锰掺杂近化学计量比铌酸锂晶体的电荷输运过程

锰掺杂近化学计量比铌酸锂晶体的电荷输运过程 锰掺杂近化学计量比铌酸锂晶体的电荷输 运过程 第38卷第10期 '2009年10月 光子 ACTAPHOTONICASINICA VoI.38No.10 October2009 锰掺杂近化学计量比铌酸锂晶体的电荷输运过程* 张小齐,刘友文,翁文乐,赫崇君 (南京航空航天大学应用物理系,南京210016) 摘要:用泵浦(350nm)一探测(780nm)法研究了轻度锰掺杂近化学计量比铌酸锂晶体的光致吸 收的特征,结果表明光致吸收的暗衰减过程以扩展指数的形式衰减,并测量了饱和光致吸收,衰减 时间常量和扩展因子对泵浦光光强的依赖关系.在z轴方向上加直流电场测量了紫外光照射下光 伏打电流强度和光电导,发现它们与光强之间成超线性关系.实验结果可以用考虑本征缺陷能级和 掺杂能级之间激发和复合的修正的双中心电荷输运模型进行定量的解释. 关键词:近化学计量比铌酸锂;电荷输运过程;光伏打电流;光电导 中图分类号:0436文献标识码:A文章编号:1004—4213(2009)10-2547—6 0引言 铁电的铌酸锂(LiNbO.)晶体具有压电,热释 电,电光,非线性光学和光折变效应等性质,在电光 调制器,波导,集成光子回路和体全息存储器等方面 的应用引起了人们极大的兴趣口]. 光折变晶体最重要的特性是光照引起的光致折 射率变化是可逆的,这个特性在全息数据存储应用 中会引起一个重要的问题,即这种可逆性会导致读 出过程中存储信息被逐渐擦除.因此,二些全息固定 的技术被提出来,即热固定],电固定和双色全息 存储[,其中,双色全息存储由于非破坏性读出和 全光学固定的特点而成为近年来研究的热点. 双色 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 的实现最初是用皮秒脉冲YAG激光 器的基频光和二次谐波(1.064和0.532ttm)分别 来写全息图和敏化 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 l4].对高光强度照射下的 LiNbO.晶体的双色全息,KBuse等人详细研究了 这种全息记录并用双中心模型从理论上阐述了其物 理机制.].LiNbO.一般都是非化学计量比的,缺 陷结构可以用锂空位模型来描述.在同质比的LN 晶体中,锂空位缺陷和与其补偿的反位缺陷Nb的 浓度占5%[83.掺铁的LiNbO.晶体在脉冲绿光的照 射下,电子从深能级Fe跃迁到浅能级Nb,形成 小极化子Nb甘.小极化子的性质可以通过检测在高 强度脉冲的绿光激光器照射下近红外光的光致吸收 来进行研究.结果发现掺铁的LiNbO.晶体中小极 化子浓度以扩展指数的形式衰减.这些结果可以用 深能级和小极化子之间与距离有关的电子跃迁几率 模型来描述lg.. 近年来,对掺杂或非掺杂的近化学计量比 LiNb0.(SLN)在短波长如紫外光或可见光敏化,近 红外连续激光照射下的双色记录取得了许多重要进 展~12-1s].与同质比的LiNbO.晶体相比,近化学计量 比的铌酸锂晶体本征缺陷比较少,小极化子的寿命 大大的增加了.越接近化学计量比的掺杂近SLN晶 体双色全息记录灵敏度越高,这是因为它有更大的 光致吸收口引.研究光致吸收不但可以更深入的了解 电荷输运过程的物理机制,而且对SLN晶体中与小 极化子Nb相关的双色非挥发性全息记录具有 指导意义. 本文从实验上研究了掺锰SLN晶体在中等强 度连续紫外光照射下的光致吸收及其衰减行为,同 时从实验上测得了与泵浦光强度相关的光致吸收, 小极化子寿命,扩展因子,光电导和光电流.考虑 Mn.抖和…NK4+/汁之间激发和复合后的双中心模 型出发,给出了定量计算,理论 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 与实验结果基本 相符. 1实验 SLN晶体用顶部籽晶提拉法(TSSG)生长, 在熔液中掺入Mn0.,得到具有光学质量的锰掺杂 的SLN.熔液的组成和Mn离子浓度见表1,详细的 表1掺锰锂酸锂晶体的一些特征参量 江苏省"六大人才高峰"资助 Tel:025—52113852 收稿日期:2008—10—22 生长条件另文讨论].生长的晶体沿z方向切割抛 光成2mm厚的样品进行光学测量.样品紫外/可见 E:ied . u 一 , c:光的透过率测量光谱见图1. 2548光子38卷 Wavelength/nm 图1Mn掺杂近化学配比锂酸锂晶体的透过率曲线 Fig.1TransmissionspectraofMndopedSLNcrystals 用氪离子的0.35ptm为泵浦光,半导体激光器 780nm为探测光,泵浦一探测方法测量光致吸收 ,为 (/p,t,一n[](1) 式中d是相互作用长度,t是时间,J.表示入射到样 品表面的泵浦光强度,J表示透射_的探测光强度, 泵浦光和探测光光强可以用中性光强度滤光器 控制. 光电流和光电导测量装置见图2.在样品z面 镀金属导电膜,并加上一高压直流电源在晶体内建 立起直流电场,光电流用一个与计算机相连的高准 确度电流计测量.整个样品置于有光学窗的真空腔, 紫外光经扩展后通过光学窗照射到整个样品表面 (z表面).在不同电压下测量的典型的瞬时光电流 见图3,光电流和所加直流电压如图4的线性关系. 根据电流一电压的线性关系计算后可以得到光电导 O'ph d?j… O'ph—SAV, d表示两z面之问的距离,S是面的面积,?I/?V 是直线的斜率.在没有外加电压时的光电流为对应 紫外光强照射下的光生伏打电流. 图2测量光电流的实验装置 Fig.2Schematicofexperimentalsetupformeasurement ofphotovolaticcurrentandphotoconductivity Photovorre4IL府3w005kV卜_ __』.4kVPJ.-'.__-一 V .. ?i" .. Ol00020003000400050006000 Time/s 图3固定入射光照射下的样品加上不同电压后光电流随 时间变化的关系曲线 Fig.3Temporalevolutionofphotocurrentwithdifferent appliedvoltageunderUVilluminationofaconstant intensity Appliedvoltage/kV 图4电流电压之间的线性关系 Fig.4Thelinearvoltage_currentcharacteristicof thecrystalunderUVillumination 2结果和讨论 KukhtarevNV等?提出了光折变效应的带 输运模型,解释了稳态和动态的光折变效应.在此基 础上,K.Buse等用扩展的Kukhtarev方程组,提 出了双色全息记录的理论模型,成功的解释了双色 全息记录的物理过程.在本文,根据已有的理论,以 Mn和小极化子Nb分别作为深势阱和 浅势阱中心(图5),考虑深浅势阱之间的直接激发和 图5掺锰SLN晶体的电荷输运模型 Fig.5ChargetransportmodelinMn—dopedSIN underCWUVillumination ?0如?如 《CIII2J?00loII 《(102jn00l0(1 10期张小齐,等:锰掺杂近化学计量比铌酸锂晶体的电荷输运过程 复合后,可以得到下面描述样品沿z轴方向的电荷 输运模型 一(s+s.N)J(N--N,+)一 [),+712(N一N)]N(3) d.Al[ 一(+S2+yN)(N2,N)一 [y+S1.I(N一N)]N(4) I dn-- SjI(J\,--N+)+(+SJ)(N2--X;)一 (',1N+y2N)(5) 因为导带中的电子可以很快达到平衡,且达到 平衡的过程远远快于其他过程近似有dn/dt~0. 因而在导带中的电子浓度可以写成 崭(6).——————一 上面的耦合微分方程组可以用四阶的龙格一库塔方 法给出数值解.在模拟计算中,我们考虑了样品的吸 收损失和表面反射,I为晶体内的平均光强. 光电导,光电流密度J.和光致吸收可以 写成如下形式 O'ph—e(7) JI)hv一(N1一N)+2(N2一N)J(8) d"一S2IRvlR(N2一N)(9) e表示基本电荷,是电子的迁移速率,和分别 表示电子从Mn和Nb跃迁到导带的光伏Glass 系数,S表示Nb甘的吸收截面,表示探测的红 外光子能量. 通过解耦合微分方程组,模拟出整个光致吸收 (LIA)过程,如图6,可以看出,模拟曲线和实验结果 完全吻合.当LIA达到稳定的饱和状态后,关掉泵 浦光,光致吸收开始衰减.稳态下的饱和光致吸收 a与泵浦光的强度有关.图7是a.随泵浦光强变化 的关系曲线图.a随着泵浦光强度的增加而增加, 当泵浦光强度增加到一定程度后达到饱和值不再增 加.对纯的SLN晶体,泵浦光强度高于0.5W/cm, a.达到饱和不再增加,其饱和值为0.03cm一.通 常,由于LIA太小而不能有效的进行双色全息存 储.经过还原处理后的未掺杂SLN晶体,其LIA可 以增加到0.1cm的量级,这是因为还原处理后小 极化子浓度大大增加了,从而双色记录灵敏度可以 增加到0.02cm/J的量级.从图8中可以看出,只要 在近化学计量比的晶体中加入几ppm的Mn,光致 吸收极大的增加,饱和值几乎比原来高出近2个数 量级,从而相应的灵敏度也得到了极大的改善.在相 同的泵浦光强度下SLN.的uA远大于SLN.可 以预测SLN晶体具有更好的双色记录性能,因为 curvesaretheoreticalsimulation 图8用最小二乘法对紫外光致吸收系数随时间的衰减 (图6中数据)进行拟合并与与实验曲线进行比较 Fig.8Comparisonofleastsquaresimulatedandexperimental curves(inFig.6)fortemporalrelaxationofUv_ inducedabsorptionchangeforMndopedSLN 它有更大的LIA. 从图7中可以看出,即使泵浦光强度很低,仍可 以产生很大的光致吸收,因而,可以方便地研究小极 化子的衰减.用半对数坐标来研究UA的衰减过程 (图8),采用单或双指数衰减方程对数据的拟合不 能很好地描述实验数据,他们之间有很大的差异.而 用扩展指数方程拟合,则拟合数据和实验数据非常 吻合,扩展指数方程形式如下 aL.一虮.(t—to)exp{一[(t—to)/r]}(10) 光子38卷 式中r和分别表示小极化子的寿命和扩展因子. 晶体在uV光照射下产生小极化子Nb甘,导致大的 LIA产生.因为电子可以在Mn.-?抖和Nb甘之间 直接交换,并不仅仅只是Mn.和Nb从导带中直 接捕获,因而LIA的衰减不是以简单的单指数行为 衰减,而是遵循更复杂的扩展指数衰减行为. 图6,7,8中的模拟曲线表明,前面的双中心模 型可以很好的解释样品的uA及其扩展指数衰减 行为.和掺铁的LiNbO.晶体在绿光脉冲激光器照 射下光致吸收的衰减类似,掺杂锰的SLN晶体的光 致吸收的衰减依赖泵浦光的强度.图g,10所示是锰 掺杂SLN晶体的光致吸收衰减的特征参量r和口 随泵浦光强度增加而变化的实验结果,虚线是用最 小二乘法对实验数据拟合得到的曲线,实线是数值 计算改进的Kukhtarev方程组模拟得到的曲线.从 图中可见,锰SLN晶体随着泵浦光强度的增加,小 极化子衰减寿命和扩展因子逐渐减小.采用与距离 有关的电荷跃迁几率模型,对这种衰减可以给出简 单而又合理的定性解释.增加泵浦光强,会产生更多 的陷阱离子Mn抖和小极化子Nb[i+(例如,会导致 大的光致吸收),这意味着小极化子和离子化的深陷 阱之间的平均距离变短,因而导致衰减的更迅速,其 寿命r变短.从另一方面说,在晶体中更多Mn"和 Pumpingintensity(W'cm) 9不同泵浦光强下小极化子的寿命 g.9Dependenceoflifetimeofsmallpolarons onpumpintensity Pupingintensity/(Wcm) 图1O不同泵浦光强下的扩展指数 Fig.10Dependenceofstrechedfactoronpumpintensity Nb会扩展寿命谱的宽度,这意味着衰减过程会逐 渐偏离单指数衰减的规律,其扩展指数会逐渐减小 而越来越偏离指数规律. 实验结果和与改进的Kukhtarev方程组模拟得 到的曲线基本相符,表明我们用深浅之间直接激发 和复合的双中心模型可以定量地描述光致吸收的驰 豫行为.与实验数据相比数值计算的结果偏小,这是 计算所采用的参量和样品的真实参量有偏差所致, 但这并不妨碍对样品的光光致吸收动力学特性进行 分析. 从图9和10可以很容易看出SIN2晶体中小 极化子的寿命远长于SLN1晶体,这是因为sIN 中锂元素成分比SLN更接近化学计量比.在同质 比的LN晶体中(48.6toolIO),缺陷密度很 高,使小极化子更容易被深势阱捕获.随着材料的组 成与化学计量比接近,缺陷密度随着减少,因而小极 化子的寿命随之增加.晶体中掺杂会缩短小极化子 的寿命,在掺杂的晶体材料中进行双色全息记录时, 可以控制掺杂浓度或掺杂离子的氧化/还原程度优 化晶体的组成成分进行全息纪录,这是改进双色光 折变全息存储最有效的方法.从图9,10中还可以看 出,如果小极化子浓度足够低,只要满足下面的条件 其衰减过程将以近单指数行为(一1)衰减:照射在 SLN晶体上的泵浦光强度非常低或者是中等强度 的泵浦光照射在偏离化学计量比的LiNbO.上. 图11,12给出的是小光强照射下(<150mw/ cm)光电导和光电流密度随光强变化的实验数据. 从图中可以看出,光电导和光电流密度与光强之问 都存在非线性的关系,这是因为深浅势阱Mn邝 和Nb4…+之间存在直接的激发和复合所致.简单 分析如下:在二中心模型中,根据式(7),光电导应该 和导带中的光激发电子浓度成正比,而光激发电子 浓度又与深浅能级上施主的浓度成正比,只有在光 照射下,施主失去电子才能产生光激发电子,因而在 Intensity/(mW'cm 图11不同泵浦光强下的光电导 Fig.11Dependenceofphotoconductivityonpumpintensity 一一一吕.《.『_0_I×)/茸l^nI}u0旦0 1O期张小齐,等:锰掺杂近化学计量比铌酸锂晶体的电荷输运过程2551 Intensity/(mW'cm) 图12不同泵浦光强下的光电流 Fig.12Dependenceofphotovoltaiccurrentdensity onpumpintensity 二中心模型中,光电导与光强之间将呈线性关系.而 当在二中心模型的基础上增加深浅能级问的激发和 复合,深浅施主浓度会随着相互间的激发复合打破 之前的简单平衡,使光激发电子的总浓度增加,最后 有.ocAI+BPp,即光电导和光强之间呈非线性 的关系,同时光伏打电流随光强也将呈现非线性关 系.图中实线表示的是考虑Mn计和Nb甘'-之间 存在直接的激发和复合过程后模拟得出的结果,与 实验数据很吻合. 3结论 实验研究了不同晶体组成Mn掺杂SLN晶体 在连续紫外光照射下(<5w/cm)的光致吸收及其 衰减过程,并测量了光电导和光伏打电流密度.实验 结果表明光致吸收的扩展指数衰减行为,其寿命和 扩展指数因子随光强而减小,以及光电导和光伏打 电流密度对光强的超线性关系.实验结果可以用增 加了Mn离子和小极化子之间直接跃迁的电荷输运 模型定量解释,表明改进的Kukhtarev方程在描述 低强度连续波长激光器照射下的SLN晶体的光致 电荷输运过程非常有效. 参考文献 [1]GUNTERP,HUIGNARDJP.(Eds.)Photorefractive materialsandtheirapplicationsI[M].Berlin,TopicsinApplied PhysicsSpringer,1988. [2]AMODEIJJ,STAEBLERDL.Electrondiffusioaeffects duringhologramrecordingincrystal[J].ApplPhysLett, 1971,18(1):22-24.? I-3]MICHERONF,BISMUTHG.Electricalcontroloffixation anderasureofholographicpatternsinferroelectricmaterials I-J].ApplPhysLett,1972,20(2):79—81. [4]VonderLINDED,GLASSAM,RODGERSKF.Multiphoton photorefractiveprocessesforopticalstorageinLiNbO31'J]. ApplPhysLett,1974,25(3):155—157. E5]VonderLINDED,GLASSAM,RODGERSKF.Optical storageusingrefractiveindexchangesinducedbytwo—step excitation1,J].JApplPhys,1976,47(t):217—220. [63BUSEK,JERMANNF,KRATZIGE.Two—step ph0torefractivehologramrecordinginLiNbO3:Fe[J]. Ferroelectrics,1993,141(2):l97-205. [71BUSEK,JERMANNF,KRATZIGE.Infrareholographic recordinginLiNbO3:Cu[J].ApplPhysA:SolidsSurf, 1994,58(3):19l-195. [8]SCHIRMEROF,THIEMANNO,wOEHLEcKEM.Defects inLiNbO3,1.experimentalaspects1'J].JPhysChernSolids, 1991,52(1):185—200. I-9]BERBEND,BUSEK,WEVERINGS,eta1.Lifetimeofsmall polaronsiniron—dopedlithium—niobatecrystals[J].JAppl Phys,2000,87(3):1034—1041. [1o]WEVERINGS,IMBROCKJ,KRATZIGE.Relaxationof light—inducedabsorptionchangesinphotorefractivelithium tantalatecrystals[J].JOptSocAmB,2001,18(4):472—478. [111ZHANGD,PUNEYB.Modificationofstretched exponentiallydependentdepopulationdynamicsofsmall polaroninFe:LiNbOacrystals[J].JApplPhys,2007,95 (7):34373442. [123BUSEK,ADIBIA.PSALTISD.Non—volatileholographic storageindoublydopedlithiumniobatecrystal[J].Nature, 1998,393(7):665—668. [13]LIUYW,KITAMURAK,TAKEKAWAS,eta1. NonvolatiletwocolorholographyinMn-dopednear- stoichiometriclithiumniobate[J].ApplPhysLett.,2002,81 (15):2686—2688. [14]LIUYW,KITAMURAK,TAKEKAWAS,eta1. Nonvolatiletwo—colorholographicrecordinginnondoped near——stoichiometriclithiumtantalatecrystalswithcontinuous—- wavelasers1'J].ApplPhysLett,2003,82(24):4218-4220. [15]GUOYuan-jun,LIULi—ren,LIUDe—an,eta1.Absorption characteristicandnonvolatileholographicrecordingin LiNbO3:Cr:Cucrystals[J].ActaPhotonicaSinica,2006, 35(12):18781883. 郭袁俊,刘立人,刘德安,等.LiNbOs:Cr:Cu晶体吸收特性 及非挥发全息存储研究[J].光子,2006,35(12):1878— 1883. [161LIUYW,KITAMURAK,TAKEKAWAS,eta1.Growth andtwo-colorholographicstoragepropertiesofMn—doped lithiumniobatecrystalswithvaryingLi/Nbratio1'J].JAppl Phys,2004,96(11):5996,6001. [173POLGARK,PETERA,KOVACSL,eta1.Growthof stoichiometricLiNbOssinglecrystalsbytopseededsolution growthmethod[J].JCrystGrowth,1997,177(3):211-216. [18]RAVIG,KITAMURAK,TAKEKAWAS,eta1.Studieson thecrystalgrowthaspectsofefficientopticaldatastorage material:Mndopednear-stoichiometriclithiumniobate (Mn:sLN)[J].SciEngB,2004,109(1):232—235. [193KuKHTAREVNV,MARKOVVB,ODULOVSG,eta1. Holographicstorageinelectroopticcrystals.I.Steadystate [J].Ferroelectrics,1979,22(1):949960. [2O]ADIBIA,BUSEK,PSALTISD.Two—centerholographic recording[J].JOptSocAmB,2001,18(5):584—601. 一《._0'【×】g.u;00一一0旦oI{ chargeTransportProcessinMn—d.pedStoichi.metricLitlliumNiobate Abtact:Light—inducedabsorptionwasinvestigatedbythepump-prob . e(30 h nm h and d 78 k 0 d n . m y )m p e . th . od near-stoichiometricLiNbOac ; rystalsslightlydopedwith lbe Mn. hav Itw iOr as 'an sh dth own eie.fth,esaturatedlight-inducedabsorpti . onexh . ibitsastretched-exponentia【ebn:'""一:"…, pingintensitywerelight-inducedabs.rpti.n,thedec r aytim j econstnt,andth.s . tretchm , gta . ct . o — ron — t J h — eIO u Ut v - ill . uminationVere presented , ? ThephotovoltaiceLIrent t n h t e en 7 s , i a t x y is a . n f d t thephoto . c … onouctlv . lr c y .n U d l u l{ c lt t ~' i l ,:…dthenhotovoltaic mea…eby . applyingaDC … field … alohesa n mpte' , Ihe . pnotVILy 【】1t O.l* bee lo- onintesity.Ihexperlmntal~Xpled curre?tweupe"idcha rge n 帆nspOrtmOd.lwIth妇ect…|tatiO…d uuanttativelybydevelopingthetwocenterchargeanpu儿u……' recombin . ati . ontweendopant _h sandinterna1 t defects. 一.? 一一nt;PhotoconductiVity :二.ichiometri;cLiNbO,, a;C b h . ar n ge ] ransportprocess; . [Oho , t … ovolta s 1 . c d cu g rl . u . ~ i.ptilengineeringat _ZHANGXao-q—iinu983.Heispursueroing…histic.IVIs..'HrenresearchfOc…n photorefractivenonlinearopti? 帆叫 . ?.毛.誊 E wl耋 G洲 . m 二^ Ym 儿 旷N一 G NP Z