WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика твердого тела, 1998, том 40, № 4 Аномально высокие фотонапряжения в молибдате тербия © Б.К. Пономарев, И.А. Корнев, В.Д. Негрий, Г.М. Виздрик, Б.С. Редькин Институт физики твердого тела Российской академии наук, 142432 Черноголовка, Московская обл., Россия Новгородский государственный университет, 173003 Новгород, Россия (Поступила в Редакцию 22 октября 1997 г.) При комнатной температуре излучение лазера с длиной волны 1 = 4880 индуцирует в молибдате тербия Tb2(MoO4)3 электрическую поляризацию, которая сохраняется в течение нескольких суток после выключения излучения. Знак фотоиндуцированной поляризации совпадает со знаком спонтанной поляризации. При мощности излучения 0.5 W и экспозиции 4.5 h фотоиндуцированная поляризация превосходит спонтанную поляризацию на порядок. Соответствующее электрическое поле составляет 2.5 · 106 V/cm. Под действием излучения с 1 = 4880 молибдат тербия люминесцирует в зеленой части спектра в окрестности 2 5425. Квантовый выход люминесценции составляет 20%.

Эффект аномально высоких фотонапряжений нял функции электростатического экрана и термостата.

(АФН-эффект) наблюдался экспериментально в ряде Внутри контейнера находился нагреватель. В стенках сегнетоэлектриков: SbSI0.35Br0.65, BaTiO3, LiNbO3, контейнера имелись отверстия для входа и выхода луSbNbO3, KNbO3, -LiIO3 [1–6]. При освещении ча лазера. Описанная конструкция позволяла измерять монокристаллического образца с разомкнутыми электрическую поляризацию в температурном интервале электродами в собственной или примесной зоне от комнатной до 220C. Температура измерялась при поглощения в кристалле возникало внутреннее помощи термопары хромель–алюмель. Мощность излуэлектрическое поле напряженностью порядка чения лазера составляла 0.5 W. Длина волны излучения (103-105) V/cm. была равна 4880. Это соответствовало собственному Наибольшее значение фотоиндуцированного поля поглощению Tb2(MoO4)3 за счет дипольно запрещенных 7 5 E 105 V/cm было получено в LiNbO3 [3]. переходов F6 D4 [9]. Луч лазера был параллелен орВ настоящей работе исследован АФН-эффект в ме- торомбической оси [110] и проходил по середине образца на равных расстояниях от граней (001). Плоскость тастабильной орторомбической сегнетоэлектрической -фазе молибдата тербия Tb2(MoO4)3. Монокристалл поляризации излучения лазера была перпендикулярна Tb2(MoO4)3 был выращен методом Чохральского. Мето- граням (001). При такой мощности и длине волны издика выращивания описана в [7]. Образцы представляли лучения равновесная температура образца в контейнере собой полированные прямоугольные параллелепипеды при выключенном нагревателе составляла около 40C.

размером 3 3 2mm3. Квадратные грани образцов Равновесное значение температуры было определено были перпендикулярны полярной оси [001], вдоль кото- экспериментально до начала измерений фотоиндуциророй направлена спонтанная электрическая поляризация. ванного напряжения.

Стороны квадратных граней были параллельны осям Перед началом измерений закороченный образец на [110] и [110]. Измерялась разность потенциалов между гревался при помощи нагревателя до 40C в отсутствие гранями (001). Измерения выполнены при помощи излучения. Когда устанавливалась указанная темпераэлектрометра Cary-31. Его входное сопротивление по- тура, включалось излучение, нагреватель выключался, стоянному току было не менее 1014. Для предот- закорачивающий контакт размыкался и образец подвращения перегрузки электрометра образец шунтиро- ключался к электрометру. Таким образом, измерения вался дополнительной емкостью. При емкости образца проводились в условиях теплового равновесия между Csampl = 0.36 · 10-12F дополнительная емкость была образцом и излучением. Тем самым был исключен вклад равна Cadd = 6.46·10-9F. Фотоиндуцированная разность пироэлектрического эффекта. Измеряемая разность попотенциалов уменьшалась при этом в 18000 раз. Посто- тенциалов V (t) в момент времени t была пропорциоянная времени входной цепи электрометра была порядка нальна фотоиндуцированной электрической поляризации 102 часов. При измерениях использовались прижимные образца Pind(t) =P(t) -P(t0). Здесь P — электрическая латунные и напыленные алюминиевые контакты. поляризация, t0 — время начала измерений. Результаты Перед измерениями образец монодоменизировался по измерений изображены на рисунке. Различные кривые методике, описанной в [8]. Значение спонтанной по- измерены при одной и той же температуре 40C и при ляризации Ps при комнатной температуре, а также вид различных формах поперечного сечения луча лазера.

температурной зависимости Ps(T ) соответствовали ли- Кривая 1 измерена при освещении образца нетературным данным. сфокусированным лучом, поперечное сечение котороВ процессе измерений образец находился в медном го имело форму круга диаметром 1 mm. Видно, контейнере с двойными стенками. Контейнер выпол- что освещение образца создавало между его гранями 720 Б.К. Пономарев, И.А. Корнев, В.Д. Негрий, Г.М. Виздрик, Б.С. Редькин ровки. После освещения образца в течение 4.5 часов напряжение на входе электрометра достигло 28 V. Это соответствовало Pind 2 · 10-6 C/cm2, что на порядок превосходило спонтанную поляризацию.

При измерении кривой 3 сечение луча представляло собой полоску, параллельную граням образца (001) и расположенную посередине грани образца (110). Видно, что при такой ориентации светового пятна Pind возрастает со временем значительно медленнее, чем в двух предыдущих случаях.

При измерении кривой 4 световое пятно было ориентировано так же, как при измерении кривой 2. Сравнение кривых 2 и 4 показывает, что эффект зависит от предшествующих облучений образца.

Из кривых рисунка можно найти значения фототока при помощи соотношения i(t) =-(Csampl+Cadd)(dV /dt).

Значения тока в момент включения освещения составляЗависимости фотонапряжения в Tb2(MoO4)3 от времени при ют i 10-11 A. Значение тока зависит от расстояния различных формах сечения луча лазера. 1 —круг диаметром между освещенным пятном и электродами: чем больше 1 mm, 2 — полоса шириной 0.1 mm и длиной 2 mm, праллельрасстояние, тем меньше ток.

ная оси кристалла [001], 3 — аналогично измерениям кривой 2, Достигнутое нами значение фотоиндуцированного поно полоса перпендикулярна оси [001]; 4 — аналогично кривой 2. ля Eind = 2.5 · 106V/cm на два порядка превосходит значение Eind = 1.05 · 104 V/cm для SbSI0.35Br0.из работы [1] и на порядок превосходит значение (001) возрастающую со временем разность потенциаEind = 105V/cm для LiNbO3 [3]. В работе [3] значение лов V (t). По измеренной величине V (t) была опреEind получено путем прямых измерений. В данной работе делена усредненная по объему образца фотоиндуцироивработе [1] значения Eind определялись по измеренным ванная электрическая поляризация Pind(t) при помозначениям фотополяризации Pind при помощи соотношещи соотношения Pind(t) = [V(t) · (Csampl + Cadd)]/S.

ния Eind = 4Pind/. Значения составляют 10 для Здесь S = 0.09 cm2 — площадь (001) граней образца, Tb2(MoO4)3 [11] и 2 · 103 для SbSI0.35Br0.65 [1].

между которыми измерялась разность потенциалов V(t).

Согласно [12], возможны две причины возникновения Скорость роста разности потенциалов уменьшалась во АФН-эффекта: 1) фотовольтаический эффект; 2) переходвременем. После освещения образца в течение 4 чаные фототоки.

сов напряжение составляло 6.2 V. Оно соответствоваФотовольтаический эффект состоит в том, что при ло значению Pind = 445 · 10-9 C/cm2, что в два однородном освещении однодоменного монокристалла с половиной раза превосходило значение спонтанной сегнетоэлектрика в нем протекает стационарный ток поляризации Tb2(MoO4)3 при комнатной температуре (фотовольтаический ток), который может быть связан Ps = 187.5 · 109 C/cm2 [10]. Знак фотоиндуцированной с асимметрией распределения потенциала примесных поляризации совпадал со знаком спонтанной поляризацентров. Благодаря этой асимметрии при фотовозбуции. После выключения света величина V (t) оставалась ждении примесного центра происходит асимметричный почти постоянной: в течение суток она уменьшалась выброс электрона в зону проводимости, что и вызывает на несколько процентов. После закорачивания фотопостационарный ток. В нашем случае роль таких центров ляризованного образца температурная зависимость его могут играть ионы Tb3+. Асимметричное распределение спонтанной поляризации Ps(T ) отличалась от исходной потенциала рассматриваемых центров приводит также не более чем на несколько процентов. Излучение с длиной волны 1 = 4880 возбуждало в Tb2(MoO4)3 к их перемещению в случае их ионизации (франк– кондоновская релаксация). Этот механизм также дает интенсивную люминесценцию в зеленой части спектра в свой вклад в стационарный фотовольтаический ток.

окрестности 2 5425. Квантовый выход в люминесАФН-эффект в сегнетоэлектриках может быть связан ценции составлял 20%.

не только со стационарным фотовольтаическим током, При измерении кривой 2 луч лазера был сфокусироно и с переходными фототоками. Согласно [12] переван при помощи цилиндрической линзы. Сечение луча ходные фототоки могут возникать за счет экранирования имело форму узкой полоски. Эта полоска имела ширину спонтанной поляризации неравновесными носителями и около 0.1 mm, длину около 2 mm, была ориентирована за счет влияния неравновесных носителей на величину вдоль полярной оси кристалла [001] и проходила через спонтанной поляризации.

середину грани (110), почти касаясь своими концами граней образца (001). Видно, что при такой фокусировке Присутствие переходных фототоков в нашем экспелуча Pind растет быстрее, чем в отсутствие фокуси- рименте очевидно из зависимостей V (t). Производная Физика твердого тела, 1998, том 40, № Аномально высокие фотонапряжения в молибдате тербия dV/dt, пропорциональная фототоку, при больших значе- [6] А.Р. Погосян, Е.М. Уюкин, А.П. Леванюк, Г.Ф. Добржанский. ФТТ 23, 11, 3280 (1981).

ниях t убывает. Такое поведение типично для переходно[7] B.S. Red’kin, V.N. Kurlov, I.S. Pet’kov, S.N. Rossolenko. J.

го тока. Однако природа этого переходного тока неясна.

Cryst. Growth 104, 1, 77 (1990).

Если бы наблюдаемые значения V(t) были связаны с вли[8] Б.К. Пономарев, С.А. Иванов, Б.С. Редькин, В.Н. Курлов.

янием неравновесных носителей на величину спонтанной Письма в ЖЭТФ 55, 6, 353 (1992).

поляризации Ps(T ), то длительное существование вели[9] B.K. Ponomarev, J. Zeman, G. Martinez, A.G.M. Jansen, чины V(t) на облученном незакороченном образце после P. Wyder, A.K. Zvezdin, V.D. Negrii, B.S. Red’kin.

выключения освещения означало бы, что фотоиндуциMagnetoelectric Interaсtion in Crystals. III Int. Conf.

рованная поляризация Pind равна изменению спонтанной Novgorod (1996). P. 39.

поляризации Ps(T ), индуцированному неравновесными [10] H.J. Borchard, P.E. Bierstedt. J. Appl. Phys. 38, 5, 2057 (1967).

носителями. Но в таком случае при измерениях темпе- [11] E.T. Keve, S.C. Abrahams, K. Nassau, A.M. Glass. Solid State Commun. 8, 19, 1517 (1970).

ратурной зависимости спонтанной поляризации образца [12] В.М. Фридкин. Фотосегнетоэлектрики. Наука, М. (1979).

после его облучения и закорачивания получилась бы кривая Psind(T ) =Ps(T )+Ps(T) =Ps(T )+Pind, которая отличалась бы от исходной кривой Ps(T ) на величину фотоиндуцированной поляризации Ps(T ) = Pind. Как отмечалось выше, Pind превосходит Ps(T ) на порядок. Наши измерения температурной зависимости спонтанной поляризации образца после его облучения и закорачивания показали, что кривая Psind(T ) отличается от исходной кривой Ps(T ) не более чем на несколько процентов.

Следовательно, Ps(T ) Pind и измеренный эффект не связан с влиянием неравновесных носителей на величину спонтанной поляризации.

Экранирование спонтанной поляризации Ps не может привести к возникновению наблюденных значений Pind по двум причинам: 1) экранирование Ps не может изменить поляризацию образца на величину, превосходящую Ps; 2) знак Pind при экранировании Ps должен быть противоположен знаку Ps. Отсюда следует, что природа переходных токов в нашем эксперименте отличается от описанной в [12]. Для решения вопроса о стационарных токах необходимы дополнительные измерения, которые находятся в стадии подготовки.

Авторы выражают свою признательность В.В. Кведеру и В.В. Синицыну за полезные обсуждения.

Данная работа выполнена при финансовой поддержке Международной ассоциации содействия сотрудничеству с учеными СНГ (INTAS, проект № 94-0935), Международного научного фонда (ISF) совместно с Российским правительством (проект № JEF100) и Фонда стипендий президента РФ.

Список литературы [1] А.А. Греков, М.А. Малицкая, В.Д. Спицына, В.М. Фридкин.

Кристаллография 15, 3, 500 (1970).

[2] Т.Р. Волк, А.А. Греков, Н.А. Косоногов, В.М. Фридкин. ФТТ 14, 11, 3214 (1972).

[3] A.M. Glass, D. von der Linde, T.J. Negran. Appl. Phys. Lett.

25, 4, 233 (1974).

[4] К.А. Верховская, А.Н. Лобачев, Б.Н. Попов, В.И. Пополитов, В.Ф. Пескин, В.М. Фридкин. Письма в ЖЭТФ 23, 9, 522 (1976).

[5] V.M. Fridkin, B.N. Popov, K.A. Verkhovskaya. Phys. Stat. Sol.

(a) 39, 1, 193 (1977).




© 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.