, vol. 15, no. 11, pp. 113061.
12. Akbari M., Onoda M., Ishihara T. Photo-induced voltage in nano-porous gold thin film // Optics Express, 2015. vol. 23, no. 2, pp. 823-832.
13. Akbari M., Ishihara T. Polarization dependence of transverse photo-induced voltage in gold thin film with random nanoholes // Optics Express, 2017, vol. 25, no. 3, pp. 2143-2152.
14. Берегулин Е.В., Воронов П.М., Иванов С.В., Копьев П. С., Ярошецкий И. Д. Обнаружение увлечения двумерных электронов светом дальнего инфракрасного диапазона // Письма в Журнал экспериментальной и теоретической физики. 1994. Т. 59, № 2. С. 83-85. http://www.jetpletters.ac.ru/ps/317/article_5037.pdf
15. Karch J., Olbrich P., Schmalzbauer M., Zoth C., Brinsteiner C., Fehrenbacher M., Wurstbauer U., Glazov M. M., Tarasenko S. A., Ivchenko E. L., Weiss D., Eroms J., Yakimova R., Lara-Avila S., Kubatkin S.,
Ganichev S. D. Dynamic Hall Effect Driven by Circularly Polarized Light in a Graphene Layer // Physical Review Letters, 2010, vol. 105, no. 22, pp. 227402.
16. Obraztsov P. A., Mikheev G. M., Garnov S. V., Obraztsov A. N., Svirko Yu. P. Polarization-sensitive photoresponse of nanographite // Applied Physics Letters, 2011, vol. 98, no. 9, pp. 1-4.
17. Mikheev G. M., Nasibulin A. G., Zonov R. G., Kaskela A., Kauppinenet E. I. Photon-drag effect in singlewalled carbon nanotube films // Nano Letters, 2012, vol. 12, no. 1, pp. 77-83.
18. Mikheev K. G., Saushin A. S., Zonov R. G., Nasibulin A. G., Mikheev G. M. Photon-drag in single-walled carbon nanotube and silver-palladium films: The effect of polarization // Jurnal Nanophotonics, 2016, vol. 10, no. 1, pp. 0125051-9.
19. Михеев Г. М., Стяпшин В. М. Нанографитовый анализатор поляризации лазерного излучения // Приборы и техника эксперимента. 2012. № 1. С. 93-97.
20. Валов П. М., Гончаренко К. В., Марков Ю. В., Першин В. В., Рывкин С. М., Ярошецкий И. Д. Приборы для регистрации излучения импульсных ИК лазеров на основе эффекта увлечения светом носителей заряда в полупроводниках // Квантовая электроника. 1977. Т. 4, № 1. С. 95-102.
21. Garate E., Cook R., Shaughnessy C., Boudreaux G., Walsh J. A broadband photon drag detector for pulsed, high-power radiation detection // International Journal of Infrared and Millimeter Waves, 1986, vol. 7, no. 12, pp. 1827-1833.
22. Sigg H., Graf S., Kwakernaak M. H., Margotte B., Erni D., Van Son P., Köhler K. Ultrafast photon drag detector for intersubband spectroscopy // Superlattices and Microstuctures, 1996, vol. 19, № 2, pp. 105-114.
23. Alaruri S. D. Construction of a photon drag detector for evaluating the performance of a CO2 laser amplifier // Optik - International Journal for Light and Electron Optics, 2014, vol. 125, no. 17, pp. 4964-4967.
24. Андрианов А. В., Берегулин Е. В., Ганичев С. Д., Глух К. Ю., Ярошецкий И. Д. Быстродействующий измеритель поляризационных характеристик импульсного лазерного ИК и субмиллиметрового излучения // Письма в Журнал технической физики. 1988. Т. 14, № 14. С. 1326-1329.
25. Михеев Г. М., Саушин А. С., Ванюков В. В. Фототок в резистивных пленках Ag/Pd, зависящий от знака циркулярной поляризации ИК лазерного излучения // Квантовая электроника. 2015. Т. 45, № 7. С. 635-639.
26. Mikheev G. M., Saushin A. S., Styapshin V. M., Svirko Y. P. Interplay of the photon drag and the surface photogalvanic effects in the metal-semiconductor nanocomposite // Scientific Reports, 2018, vol. 8, pp. 8644-11.
27. Mikheev G. M., Saushin A. S., Vanyukov V. V., Mikheev K. G. and Svirko Yu. P. Femtosecond circular photon drag effect in the Ag/Pd nanocomposite // Nanoscale Research Letters, 2017, vol. 12(39), pp. 1-7.
28. Михеев Г. М., Саушин А. С., Ванюков В. В., Михеев К. Г., Свирко Ю. П. Циркулярный фототок в резистивных пленках Ag/Pd при возбуждении фемтосекундными лазерными импульсами // Физика твердого тела. 2016. Т. 58, № 11. С. 2262-2268.
29. Михеев Г. М., Саушин А. С., Гончаров О. Ю., Дорофеев Г. А., Гильмутдинов Ф. З., Зонов Р. Г. Влияние температуры вжигания на фазовый состав , фотовольтаический отклик и электрические свойства резистивных Ag/Pd пленок // Физика твердого тела. 2014. Т. 56, № 11. С. 2212-2218.
30. Александров В. А. Поверхностная теромоэдс в серебро-палладиевых толстопленочных резисторах // Вестник Удмуртского университета. Серия Физика и Химия. 2012. № 4. С. 18-21.
31. Larry J., Rosenberg R., Uhler R. Thick-film Technology: An Introduction to the Materials // IEEE Transactions on Components, Hybrids, and Manufacturing Technology, 1980, vol. 3, no. 2, pp. 211-225.
32. Саушин А. C., Михеев Г. М. Влияние поляризации излучения на параметры фотовольтаических импульсов в наноструктурированных серебро-палладиевых резистивных плёнках // Химическая физика и мезоскопия. 2013. Т. 15, № 1. С. 127-137.
33. Калюжный Д. Г., Александров В. А. Применение наноструктурированных серебро-палладиевых резистивных пленок для точного позиционирования фокусированного лазерного излучения // Приборы и техника эксперимента. 2015. № 3. С. 102-104. https://doi.org/10.7868/S0032816215020196
34. Александров В. А. Термо-ЭДС в Ag-Pd толстопленочных резисторах при воздействии сфокусированным излучением полупроводникового лазера // Химическая физика и мезоскопия. 2017. Т. 19, № 1. С. 129-139.
INFLUENCE OF CONSTANT DISPLACEMENT CURRENT ON PULSED LASER INDUCED PHOTOCURRENT IN Ag/Pd NANOCOMPOSITE FILM
Zonov R. G., Saushin A. S., Styapshin V. M., Mikheev G. M.
Udmurt Federal Research Center, Ural Branch of the Russian Academy of Science, Izhevsk, Russia
SUMMARY. In electrically conducting film structures under pulsed laser excitation, it is possible to observe the generation of a photocurrent, which depends on the polarization and direction of the incident wavevector according to unique laws of considerable interest from the point of view of development and creation of devices for use in photonics and optoelectronics. One such material is silver-palladium (Ag/Pd) nanocomposite films that have well-developed
fabrication techniques. The main structural components of Ag/Pd nanocomposite films are nanocrystallites of a semiconductor palladium oxide (PdO) and an Ag-Pd metal solid solution. Simultaneous presence of semiconductor and metal components ensures the generation of photocurrent in these films, due to the photon drag effect and the surface photogalvanic effect, in a wide spectral range. The pulses of the photocurrent in Ag/Pd nanocomposite films arising due to these effects are considerably longer than the duration of the excitation laser pulses. In this paper, we present the results of experimental studies of the effect of a direct bias current on the shape of the pulses of a polarization-orientation sensitive photocurrent in Ag/Pd nanocomposite films under nanosecond laser excitation at a wavelength of 532 nm. It is found that at a constant bias current, an additional photocurrent component independent of the sign of the angle of incidence arises in the films under study. The pulse duration of this component considerably exceeds the duration of the pulse of the polarization-sensitive photocurrent. Dependences characterizing the effect of a direct bias current on the magnitudes and temporal profiles of the pulses of the polarization-sensitive photocurrent in the investigated films are reported.
KEYWORDS: Ag/Pd nanocomposite films, photocurrent, pulse duration, the effect of a direct bias current. REFERENCES
1. Beregulin E. V., Valov P. M., Ryvkin S. M., Yaroshetskii I. D., Lisker I. S., Pukshanskii A. L. Dragging of electrons by light in semimetals. Journal of Experimental and Theoretical Physics Letters, 1977, vol. 25, iss. 2, pp. 101-104. http://www.j etpletters. ac.ru/ps/1388/article_21068.pdf
2. Gurevich V. L., Laiho R. Photomagnetism of metals. First observation of dependence on polarization of light. Physics of the Solid State, 2000, vol. 42, no. 10, pp. 1807-1812. https://doi.org/10.1134/L1318868
3. Danishevskii A. M., Kastal'skii A. A., Ryvkin S. M., and Yaroshetskii I. D. Dragging of Free Carriers by Photons in Direct Interband Transitions in Semiconductors. Journal of Experimental and Theoretical Physics, 1970, vol. 31, no. 2, pp. 292-295. http://www.jetp.ac.ru/cgi-bin/dn/e_031_02_0292.pdf
4. Gibson A. F., Kimmitt M. F., Walker A. C. Photon drag in germanium. Applied Physics Letters, 1970, vol. 17, no. 2, pp. 75-77. https://doi.org/10.1063/L1653315
5. Al'perovich V. L., Belinicher V. I., Novikov V. N., Terekhov A.S. Surface photovoltaic effect in solids. Theory and experiment for interband transitions in gallium arsenide. Journal of Experimental and Theoretical Physics, 1981, vol. 53, no. 6, pp. 1201-1208. http://www.jetp.ac.ru/cgi-bin/dn/e_053_06_1201.pdf
6. Glazov M. M., Ganichev S. D. High frequency electric field induced nonlinear effects in graphene (review). Physics Reports, 2014, vol. 535, no. 3, pp. 101-138. https://doi.org/10.1016Zj.physrep.2013.10.003
7. Mikheev G. M., Zonov R. G., Aleksandrov V. A. Light-induced EMF in silver-palladium film resistors. Technical Physics Letters, 2010, vol. 36, iss. 7, pp. 675-678. https://doi.org/10.1134/S1063785010070278
8. Mikheev G. M., Aleksandrov V. A., Saushin A. S. Circular photogalvanic effect observed in silver-palladium film resistors. Technical Physics Letters, vol. 37, iss. 6, pp. 551-555. https://doi.org/10.1134/S1063785011060253
9. Mikheev G. M., Saushin A. S., Zonov R. G., Styapshin V. M. Spectral dependence of circular photocurrent in silver-palladium resistive films. Technical Physics Letters, 2014, vol. 40, iss. 5, pp. 424-428. https://doi.org/10.1134/S1063785014050216
10. Vengurlekar A. S., Ishihara T. Surface plasmon enhanced photon drag in metal films. Applied Physics Letters, 2005, vol. 87, no. 9, pp. 091118. https://doi.org/10.1063/L2037851
11. Noginova N., Rono V., Bezares F. J., Caldwell J. D. Plasmon drag effect in metal nanostructures. New Journal of Physics, 2013, vol. 15, no. 11, pp. 113061. doi:10.1088/1367-2630/15/11/113061
12. Akbari M., Onoda M., Ishihara T. Photo-induced voltage in nano-porous gold thin film. Optics Express, 2015. vol. 23, no. 2, pp. 823-832. https://doi.org/10.1364/0E.23.000823
13. Akbari M., Ishihara T. Polarization dependence of transverse photo-induced voltage in gold thin film with random nanoholes. Optics Express, 2017, vol. 25, no. 3, pp. 2143-2152. https://doi.org/10.1364/0E.25.002143
14. Beregulin E. V., Voronov P. M., Ivanov S. V., Kop'ev P. S., Yaroshetskii I. D. Experimental observation of drag of 2D electrons by far-IR light. Journal of Experimental and Theoretical Physics Letters, 1994, vol. 59, iss. 2, pp. 85-88. http://www.jetpletters.ac.ru/ps/1296/article_19570.pdf
15. Karch J., Olbrich P., Schmalzbauer M., Zoth C., Brinsteiner C., Fehrenbacher M., Wurstbauer U., Glazov M. M., Tarasenko S. A., Ivchenko E. L., Weiss D., Eroms J., Yakimova R., Lara-Avila S., Kubatkin S., Ganichev S. D. Dynamic Hall Effect Driven by Circularly Polarized Light in a Graphene Layer. Physical Review Letters, 2010, vol. 105, no. 22, pp. 227402. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.105.227402
16. Obraztsov P. A., Mikheev G. M., Garnov S. V., Obraztsov A. N., Svirko Yu. P. Polarization-sensitive photoresponse of nanographite. Applied Physics Letters, 2011, vol. 98, no. 9, pp. 1-4. https://doi.org/10.1063/L3559928
17. Mikheev G. M., Nasibulin A. G., Zonov R. G., Kaskela A., Kauppinenet E. I. Photon-drag effect in singlewalled carbon nanotube films. Nano Letters, 2012, vol. 12, no. 1, pp. 77-83. doi:10.1021/nl203003p
18. Mikheev K. G., Saushin A. S., Zonov R. G., Nasibulin A. G., Mikheev G. M. Photon-drag in single-walled carbon nanotube and silver-palladium films: The effect of polarization. Jurnal Nanophotonics, 2016, vol. 10, no. 1, pp. 0125051-9. https://doi.org/10.1117/LJNP.10.012505
19. Mikheev G. M., Styapshin V. M. Nanographite analyzer of laser polarization. Instruments and Experimental Techniques, 2012, vol. 55, no. 1, pp. 85-89. https://doi.org/10.1134/S0020441211060182
20. Valov P. M., Goncharenko K. V., Markov Yu. V., Pershin V. V., Ryvkin S. M. and Yaroshetskii I. D. Instruments for detection of infrared laser radiation pulses based on the photon drag of carriers in semiconductors. Soviet Journal of Quantum Electronics, 1977, vol. 7, no. 1, pp. 50-57. http://dx. doi.org/10.1070/QE1977v007n01ABEH008811
21. Garate E., Cook R., Shaughnessy C., Boudreaux G., Walsh J. A broadband photon drag detector for pulsed, high-power radiation detection. International Journal of Infrared and Millimeter Waves, 1986, vol. 7, no. 12, pp. 1827-1833. https://doi.org/10.1007/BF01011990
22. Sigg H., Graf S., Kwakernaak M. H., Margotte B., Erni D., Van Son P., Köhler K. Ultrafast photon drag detector for intersubband spectroscopy. Superlattices and Microstuctures, 1996, vol. 19, № 2, pp. 105-114. https://doi.org/10.1006/spmi.1996.0013
23. Alaruri S. D. Construction of a photon drag detector for evaluating the performance of a CO2 laser amplifier. Optik - International Journal for Light and Electron Optics, 2014, vol. 125, no. 17, pp. 4964-4967. https://doi.org/10.1016/j.ijleo.2014.04.017
24. Andrianov A. V., Beregulin E. V., Ganichev S. D., Glukh K. Yu., Yaroshetskiy I. D. Bystrodeystvuyushchiy izmeritel' polyarizatsionnykh kharakteristik impul'snogo lazernogo IK i submillimetrovogo izlucheniya [A fast instrument for measuring polarization characteristics of pulsed IR and submillimeter laser emission]. Pis'ma v Zhurnal tekhnicheskoy fiziki [Technical Physics Letters], 1988, vol. 14, no. 14, pp. 1326-1329.
25. Mikheev G. M., Saushin A. S. and Vanyukov V. V. Helicity-dependent photocurrent in the resistive Ag/Pd films excited by IR laser radiation. Quantum Electronics, 2015, vol. 45, no. 7, pp. 635-639. https://doi.org/10.1070/QE2015v045n07ABEH015783
26. Mikheev G. M., Saushin A. S., Styapshin V. M., Svirko Y. P. Interplay of the photon drag and the surface photogalvanic effects in the metal-semiconductor nanocomposite. Scientific Reports, 2018, vol. 8, pp. 8644-11. https://doi.org/10.1038/s41598-018-26923-2
27. Mikheev G. M., Saushin A. S., Vanyukov V. V., Mikheev K. G. and Svirko Yu. P. Femtosecond circular photon drag effect in the Ag/Pd nanocomposite. Nanoscale Research Letters, 2017, vol. 12(39), pp. 1-7. https://doi.org/10.1186/s 11671-016-1771-4
28. Mikheev G. M., Saushin A. S., Mikheev K. G., Vanyukov V. V., Svirko Y. P. Circular photocurrent in Ag/Pd resistive films upon excitation by femtosecond laser pulses. Physics of the Solid State, 2016, vol. 58, no. 11, pp. 2345-2352. https://doi.org/10.1134/S106378341611024X
29. Mikheev G. M., Saushin A. S., Zonov R. G., Goncharov O. Y., Dorofeev G. A., Gil'mutdinov F. Z. Effect of the burning temperature on the phase composition, photovoltaic response, and electrical properties of Ag/Pd resistive films. Physics of the Solid State, 2014, vol. 56, no. 11, pp. 2286-2293. https://doi.org/10.1134/S1063783414110195
30. Aleksandrov V. A. Poverkhnostnaya teromoeds v serebro-palladievykh tolstoplenochnykh rezistorakh [The surface thermoemf in silver-palladium thick-film resistors]. Vestnik Udmurtskogo universiteta. Seriya Fizika i Khimiya [Bulletin of the Udmurt University. Series Physics and Chemistry], 2012, no. 4, pp. 18-21.
31. Larry J., Rosenberg R., Uhler R. Thick-film Technology: An Introduction to the Materials. IEEE Transactions on Components, Hybrids, and Manufacturing Technology, 1980, vol. 3, no. 2, pp. 211-225. https://doi.org/10.1109/TCHMT.1980.1135609
32. Saushin A. C., Mikheev G. M. Vliyanie polyarizatsii izlucheniya na parametry fotovol'taicheskikh impul'sov v nanostrukturirovannykh serebro-palladievykh rezistivnykh plenkakh [Effect of polarization on the parameters of photovoltaic pulses in nanostructured silver-palladium resistive films]. Khimicheskaya fizika i mezoskopiya [Chemical Physics and Mesoscopy], 2013, vol. 15, no. 1, pp. 127-137.
33. Kalyuzhnyi D. G., Aleksandrov V. A. Application of nanostructured silver-palladium resistive films for accurate positioning of focused laser radiation. Instruments and Experimental Techniques, 2015, vol. 58, no. 3, pp. 410-412. https://doi.org/10.1134/S0020441215020190
34. Aleksandrov V. A. Termo-EDS v Ag-Pd tolstoplenochnykh rezistorakh pri vozdeystvii sfokusirovannym izlucheniem poluprovodnikovogo lazera [Thermo-EMF in the Ag-Pd thick-film resistors when exposed to the focused radiation of a semiconductor laser]. Khimicheskaya fizika i mezoskopiya [Chemical Physics and Mesoscopy], 2017, vol. 19, no. 1, pp. 129-139.
Зонов Руслан Геннадьевич, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник лаборатории лазерных методов исследований, Институт механики УдмФИЦ УрО РАН, e-mail: znv@udman.ru
Саушин Александр Сергеевич, научный сотрудник лаборатории лазерных методов исследований, Институт механики УдмФИЦ УрО РАН, e-mail: 56-i@mail.ru
Стяпшин Василий Михайлович, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник лаборатории лазерных методов исследований, Институт механики УдмФИЦ УрО РАН, e-mail: vms@udman.ru
Михеев Геннадий Михайлович, доктор физико-математических наук, профессор, главный научный сотрудник лаборатории лазерных методов исследований, Институт механики УдмФИЦ УрО РАН, e-mail: mikheev@udman. ru
