WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика твердого тела, 2006, том 48, вып. 2 Особенности темновой проводимости кристаллов ниобата лития конгруэнтного состава © С.В. Евдокимов, А.В. Яценко Таврический национальный университет, 95007 Симферополь, Украина E-mail: lab2@crimea.edu (Поступила в Редакцию 18 января 2005 г.) Исследована температурная зависимость темновой проводимости в серии примесных и номинально беспримесных кристаллов LiNbO3 конгруэнтного состава. Определены энергии активации ионного и электронного вкладов в темновую проводимость, проведена оценка коэффициента диффузии ионов H+.

Установлена корреляция между ионным и электронным вкладами в темновую проводимость.

PACS: 77.84.Dy, 72.80.Jc, 61.50.Nw 1. Введение проявляющаяся при более низких температурах [6,7].

В этом случае температурная зависимость d может Благодаря уникальному комплексу оптических и элек- быть описана следующим выражением:

трических свойств кристаллы ниобата лития (НЛ) уже EH Ee длительное время являются объектом интенсивного d = µH · NH · exp - + µe · Neff · exp - · e, изучения. Это обусловлено тем, что кристаллы НЛ k0T k0T (1) могут использоваться в устройствах оптической памяти, узкополосных фильтрах телекоммуникационных систем где e — модуль заряда электрона, µH и µe — сооти пр. [1]. Хорошо известно, что освещение кристалветственно подвижности протонов и электронов, NH — лов НЛ сопровождается возбуждением примесных дообъемная концентрация ионов H+, Neff — эффективнорных центров и выходом в зону проводимости фоная объемная концентрация электронных ловушек. При тоиндуцированных электронов, мигрирующих в неосвеэтом µH = eD0 /k0T, где D0 — коэффициент диффузии H H щенную область кристалла. Возникающее при этом поле протонов в объеме кристалла, а Neff =(c-1 + c-1)-1, D- D пространственного заряда за счет электрооптического где cD и cD — соответственно концентрация заполненэффекта модулирует коэффициенты преломления криных и пустых электронных ловушек [8] (для кристалсталла, а также влияет на скорость распространения ла НЛ с примесью Fe — ионы Fe2+ и Fe3+ соответупругих волн.

ственно). Согласно такой модели, в случае номинально Темновая проводимость d оптически активных крибеспримесного кристалла НЛ выражение (1) должно сталлов — очень важная характеристика, определяющая упрощаться и принимать вид время хранения оптической информации. Время, за EH d = NHe2D0 /k0T · exp -. (2) которое дифракционная интенсивность фазовой голоH k0T граммы уменьшается в e раз, связано с темновой проводимостью следующим образом: = · 0/d, где — Из анализа надежных результатов экспериментальноэлектрическая проницаемость кристалла вдоль полярной го исследования температурной зависимости d можно оси, 0 — электрическая постоянная [1].

получить как значения энергий активации, так и (при На раннем этапе исследований слаболегированных известной концнтрации примесей) значения подвижно(0.05% Cr, 0.05% Co, 0.05% Fe) и беспримесных кристал- сти носителей. Однако имеющаяся информация о ионной лов НЛ было установлено, что температурная зависи- проводимости кристаллов НЛ очень неоднозначна — мость d при T > 400 K достаточно хорошо подчиняется по различным данным значение D0 лежит в диапазоне H экспоненциальному закону, а энергия активации имеет 0.0014-1.0cm2/s [9–12]. Известные результаты измерезначение порядка 1.1 eV [2,3]. Однако при исследовании ния EH приведены в табл. 1.

температурной зависимости d в диапазоне 300-400 K Отметим, что метод определения d по времени релакбыли получены и такие результаты, которые могут сации дифракционной интенсивности объемных фазовых быть интерпретированы в рамках существования двух голограмм (РФГ) имеет очевидные принципиальные различных вкладов в темновую проводимость [4,5].

недостатки: зависимость от периода записываемой реВ настоящее время считается, что в кристаллах НЛ шетки [10], а также необходимость записи и считывания в общем случае имеется две компоненты, вносящие голограммы при фиксированной температуре кристалла.

вклад в d: ионная, связанная с ионами H+, которые В противном случае (запись при комнатной темперанеконтролируемо входят в структуру НЛ в процессе туре) нагреву кристалла сопутствует неконтролируемая роста и монодоменизации образцов, и электронная, частичная релаксация голограммы. Кроме того, при рас318 С.В. Евдокимов, А.В. Яценко Таблица 1. Энергия активации протонной проводимости в кристаллах НЛ различного состава Метод, энергия активации EH, eV Состав (Li/Nb) Примесь Ссылка РФГ СДВ ЭМ 0.945 Mn 1.05 ± 0.03 1.06 ± 0.03 1.11 ± 0.03 [13] конгруэнтный Mn (0.2 mol.%) 1.01 [7] 0.945 Fe 1.25 ± 0.03 1.12 ± 0.03 1.13 ± 0.03 [13] конгруэнтный Mn 1.06 ± 0.03 [14] то же Fe (0.1 mol.%) 0.95 ± 0.02 [10] – ” – Fe (0.14 mol.%) 0.97 [6] – ” – Fe 1.17 ± 0.01 [12] – ” – беспримесный 1.23 ± 0.04 [12] 0.988 – ” – 1.10 ± 0.10 [15] 0.99 – ” – 0.81 [16] 0.99 Fe 1.02 ± 0.03 - 0.95 ± 0.03 [13] 0.99 Fe 1.10 ± 0.03 [13] 0.99 Mn 1.05 ± 0.03 1.10 ± 0.03 0.96 ± 0.03 [13] 0.99 Mn 1.10 ± 0.03 [14] 0.988 Mn (0.1 mol.%) 1.14 ± 0.02 [15] Электрометрический метод.

Таблица 2. Параметры, определяющие темновую проводимость кристаллов НЛ Образец NH, 1018 cm-3 EH, eV D0, cm2/s Ee, eV H a Fe (0.07 mol.%) 7.0 ± 2.0 1.08 ± 0.02 0.016 ± 0.006 0.33 ± 0.b Mg (2.0 mol.%) 1.10 ± 0.02 0.29 ± 0.c беспримесный 1.07 ± 0.02 0.28 ± 0.d – ” – 8.8 ± 1.1 1.05 ± 0.02 0.055 ± 0.015 0.20 ± 0.чете d этим методом необходимо учитывать темпера- осушался при помощи силикагеля. Верхняя граница турную зависимость электрической проницаемости (T ), исследуемого температурного диапазона ограничивалась что не делалось ни в одной из цитированных работ. температурой T = 463 K, чтобы заведомо исключить влияние диффузии ионов Li+ [17], которая могла бы Цель настоящей работы — исследование механизмов внести дополнительный вклад в d.

темновой проводимости кристаллов НЛ конгруэнтного Результаты исследования температурной зависимосостава в практически важном температурном диапазоне сти d в четырех образцах НЛ конгруэнтного состава 293-463 K и уточнение значений энергии активации EH представлены на рис. 1. Видно, что двухкомпонентная и коэффициента D0.

H зависимость d от температуры (1) наблюдается во всех исследованных образцах, а не только в образце с 2. Экспериментальные результаты примесью 0.07 wt.% Fe.

Выше уже отмечалось, что при известной концентраМетод прямого электрометрического определеции ионов H+ в образце можно установить не только ния d — измерение тока, протекающего через кристалл энергии активации носителей, но и значение D0. ОпреH при приложении к кристаллу внешней постоянной деление объемной концентрации протонов в кристалразности потенциалов, несмотря на проблематичность лах НЛ обычно проводится на основании исследования измерений при T 293 K в слаболегированных = ИК-поглощения при = 2870 nm [6–14]. При этом вклад кристаллах, свободен от перечисленных выше в ИК-поглощение вносят как OH- группы, находящиеся недостатков и обеспечивает лучшую абсолютную в поверхностном слое, так и распределенные внутри точность измерений, чем методы РФГ или смешивания кристалла, а в процессах объемной проводимости участдвух волн (СДВ).

вуют только ионы H+ второго типа. Последнее обстоДля проведения экспериментов использовалась специ- ятельство очень существенно, так как большинство изально разработанная установка с погрешностью измере- вестных данных о подвижности ионов H+ в НЛ[9,11,12] ния тока через кристалл не более 0.02 pA. Для исклю- получено на кристаллах НЛ, подвергшихся специальчения влияния поверхностной проводимости кристалл ной обработке для повышения объемной концентрации тщательно обезжиривался, а воздух внутри термостата ионов H+.

Физика твердого тела, 2006, том 48, вып. Особенности темновой проводимости кристаллов ниобата лития конгруэнтного состава Рис. 1. Температурные зависимости d в кристаллах НЛ, выращенных из конгруэнтного расплава: с добавлением 0.07 wt.% Fe (a), с добавлением 2.0 wt.% MgO (b), номинально беспримесный кристалл в форме тонкой пластинки с узкой гранью вдоль полярной оси кристалла (c) и номинально беспримесный кристалл кубической формы (d).

Исследованные нами кристаллы НЛ с примесью Представленные на рис. 1 зависимости d(T ) нагляд0.07 wt.% Fe (по шихте) и один из номинально беспри- но показывают, что для беспримесных кристаллов НЛ месных образцов имеют известную объемную концен- конгруэнтного состава и образца с примесью Mg в трацию ионов H+, измеренную методом ЯМР H [18].

области высоких температур доминирующим является Поэтому для этих образцов можно было определить не только энергии активации EH и Ee, но и коэффициент D0. Аппроксимация экспериментальных данных H выполнялась методом взвешенных наименьших квадратов [19], соответствующие результаты представлены сплошными линиями на рис. 1, а полученные значения EH, Ee и D0 приведены в табл. 2.

H Энергия активации электронной проводимости Ee для кристалла НЛ с примесью Fe (табл. 2) в пределах погрешности достаточно близка к известному значению Ee = 0.28 eV [6,7], что свидетельствует о корректности применяемых нами методик измерения d и аппроксимации данных. Отметим существенную разницу значений D0 для беспримесного образца НЛ и кристалла с H примесью Fe. Это может свидетельствовать о том, что дефектные октаэдры FeLiO6, где FeLi — ион Fe2+/3+, замещающий ион Li+, являются предпочтительными центрами захвата ионов H+ и о необходимости переРис. 2. Нормированные температурные зависимости d: квадсмотра особенностей локализации ионов H+ в примесраты — данные для кристалла с примесью Mg, кружки — для ных и конгруэнтных кристаллах НЛ по отношению к беспримесного кристалла в виде пластинки, треугольники — стехиометрическому образцу [20]. для беспримесного кристалла кубической формы.

Физика твердого тела, 2006, том 48, вып. 320 С.В. Евдокимов, А.В. Яценко ионный механизм проводимости. Если предположить, Авторы выражают признательность С.Г. Одулову что коэффициент D0 в этих кристаллах одинаков, можно (институт физики НАН Украины, г. Киев) за участие в H пронормировать полученные зависимости по значению обсуждении некоторых результатов работы.

объемной концентрации ионов H+ в зоне проводимости или в первом приближении по значению d при Список литературы определенной температуре. Обобщенные результаты, полученные в результате нормирования по значению d [1] K. Buse. Appl. Phys. B 64, 391 (1997).

при T = 420 K, представлены на рис. 2. Совокупность [2] D.L. Staebler, J.J. Amodei. Ferroelectrics 3, 107 (1972).

нормированных данных достаточно хорошо описывает- [3] K. Yoshino, M. Yamagushi, Y. Inuishi. Technol. Repts Osaka Univ. 29, 93 (1979).

ся выражением (1), причем отношение концентраций [4] А.А. Блистанов, В.В. Гераськин, А.В. Степанов, М.В. Пучионов H+ и носителей второго типа в зоне проводимокова, Н.Г. Сорокин. ФТТ 26, 1128 (1984).

сти исследованных кристаллов в пределах погрешности [5] А.П. Леванюк, Е.М. Уюкин, В.А. Пашков, Н.М. Соловьева.

аппроксимации является примерно одинаковым.

ФТТ 22, 1161 (1980).

Как видно из табл. 2, величина Ee во всех исследо[6] Y. Yang, I. Nee, K. Buse, D. Psaltis. Appl. Phys. Lett. 78, ванных кристаллах близка к значению 0.28 eV, характер(2001).

ному для кристаллов с примесью Fe. Для кристаллов [7] Y. Yang, D. Psaltis, M. Luennemann, D. Berben, U. Hartwig, LiNbO3 : Fe электронный механизм проводимости обус- K. Buse. J. Opt. Soc. Am. 20, 1491 (2003).

[8] I. Nee, M. Mller, K. Buse, E. Krtzig. J. Appl. Phys. 88, ловлен туннелированием электронов между позициями (2000).

ионов Fe2+ и Fe3+ [6], однако объемная концентрация [9] B.I. Sturman, M. Carracosa, F. Agull-Lpez, J. Limeres.

подобных центров в номинально беспримесных образPhys. Rev. B 57, 12 792 (1998).

цах НЛи кристалле с примесьюMg очень мала. На ран[10] E.M. Miguel-Sans de, M. Carracoza, L. Arizmendi. Phys. Rev.

ней стадии исследования проводимости кристаллов НЛ B 65, 165 101 (2002).

были высказаны предположения, что механизм проводи[11] W. Bollmann, H.J. Sthr. Phys. Stat. Sol. A 39, 477 (1977).

мости может иметь поляронный характер [4,21]. Клас[12] S. Klauer, M. Whlecke, S. Kapphan. Phys. Rev. B 45, сической причиной возникновения поляронов малого (1992).

радиуса Nb4+ (ион Nb4+, занимающий позицию иона Li+ [13] M.A. Ellaban, G. Mandula, R.A. Rupp, M. Fally, E. Hartmann, Li L. Kovcs, K. Polgr. SPIE Proc. 4607, 327 (2002).

в нестехиометрическом НЛ) в процессе освещения кри[14] G. Mandula, K. Lengyel, L. Kovcs, M. Ellaban, R.A. Rupp, сталла считается захват фотоэлектрона ионами Nb5+ [1].

Li M. Fally. SPIE Proc. 4412, 226 (2001).

Однако можно предположить, что процесс миграции [15] K. Lengyel, L. Kovcs, G. Mandula, R. Rupp. Ferroelectrics ионов H+ в структуре кристаллов НЛ при определенных 257, 255 (2001).

условиях сопровождается не только встречной диффузи[16] M. Lee, S. Takekawa, Y. Furukawa, K. Kitamura. J. Appl.

ей ионов Li+ [22], которая имеет место лишь при достаPhys. 87, 1291 (2000).

точно больших температурах, но и возникновением по[17] T.K. Halstead. J. Chem. Phys. 53, 3427 (1970).

ляронов малого радиуса, что вполне отвечает принципу [18] А.В. Яценко. УФЖ 44, 381 (1999).

сохранения локальной электронейтральности кристалла. [19] Дж. Тейлор. Введение в теорию ошибок. Мир, М. (1985).

[J.R. Taylor. An Introduction to error analysis. Univ. Sci.

В этом случае полученные результаты получают вполне Books Mill Valley, California (1982).] удовлетворительное объяснение.

[20] С.В. Евдокимов, А.В. Яценко. Кристаллография 48, (2003).

[21] W. Jsch, R. Munser, W. Ruppel, P. Wrfel. Ferroelectricity 3. Заключение 21, 623 (1978).

[22] А.А. Блистанов. Кристаллы квантовой и нелинейной опВ большинстве современных публикаций, посвящентики. МИСИС, М. (2000).

ных исследованию температурной зависимости d в кристаллах НЛ [6,7,10,12–16], приводятся результаты измерений, выполненных при T 330 K (кроме кристаллов с примесью Fe), а тот температурный диапазон, где существенный вклад в проводимость вносит предположительно поляронный механизм (рис. 2), обычно не исследуется. Экспериментальные результаты, представленные выше, не противоречат известным данным, но свидетельствуют о необходимости дополнительного тщательного изучения темновой проводимости кристаллов НЛ разного состава и с разной предысторией в области температур, близких к комнатной, а также исследования механизмов возникновения поляронов малого радиуса.




© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.