Некоторые физические свойства силленитов.
Монокристаллы со структурой силленита, в основном, удовлетворяют требованиям, предъявляемым к электрооптическим и магнитным кристаллам - Высокие прочностные характеристики - Достаточная твёрдость - Нерастворимость в воде - Негигроскопичность - Хорошие диэлектрические характеристики в сильных полях. Кроме того, они принадлежат к кубической сингонии 9-12. Диаграмы состояний приведены на рис.1.2.1. и 1.2.2 Свойства Таблица 1.2.2. Примеры использования кристаллов силленитов в различных приборах и свойства, благодаря которым возможно это использование. 1. Электрооптические модуляторы света например, для модуляции лазерного излучения Большое значение электрооптический коэффициент х108 Упругооптический коэффициент высокий показатель преломления Низкое управляющее напряжение, U 2, кВ специфич.
Требования, выделяющие силлениты в ряде др. кристаллов ниобаты, КДР Bi12GeO20 BGO r41 11 15 Bi12SiO20 BSO r41 10 16 КДР KH2PO4 r41 26 17 0.115 18 0.130 18 0.251 17 2.65 18 2.55 16 12 17 21 16 75 17 высокие прочностные характеристики достаточная для практ. целей твердость у BGO-370430 г мм2 18 нерастворимость в воде негигроскопичность прозрачность в широ-ком диапазоне длин волн у BGO-0,458,2 мкм 18 принадлежность к кубич.
Сингонии в случаях, когда важна оптич.
Изотропность крист.
В отсутствие эл. поля 2. Акустические приборы линии задержки на поверхностных волнах с большим временем задержки Низкая скорость распространения звук. Волн у BGO скорость продольной волны 3420 м сек в направ-лении 100 , поперечной - 1770 м сек 19 Отмечено слабое затухание упругих волн в BGO 20 , т.е. малые потери энергии, что позво-ляет создать малогабаритные линии задержки на поверхностных волнах с большим временем задержки 3. Запоминающие устройства ПВМС или фотосопротивление с электропроводностью 10-10 - 10-14 Ом-1см-1 у Bi12GeO20 10 Фотопроводимость ѕ увеличение отмечено у Bi12TiO20 при легировании V до 0,1 вес. 21 , но одновременно увеличивается и темновая проводимость ѕ увеличение фотопроводимости без увеличения темновой проводимости отмечено у Bi12TiO20 при легировании Zn 0,009 масс. Электрические свойства - для записи необходима большая подвижность носителей заряда, для длительного хранения - малая Кристаллы силленитов обладают оптической активностью, что несколько усложняет конструкцию модуляторов света на этих кристаллах.
Предполагают 22, что оптическая активность может быть обусловлена винтовыми осями или асимметричной координационной сферой висмута.
Измерение оптической активности проводилось различными исследователями.
По данным 23-26, дисперсия оптической активности для Bi12GeO20 имеет монотонную зависимость, а по другим данным 9,27 - проходит через максимум в районе 500 нм. Для титаната висмута дисперсия оптической активности имеет монотонную зависимость 28. По данным работы 29 кристаллы германосилленита прозрачны от 0,41 до 7 мкм кристаллы силиката висмута от 0,5 до 6 мкм а кристаллы титаната висмута от 0,35 до 8,2 мкм По мнению авторов 11 все силлениты обладают положительным фарадеевским вращением и эффект имеет одинаковую величину.
Однако, установлено23, что Bi12SiO20 и Bi12GeO20 обладают значительным магнитооптическим вращением плоскости поляризации, достигающим величины 0,3 0,5 мин эсм в видимой области, что позволяет использовать их в качестве магнитооптических модуляторов Силлениты нецентросимметричны и обладают таким важным свойством, как наличие электрооптического эффекта 9,25. Это явление называется эффектом Поккельса и имеет место только в пьезокристаллах 29. Монокристаллы силленитов обладают фотопроводимостью 27. Лензо 30 обнаружил у силленитов Gt, Si, Ti эффект, названный фотоактивностью.
Если осветить кристалл, то в его освещённой области будут генерироваться свободные электроны, дырки или пары е-дырка. Под влиянием внешнего поля эти носители будут смещаться, образуя область высокого электрического поля. В этой области наблюдали сильное вращение плоскости поляризации.
В настоящее время большой интерес вызывают акустические свойства силленитов. По данным Лензо 10-12, кристаллы Bi12GeO20 обладают хорошими акустическими свойствами. Низкая скорость распространения звуковых волн 3,42 км. сек. параллельно 100 12, позволяет использовать относительно короткие кристаллы для получения высокой величины задержки ультразвука. Таблица 1.2.1. Силленит Рентгеновская плотность, г см3 Направление распространения звуковой волны Скорость распространения звуковой волны, км сек Литература Bi12GeO20 9,23 II0 продольная 3,42 31,32 Bi12GeO20 9,23 II0 поперечная 1,77 31,33 Bi12TiO20 9,1 II0 поперечная 1,72 34 Bi40Ga2O63 9,26 II0 поперечная 1,61 34 Bi40Fe2O63 9,32 II0 поперечная 1,61 34 Bi12SiO20 9,14 II0 поперечная 3,83 31 В германосиллените наблюдалась генерация поперечных звуковых волн, возбуждаемых световым пятном от лазерного импульса с пространственно модулированным распределением интенсивности.
Эксперимент ставился в условиях, когда нормально к поверхности кристалла приложено достаточно сильное внешнее электрическое поле до 5 кВ см. Звуковые волны принимались торцевым преобразователем на частотах от 20МГц до 70МГц. Поверхностные волны при выбранной конфигурации системы не возбуждались.
Картина явления выглядела следующим образом. В момент освещения возникал мгновенный фотоакустический отклик. При повторной засветке, но уже пространственно однородным импульсом света, вновь возникал акустический сигнал, который фиксировал то обстоятельство, что в образце сохранилась память о предыдущем воздействии.
Время памяти достигало нескольких минут. Главной особенностью исследованного явления оказалось наличие эффекта фотоакустической памяти при обеих полярностях внешнего поля. Для поверхностных же волн сигнал фотоакустической памяти наблюдался лишь при одном направлении внешнего поля. Полученные результаты доказывают, что существуют разные механизмы фотоакустической памяти.
Исследование их может оказать серьезную помощь в понимании самой природы фоторефрактивных явлений. Дело в том, что для понимания основных механизмов фоторефрактивных явлений многие принципиальные вопросы совершенно не решены. Сюда относятся такие вопросы как характер процессов, происходящих в реальных кристаллах с несколькими типами примесных уровней, динамика фоторефрактивной решетки при импульсной засветке. Для их решения может оказаться полезным изученное явление.
Эксперимент выполнялся на поверхностных волнах с частотой 16 МГц, которые отражались от созданной импульсом света фоторефрактивной решетки с вдвое меньшим пространственным периодом, чем период звуковой волны. Сдвиг времени между световым и звуковым импульсами регулировался, так что имелась возможность наблюдать изменение отражательной способности решетки во времени. Эксперимент зафиксировал очень высокую эффективность изучаемого феномена.
Были сняты зависимость отраженного сигнала от временной задержки и от световой экспозиции. Как показали расчеты, максимум отражения наступает при такой проводимости, когда произведение максвелловского времени релаксации на круговую частоту звуковой волны примерно равно единице. Т.е. при сильной засветке отраженный сигнал вначале нарастает во времени, а затем начинает спадать. Все это при некоторых упрощениях характеризуется временем релаксации фотопроводимости. Особо подчеркнем следующее обстоятельство.
В стандартных работах по фоторефрактивным явлениям результаты наблюдений определяются величиной наведенного электрического поля. В приведенном же эксперименте вклад наведенного поля пренебрежимо мал. Величина отраженного сигнала определяется распределением по кристаллу свободных носителей. Таким образом, исследование акустических явлений открывает совершенно новые возможности для изучения фоторефракции, открывает путь для получения важной информации о поведении свободных электронов.
Анализ экспериментов позволил, в частности, определить величину произведения коэффициента поглощения света на квантовую эффективность фотовозбуждения. На основании анализа данных по электронной структуре номинально нелегированных кристаллов силленитов, а также результатов исследования в них поверхностно- барьерной фотоэдс сделан однозначный вывод о монополярном электронном характере фотопроводимости этих материалов в сине-зеленой области спектра. Новые механизмы взаимодействия акустических волн со средой в современных материалах и слоистых структурах, созданных на их основе. 35 Кристаллы со структурой силленита, выращенные в бескислородной аргоновой атмосфере, исследовались методом нестационарной фотоэдс.
Обнаружено резкое более чем на два порядка величины повышение фотопроводимости на красном свете по сравеннию с кристаллами, выращенными в присутствии кислорода. Возможно применение подобных кристаллов в интерферометрических устройствах. Кристаллы со структурой силленита обладают сложной системой энергетических уровней I , которая зависит от многих факторов в частности, свойства кристаллов можно изменить путем слабого допирования различными элементами.
В данной работе исследовались образцы кристаллов силиката и титаната висмута Bi12SiO20 и Bi12TiO20 , выращенные в атмосфере аргона. 2, kHz Рис. 2. Частотные зависимости приведенной величины сигнала фотоэдс для обоих исследуемых образцов при разных значениях пространственной частоты. Сплошными линиями показаны теоретические зависимости, рассчитанные при q 3.52 и 2.75 для BSO-a и q 3.2 и 2.3 для ВТО-а величина q растет с ростом К . На рис. 2 представлены зависимости J от частоты, измеренные на образцах BSO-a и ВТО-а при двух разных значениях К. Сплошными линиями показаны теоретические зависимости, причем значения m, определялись непосредственно из измерений, а величина q использовалась как подгоночный параметр для наилучшего соответствия теоретических кривых с экспериментальными.
Ранее наблюдалось резкое повышение фототока в силленитах, отожженных в вакууме, именно в красной области спектра I . Объяснялось это компенсацией ловушек донорными центрами, связанными с возникающими при отжиге кислородными вакансиями.
Результаты работы подтверждают этот вывод, а также впервые дают количественную оценку свойств фотоносителей в силленитах, нестехиометричных по кислороду. Подобные кристаллы могут с успехом использоваться в адаптивных интерферометрах, основанных на эффекте нестационарной фотоэдс. 36 2.3