WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика твердого тела, 2002, том 44, вып. 1 Особенности электро- и фотопроводимости марганцево-германиевых гранатов © C.Л. Гнатченко, И.И. Давиденко, Н.А. Давиденко, Дж.М. Девин Киевский национальный университет им. Т. Шевченко, 01033 Киев, Украина Физико-технический институт низких температур Национальной академии наук Украины, 61164 Харьков, Украина LMMM, СNRS Laboratory, Meudon, France (Поступила в Редакцию 4 ноября 2000 г.

В окончательной редакции 13 марта 2001 г.) Впервые исследованы особенности электро- и фотопроводимости кристаллических образцов марганецгерманиевых гранатов в диапазоне температур 4.2–370 K. При облучении образцов с омическими контактами видимым светом фототок в этих образцах наблюдается только при высоких температурах и имеет различные характерные времена нарастания и релаксации после выключения света. Сделан вывод о том, что электрои фотопроводимость определяются электрической перезарядкой ионов марганца. Генерация и транспорт носителей заряда контролируются центрами с электрическими неоднородностями и мелкими уровнями прилипания.

Исследования выполнены при частичной финансовой поддержке гранта INTAS (N 97-0366).

Ранее было обнаружено, что оптические и магнитные Для исследований выбраны образцы МГГ различных свойства марганец-германиевых гранатов (МГГ) изме- составов с учетом того, что наблюдаемые в этих криняются под воздействием светового облучения види- сталлах фотоиндуцированные эффекты должны быть мого диапазона. Облучение кристалла линейно-поляри- чувствительными к химическим примесям, внедренным зованным светом вызывает изменение линейного дву- в кристаллическую решетку.

преломления [1] и линейного дихроизма [2], влияет на процесс перемагничивания подрешеток в антиферро1. Образцы и методика эксперимента магнитном состоянии [3], приводит к изменению поля фазового перехода из антиферромагнитного в метамагДля достижения поставленной цели были проведены нитное состояние [4]. Световое облучение вызывает исследования электро- и фотопроводимости образцов также изменение коэффициента оптического поглощеМГГ с электрическими контактами поверхностного типа, ния МГГ [5,6]. Последний эффект поляризационночто позволило определить влияние химического состава независимый и наблюдается при облучении кристалла МГГ на суперпозицию объемных и поверхностных элеклинейно и циркулярно поляризованным, а также непотрофизических свойств.

ляризованным светом. Фотоиндуцированные эффекты, Были исследованы образцы следующих составов:

наблюдаемые в МГГ, могут быть использованы для образец № 1 — монокристаллическая пластина оптической записи, в частности для голографической Ca2Ga2-xMnxGe3O12 (x = 0.002), кристаллическая записи амплитудных и фазовых решеток [7]. Поэтому решетка кубическая (0.1% ионов Ga замещено МГГ представляют интерес как материалы для активных ионами Mn), кристаллографическая ориентация (100);

элементов в устройствах записи, хранения и обработки образец № 2 — монокристалл Ca3Mn3+Ge3O12, информации.

кристаллическая структура тетрагональная; образец Механизмы наведения и релаксации наблюдаемых фо№ 3 — монокристалл Ca3Mn3+Ge3O12 с примесью тоиндуцированных эффектов связываются с переносом ионов Na+, кристаллическая структура тетрагональная;

заряда между ионами марганца разной валентности образец № 4 — монокристалл (CdCa)3Mn3+Ge3Oв кристаллической решетке граната [1–8]. При навепо закладке в шихте Cd/Ca = 10, кристаллическая дении эффекта этот процесс вызывается оптическими структура кубическая.

переходами с переносом заряда, а при релаксации перенос заряда осуществляется вследствие термической ак- Для фотоэлектрических измерений на шлифованные поверхности образцов наносили по два электропровотивации. До настоящего времени отсутствовали данные по электропроводности и фотопроводности МГГ, кото- дящих контакта из серебряной пасты. Ширина зазора между контактами на каждом образце составляла рые необходимы для развития представления о природе 0.5–0.7 mm, длина контактов вдоль этого зазора была наблюдаемых в этих кристаллах фотоиндуцированных 4–6 mm.

эффектов. Поэтому цель настоящих исследований — изучение электропроводности и фотопроводности этих В приготовленных образцах были исследованы термокристаллов в температурной области T = 4.2-370 K. стимулированные токи (ТСТ) в диапазоне температур 88 C.Л. Гнатченко, И.И. Давиденко, Н.А. Давиденко, Дж.М. Девин T = 4.2-370 K, а также темновой ток (it) и фототок (i ) в зависимости от постоянного электрического ph напряжения (U), приложенного к контактам на поверхности образца, температуры (T ), интенсивности (I) и длины волны () света, которым производилось облучение образца, а также от угла между плоскостью поляризации падающего света и кристаллографическими осями на исследуемом участке поверхности образца.

Для исследований ТСТ был использован гелиевый криостат с оптическими окнами и с автоматической регулировкой и стабилизацией температуры. Измеpения проводили при скорости нагрева образца 0.1 K/s. Электрические контакты поверхностного типа были закорочены перед охлаждением, затем образец охлаждался до температуры T = 5 K и облучался светом в течение времени t = 5 min. После выключения света на электриРис. 1. Зависимости термостимулированных токов в образце ческие контакты подавалось постоянное электрическое № 2 для различных температур, при которых производилось напряжение. После релаксации переходных токов в тепредварительное облучение образца светом (при напряжении чение времени, определяемого зарядкой электрической на электрических контактах U = 90 V): 1 — без предварительемкости образца, и установления стационарного зна- ного облучения, 2 — Tirr = 5, 3 — 15, 4 — 150 K.

чения потенциала электрического контакта включался линейный нагрев образца и регистрировалась величина термостимулированного тока (iTSC), протекающего межтур T = 250-305 K с ростом температуры значение iTSC ду электрическими контактами. Измерения тока произувеличивается, но в пределах погрешности эксперимента водились с помощью электрометра, ко входу которого не зависит от того, был ли образец облучен при более в режиме фотосопротивления был подключен образец.

низких температурах. На рис. 1 представлены графики Нижний предел чувствительности измерительной устазависимости lg(iTSC) от 1/T, измеренные на образце № новки составлял 2 · 10-12 A.

при U = 90 V без его облучения при низких темпераИзмерения зависимостей it и i от T, U, I, провоph турах (кривая 1) и после облучения при температурах дились в режиме фотосопротивления с помощью запоTL = 5 (2), 15 (3) и 150 K (4). Как видно из рисунка, минающего осциллографа в диапазонах T = 285-370 K, при низких температурах отсутствует увеличение iTSC, а U = 10-600 V, = 380-1000 nm. Облучение образцов, при T > 250 K все графики близки друг к другу и могут помещенных в термостат с оптическими окнами, пробыть интерполированы прямой линией. Рассчитанное из изводилось светом ртутной лампы, лампы накаливания тангенса угла наклона этой прямой значение энергии с использованием конденсора, стеклянных светофильактивации iTSC близко к Wat = 0.52 0.02 eV. Поэтому тров и поляризаторов, а также гелий-неонового лазера для T > 250 K зависимость iTSC от T можно описать ( = 633 nm). Интенсивность света изменялась с экспоненциальной функцией помощью нейтральных светофильтров до 84 раз. Для изменения угла поляризации падающего света образец iTSC exp(-Wat/kT ), (1) поворачивался вокруг оси светового луча. Кроме того, после проведения цикла измерений электрические где k — постоянная Больцмана, Wat — энергия активаконтакты удалялись с поверхности образца и вновь ции iTSC.

наносились на ту же поверхность, но зазор между ними Отметим, что в наших экспериментах не удалось ориентировался под другим углом к кристаллографизарегистрировать увеличения iTSC с ростом температуры ческим осям образца по сравнению с предыдущими в образце № 1. Кроме того, в этом образце как темновой измерениями. Цикл измерений повторялся с целью выток, так и фототок оказались малыми (за пределами яснения влияния ориентации внешнего электрического чувствительности использованной измерительной аппаполя на исследуемые эффекты. Производилось сравнение ратуры), что существенно отличает его от остальных результатов измерений.

исследованных образцов.

На рис. 2 в двойных логарифмических координатах представлены зависимости it от U, измеренные при 2. Экспериментальные результаты температуре T = 300 K в образцах № 2 (1 ) 3 (2 ) В ходе исследований ТСT установлено, что для образ- и 4 (3 ). Эти графики могут быть интерполированы цов № 2–4 в диапазоне температур T = 5-245 K тер- прямыми линиями, причем тангенсы углов наклона (m ) моактивированные токи проводимости не наблюдались прямых для образцов № 2, 3 и 4 с точностью ±5% даже в облученных светом образцах. В области темпера- равны соответственно 1.11, 1.14 и 1.0. Полученные Физика твердого тела, 2002, том 44, вып. Особенности электро- и фотопроводимости марганцево-германиевых гранатов может быть выражена следующим образом it exp(-Wat/kT ). (3) На рис. 4 представлены графики зависимостей Wat от постоянного электрического напряжения U для образцов № 2 (1 ), 3 (2 ) и 4 (3 ). Из рисунка видно, что Wat слабо зависит от U и имеет наибольшее значение 0.52 ± 0.005 eV для образца № 2.

Если образцы № 2–4 с приложенным электрическим напряжением облучать видимым светом, то протекающий через образец электический ток увеличивается, а после прекращения облучения — уменьшается. Это увеличение и релаксация тока (кинетика фототока i ) ph представляют собой достаточно длительные процессы.

Времена нарастания и релаксации фототока отличаются между собой и различны для разных образцов: меньше для образца № 2 и больше для образцов № 3, 4.

Отметим, что после выключения света величина тока Рис. 2. Зависимость фототока (1–3) и темнового тока (1 –3 ) от приложенного электрического напряжения в образцах №2 (1, 1 ), 3 (2, 2 ) и 4 (3, 3 ). Длина волны возбуждающего света = 633 nm, T = 293 K.

Рис. 4. Зависимости энергии активации фото- (1–3) и электропроводимости (1 -3 ) от приложенного электрического напряжения в образцах Ca3Mn3+Ge3O12 (1, 1 ), (Cd/Ca)3Mn3+Ge3O12 (2, 2 ), Ca3Mn3+Ge3O12 : Na+ (3, 3 ).

2 Рис. 3. Температурные зависимости фототока (1–3) и темнового тока (1 -3 ) для образцов № 2 (1, 1 ), 3 (2, 2 ) и 4 (3, 3 ).

Длина волны возбуждающего света = 633 nm, U = 110 V.

результаты позволяют аппроксимировать зависимости it от U следующей функцией:

it Um. (2) На рис. 3 представлены графики зависимостей lg(it) от 1/T, измеренных на образцах № 2–4. Графики можно интерполировать прямыми линиями, из тангенсов угла наклона которых можно определить энергию активации Wat темнового тока. Сама зависимость аналитически Рис. 5. Кинетика фототока в образцах № 2 (1) и 3 (2).

Физика твердого тела, 2002, том 44, вып. 90 C.Л. Гнатченко, И.И. Давиденко, Н.А. Давиденко, Дж.М. Девин 1.0 соответственно (с точностью 5%). Зависимости i ph от U описываются выражением, подобным (2), i Um. (5) ph Для образцов № 3 и 4 значения m и m близки между собой и не отличаются заметно от единицы, а для образца № 2 эти значения существенно различаются. Кроме того, обращает на себя внимание различие отношений i /it, ph которые для образцов № 2, 3 и 4 равны соответственно (5.6 ± 0.2) · 10-2, (1.5 ± 0.3) · 10-2, (2.6 ± 0.2) · 10-2.

На рис. 3 приведены графики зависимостей lg(i ) ph от 1/T для образцов № 2–4. Эти графики можно интерполировать прямыми линиями, из тангенсов углов Рис. 6. Зависимость постоянной времени нарастания фототока наклона которых определяется энергия активации Waph от температуры в образце № 2 (Ca3Mn3+Ge3O12).

фототока. Зависимость может быть представлена аналогично (3) i exp(-Waph/kT ). (6) ph более медленно восстанавливается у образцов № 3, 4.

На рис. 4 изображены графики зависимостей Waph от U На рис. 5 представлены нормированные графики завидля образцов № 2 (1), 3 (2) и 4 (3). Из рисунка видно, симости i от времени t после включения света для ph что Waph не зависит от постоянного электрического образцов № 2 (2), № 3 (2). Вертикальной стрелкой напряжения U, имеет меньшее значение, чем энергия отмечен момент выключения света. Кинетика фототока активации темнового тока, и для указанных образцов в исследованных образцах не зависит от постоянного составляет соответственно 0.41 ± 0.01, 0.38 ± 0.электрического напряжения U, интенсивности и длины и 0.47 ± 0.01 eV.

волны видимого света, но чувствительна к температуре.

На рис. 6 в координатах Аррениуса представлен гра3. Обсуждение результатов фик температурной зависимости постоянной времени ph нарастания фототока в образце № 2, измеренной по Поскольку в образце № 1 для указанных выше условий тангенсу угла наклона начального линейного участка экспериментов не наблюдались электро- и фотопровографика зависимости i от t (кривая 1 на рис. 5). Видно, ph димость, но они есть в образцах № 2–4, можно сдечто ph уменьшается с ростом температуры. По результалать вывод о тем, что обсуждаемые эффекты связаны там этих измерений было рассчитано значение энергии с появлением в этих образцах упорядоченной структуры активации нарастания фототока W = 0.13 ± 0.03 eV. Заионов Mn3+. Перекрытие внешних электронных обовисимость времени нарастания фототока от температуры лочек этих ионов определяет возможность переходов может быть представлена в следующем виде:

подвижных носителей зарядов.

В общем случае могут быть использованы следующие ph exp(W /kT ). (4) выражения для темнового тока и фототока [9]:

При облучении исследуемых образцов светом it qntµtE, (7) c < 450 nm фототок зарегистрировать не удалось.

В видимом диапазоне света при постоянных U и t i qnphµphE, (8) ph величина i прямо пропорционально интенсивности ph света I, не зависит от дополнительной подсветки светом где q — заряд электрона, nt и µt — соответственно кон < 450 или c > 1000 nm, от угла поляризации центрация и подвижность равновесных носителей заряда, падающего света и от направления приложенного элек- nph и µph — соответственно концентрация и подвижность трического поля относительно кристаллографических неравновесных носителей заряда, E — напряженность осей на поверхности образца. Однако величина фототока электрического поля. Концентрация носителей тока и их существенно зависит от постоянного электрического транспорт определяются как возможностью выхода из напряжения U и температуры. центров фотогенерации, так и возможностью переходов На рис. 2 в двойных логарифмических координатах между соседними узлами кристаллической решетки.

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.