Модификация структуры и свойств оптических материалов в водородной плазме. Особенности изменения оптического поглощения Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

ВКВО-2019- Стендовые

МОДИФИКАЦИЯ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ ОПТИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ В ВОДОРОДНОЙ ПЛАЗМЕ. ОСОБЕННОСТИ ИЗМЕНЕНИЯ ОПТИЧЕСКОГО ПОГЛОЩЕНИЯ

Салгаева У.О.1*, Волынцев А.Б.2

1 ООО «МИП «Пермские нанотехнологии», г. Пермь 2 Пермский государственный национальный исследовательский университет, г. Пермь

* E-mail: [email protected]

DOI 10.24411/2308-6920-2019-16163

Рядом исследовательских групп предполагалась возможность использования обработки монокристаллов LiNbO3 в водородной плазме (Н-плазме) с целью формирования оптических волноводов. Однако, обработка H-плазме ведет к снижению оптического пропускания, основной причиной которого авторы считали химическое восстановление LiNbO3 [1 - 4]. Проведенные ранее нами эксперименты показали снижение оптического пропускания после обработки в Н-плазме других оптических материалов - натрий-кальций-силикатного стекла (НКС-стекла) и протонообменного (ПО) LiNbO3 [5].

В данной работе исследованы изменения оптического пропускания НКС-стекла, LiNbO3 и ПО LiNbO3, впервые выявлены и описаны характерные особенности спектров приращения оптической плотности образцов, индуцированные обработкой в Н-плазме.

Обработка осуществлялась с помощью системы генерации и удержания ёмкостно-связанной плазмы. Подготовленные образцы загружались в реактор, из которого откачивался воздух до давления 0,05 Торр. Поток рабочего газа Н2 составлял (15 ± 1) см3/мин. Для генерации плазмы на систему электродов подавалась мощность от 25 до 100 Вт с помощью генератора OEM-12A при рабочей частоте 13,4 МГц. В ходе обработки осуществлялся дополнительный нагрев образца от 100 до 300 °С. Эксперименты проводились на образцах Х-среза LiNbO3 (CQT, Китай) и ПО LiNbO3 (протонный обмен в C6H5COOH при 174 °C, 120 мин; отжиг при 354 °C, 300 мин), НКС-стекла (Fisherbrand). Более подробно процесс подготовки и обработки образцов описан в [5].

После обработки в водородной плазме образцы из НКС-стекла приобретали желтоватый оттенок, образцы из LiNbO3 и ПО LiNbO3 приобретали оттенок от серого до черного различной степени интенсивности, зависящей от условий обработки. Мы предполагаем, что появление окраски оптических материалов после обработки в Н-плазме может происходить частично как за счет описанных ранее восстановительных процессов (в случае LiNbO3 и ПО LiNbO3 [1 - 4]) при участии внедренного водорода в приповерхностный слой, так и за счет процессов радиационного повреждения материалов (как НКС-стекла, так и LiNbO3), образования точечных дефектов (центров окраски) при воздействии компонентов Н-плазмы (электронов, УФ-излучения, атомарного водорода, изотопов и ионов водорода).

Нами были проведены измерения оптического пропускания образцов с помощью спектрофотометра (Varian, Cary 300). Данные о характере снижения оптического пропускания вблизи края фундаментального поглощения (при T, % ^ 0) после обработки в Н-плазме говорят о сдвиге полосы фундаментального поглощения образцов из LiNbO3, ПО LiNbO3 (рисунок 1, а) в длинноволновую область до 10 нм, и, как следствие, о возможном повышении неупорядоченности структуры после обработки материалов в Н-плазме [6]. Для образцов НКС-стекла сдвиг полосы фундаментального поглощения после обработки в Н-плазме не был выявлен.

Для оценки степени «окрашивания» образцов после обработки в водородной плазме, было рассчитано приращение оптической плотности, индуцированное обработкой: Ad(X) = lg{ Т(Х)исх/Т(Л)н-плазма), где Т(Л)исх - оптическое пропускание исходного образца, Т(Х)н-тазма -оптическое пропускание образца после обработки в Н-плазме [6].

На графиках спектральной зависимости Ad образцов видно, что после обработки Н-плазме появились пики оптического поглощения (рисунок 1, б, в). На кривых приращения оптической плотности НКС-стекла наблюдаются пики поглощения при « 4,0 эВ (0,310 мкм) и при 2,0 эВ (0,620 мкм). Согласно [6], оба этих пика принадлежат полосам поглощения атомов немостикового кислорода - основного радиационного дефекта в стеклах. Также на графиках Ad (рисунок 1, б) для НКС-стекла наблюдаются малоинтенсивные пики на « 2,25 эВ (550 нм); 1,85 эВ (670 нм); 1,70 эВ (730 нм), природа которых нам не ясна. На графиках спектральной зависимости приращения оптической плотности образцов LiNbO3 и ПО LiNbO3 (рисунок 1, в) видно, что после обработки появились широкие дихроичные полосы оптического поглощения, характерные как для точечных

312 №6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019» [email protected]

ВКВО-2019 Стендовые

дефектов, индуцированных восстановительным отжигом, так и для радиационно-индуцированных дефектов в структуре LiNbOз и ПО LiNbOз.

Необходимо заметить, что увеличение времени обработки в два и более раз не приводит к пропорциональному увеличению оптической плотности образца после обработки в Н -плазме. С точки зрения радиационного материаловедения это может обосновано тем, что скорость накопления центров окраски при обработке в Н-плазме постепенно уменьшается за счет снижения числа ловушек еще не заполненных носителями и конкуренции незаполненных ловушек с уже возникшими центрами окраски.

Также нами был выявлен факт релаксации окраски (повышения оптического пропускания) образцов, исследованы некоторые закономерности данного процесса при отжиге и выдержке на воздухе образцов из НКС-стекла, LiNbOз, ПО LiNbOз, обработанных в Н-плазме (рисунок 1, г). Наблюдается существенная релаксация наведенного поглощения после отжига образца. Выявлено, что скорость релаксации наведенного поглощения уменьшается со временем, при этом скорость релаксации на отожжённых образцах существенно меньше скорости релаксации окраски неотоженных образцов. В терминологии радиационного оптического материаловедения факт уменьшения радиационной окраски объясняется как температуронезависимой рекомбинацией дефектов (при выдержке образцов), так и рекомбинацией под действием термической стимуляции (при отжиге) (например, рекомбинацией электронов, освобождаемых из ловушек, с собственными дырочными центрами окраски).

80.0 70,0 60.0 50,0 40.0 30.0 20,0 10,0 0,0

----- ...... .................

___*

—'

//"*---—

=Н-плазма (50 Вт. 120 °С. 150 мнн) (в день обработки) — Н-плазма (50 Вт. 120 °С. 150 мин) (5-й день после обработки)

I ••••Н-плазма (50 Вт. 200 °С? 60 мин) + отжиг на воздухе 300 СС. 180 мнн

500 600

К нч

(г)

Рис. 1. Изменения оптических характеристик после обработки в Н-плазме: (а) АТ (1) в вблизи края фундаментального поглощения LiNbÜ3 и ПО LiNbÜ3; (б) Ad (1) для образцов из НКС-стекла; (в) Ad (1) для образцов из LiNbÜ3 и ПО LiNbÜ3; (г) изменения АТ (1) образцов из LiNbÜ3 после выдержки и отжига

Таким образом, мы считаем, что при описании изменений структуры и свойств оптических материалов, индуцированных обработкой в Н-плазме, необходимо учитывать влияние всех компонентов плазмы, приводящих не только к изменениям химического состава материалов, но и к образованию радиационно-индуцированных дефектов.

Авторы выражают благодарность Факультету физики и астрономии Университета Луисвилля (США) и лично докторам Сергио Б. Мендесу (Sergio B. Mendes) и Гамини Суманасекера (Gamini Sumanasekera) за оказанную помощь при проведении данного исследования. Литература

1. Turcicova H., et al, J. Phys. D: Appl. Phys. 31, 1052-1059 (1998)

2. Turcicova H., et al, Surface and Interface Analysis 29, 260-261 (2000)

3. Ren Z., et al, Appl. Phys. Lett. 88, 142905 (2000)

4. Ren Z., HeardP.J., Yu S., J. Vac. Sci. Technol. B 25(4), 1161-1165 (2007)

5. Salgaeva U.O., Volyncev A.B., Mendes S.B. Appl. Opt. 55(3), 485-490 (2016)

6. Арбузов В.И. Основы радиационного материаловедения. СПб: СПбГУИТМО, 2008, 284 с

№6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019» [email protected]

313