CC BY
73
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Гефле О.С., Лебедев С.М., Ткаченко С.Н. Применение метода диэлектрической спектроскопии для контроля состояния полимерных диэлектриков в электрическом поле // Известия томского политехнического университета. - 2006. - Т. 309. -№ 2. - С. 114-117.
2. Тареев Б.М. Физика диэлектрических материалов. - М.: Энер-гоиздат, 1982. - 320 с.
3. Справочник по электротехническим материалам / Под ред. Ю.В. Корицкого и др. - 3-е изд. перераб. - М.: Энергоатомиз-дат, 1986. - Т. 1. - 368 с.
4. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике. - М.: Наука, 1981. - 720 с.
5. Липатов Ю.С. Структура, свойства наполненных полимерных систем и методы их оценки // Пластмассы. - 1976. - № 11. -С. 6-10.
6. Lewis T.J. Interfaces and nanodielectrics are synonymous // Proc. Intern. Conf. on Solid Dielectrics. - Toulouse, France, July 5-9, 2004. - V. 2. - P. 792-795.
Поступила 14.04.2008 г.
УДК 535.215.12
ФОТОВОЛЬТАИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ В ПИРО- И ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КРИСТАЛЛАХ
Б.Х. Каримов
Ферганский государственный университет, Узбекистан E-mail: [email protected]
Обнаружен и исследован фотовольтаический эффект в пиро- и пьезоэлектрических кристаллах. Определены фотовольтаиче-ские коэффициенты kk для пироэлектрических кристаллов ZnO и кубических кристаллов ZnS. Определены величины K=2.10A см. (Вт)-1, Кз3=2.10-9 A см. (Вт)-1 при 1=460 нм и Кз=110r'° А см. (Вт)-1,К33=3.10-10 A см. (Вт)-1 при 1=600 нм для ZnO, а также фотовольтаический коэффициент К14=2.10-9 А см. (Вт)-1 для кубических кристаллов ZnS.
Ключевые слова:
Фотовольтаический эффект, фотовольтаический ток, фотовольтаический тензор, фотовольтаические коэффициенты, пироэлектрический кристалл, ZnO, ZnS, спектральное распределение, оптическое поглощение.
Введение
При освещении короткозамкнутого сегнето-электрика через него протекает стационарный ток, который в [1, 2] назван фотовольтаическим. Было показано, что именно фотовольтаический ток приводит к аномальному фотовольтаическому (АФ) эффекту в сегнетоэлектрике.
Аномальный фотовольтаический эффект, обнаруженный для сегнетоэлектриков впервые в [1, 2], является частным случаем АФ эффекта, описываемого для кристаллов без центра симметрии тензором третьего ранга а¡]к [2, 3]
= а&Еу%- (1)
Согласно (1), при равномерном освещении линейно поляризованным светом однородного кристаллов без центра симметрии (сегнето-, пиро- или пьезоэлектрического кристалла) в нем возникает фотовольтаический ток I, знак и величина которого зависят от ориентации вектора поляризации света с проекциями Е1, Ек'.
Компоненты тензора а1кк отличны от нуля для 20 ацентричных групп симметрии. Если электроды кристалла разомкнуть, то фотовольтаический ток I
генерирует фотонапряжение и, =—^—I, где от
и Оф соответственно темновая и фотопроводимость, I - расстояние между электродами. Генерируемые фотонапряжения достигают 103...105 В.
В соответствии с (1) и симметрией точечной группы кристалла можно написать выражения для фотовольтаического тока I¡. Сравнение экспериментальной угловой зависимости I (в) с (1) позволяет определить фотовольтаический тензор адк или
фотовольтаический коэффициент Кук =—— аук
а •
(а* - коэффициент поглощения света).
1. АФ эффект в пироэлектрических кристаллах ZnO
Все исследуемые кристаллы без центра симметрии представляли собой диэлектрики с широкой запрещённой зоной (Ег=2...7 эВ) и низкой проводимостью (о=10-8...10-15 Ом-1.см-1). Поэтому требования, которые предъявлялись к методике эксперимента, в первую очередь обуславливались малыми величинами измеряемых токов (10-9...10-15А).
В работе использовался двухэлектродной метод непосредственного отклонения [2].
К кристаллам ZnO - полупроводникового соединения группы АПВ", обладающего высокой пьезоэлектрической активностью, проявляется повышенный интерес в связи возможностью их исполь-
Математика и механика. Физика
зования в новых перспективных направлениях микро- опто-, акустоэлектроники (создания электромеханических преобразователей, интегральных линий задержки, усилителей ультразвуковых колебаний, канальных триодов, и т. д.).
Кристаллы ZnO является гексагональными, и принадлежат к точечной группе 6шш. В настоящей работе изложен результаты исследования АФ эффекта в пироэлектрических кристаллах ZnO.
В соответствии с (1) и симметрией точечной группы выражение для фотовольтаического тока при освещении в х и у направлениях имеет вид:
Jz = a31I + (а33 -а31)I cos2 в,
(2)
где - фотовольтаический ток в ¿-направлении (ось г совпадает с осью симметрии шестого порядка); I - энергетическая освещенность и в - угол между плоскостью поляризации света и оси г. Рис. 1 показывает экспериментальную угловую зависимость /г(в) для двух различных примесных спектральных участков (А=600 нм и А=460 нм) при освещении вдоль оси [010]. Сравнение экспериментальной угловой зависимости /г(в) с (2) позволяет определить численные значения фотовольтаи-ческих коэффициентов Щк. В результате были получены следующие значения:
К31=2.10-10; К33=2.10-9 А.см.(Вт)-1 для А=460 нм;
К31=1.10-10; К33=3.10-10А.см.(Вт)-1для А=600 нм.
Таким образом, фотовольтаические коэффициенты, характеризующие примесные центры в ZnO, сильно зависят от природы этих центров. Асимметрия центра (и, соответственно, разность К33-К31) растёт с ростом энергии активации центра.
180 грла
Рис. 1. Ориентационная зависимость фотовольтаического тока Jz(p) в ZnO при 133 К. Направление распространение света вдоль оси [010] указано в верхней части рисунка
Этот вывод подтверждается также спектральным распределением J в ZnO (рис. 2, а). Оно показывает, что максимум при А=460 нм имеет примесную природу.
Кривые 1 и 11, рис. 2, а, иллюстрируют влияние оптической перезарядки примесных центров на фотовольтаический эффект в ZnO. Кривая 11 была
получена после предварительного освещения кристалла, а кривая 1 - без предварительного освещения в собственной спектральной области.
Рис. 2, а, показывает, что предварительное освещение кристалла в области собственной фоточувствительности приводит к увеличению концентрации носителей в ловушках, что в свою очередь увеличивает фотовольтаический ток за счёт ассиме-тричного возбуждения носителей из ловушек в зону. В темноте кривая 11 медленно переходит в равновесное состояние, т. е. в кривую 1. Это естественно связать с термическим опустошением ловушек. Рис. 2, б, показывает спектральное распределение фотопроводимости Стф в собственной области (кривая 3) и влияние предварительного освещения в собственной области на спектральное распределение примесной фотопроводимости (кривая 2 и 21).
Рис. 2. Спектральное распределение: а) фотовольтаического тока Jz и б) фотопроводимости оф
Кривые 2 и 21 иллюстрируют явление оптической перезарядки примесных центров в ZnO, о котором говорилось выше.
2. Фотовольтаический эффект
в пьезоэлектрических кристаллах ZnS
В работе изложены результаты исследования объемного фотовольтаического эффекта в пьезоэлектрических кристаллах ZnS, принадлежащих к кубической точечной группе 43т. В отличие от сег-нетоэлектриков [1-7] фотовольтаический эффект в ZnS можно наблюдать только в поляризованном свете [5, 6]. В соответствии с (1) и симметрией то-
чечнои группы при освещении кристалла в z направлении оси 4-го порядка (оси z) выражение для фо-товольтаического тока в z направлении имеет вид:
JZ = 2 a*Ku I sin2e,
(3)
где в - угол между плоскостью поляризации света и осью х.
Измерение фотовольтаического тока Jz и генерируемого им поля E=J/Oф (Стф - фотопроводимость) производилось путем снятая стационарных вольтамперных характеристик [2].
На рис. 3 представлена ориентационная зависимость Jz=Jz(в) в направлении [001], снятая при 143 К при освещении в области А=500 нм (а*=5 см-1) при энергетической освещенности 2,3.10-3 Втсм-2. Кристалл освещается плоскополяризованным светом в направлении [001]. Сравнение этой угловой зависимости с (3) даёт ^14=2.10-9А.см.(Вт)-1. Таким образом, значение модуля К14 в исследованных кристаллах ZnS существенно выше, чем у известных сегне-то- и пьезоэлектриков [1-3].
1.-101 !А-сг,Г2
J SO р. град
Рис. 3. Ориентационная зависимость плотности фотовольтаического тока Jz в направлении [001]
В интервале температур 140...300К модуль К14 обнаруживает слабую температурную зависимость. Благодаря этому, а также из-за сильной температурной зависимости фотопроводимости Оф генерируемое в направлении оси z поле E=J/Оф изменялось в пределах от 1 Всм-1 (7=300 К) до 40 Всм1 (при 143 К) и не зависело от энергетической освещенности.
В кристаллах ZnS, выращенных гидротермальным методом, фотовольтаический эффект имеет в основном примесный характер. Это видно из рис. 4, где представлены спектральные распределения фотопроводимости и фотовольтаического тока, отнесенные к единице падающей энергии, и края полосы оптического поглощения.
Рис. 4. Спектральное распределение: 1) фотопроводимости Оф; 2) фотовольтаического тока Jz и 3) оптического поглощения а* при 143 К. в=45°
Примесная полоса в спектральном распределении Jz наблюдается вблизи А=500 нм. Там же расположен примесный максимум фотопроводимости. Для кристаллов, выращенных в кислотной или щелочной среде, примесный максимум спектра смещается в пределах 450...500 нм.
Заключение
Обнаружен и исследован фотовольтаический эффект в пиро- и пьезоэлектрических кристаллах. Определёны фотовольтаические коэффициенты к¡]к для пироэлектрических кристаллов ZnO и кубических кристаллов ZnS. Для ZnO определены величины ^31=2.10-10 А.см.(Вт)-1, ^33=2.10-9А.см.(Вт)-1 при А=460 нм и К31=Н0-10 А.см.(Вт)-1, Кй=3.10-10 А.см.(Вт)-1 при А=600 нм. Определен фотовольтаический коэффициент К14=2.10-9 Ахм.(Вт)-1 для кубических кристаллов ZnS.
Автор благодарит В.А. Кузнецова за предоставление кристаллов и В.М. Фридкина за обсуждение.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Glass A.M., Von der Linbe D., Nerren T.J. High-voltage Bulk Photovoltaic effect and the Photorefractive process in LiNbO3 // J. Appl. Phys. Let. - 1974. - V. 25. - № 4. - P. 233-236.
2. Фридкин В.М. Фотосегнетоэлектрики. - М.: Наука, 1979. -С. 186-216.
3. Белиничер В.И. Исследования фотогальванических эффектов в кристаллах: Дис. ... докт. физ-мат. наук. - Новосибирск, 1982. - 350 с.
4. Леванок А.П., Осипов В.В. Механизмы фоторефрактивного эффекта // Известия АН СССР. - 1977. - Т. 41. - № 4. -C. 752-769.
5. Стурман Б.И., Фридкин В.М. Фотогальванические эффекты в средах без центра инверсии. - М.: Наука, 1992. - 208 с.
6. Фридкин В.М. Объемный фотовольтаический эффект в кристаллах без центра симметрии // Кристаллография. - 2001. -Т. 46. - № 4. - С. 722-726.
7. Волк Т.М., Иванов Н.Р., Исаков Д.В., Ивлева Л.И., Лыков П.А. Особенности электрооптических свойств кристаллов ниобата бария-стронция и их связь с доменной структурой // Физика твердого тела. - 2005. - Т. 47. - Вып. 2. - С. 293-299.
Поступила 12.05.2008 г.
