Читать книгу Все науки. №6, 2022. Международный научный журнал - Ибратжон Хатамович Алиев - Страница 5

Каримов Шерзод Боходирович

Соискатель физико-технического факультета Ферганского государственного университета
Алиев Ибратжон Хатамович
Студент 2 курса факультета математики-информатики Ферганского государственного университета
Каримов Боходир Хошимович
Кандидат физико-математических наук, физико-технического факультета Ферганского государственного университета

Ферганский государственный университет, Фергана, Узбекистан

Аннотация. В настоящей работе обнаружен и исследованы пространственно-осциллирующей фотовольтаический ток (ПОФТ) в направлении [100] в сегнетоэлектрике SbSJ при освещении поляризованным светом в направлении [010] и образованию от оптической зависимости в [001] направлении структуры пространственного осциллирующего фотовольтаического тока J_x. Обсуждены некоторые экспериментальные и физические основы пространственно осциллирующего фотовольтаического тока.

Ключевые слова: сегнетоэлектрик, поляризация, оптически-активный кристалл, пространственно-осциллирующий фотовольтаический ток, тензор 3-ранга.

Annotation. In this paper, the spatially oscillating photovoltaic current (POFT) in the direction [100] in the SbSJ ferroelectric is detected and investigated when illuminated with polarized light in the direction [010] and the formation of the structure of the spatial oscillating photovoltaic current Jx from the optical dependence in the direction [001]. Some experimental and physical bases of spatially oscillating photovoltaic current are discussed.

Keywords: ferroelectric, polarization, optically active crystal, spatially oscillating photovoltaic current, rank 3 tensor.

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 [1,2] 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 [1,2] является частным случаем более общего АФ эффекта, описываемого для кристаллов без центра симметрии тензором третьего ранга α_ijk [3].

Согласно (1), при равномерном освещении линейно поляризованным светом однородного кристаллов без центра симметрии (сегнето или пъезо-электрического кристалла) в нем возникает фотовольтаический ток J_i, знак и величина которого зависят от ориентации вектора поляризации света с проекциями E_j, E_k^*.

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

где σ_t и σ_f соответственно темновая и фотопроводимость, lрасстояние между электродами. Генерируемое фотонапряжения порядка 10³—10⁵ В, превышающее, таким образом, величину ширины запрещенной зоны E_g на два – четыре порядка.

В соответствии с (1) и симметрией точечной группы кристалла можно написать выражения для фотовольтаического тока J_i. Сравнение экспериментальной угловой зависимости J_i (β) с (1) позволяет определить фотовольтаический тензор a_ijk или фотовольтаический коэффициент

a* – коэффициент поглощения света.

Как показал Белиничер [4], 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:

где n_e, n₀ – показатели преломления обыкновенного и необыкновенного лучей, E_e и E₀^* – проекции вектора поляризации света на оптические оси кристалла,

В этом случае фотовольтаический ток (2) осциллирует в кристалле с периодом

Как указывалось в [4] и как видно из (2) пространственно осциллирующий фотовольтаический ток (ПОФТ) может экспериментально наблюдаться в условиях сильного поглощения света.

где α^* – коэффициент поглощения.

1. ПРОСТРАНСТВЕННО ОСЦИЛИРУЮЩИЙ ФОТОВОЛЬТАИЧЕСКИЙ ТОК В СЕГНЕТОЭЛЕКТРИКЕ SbSi

В настоящей работе обнаружен и исследован пространственно-осциллирующей фотовольтаический ток (ПОФТ) в направлении [100] в сегнетоэлектрике SbSI при освещении поляризованным светом в направлении [010].

Сульфоиодид сурьмы (SbSI) принадлежит к классу халькогенидов металлов пятой группы A^VB^VIC^II, где A-Sb; Bi; B-S, Se, Te; C-CL, Br, I. Кристаллы SbSI и SbSI_xBr_1-x – двуосные, обладают большим двойным преломлением, ниже температуры. Кюри Т_с=22⁰С кристаллы SbSI принадлежат к классу mm2 и обладают ромбической симметрией. При фазовом превращении происходит исчезновение центра симметрии, следовательно, ниже точки перехода кристаллы SbSI становятся сегнетоэлектриками.

Фазовый переход при 22⁰С был зарегистрирован впервые Фатуццо [5] при изменении температурной зависимости диэлектрической проницаемости. Кристаллы обладают ярко выраженными полупроводниковыми свойствами, их фотоэлектрические свойства хорошо изучены [1].

Измерения проводились для монокристаллов SbSI в сегнетоэлектрической фазе при температуре Т=133 К. Кристалл освещался плоско поляризованным светом с помощью ксеноновой лампы и монохроматора ЗМР. Измерялся стационарный фотовольтаический ток J по ранее описанному [1] методу. В соответствии с симметрией SbSI (точечная группа mm²) при измерении J_z (z – направление спонтанной поляризации) и освещении кристалла в x и y направлениях ПОФТ не возникает. Выражение для фотовольтаического тока J_z при освещении в x и y направлениях, соответственно, имеет вид:

где I—интенсивность света, β—угол между плоскостью поляризация света и осью z. На рис.1 кривая 1 представляет экспериментальную угловую зависимость J_z (β) для λ=600 нм при освещении вдоль [100]. Из сравнения экспериментальных угловых зависимостей J_z (β) с (4) и (5) были оценены численные значения α_ιjκ или фотовольтаические коэффициенты

С учетом плеохроизма и анизотропии отражения света в SbSI [6] были получены следующие значения:

К₃₁4∙10^—8; К₃₂3∙10^—8; K₃₃ (2—3) ∙10^—8А∙см∙ (Вт) ^-1. Таким образом, в SbSI фотовольтаические коэффициенты K₃₁, K₃₂, K₃₃ более чем на порядок превышают соответствующие коэффициенты в LiNbO₃: Fe.

Рис.1. Зависимость фотовольтаического тока J_z (1) при l = 600 нм и J_x (2) при l = 460 от ориентации плоскости поляризации света в SbSI.

Согласно (2), для SbSI компоненты фотовольтаического тока и являются пространственно-осциллирующими. Однако при освещении кристалла в области сильного поглощения в направлении осей x или y и при выполнении условия (3) вдоль поверхностей (100) и (010), соответственно, текут токи.

где β – угол между плоскостью поляризации света и осью z. Согласно [1,7] для SbSI условие сильного поглощения (3), должно выполняться уже при λ470 нм. Для наблюдения ПОФТ в условиях сильного поглощения на грань цинакоида (010) напылялись серебряные электроды в форме полос, параллельных оси спонтанной поляризации z. С помощью этих электродов при освещении кристалла в направлении [010] поляризованным светом с λ=460 нм измерялся ток J_x кривая 2 и длинноволновой области (λ=600нм, кривая 1) измерялся ток J_z. Угловая зависимость измеряемого тока удовлетворяет (5), в том время как ток J_х в этой области вообще не может наблюдаться из-за нарушения условия (3) и пространственной осцилляции. На рис. 2 представлены спектральные J_z (кривая 1), J_x (кривая 2), отнесённые к единице падающий энергии, а также спектральная зависимость

построенная с учётом дисперсии n₀, n_е и коэффициента поглощения α^* в [010] направления.

Угловую зависимость J_x (β) в форме кривой 2, которая хорошо согласуется с (7) при К₁₅= (2—4) ·10^—9А·см· (Вт) ^-1 (λ=460нм).

Рис. 2. Спектральная зависимость J_z (1), J_x (2) и L=l₀α^* (3).

В то время, как измерявшаяся ранее в спектральная зависимость J_zявляется монотонной, спектральная зависимость J_x обнаруживает резкий максимум вблизи L1. Таким образом, спад J_x в длинноволновой области, где L <<1, обуcловлен ПОФТ. Интересен спад J_x в коротко волновой области, где L> 1.Так как АФ эффект не связан с временем жизни неравновесных носителей, то, возможно, это коротковолновой спад J_x обусловлен уменьшением K₁₅ и, следовательно, подвижности в направлении [100].

2. ПРОСТРАНСТВЕННО ОСЦИЛИРУЮЩИЙ ФОТОВОЛЬТАИЧЕСКИЙ ТОК В СЕГНЕТОЭЛЕКТРИКЕ α-HgS

В работе рассмотрен фотовольтаические эффекты в оптически активных кристаллах α-HgS. Обсуждены некоторые экспериментальные и физические основы фотовольтаического эффекта в активных кристаллах.

Сернистая ртуть HgS существует в двух модификациях: черная модификация – метациннабарит (β-HgS) -кристаллизуется в кубической системе (точечная группа 3m), красная модификация—циннабарит или киноварь (α-HqS) – кристаллизуется в тригональной системе (точечная группа 32).

В работе исследовались красные кристаллы киновари, обладающие особенно большим удельным вращением вдоль оптической оси для пропускаемых ими красных лучей r=235⁰/мм. Исследовались кристаллы α – HgS, выращенными гидротермальным методом в лаборатория гидротер-мального синтез Институте кристаллографии Российской Академии наук. Исходными веществами для изготовления циннабарита были чистая ртуть в сера. Электрические, электрооптические свойства кристаллов α-HgS и фотоэлектрические свойства кристаллов исследовались в [5,6].

Показано, что оптическая активность кристалла α-HgS сильнее влияет на угловой распределение фотовольтаического тока, измеренного в линейно поляризованном свете.

Рис. 3. показывает ориентационную зависимость фотовольтаического тока J_x (β) в α-HgS. В соответствии с (1) и симметрией точечной группы 32, выражение для J_x (β) при освещении в направлении оси y имеет вид

где – угол между плоскостью поляризации света и осью x.

Сравнение экспериментальной угловой зависимости J_x (β) с (2) дает

К₁₁= (1—2) ∙10^—9А∙см∙ (Вт) ^-1 (Т=133Κ, λ=500нм). Совпадение экспериментальной угловой зависимости J_x (β) с (2) показывает, что в области сильного поглощения (λ=500нм, α*>> 100см^-1) влияние оптической активности в направлении оси y на угловое распределение J_x (β) является незначительным. Влияние оптической активности в z- направлении было обнаружено при исследовании угловой зависимости J_x (β) в различных спектральных областях (рис.1).

В соответствии с (1) угловая зависимость J_x (β) приосвещение в z – направлении (ось z совпадает с осью симметрии третьего порядка) имеет вид.

где β – угол между плоскостью поляризации света и осью y.

Рис.2 указывает на хорошее соответствие между экспериментальной зависимостью J_x (β) и (3) в области сильного поглощения света (λ= 400нм). Переход из коротковолновой области в длинноволновую, соответствующий уменьшению α*, изменяет характер угловой зависимости J_x (β) и ее амплитуду.

Рис.3. Ориентационная зависимость фотовольтаического тока J_x (β) в a-HgS (T=133⁰K).

На рис.4 представлена спектрально-угловая диаграмма фотовольтаического тока J_x. Очевидно, что ее форма определяется оптического активностью в z- направлении, ее спектральной дисперсией, а также спектральным распределением фотовольтаического эффекта в α-HgS.

Оптическая зависимость в z – направлении приводит, таким образом, к образованию структуры пространственного осциллирующего фотовольтаического тока J_x. Фотовольтаический ток осциллирует в z- направлении с периодом

Где χ – коэффициент оптической активности.

Угловая зависимость J_x (β) совпадает с (3) только при условии сильного поглощения света

где α*– коэффициент поглощения света.

Рис. 4. Спектрально – угловая диаграмма фотовольтаического тока в a-HgS (T=1330K). Направление распространения света указано в верхней части рисунка.

Примечание: Коллегия авторов приносит благодарности В. А. Кузнецову за предоставление кристаллов и В. М. Фридкину за обсуждение.

Литература

1. Glass A.M.Voh der Linbe D. Nerren T.J. High- voltage Bulk Photovoltaik ettect and the Photorefractive process in LiNbo. //J. Appl. Phys. Lett. 1974. N4 (25) p.233—236.

2.Фридкин В.М, Фотосегнетоэлектрики. М., «Наука», 1979, с.186—216.

3.Белиничер В. И. Исследования фотогальванических эффектов в кристаллах. Дисс. на соискание. докт. физ-мат. наук. Новосибирск. 1982. 350 С.

4.Стурман Б. И., Фридкин В. М. Фотогальванические эффекты в средах без центра инверсии. -М., Наука.1992. -с-208.

5.Ефремова Е. П., Кузнецов В. А., Котельников А. Р. Кристаллизация киновари в гидросульфидных растворах. // ж. Кристаллография. 1976. т.21. в.3. С.583—586.

6. Донецких В. И., Соболев В. В. Спекторы отражения тригонального HgS. // ж. Оптика и спектроскопия. 1977. т.42. в.2. С.401—403.

7.Фридкин В. М. Объемный фотовольтаический эффект в кристаллах без центра симметрии. // Кристаллография. 2001. Т. 46, N 4. С. 722—726.