С. В. КЛИМЕНТЬЕВ, Г. Г. ЗДОРОВЦЕВ, В. И. ИВАНОВ

Дальневосточный государственный университет путей сообщения, Хабаровск

термофотовольтаический эффект в ТОНКОСЛОЙНОЙ

сэндвичной структуре металл-сегнетоэлектрик-металл

Представлены результаты исследования термофотовольтаического эффекта в сэндвичной структуре металл-сегнетоэлектрик-металл с электродами из различных материалов. Выявлена спектральная зависимость величины эдс в сэндвичной структуре на основе легированного железом кристалла ниобата лития. Предложена электретная модель, хорошо согласующаяся с экспериментальными данными.

В легированном кристалле ниобата лития под действием падающего излучения возникает эдс, благодаря термоэлектретному и фотовольтаическому эффектам [1].

В работе была исследована термостимулированная ЭДС, возникающая в легированном железом кристалле ниобата лития с напыленными электродами из различных металлов [2]. Нагрев кристалла приводил к появлению термоЭДС, пропорциональной температуре.

Знак термофотовольтаического отклика определяется положением электродов, напыленных на противоположные грани кристалла, и не зависит от ориентации кристаллических осей относительно электродов образца. Зависимость полной плотности тока DJ, возникающего в пироэлектрическом кристалле, в котором наблюдается термоотклик, можно записать следующим образом:

, (1)

, (2)

где DT – разность начальной и конечной температур образца; Jп – классический пироэлектрический ток; Jel – стационарный ток, обусловленный непироэлектрической составляющей термоотклика (термофотовольтаического отклика); Pel – коэффициент, характеризующий величину термоотклика; t – время релаксации термоотклика; g – пироэлектрический коэффициент; t – время.

Первый член в (1) соответствует классическому пироэффекту (Jп), а второй описывает собственно термофотовольтаический отклик (Jel), выделяющийся из общего сигнала благодаря большому времени релаксации (t ³ 105 с). Эта же формула для напряжения на Rн записывается так:

, (3)

где Sкр – площадь электрода; Pel – коэффициент, характеризующий величину термоотклика в режиме измерения Uн, Pel = DUн/DTS, [В/К×см2]; DUн – изменение напряжения на Rн при изменении температуры образца на DT; Uп0 – первоначальное напряжение при Т0 (Т0 – начальная температура кристалла).

Для количественной характеристики квазистационарного фотоотклика был введен коэффициент H = (Uнмк – Uн0)/Pпад, где: Uн0 – напряжение на Rн при отсутствии света, Uнмк – стационарное значение напряжения на Rн при открытом световом пучке, Pпад – мощность падающего на кристалл излучения.

В эксперименте использовался детектор с кристаллом НЛ Y-среза (0,3 вес.% Fe, электроды Al – Cr, размеры 2´2,5´0,13 мм3). Параметры предусилителя: Кус = 21 в полосе частот Df = 1,5 × 103 Гц (рис. 1). Результаты измерений представлены на рис. 2. Коэффициент H обладает резко выраженной спектральной зависимостью с обращением знака около l = 0,9 мкм.

В экспериментах также использовались беспримесные и легированные железом кристал-лы ниобата лития с толщиной от 0,1 мм до 2 мм и площадью от 1 мм2 до 3 см2. Металлические электроды наносились напылением в вакууме (толщиной от 0,1 до 1 мкм).

Была также измерена координатная зависимость термо-фотовольтаического отклика. Изучение координатной чувствительности проводилась на установке, схема которой показанной на рис. 3.

Детектор устанавливался на координатном столике, позволяющем плавно перемещать кристалл вдоль и поперек лазерного луча. Диаметр светового пятна в фокусе линзы – 300 мкм.

Рис. 1. Измерение координатной чувствительности

Рис. 2. Спектральная зависимость медленных компонент фотоотклика (для кристалла LiNbO3; 2 ´ 2,5 ´ 0,13; 0,3 вес.% Fe; электроды Al – Cr; Y – срез; Rн = 0,47 ГОм): 1 – нечерненный поглощающий электрод; 2 – черненный поглощающий электрод

В экспериментах с использованием в качестве источника излучения He-Ne-лазера (l = 0,63 мкм) была обнаружена зависимость стационарного тока от координаты светового пучка (от того, в какую часть кристалла фокусируется излучение). На рис. 3 представлена зависимость чувствительности H от координаты светового пучка при сканировании по поверхности кристалла Y-среза вдоль полярной оси. Такая асимметрия может быть связана с единственным выделенным направлением в кристалле – полярной осью Z.

Зависимость тока в поперечном направлении монотонная (рис. 4). Аномальная зависимость отклика от координаты светового пятна (наблюдающаяся только в коротковолновой части спектра для излучения с длиной волны менее 0.7 мкм) обусловлена тем, что, помимо фотогальваническoго тока, который может менять свою полярность на торцах кристалла (электроды частично прозрачны), в фотоэлектрический отклик дает вклад термоиндуцированный ток, наблюдающийся в несимметричной МСМ-системе [3]. Это подтверждается исчезновением координатной чувствительности при чернении приемной площадки электрода.

Для определения влияния температурного распределения на координатную зависимость фотоэлектрического отклика регистрировалось температурное поле на поверхности кристалла при облучении сфокусированным пучком излучения. Термограммы поверхности образца, зарегистрированные термографом IRTIS-200 для разных положений пучка, показаны на рис. 5 и 6. Несмотря на увеличение максимальной температуры образца вблизи края, проведенные на основании полученных экспериментальных результатов оценки показывают, что данное увеличение не может обеспечить наблюдаемое возрастание чувствительности на краях образца.

Координатную зависимость величины термо-фотовольтаического эффекта предлагается использовать для создания координатно-чувствительных приемников излучения.

H, В × Вт–1

L, мм
 

H, В × Вт–1

L, мм
 

Рис. 3. График зависимости H от координаты пучка лазера, падающего на кристалл НЛ (Y – срез; 2 ´ 2,5 ´ 0,13 мм; электроды Al – Cr; 0,3 вес. % Fe)

Рис. 4. График зависимости H от координаты пучка лазера, падающего на кристалл НЛ (Z – срез; 2 ´ 2,5 ´ 0,13 мм; электроды Al – Cr; 0,3 вес. % Fe)

°С

°С

2 мм

├────┤

2 мм

├────┤

Рис. 5. Распределение температуры по поверхности кристалла ниобата лития при освещении He-Ne лазером (край образца), Тmax = 45,59 °С

Рис. 6. Распределение температуры по поверхности кристалла ниобата лития при освещении He-Ne лазером (cередина образца), Тmax = 42,14 °С

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. , , //Изв. вузов. Сер. физ. 2001. № 1. С. 96.

2. , , и др. // Материалы VI Международной конференции «Кристаллы: рост, свойства, реальная структура, применение». 8–12 сентября 2003 г. Александров: ВНИИСИМС, 2003. С. 243.

3. Термостимулированные токи в несимметричной сэндвичной структуре металл-сегнетоэлектрик-металл / , , . - Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2007.