ИССЛЕДОВАНИЕ  ФОТОХРОМНЫХ  СВОЙСТВ  НИТРИДА  ГАЛЛИЯ

Колчинский  Владислав  Андреевич

аспирант  Института  A втоматики  и  Процессов  Управления,  РФ,  г.  Владивосток

E -mail:  vladko.88@mail.ru

Черепахин  Артем  Борисович,

студент  Школы  естественных  наук  Дальневосточного  Федерального  Университета,  РФ,  г.  Владивосток

Ромашко  Роман  Владимирович

д-р  физ.-мат.  наук,  зав.  кафедрой  Квантовой  и  оптической  электроники  Школы  естественных  наук  Дальневосточного  Федерального  Университета,  РФ,  г.  Владивосток

E-mail: 

INVESTIGATION  PHOTOCHROMIC  PROPERTIES  OF  GALLIUM  NITRIDE

Vladislav  Kolchinskiy

postgraduate,  Insitute  of  Automation  and  Control  Processes,  Russia,  Vladivostok

Artem  Cherepahin

student,  School  of  Natural  Sciences,  Far  Eastern  Federal  University,  Russia,  Vladivostok

Roman  Romashko

doctor  of  sciences,  professor,  Department  of  Quantum  and  Optoelectronics,  School  of  Natural  Sciences,  Far  Eastern  Federal  University,  Russia,  Vladivostok

Исследование  выполнено  при  поддержке  Дальневосточного  федерального  университета,  проект  №  12-02-13009-42/13.

АННОТАЦИЯ

Данная  работа  посвящена  исследованию  влияния  примесей,  вносимых  в  фоторефрактивный  кристалл  нитрида  галлия,  на  изменение  его  фотохромных  свойств.  Были  получены  спектры  фотоиндуцированного  изменения  поглощения  образцов  нитрида  галлия  под  накачкой  400  и  470  нм.  Полученные  результаты  могут  быть  полезны  для  реализации  адаптивного  интерферометра  на  основе  тонких  кристаллов  нитрида  галлия,  работающего  с  использованием  излучения  из  синей  и/или  УФ  областей  спектра.

ABSTRACT

This  paper  investigates  the  influence  of  impurities  introduced  into  the  photorefractive  crystal  gallium  nitride  to  change  its  photochromic  properties.  Spectra  were  obtained  of  the  photoinduced  changes  in  the  absorption  of  samples  of  gallium  nitride  by  pumping  400  and  470  nm.  The  results  may  be  useful  for  the  implementation  of  an  adaptive  interferometer  based  on  thin  gallium  nitride  crystals,  working  with  radiation  from  blue  and  /  or  ultraviolet  regions  of  the  spectrum.

Ключевые  слова:  нитрид  галлия;  фотохромные  свойства.

Keywords:  gallium  nitride;  photochromic  properties.

В  настоящее  время  лазерные  измерительные  технологии  находят  все  более  широкое  применение  в  задачах  метрологии,  в  то  время  как  методы  оптической  интерферометрии  рассматриваются  как  одни  из  наиболее  чувствительных  для  регистрации  сверхмалых  физических  величин.  Вместе  с  тем,  такая  высокая  чувствительность  интерферометрических  систем  делает  их  в  значительной  степени  подверженными  влиянию  внешних  неконтролируемых  факторов  (случайные  механические  воздействия,  дрейф  температуры,  давления  и  пр.),  что  в  большинстве  случаев  делает  невозможным  или  крайне  затруднительным  практическое  применение  интерферометрических  систем  в  реальных  условиях.  Альтернативой  служит  измерительная  система  [3],  построенная  на  основе  динамических  фоторефрактивных  голограмм,  приобретающая  адаптивные  свойства,  что  обеспечивает  высокую  помехозащищенность  измерительной  системы  и,  как  следствие,  устойчивое  детектирование  слабых  воздействий  в  реальных  условиях. 

Среди  фоторефрактивных  материалов  [2,  3]  одним  из  наиболее  перспективных  в  настоящее  время  является  нитрид  галлия,  поскольку  обладает,  с  одной  стороны,  широкой  запрещенной  зоной  (3,39  эВ),  а  с  другой  стороны  —  большой  подвижностью  зарядов  (от  100  до  900  см²/В∙с).  Это  обеспечивает  возможность  перехода  в  синюю  область  спектра  при  сохранении  быстрого  отклика,  что  открывает  перспективы  более  эффективного  применения  оптической  измерительной  системы  для  исследования  микромасштабных  объектов  за  счет  возможности  обеспечения  более  плотной  фокусировки.

В  этой  связи  целью  данной  работы  является  исследование  фоточувствительных  сред  на  основе  GaN  для  формирования  динамических  голограмм.

В  настоящей  работе  проводилось  исследование  фотохромных  свойств  5  различных  образцов  нитрида  галлия,  подготовленные  коллегами  из  Университета  Сунь  Ятсена  (размер  10x10  мм):

(1)  GaN,  толщиной  150  мкм,  не  легированный  примесями  —  образец  1;

(2)  GaN,  толщиной  150  мкм,  не  легированный  примесями,  отожженный  в  вакуумной  камере  при  750  °C  —  образец  2;

(3)  GaN/Al2O3,  на  сапфировой  подложке,  толщиной  70  мкм,  не  легированный  примесями  —  образец  3; 

(4)  GaN,  толщиной  230  мкм,  легированный  кремнием  —  образец  4;

(5)  GaN  bulk,  толщиной1000  мкм,  не  легированный  примесями  —  образец  5.

Рисунок  1.  Чистый  образец  нитрида  галлия  и  образец  на  сапфировой  подложке

Фотохромизм  —  явление  обратимого  изменения  окраски  вещества,  под  действием  света  видимого  и  ультрафиолетового  диапазона,  результат  перехода  атомов  или  молекул  из  основного  синглетного  в  возбуждённые  синглетные  или  триплетные  состояния.  Изменение  окраски  в  этом  случае  обусловлено  изменением  заселённости  электронных  уровней  [1].  Фотохромные  свойства  определяются  примесями,  которые  могут  вноситься  в  кристаллы,  как  на  стадии  выращивания  кристаллов,  путем  добавления  в  расплавы  примесей,  так  и  путем  внесения  примесей  в  уже  выращенный  кристалл  методом  диффузии.

Для  исследования  спектральных  зависимостей  фотоиндуцированного  изменения  пропускания  и  поглощения  образцов  GaN  была  собрана  установка  (рис.  2),  состоящая  из  источника  белого  света,  монохроматора,  системы  линз,  светового  фильтра,  фотоприемника  и  лазерного  диода,  с  помощью  которого  осуществлялось  облучение  кристаллов  двумя  различных  длинами  волн  (400  и  470  нм).

Рисунок  2  Схема  установки:  1  —  источник  белого  света  (λ­  =  350  –  1100  нм)  ,  2  —  монохроматор  ,3  —  линзы,  4  —  оптический  фильтр  (  λотсечки  =  630  нм)  5  —  фотоприемник,  6  —  лазерный  диод;  7  —  ПК;  8  —  контроллер

Были  получены  фотохромные  спектры  исследуемых  образцов  нитрида  галлия  при  облучении  накачкой  400  и  470  нм  (рис.  3).

Рисунок  3  Фотохромный  спектр  образцов  нитрида  галлия  под  накачкой  400(а)  и  470  нм  (б)

Рисунок  4  Спектры  фотоиндуцированного  изменения  поглощения  образцов  нитрида  галлия  под  накачкой  400  и  470  нм  (а  —  GaN,  б  —  GaN  750,  в  —  GaN/Al2O3,  г  —  GaN:Si  )

Параметры  светоиндуцированного  снижения  поглощения  различных  образцов  GaN  приведены  в  табл.  1.

Таблица  1 .

Параметры  светоиндуцированного  снижения  поглощения  различных  образцов  GaN

Произведено  исследование  фотохромных  свойств  нитрида  галлия.  Как  можно  увидеть,  все  образцы  проявляют  светоиндуцированное  снижение  поглощения  во  всем  спектральном  диапазоне  на  обеих  длинах  волн  накачки.  Наибольшее  снижение  поглощения  наблюдается  у  образца  на  сапфировой  подложке  и  составляет  -35  см^-1.  Следует  отметить,  что  образец  №  3  (GaN/Al2O3)  имеет  относительно  толстую  подложку  из  сапфира,  что  также  способствует  поглощению  света.  Поглощение  этого  образца  завышено  (и  изменение  оптической  плотности)  из-за  рассеяния  света  на  подложку.  Последнее  верно  и  для  образца  №4  (нитрида  галлия,  легированного  Si).

Полученные  результаты  могут  быть  полезны  для  реализации  адаптивного  интерферометра  на  основе  тонких  кристаллов  нитрида  галлия,  работающего  с  использованием  излучения  из  синей  и/или  УФ  областей  спектра.

Список  литературы:

1.Барачевский  В.А.,  Герман  И.Л.,  Цехомский  В.А.  Фотохромизм  и  его  применение.  Химия,  1977.

2.Gunter  P.,  Huignard  J-P.  Photorefractive  Materials  and  Their  Applications  2.  Springer,  2007,  —  Ch.  11.

3.Stepanov  S.I.  Adaptive  interferometry:  a  new  area  of  applications  of  photorefractive  crystals  /  International  Trends  in  Optics,  ed.  J.W.  Goodman.  New  York,  London:  Academic  Press,  Inc,  1991.  —  Ch.  9.