WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. 6 Физические свойства сплава Si20Te80 с различной степенью структурного совершенства и его применение в акустооптических устройствах © Л.А. Кулакова¶, Б.Т. Мелех, Э.З. Яхкинд, Н.Ф. Картенко, В.И. Бахарев, Ю.П. Яковлев Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Получена 9 ноября 2000 г. Принята к печати 15 ноября 2000 г.) Представлена методика получения стекол Si20Te80 различного структурного совершенства. Получены данные об основных параметрах материала: показателе преломления, коэффициенте оптического поглощения, плотности, теплопроводности и теплоемкости. В широком интервале температур и частот исследованы электрические, акустические и акустооптические свойства, а также дисперсия оптического поглощения полученных сплавов. Проведен сравнительный анализ свойств термообработанных образцов с различными режимами закалки. Обсуждаются возможные механизмы наблюдаемых явлений. Показано, что синтезированный сплав является веcьма перспективным для изготовления высокоэффективных акустооптических устройств широкого применения. Разработан и испытан высокоэффективный акустооптический модулятор, работающий в широком диапазоне длин волн = 1.87-10.6мкм.

1. Введение дифракции. Однако в области оптической прозрачности при = 10.6 мкм сплав Si20Te80 заметно проигрываОдной из наиболее актуальных проблем физики твер- ет монокристаллическому Ge — одному из наиболее дого тела является исследование физических свойств эффективных и широко используемых акустооптических объектов с различной степенью порядка. Важное место материалов в инфракрасной области спектра. Поэтому в ряду таких объектов занимают аморфные материалы актуальной представляется задача широкого изучения различной физической природы, которые могут содер- физических свойств теллуридных стекол, в частности жать нано- и даже микрокристаллические включения. выяснения механизма столь высокого оптического поглоВозникновение таких включений представляет большой щения и поиска методов снижения его величины.

интерес, так как может существенно повлиять на многие В данной работе для решения поставленных задач физические свойства материала. В первую очередь это нами разработаны методы получения стекол системы относится к аморфным материалам, в которых при фа- Si–Te с различной степенью их структурного совершензовом переходе ”стекло–кристалл” возникает изменение ства. Проведены комплексные исследования физических структуры ближнего порядка. Ярким примером такого свойств полученного материала.

рода аморфных материалов являются стекла, образующиеся в эвтектической области двойных и тройных 2. Методика эксперимента систем на основе теллура с элементами III и IV групп. До настоящего момента в литературе наибольшее внимание Синтез стекол Si20Te80 проводился в ампулах различуделялось изучению собственно процесса стеклообразоных конфигураций:

вания в эвтектических областях таких систем [1], а также 1) с уплощенным концом, толщиной 1 мм, определению физико-химических параметров получен2) цилиндрических, с диаметрами 10–50 мм, ных стекол [2]. Исследование же физических свойств 3) конусных, с диаметрами 0.5–20 мм.

таких объектов проводилось фрагментарно. В основном Закалка расплава производилась в ледяной воде или это касается некоторых оптических и электрических на воздухе. Для приготовления слитков использовались, свойств теллуридных стекол [3]. Проблема, связанная как правило, материалы марки ”осч”, исходные навески с возникновением в таких материалах системы нанокривесом 2–300 г.

сталлитов, влияние которых на основные свойства может Структурный контроль образцов осуществлялся побыть существенно, практически не затрагивалась.

средством рентгенографических исследований. При этом Изучение физических свойств теллуридных стекол решались следующие задачи:

имеет весьма важное значение и в связи с открывшимися 1) выявление наличия кристаллизации образцов;

перспективами их применения в акустооптике, так как 2) определение фазового состава кристаллических первые же наши измерения [4] показали, что Si20Te80 образований;

на длине волны света = 10.6 мкм обладает рекордно 3) оценка размера кристаллитов основной кристалливысокой акустооптической эффективностью брэгговской ческой фазы.

Для этого использовалась дифрактометрическая мето¶ E-mail: L.Kulakova@shuvpop.ioffe.rssi.ru дика анализа поликристаллических материалов и фотоFax: (812)515-67-Тел.: (812)515-92-05 графический метод съемки на плоскую пленку с фокусиФизические свойства сплава Si20Te80 с различной степенью структурного совершенства... ровкой рефлексов в различных интервалах углов Брэг- 3. Результаты исследований га. Дифрактометрические данные получены на аппарате и их обсуждение ДРОН-2 (CuK-излучение), для съемок фотометодом использовалась камера РКСО (CuK- и MoK-излучения) Полученные нами образцы синтезированного сплава с расстояниями образец–пленка 40 мм и 70 мм. Учитывая Si20Te80, формой в виде пластинок толщиной 0.8–1 мм ограниченную толщину слоя Si20Te80, анализируемую или слитков диаметрами 10–50 мм, весом от 2 до 300 г рентгеновским излучением, для получения более объек- соответственно, имели раковистый излом и не содержали тивной картины рентгенограммы снимались в разных видимых под микроскопом кристаллических включений.

точках поверхности образцов.

Для акустических, оптических и акустооптических из3.1. Рентгеноструктурный анализ мерений образцы размером 4 4 6мм3 приготавлиВ процессе рентгеновских исследований фокусировка вались посредством охлаждаемой резки с последующей и длительные экспозиции позволили надежно и наглядно тонкой шлифовкой и оптической полировкой.

установить, что в результате различных режимов охлаВ акустооптических измерениях использовалось явлеждения сплава структура его претерпевает изменения:

ние брэгговской дифракции света на акустической волне. Для измерений акустооптической добротности M2 охлаждение в ледяной воде дает аморфную структуру, а при охлаждении на воздухе в сетке стекла вознииспользовался метод Диксона [5], в котором с целью кает система нанокристаллитов Te. Рентгенограммы исключения влияния оптического поглощения на резульне фиксируют никакой преимущественной ориентации таты измерялась интенсивность не только дифрагирокристаллитов, но полировка поверхности приводит к славанного II, но и прямо прошедшего света I0. Источбой текстуре. Размер кристаллитов оценен по рефлексу никами света служили He–Ne- и CO2-газовые лазеры (101) теллура, записанному на CuK-излучении, и равен ( = 3.39 и 10.6 мкм), а также полупроводниковые (110 ± 20).

лазеры ( = 1.87 и 3.3 мкм). Абсолютные измерения проводились при = 10.6 мкм. В качестве эталона Таблица 1. Основные параметры сплава Si20Te80 при использовались монокристаллы Ge. Значения M2 в T = 300 K других точках спектра получены из соотношения эффективностей дифракции света II/I0 на звуковой волне при vl, vt,,, Cp, n неизменной интенсивности звука.

105 см/с 105 см/с г/см3 кал/(см·с·К) кал/г·К ( = 10.6мкм) Значения коэффициентов оптического поглощения в 2.03 1.16 5.03 1.14 · 10-3 0.225 3.различных областях спектра получены вычислением из данных об оптическом пропускании, полученных как на Примечание. vl, vt — скорости продольного и поперечного звука.

приборе УР-20, так и непосредственными измерениями пропускания соответствующего лазерного излучения.

Измеренные нами основные параметры полученного Измерения поглощения звука проводились двумя сплава приведены в табл. 1. Значения показателя преметодами. Высокочастотные данные (частота звуколомления n вычислены по измеренной величине угла вой волны f = 90-700 МГц) получены акустооптиБрюстера при = 10.6мкм.

ческим методом ( = 3.39 мкм), низкочастотные ( f = 14-150 МГц) — импульсным эхо-методом. Звук 3.2. Электрические свойства возбуждался резонансными пьезопреобразователями из ниобата лития или пьезокерамики, приклеиваемыми к со- Исследование температурных зависимостей электроответствующей грани образца посредством клея ”Nonaq проводности на постоянном токе в диапазоне темпераStopcock”. Использовались как основная частота пре- тур 90–400 K в стеклах Si20Te80, подвергнутых резкой образователя ( f = 30 МГц — для ниобата лития и закалке (образцы в форме пластинок), показало, что ци14 МГц — для пьезокерамики), так и его высшие гар- клическая термообработка (ЦТ) до температуры T Tg моники. Погрешность измерения поглощения не превы- (Tg — температура стеклования) приводит к появлению шала 5%. дефектов в сетке стекла. Так, если до термообработки в Данные о скорости звука получены методом совме- зависимости электропроводности от 1/T наблюдалось щения СВЧ заполнения последовательных эхо-импуль- лишь два участка с разным наклоном, то ЦТ приводит сов [6]. Точность абсолютных измерений при этом была к появлению третьего — низкотемпературного участка около 2%, относительных — 0.01%. ln (1/T )1/4 с энергией активации 0.07 эВ. Этот Измерения температурных зависимостей электропро- участок соответствует (в рамках модели Мотта) прыжководности и акустических свойств проводились в парах вой проводимости по дефектам, энергетически близким жидкого азота, либо жидкого гелия с использованием к уровню Ферми. Вид соответствующих зависимостей ”холодного пальца”. Акустооптические измерения тем- представлен на рис. 1 для объемных образцов, как полупературных зависимостей поглощения звука проводи- ченных в результате закалки в ледяной воде (кривая 1, лись в откачиваемом оптическом криостате с ”холодным слиток 10 мм), так и на воздухе (кривая 2, слиток пальцем”. 30 мм, кривая 3, 10 мм). На первый взгляд, 2 Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. 660 Л.А. Кулакова, Б.Т. Мелех, Э.З. Яхкинд, Н.Ф. Картенко, В.И. Бахарев, Ю.П. Яковлев и величина его приближается к значению оптического поглощения в монокристаллическом Ge (см. табл. 2).

Вызвана ли наблюдаемая картина различными механизмами оптического поглощения или является следствием наличия в аморфном материале относительно крупномасштабных дефектов, обусловленных резкой закалкой, вызывающих рассеяние света и приводящих к уменьшению оптического пропускания, предстоит еще выяснить.

Во-вторых, наблюдается существенный рост дополнительного пика поглощения в области 5 мкм, который, очевидно, следует объяснить появлением нанокристаллитов Te. Природа механизма такого поглощения нуждается в дальнейших исследованиях.

Рис. 1. Температурные зависимости электропроводности образцов сплава Si20Te80, закаленных: 1, 4 — в ледяной воде;

2, 3, 5 — на воздухе. Обработка поверхности: 1–3 — до травления; 4, 5 — после травления.

казалось бы, следовало ожидать соответствующего изменения электропроводности с температурой и в объемных образцах. А именно, наиболее крутой температурный ход зависимости (1/T ) — в аморфном образце, и более пологий, с большей величиной электропроводности — в образце, содержащем нанокристаллиты. Однако предварительные измерения не обнаружили подобной корреляции, более того, — в образцах с нанокристаллитами наблюдались как большие, так и меньшие зна Рис. 2. Дисперсия коэффициента оптического поглощения.

чения электропроводности, чем в аморфных образцах.

Образцы: 1 — с нанокристаллитами, 2 — aморфные.

Анализ причин такого поведения показал, что оно является следствием возникновения дефектов в приповерхностном слое в процессе механической обработки В-третьих, край оптического поглощения в образцах с образцов. После обработки образцов в полирующем нанокристаллитами смещается в более коротковолновую химическом травителе были получены воспроизводимые область.

данные, представленные на рис. 1 (кривые 4,5). Электропроводность в этих образцах отличается незначительно, 3.4. Акустические свойства а энергия активации оказывается равной Eg 0.45 эВ.

С целью исследования влияния наблюдаемых структурных изменений на упругие свойства нами измерены 3.3. Оптические свойства температурные и частотные зависимости коэффициента Исследование оптической прозрачности показало, что поглощения звука ac, величина и температурные завиона слабо изменяется в рамках каждой серии образцов — симости скорости звука v, а также нелинейные упругие как аморфных, так и с нанокристаллитами. Некоторые параметры исследуемого сплава.

усредненные дисперсионные зависимости коэффициен- Во всех исследованных образцах обращает на себя тов поглощения, полученные из данных о пропускании внимание (рис. 3) большая, практически не зависящая в приближении неизменности величины показателя пре- от структуры, величина поглощения звука. Частотная ломления во всем диапазоне, представлены на рис. 2. зависимость ac для всех образцов имеет линейный Из полученных данных можно сделать ряд выводов. характер. При этом, как показали температурные измеВо-первых, в образцах с нанокристаллитами оптиче- рения, значение коэффициента поглощения в широком ское поглощение значительно меньше, чем в аморфных, интервале температур (30–300 K) не зависит от T.

Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. Физические свойства сплава Si20Te80 с различной степенью структурного совершенства... Таблица 2. Акустооптические параметры сплава Si–Te и других материалов в инфракрасной области спектра при T = 300 K Область ac, дб/см Поляризация Материал, см-1 f = 100 МГц), мкм (M2) прозрачности, мкм ( света Сплав Si20Te80 1.7-13 0.75 8 10.6 3.39 1.87 Ge 2-20 0.06 0.3 10.6 As2Se3 0.9-11 1.15 a-Se 1-20 1.15 10.6 Примечание. (M2) = M2/M2, где (M2) = 1.56 · 10-18 с3/г=M2 — для кварцевого стекла. Поляризация света указана относительно направления распространения звука. Данные из других публикаций: — [7], — [8,9], — [10].

Анализ возможных механизмов поглощения, их коли- описываемая двухъямным потенциалом с широким расчественного и качественного соответствия нашим дан- пределением времен термоактивационной релаксации, ным, подробно изложенный в работе [11], показал, что обусловленным широким распределением высот энервсе наблюдаемые особенности не могут быть объяснены гетических барьеров (V = Vmax - Vmin 0.25 эВ).

типичным (для кристаллов в этой области частот) ахи- Выяснение природы и конфигурация этих дефектов — езеровским механизмом, отражающим взаимодействие задача дальнейших исследований.

звука с тепловыми фононами. Нами показано, что наблю- Измерения скорости звука с целью исследования влияния системы нанокристаллитов Te на упругие свойдаемое в исследуемых стеклах акустическое поглощение, ства исследуемых стекол показали, что и величина, и которое имеет линейную (отличную от квадратичной — ахиезеровской) частотную зависимость (рис. 3), не зави- температурные зависимости скорости (рис. 4) во всех сит от температуры и на 2–3 порядка больше поглоще- исследованных образцах одинаковы с точностью до 1%.

Pages:     || 2 |



© 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.