9.11.2. ОПТИЧЕСКАЯ НЕОДНОРОДНОСТЬ КРИСТАЛЛОВ НИОБАТА ЛИТИЯ

При изучении оптической неоднородности кристаллов обнаружено, что с ростом температуры ОСП возрастает, достигая максимума при Т = 60...90 °С, и затем постепенно падает практически до нуля при температуре 150 °С. Первоначально такое изменение ОСП объяснялось релаксацией упругих напряжений [168]. Однако температуры, при которых происходит изменение ОСП, слишком низки для отжига упругих напряжений. Поэтому ОСП нельзя объяснить только упругооптическим эффектом. Совпадение температур, при которых происходит ослабление ОСП и фоторефракции, которая объясняется электрооптическим эффектом, позволило полагать, что и ОСП определяется электрооптическим эффектом [169, 170], возникающим под действием внутреннего («встроенного») электрического поля Экспериментально определялось, как остаточное электрическое поле, создающее дифракционную решетку в кристаллах с регулярной доменной структурой, и величина оценивалась по интенсивности дифракционных максимумов, полученных на кристаллах с РДС в отсутствие внешнего электрического поля. Оказалось, что при нагреве кристаллов с РДС интенсивность дифракции на РДС проходит через максимум при температурах и

ется практически до нуля при нагреве до Температурная зависимость дифракции на кристаллах с РДС, совпадающая с этой же характеристикой ОСП, объясняется температурной зависимостью встроенного электрического поля. Возникающий при изменении температуры пирозаряд создает пирополе под действием которого движутся свободные заряды, создающие поле деполяризации Результирующее, «встроенное» электрическое поле определяется как и может быть представлено в виде

Поскольку возникает в результате электропроводности под действием скорость изменения есть

Если известен закон изменения температуры во времени, то решение уравнения (9.45) дает зависимость Эта зависимость имеет вид кривой с максимумом, положение которого зависит от и скорости изменения температуры. На рис. 9.63 показана такая зависимость, полученная при нагреве и охлаждении кристалла с постоянной скоростью. В кристалле, находившемся долгое время при постоянной температуре, начальное значение встроенного электрического поля может быть относительно мало. При нагреве в области низких рост определяется пироэффектом и зависимость близка к линейной. С ростом а ускоряется релаксация электрического поля и начинается отклонение от линейности в сторону снижения . В результате проходит через максимум (рис. 9.63, кривая 1) и в дальнейшем уменьшается практически до нуля. Эта зависимость соответствует экспериментальной зависимости ОСП от температуры (рис. 9.64). При снижении температуры (рис. 9.63, кривая 2) возникает пирополе, противоположное по знаку тому, которое наблюдалось при нагреве. В результате появляется поле возрастающее в первое время медленнее, чем по линейному закону, так как успевает проходить частичная релаксация пирозаряда. При дальнейшем снижении температуры электропроводность уменьшается, релаксация пирозаряда замедляется и зависимость вновь приближается к линейной. При повторном нагреве проходит через ноль при некоторой То и затем вновь через максимум (рис. 9.63, кривая 3).

Такое поведение приводит к тому, что после нагрева и последующего охлаждения кристалла до комнатной температуры ОСП оказывается выше того значения, которое наблюдалось до нагрева. При повторном нагреве кристалла ОСП вначале падает (до ), затем

Рис. 9.63. Схема изменения , при нагреве и охлаждении кристалла ниобата лития: 1 - первый нагрев; 2 - охлаждение; 3 - повторный нагрев

Рис. 9.64. Температурная зависимость ОСП в кристаллах Скорость нагрева

Рис. 9.65. Зависимость от времени при изотермической выдержке кристаллов

повышается до максимума и вновь снижается практически до нуля. При скорости нагрева максимум зависимости , следовательно, максимум ОСП смещается в сторону высоких температур.

Представление о релаксации пирополя вследствие электропроводности позволяет объяснить зависимости и ОСП от времени при изотермической выдержке кристалла. Изменение во времени при постоянной температуре описывается выражением

где - величина встроенного поля при

Экспериментальная зависимость полученная на с РДС в полулогарифмических координатах, хорошо укладывается на прямые (рис. 9.65), если измерения проводятся при температурах, меньших температуры максимума на зависимости Результаты,

полученные при более высоких температурах, хорошо описываются двумя прямолинейными участками, что можно объяснить включением второго механизма электропроводности (переходом от полярон-ного механизма к примесному) и преимуществом «быстрого» механизма электропроводности на начальном этапе релаксации.

Существование в кристаллах встроенного поля, его проявление в виде ОСП свидетельствует об отклонении кристалла от равновесного состояния. Отклонение кристалла от равновесия и процессы, приближающие кристалл к равновесию, определяют нестабильность его свойств во времени. В данном случае отклонение кристалла от равновесного состояния определяется разделением зарядов, возможностью достаточно длительного существования объемного заряда, т.е. скоростью его релаксации. Аналогичные процессы определяют такое явление, как фоторефракция. И фоторефракция и ОСП существуют в тех областях температур, в которых возможно длительное существование носителей заряда в неравновесном состоянии. Возникновение таких состояний возможно в кристаллах с низкой электропроводностью, определяющейся поляронными механизмами, при которых носители заряда постоянно находятся в глубоких потенциальных ямах. Это создает возможность отклонения концентрации носителей от равновесной или «замораживания» концентрации носителей. На возможность замораживания носителей указывает факт совпадения энергии активации дрейфовой подвижности с энергией активации электропроводности в кристаллах (см. п. 9.9) при температурах, меньших температуры максимума на температурной зависимости ОСП. Возможность замораживания носителей можно проверить, используя уравнение для скорости изменения концентрации носителей заряда в результате их захвата ловушками

где ;

- частота колебаний электрона, находящегося в состоянии малого полярона; - энергия активации подвижности поляронов;

- концентрация ионизированных доноров; - равновесная концентрация малых поляронов.

Если полагать, что концентрация носителей заряда равна концентрации ионизированных доноров, то для охлаждения кристалла с постоянной скоростью а уравнение (9.47) принимает вид

Рис. 9.66. Температурная зависимость концентрации носителей заряда (7) и электропроводности (2) (скорость нагрева 50 град/ч)

Уравнение (9.48) учитывает то, что для установления равновесной концентрации носителей заряда вследствие термоактивационного характера их движения, требуется время.

Машинный расчет с использованием (9.48) позволяет получить зависимость При расчете предполагалось, что:

а) время установления равновесной концентрации близко к нулю при тех температурах, при которых ОСП снижается до нуля При этих температурах концентрация носителей считается равновесной, а концентрация ионизированных доноров равна концентрации носителей

б) частота колебаний , где с - скорость света и X - длина волны оптического поглощения, связываемого с малыми поляронами .

Результаты расчета зависимости представлены на рис. 9.66. При охлаждении с реальными скоростями (50 град/ч) в ниобате лития возможно замораживание концентрации носителей заряда, превышающей равновесную и практически не зависящей от температуры. При этом энергия активации электропроводности меняется и при низких температурах определяется только энергией активации дрейфовой подвижности. Длительное существование неравновесной концентрации носителей заряда определяет возможность длительного разделения зарядов, существования встроенного электрического поля и вызванных этим полем эффектов, в частности длительного существования ОСП.

В кристаллах, содержащих примеси, на зависимости ОСП от температуры при нагреве кристалла наблюдались два максимума [171], что, по-видимому, можно объяснить существованием по крайней мере двух типов глубоких уровней, являющихся источниками носителей заряда при нагреве кристалла.