Все науки. №3, 2022. Международный научный журнал

Каримов Боходир Хошимович

Кандидат физико-математических наук, доцент физико-технического факультета Ферганского Государственного Университета

Ферганский Государственный Университет, Узбекистан

Посвящается моему покойному учителю, профессору Владимиру Михайловичу Фридкину.

Аннотация. В настоящей работе обнаружен и исследован фотовольтаический и фоторефрактивный эффект и определён единственное отличное от нуля фотовольтаический коэффициент kijk для кубическом кристалле ZnS. Этот коэффициент K14 =2∙10—9A∙см∙ (Вт) -1. Коэффициенты kijk более чем на порядок превышают соответствующие коэффициенты в LiNbO3:Fe. Использование в голографической записи фото-пьезоэлектриков дает преимущества. В этом случае запись осуществляется двумя когерентными лучами с поляризацией соответствующей фотовольтаическому току. При реконструирование записанной голограммы достигается путем освещения кристалла лучом когерентного света той же длины волны. Однако, поляризация этого луча выбирается таким образом, чтобы освещение не приводило к генерации фотовольтаического тока. Стирание записанной голограммы достигает путем равномерного освещение поверхности лучом света с предыдущей поляризации.

Ключевые слова: фотовольтаический эффект, кубический кристалл, фотовольтаические коэффициенты, голографический эффект, фото-пьезоэлектрик.

Annotation. In this paper, the photovoltaic and photorefractive effect is discovered and investigated, and the only non-zero photovoltaic coefficient kijk is determined for a cubic ZnS crystal. This coefficient K14 =2*10—9A*cm* (W) -1. The kijk coefficients are more than an order of magnitude higher than the corresponding coefficients in LiNbO3:Fe. The use of photo-piezoelectrics in holographic recording gives advantages. In this case, the recording is carried out by two coherent beams with polarization corresponding to the photovoltaic current. The reconstruction of the recorded hologram is achieved by illuminating the crystal with a beam of coherent light of the same wavelength. However, the polarization of this beam is chosen in such a way that the illumination does not lead to the generation of photovoltaic current. The erasure of the recorded hologram is achieved by evenly illuminating the surface with a beam of light from the previous polarization.

Keywords: photovoltaic effect, cubic crystal, photovoltaic coefficients, holographic effect, photo-piezoelectric.

ВВЕДЕНИЕ

Фото-ЭДС (или фотонапряжение) в полупроводниках независимо от ее природы не может превышать ширину запрещенной зоны, т.е. несколько Вольт. Например, в однородном полупроводнике Демберовское (диффузионное) фото напряжение для сколь угодно большой интенсивности возбуждающего света не превышает значения [1].

Где Eg – ширина запрещенной зоны полупроводника, n1 и n0 – соответственно неравновесная и равновесная концентрации носителей, Nc – плотность состояний.

Другим примером может служить возникающие фотонапряжение при освещении p-n —перехода [2].

которое также не превышает Eg. Здесь и – соответственно концентрации электронов в n – области и дырки в р – области. и – энергии уровня Ферми в n – и р – областях.

Исключение из этого правила составляли лишь полупроводниковые текстуры в которых наблюдается эффект аномально больших фото напряжений (АФН эффект), обусловленный сложением элементарных фото-ЭДС Дембера (1) или элементарных фото-ЭДС (2), развивающихся на отдельных р-n —переходах текстуры [3].

В таких текстурах из напиленных слоев CdTe, Ge, Si, GaAs, PbS, CdSe и т. д. фото напряжения могут достигать значений порядка нескольких сотен Вольт на сантиметр длины в направлении сложения элементарных фото-ЭДС (1) или (2).

В последние годы стало ясно, что в термодинамических неравновесных условиях возможны токи иной природы, обусловленные отсутствием среды центра симметрии. Важнейшим этого класса эффекта является аномальный фотовольтаический эффект (АФ эффект).

АФ эффект заключается в том, что при равномерном освещении короткозамкнутого сегнетоэлектрика через него протекает стационарный ток, который в [4,5] был назван фотовольтаическим. Было показано, что именно фотовольтаический ток приводит к аномальному фотовольтаическому эффекту (АФ эффект) в сегнетоэлектрике.

Аномальный фотовольтаический эффект, обнаруженный для сегнетоэлектриков впервые в [4,5] является частным случаем АФ эффекта, описываемого для кристаллов без центра симметрии тензором третьего ранга [5,6]:

Согласно (3), при равномерном освещении линейно поляризованным светом однородного кристаллов без центра симметрии (сегнето, пиро или пъезоэлектрического кристалла) в нем возникает фотовольтаический ток Ji, знак и величина которого зависят от ориентации вектора поляризации света с проекциями.

Компоненты тензора aijk отличны от нуля для 20 ацентричных групп симметрии. Если электроды кристалла разомкнуть, то фотовольтаический ток генерирует фотонапряжения

где

и соответственно

темновая и фотопроводимость, расстояние между электродами. Генерируемое фотонапряжения порядка 103—105В, превышающее величину ширины запрещенной зони Eg на два – четыре порядка.

В соответствии с (3) и симметрией точечной группы кристалла можно написать выражения для фотовольтаического тока. Сравнение экспериментальной угловой зависимости (b) с (3) позволяет определить фотовольтаический тензор aijk или фотовольтаический коэффициент

(a* – коэффициент поглошения света).

1. ФОТОВОЛЬТАИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ В ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КРИСТАЛЛАХ ZnS

В работе изложен результаты исследования объемного фотовольтаического эффекта в пьезоэлектрических кристаллах ZnS, принадлежащих к кубической точечной группе m.

Исследовались кубические кристаллы ZnS, вырашенные гидротермальным методом в растворах H3PO4 и KOH в лаборатории гидротермального синтеза института кристаллографии Российской АН.

В отличие от сегнетоэлектриков [4, 5] фотовольтаический эффект в ZnS можно наблюдать только в поляризованном свете [8,9]. В соответствии (3) и симметрией точечной группы при освешении кристалла в z направлении оси 4 порядка (оси z) выражение фотовольтаического тока в z направлении имеет вид:

где – угол между плоскостью поляризации света и осью х.

Измерение фотовольтаического тока Jz и генерируемого им поля

(sф– фотопроводимость) производилось путем снятая стационарных вольт-амперных характеристик [5].

На рис.1 представлена ориентационная зависимость в направлении [001], снятая при Т = 143К при освещении светом с длинной волны l=500 нм (a*=5 см-1) и интенсивностью I=2.3∙10—3 Вт∙см-2. Кристалл освещается плоско поляризованным светом в направлении [001].Сравнение этой угловой зависимости с (4) даёт

K14 =2∙10—9A∙см∙ (Вт) -1.

Таким образом, значение модуля К14 в исследованных кристаллах ZnS существенно выше, чем у известных сегнето- и пьезоэлектриков [4, 5,6].

В интервале Т=140—3000К модуль К14 обнаруживает слабую температурную зависимость. Благодаря этому, а также из-за сильной температурной зависимости фотопроводимости sф, генерируемое в направление оси z поле

изменялось в пределах от 1В·см-1 (Т=3000 К) до 40В·см-1 (Т=1430К) и не зависело от интенсивности света I.

Рис.1 Ориентационная зависимость плотности фотовольтаического тока Jz в направлении [001]. (T=143K, I=2.3∙10—3 Вт∙см-2, =500 нм)

В кристаллах ZnS, выращенных гидротермальным методом фотовольтаический эффект имеет в основном примесный характер. Это видно из рис.2 где представлены спектральные распределения фотопроводимости sф (1) фотовольтаического тока (2), отнесенные к единицы падающей энергии и края оптического поглощения (3).

Примесная полоса в спектральном распределении имеет место вблизи l=500 нм. Там же расположен примесный максимум фотопроводимости. Для кристаллов, выращенных в кислотной или щелочной среде примесный максимум, имеет разное положение и сдвигается в пределах 450—500 нм.

Рис.2. Спектральное распределение фотовольтаического тока Jz (2), фотопроводимости sф (1) и оптического поглощения * (3) приТ=143К. =450

2. ФОТОРЕФРАКТИВНЫЙ ЭФФЕКТ В КУБИЧЕСКИХ КРИСТАЛЛАХ ZnS

Влияние неравновесных носителей на двулучепреломленние сегнето и пьезоэлектрических кристаллах получило в литературе название фоторефрактивного эффекта (ФР эффект) и нашёл широкое использование для регистрации объемных голограмм. ФР эффект заключается в следующем. В результате локального освещения или пьезоэлектрического кристалла интенсивным проходящим светом (сфокусированным лучом лазера) в объеме кристалла внутри светового пучка имеет место обратимое изменение двулучепреломления, главным образом за счёт изменения показателя преломления необыкновенного луча ne. Величина этого изменение достигает 10—4 -10-3 для некоторых пироэлектриков (LiNbo3 LiTa03), а время его существования может изменяться в широких пределах, от миллисекунд в BaTiO3 до месяцев в LiNbO3. Запись голограммы осуществляется благодаря объемной модуляции значения Dn, соответствующей модуляции записывающего луча. Разрешающая способность записи исключительно высокие, 102—104 лин/мм. [7,9].

Главное преимущество этого метода оптической памяти по сравнению с фотографическими слоями заключается в возможности параллельной записи, считывания и стирания.

Как показано знак и величина фотовольтаического тока зависит от симметрии кристалла и поляризации света. Фотовольтаический ток приводит к генерации в том же направлении аномально больших фотонапряжений. Таким образом, за время экспозиции t в кристалле возникает макроскопическое поле.

Благодаря линейному электрическому эффекту поле приводит к ФР эффекту:

где rij– электрооптические коэффициенты. Уравнение (6) записано в главой системе координат. После освещение поле сохраняется в кристалле длительное время благодаря захвату неравновесных электронов и дырок. Этот механизм захвата ответствен за оптическую память. Стирание может осуществляться путем отжига кристалла при 170С. Имеются и другие метода стирания.

В высокоомных кристаллах ZnS, можно наблюдать ФР эффект, знак и амплитуда которого зависит от ориентации плоскости поляризации света (4) рис.1. Использование в голографической записи фотопьезоэлектриков дает преимущества. В этом случае запись осуществляется двумя когерентными лучами с поляризацией соответствующей фотовольтаическому току Јz и полю Еz в z-направлении (). Реконстуирование записанной голограммы достигается путем освещения кристалла лучом когерентного света той же длины волны. Однако, поляризация этого луча выбирается таким образом, чтобы освещение не приводило к генерации фотовольтаического тока в z – направлении (). Стирание записанной голограммы достигает путем равномерного освещение поверхности лучом света с предыдущей поляризации (). Таким образом, использование света с разным направлением плоскости поляризации позволяет реконструировать голограмму, записанную в фотопьезоэлектрике без заметного повреждения. Рис.3 показывает голографический запись, восстановление, и стирание записи в фотопьезоэлектрике.