ХСП - Исследование фотостимулированных превращений в пленках ХСП (Описания лабораторных и мануал к типовому расчету)

http://ftemk.mpei.ac.ru/ncsПодготовлено В.А. Воронцовым © 2002e-mail: vlad@ftemk.mpei.ac.ru1УДК537С232УДК 537.311.322:539.213(076.5)Из сборника лабораторных работ по курсу"Физика и технология аморфных полупроводников"Подготовлено на кафедре Физики и технологии электротехнических материалов и компонентовА.И. Попов, Н.И. Михалев, В.А. Лигачев, В.Н. ГордеевИССЛЕДОВАНИЕ ФОТОСТИМУЛИРОВАННЫХ ПРЕВРАЩЕНИЙ В ПЛЕНКАХХАЛЬКОГЕНИДНЫХ СТЕКЛООБРАЗНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЦель работы. Ознакомление с явлением фотостимулированных изменений оптических свойств в пленках халькогенидных стеклообразных полупроводников при их облучении интенсивным светом (с энергией квантов, превышающей ширину запрещеннойзоны этих материалов), а также в экспериментальном исследовании циклов «записьстирание» в свеженапыленных и отожженных образцах.Методические указания: При изучении свойств некоторых ХСП были обнаруженывизуально различимые изменения оптической плотности пленок этих материалов в процессе их облучения интенсивным светом с длиной волны из области края фундаментального поглощения (с энергией квантов, превышающей ширину запрещенной зоны материала).

Это явление в дальнейшем получило название эффекта фотостимулированных(фотоиндуцированных) изменений свойств ХСП. При этом установлены следующие факты и закономерности:1. Фотостимулированные изменения имеют место как в некристаллических пленках,приготовленных испарением в вакууме, так и в монолитных образцах, вырезанныхиз слитков ХСП.2. Эффективность фотостимулированных изменений пропускания зависит от толщиныобразцов, имея максимум при толщине, соизмеримой с эффективной глубиной поглощения возбуждающего излучения.3. При облучении изменяются не только пропускание и отражение, но, что особенноважно и интересно, показатель преломления света.4. Фотостимулированные изменения оптических свойств имеют место в весьма широкой группе бинарных и многокомпонентных ХСП, таких как As-S, As-Se, As-S-Se,As-S-Ge, As-Se-Ge, As-S-I, As-Se-I, As-Se-Tl, As-Sb-S, As-Sb-Se, As-Se-Te, As-Se-Ag,Ge-S-Se и т.д.5.

Наиболее ценным свойством ХСП при фотостимулированных изменениях, являетсяих реверсивность, т.е. возможность «стирания» записанной информации и записи наних новой информации. Стирание информации происходит обычно при нагреванииХСП до температуры, близкой к температуре размягчения и выдержке при этойтемпературе в течение нескольких минут.6. Пленки ХСП имеют очень высокую (до 10 тыс. лин/мм) разрешающую способность.7. Обратимые фотостимулированные изменения свойств не связаны ни с кристаллизацией ХСП, ни со сколько-нибудь значительным изменением его состава.http://ftemk.mpei.ac.ru/ncsПодготовлено В.А.

Воронцовым © 2002e-mail: vlad@ftemk.mpei.ac.ru28. В процессе облучения изменяются, не только оптические параметры пленки, но и еерастворимость и микротвердость.Рассмотрим несколько подробнее процесс фотостимулированных изменений напримере пленок. ХСП, в которых при облучении происходит фотопотемнение. Для этогообратимся к рис.1, на котором приведены качественные спектральные зависимости пропускания пленки ХСП в различных состояниях. Спектральная зависимость пропусканиясвеженапыленной пленки соответствует кривой «а» на рис.1, а пропускание на длиневолны стимулирующего излучения (λизл) в начальный момент воздействия равно «А».Рис.1.

Спектральные зависимости пропускания пленок ХСП в различных состояниях:а – свеженапыленном, б – облученном, в – отожженном (λизл – длина волны стимулирующего излучения).На рис.2 изображены временные зависимости циклов «запись-стирание». Здесь, какна рис.1, точка «А» соответствует начальному пропусканию свеженапыленной пленки надлине волны стимулирующего излучения. Изменение пропускания в процессе облучениясвеженапыленной пленки происходит по кривой АГ (область I, рис.2). При этом пропускание пленки в области края фундаментального поглощения в момент τ1 соответствуеткривой «б» (см. рис.1), а пропускание на длине волны стимулирующего излучения равно«Б».Рис.2.

Временные зависимости циклов «запись – стирание»Новое состояние облученной области пленки при неизменной температуре достаточно устойчиво, а при нагреве образца начинается процесс термостирания записаннойинформации (область II, рис.2). Пропускание изменяется по кривой ГД. Его дальнейшееуменьшение вызвано преобладающим влиянием на пропускание уменьшения шириныhttp://ftemk.mpei.ac.ru/ncsПодготовлено В.А. Воронцовым © 2002e-mail: vlad@ftemk.mpei.ac.ru3запрещенной зоны из-за увеличения температуры.

Строго говоря, на этом участке и заканчивается процесс стирания, а на участке III происходит лишь изменение пропусканияза счет увеличения ширины запрещенной зоны при охлаждении образца (кривая ДЕ,рис.2).Если в момент времени τ3 температура образца соответствует его температуре в моменты τ0 и τ1, то пропускание такого отожженного образца будет равно «В». При полнойрелаксации процессов в пленке, т.е. при полном ее отжиге и законченном процессе стирания, оптическое пропускание облученного участка будет близко по своему значениюоптическому пропусканию необлученных участков, а свойства такой пленки будут близки к свойствам отожженного объемного материала.

Пропускание пленки в области краяфундаментального поглощения в момент τ3 соответствует кривой «в» (см. рис.1).При последующих циклах «запись-стирание» процесс фотопотемнения будет происходить по кривой ЕЖ (область IV, рис.2), а термостирания - по кривой ЖЗ — ЗИ (области IV и V, рис.2), т.е. происходит реверсивный сдвиг края фундаментального поглощения от кривой «в» к кривой «б» и обратно (см.

рис.1).Величина фотостимулированных изменений свойств достаточно сильно зависит отхимического состава ХСП. При этом даже в пределах одной системы можно добитьсяширокого диапазона изменения величины фотопотемнения. В качестве примера на рис.3показано изменение относительного пропускания пленок ХСП системы As-Se.Рис.3. Кривые зависимости относительного пропускания пленок ХСП системы As-Se отвремени воздействия луча He-Ne лазера.Зная спектральную зависимость коэффициента поглощения в материале исследуемого образца (рис.4) можно определить его пропускание на длине волны стимулирующего излучения, пользуясь упрощенной формой закона Буггера — ЛамбертаI = I 0 ⋅ (1 − R)e −αd ,(1)где I - интенсивность излучения на. выходе из образца, %; I0 -интенсивность излучения на входе в образец, %; R - отражение от образца; α - коэффициент поглощения,см-1, d - толщина образца, см.Первоначально фотостимулированное изменение оптических свойств ХСП связывалось с фотохимическими реакциями, сопровождающимися появлением кластеров (например, мышьяка или серы).http://ftemk.mpei.ac.ru/ncsПодготовлено В.А.

Воронцовым © 2002e-mail: vlad@ftemk.mpei.ac.ru4Однако в последующем причина фотостимулированных изменений свойств ХСПвсе больше связывалась с фотоструктурными превращениями. Можно думать, что фотоструктурные превращения есть индуцированные светом изменения полимерной структуры ХСП. В пользу такого заключения говорят опыты по растворению ХСП как в органических растворителях аминного ряда, так и в некоторых неорганических растворителях.Облученные и необлученные участки растворяются с существенно разной скоростью. Врастворе бихромата калия облученные участки растворяются медленнее, чем необлученные, а в растворе натриевой щелочи, облученные участки растворяются быстрее. Этифакты говорят в пользу сложных полимеризационно-деструкционных процессов, протекающих при облучении ХСП.Рис.4.

Экспоненциальная форма края поглощения в аморфных полупроводникахпри комнатной температуре.Стрелками обозначены значения энергии 2Е для материалов, в которых электропроводность удовлетворяет соотношению: σ = С exp −E  . Кривые 1-8 со kT ответствуют следующим материалам: 1 – GeTe, 2 – Te, 3 – As2Te3, 4 – CdGeAs,5 – Ge16As35Te28S21, 6 – As2Se3, 7 – Se, 8 – As2S3В пользу фотоструктурных превращений говорят также результаты измерения микротвердости облученных и необлученных участков ХСП.Рассмотренный эффект представляет практический интерес с точки зрения голографии и оптической обработки информации. Хотя среды на основе ХСП и уступают другим средам по фоточувствительности, они отличаются весьма высокой разрешающейспособностью.

Если при этом учесть отсутствие необходимости химической обработки,радиационную стабильность, хорошую технологичность, дешевизну и другие достоинства ХСП, то становится очевидной перспективность использования этих материалов дляоптической записи информации.Оценивая пригодность использования пленок на основе ХСП в устройствах оптической обработки информации и голографии; следует изучить характеристики этих материалов и характер записи, осуществляемой на них.ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИВ качестве образцов используются тонкие (0,5 - 5 мкм) пленки, нанесенные на стеклянные подложки. Для предотвращения возможных механических повреждений и окис-http://ftemk.mpei.ac.ru/ncsПодготовлено В.А. Воронцовым © 2002e-mail: vlad@ftemk.mpei.ac.ru5ления образца облучение и термическое стирание проводится в вакууме при давлении~10-5 мм.рт.ст.Оптическая схема установки представлена на рис..5.

В качестве источника стимулирующего излучения, используется лазер ЛГН-208A, работающий в одномодовом непрерывном режиме (мощность излучения порядка 2⋅10-3 Вт, λизл=0,63 мкм). Оптический пучок, направленный по оси у, отражается от поворотного зеркала 2 и вдоль оси х вводится.в вакуумную камеру через окно оптического ввода 3. Затем, отразившись от поворотногозеркала 4, по оси z направляется на исследуемый образец 5. Прошедшее через образецизлучение попадает в окошко приемника излучения 6, в качестве которого используетсякремниевый фотодиод ФД-26К.Рис.5. Оптическая схема установки.Электрическая блок-схема установки представлена на рис.6.