ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДИКИ ИЗМЕРЕНИЯ ОПТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРЕСТИК ТОНКИХ ПЛЕНОК ПИРОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

АННОТАЦИЯ

Основной целью данной работы являлось исследование взаимосвязи между основными параметрами технологических процессов и свойствами тонких плёнок оксида ванадия, полученных методом реактивного ионно-плазменного распыления и методом окисления металлических слоев ванадия в кислородосодержащей среде.

Ключевые слова: пленки пироэлектрических материалов, оксиды ванадия, микроструктура.

Для регистрации оптических характеристик (спектры фотолюминесценции, отражения и пропускания) пленок пироэлектрических материалов, использовалась установка, функциональная схема корой показана на рисунке 1.

Установка обеспечивает регистрацию оптических спектров в области 0.2 – 2.5 мкм и состоит из четырех основных узлов: источников света для возбуждения неравновесных носителей заряда, монохроматора, системы регистрации излучения и криостата. Одним из основных узлов установки является светосильный осветитель. Источником света большой яркости служила ксеноновая лампа 1 сверхвысокого давления ДКСШ-500 (мощностью 500 Вт), питание которой осуществлялось от выпрямительного устройства ВУ 42/70, или аргоновый лазер с длиной волны генерации λ = 488 нм (или λ = 514.5 нм) типа ILA-120 (фирма «Карл Цейсс Йена») мощностью до 1 Вт в непрерывном режиме работы. В конструкцию осветителя входит конденсор, составленный из двух  кварцевых линз 3а и 3б с параболическими поверхностями, имеющих относительное отверстие D/f = 1:1. Линза 3а располагается на расстоянии ≈ 90 мм от центра ксеноновой лампы и может свободно перемещаться в обойме 4, что позволяет обеспечивать параллельность выходящего пучка света. Фокусировка света на образец осуществлялась с помощью линзы 3б, расположенной от него на расстоянии ≈ 90 мм. При необходимости возможно изменение интенсивности падающего света.  Это достигается либо при помощи специальной диафрагмы 5, либо  путем регулирования тока, протекающего через лампу. Конструкция осветителя позволяет быстро производить юстировку оптической системы путем перемещения лампы на опорной платформе установки. В одном случае свет от лампы 1, сфокусированный линзой 3б, направляется на образец, расположенный под углом 45^о к направлениям возбуждения и наблюдения. В другом случае ксеноновая лампа располагается в месте, и свет с помощью конденсорной системы фокусируется на одну из граней образца 6, а излучение собирается с противоположной (т.е. опыт «на просвет»). Между двумя линзами конденсора располагается водяной фильтр 7 толщиной 100 мм (кювета с дистиллированной водой) и ряд сменных фильтров 8 из стекла. Комбинация фильтров дает возможность варьировать спектральный состав возбуждающего света. При освещении образцов лазером луч отражается от зеркала 17 и с помощью линзы 3б фокусируется на образец 6. Рекомбинационное излучение, возникающее в области возбуждения образца, находящегося в криостате 9, собирается в плоскости входной щели монохроматора при помощи сферического 10 и плоского 11 зеркал.

Рисунок 1. Блок - схема установки для измерения спектров фотолюминесценции, отражения и пропускания пленок пироэлектрических материалов

Базовым прибором в установке являлся монохроматор МДР-23. При исследованиях используется дифракционная решетка 600 штр/мм, обеспечивающая работу с дисперсией 26 Å/мм. Для обеспечения более высокого разрешения при регистрации фотолюминесценции пленок используется дифракционная решетка 1200 штр/мм, дающая дисперсию 13 Å/мм. Разрешающая способность всей установки в целом определяется светосилой монохроматора, дифракционной решеткой и чувствительностью фотоприемника излучения. [1-4]

Разложенное в спектр излучение из выходной щели монохроматора перефокусируется с помощью зеркальной оптики 12 (двух плоских и параболического зеркал) на приемную площадку фотоприемника 13, находящегося в криостате, обеспечивающем его охлаждение до 78 К (температура жидкого азота). В качестве приемников излучения используются германиевый p-i-n фотодиод и InGaAs p-i-n детектор G84072 фирмы Hamamatsu (Japan).

В ряде случаев для обеспечения большей чувствительности аппаратуры при регистрации люминесценции применяется фотоэлектронный умножитель ФЭУ 83, охлаждаемый до температуры 78 К. Непосредственно перед криостатом с приемником излучения располагаются сменные стеклянные или полупроводниковые светофильтры 14, устраняющие возбуждающий рассеянный свет. Сигнал с фотоприемника через нагрузочное сопротивление поступает на вход предварительного усилителя ПУ, использующегося для согласования сопротивления приемника и входного сопротивления узкополосного низкочастотного усилителя Unipan 232В. Усиление сигнала проводится на частоте модуляции (~ 16 Гц) светового потока, которая определяется скоростью вращения механического модулятора 15 вокруг лампы. Далее сигнал с выхода усилителя подается на вход синхронного детектора В9-2. В качестве опорного сигнала используется напряжение, снимаемое со светодиода ФД-9 (германиевый диод). Фотодиод 16 освещается светом лампы, прерываемым модулятором 15. Сигнал фотодиода усиливался узкополосным усилителем УПИ-2. Преобразование двух низкочастотных синусоидальных сигналов в постоянную составляющую напряжения осуществляется фазовым синхродетектором В9-2. Постоянное напряжение с выхода синхродетектора поступает на двухкоординатный самописец Endim 620.02. Основной сигнал для удобства визуальной настройки контролировался осциллографом. Вращение дифракционной решетки в монохроматоре и перемещение каретки самописца по горизонтальной оси происходит синхронно, что дает возможность производить автоматическую регистрацию спектров. Градуировка монохроматора производилась с помощью ламп низкого давления: ртутно-гелиевой ДРГС-12 и гелий-неоновой ТМН-2.

Регистрация спектров оптического отражения R(l) проводится на этой же установке. В этом случае источником излучения служит вольфрамовая лампа накаливания 2 мощностью 170 Вт (КМЦ-17), размещаемая в закрытом металлическом корпусе осветителя вместо ксеноновой лампы. Свет от вольфрамовой лампы с помощью конденсора 19 и отклоняющего плоского зеркала 20 направляется на исследуемый образец 6 под острым углом к нормали ~ 10 – 12^о. Сбор и регистрация отраженного сигнала проводится таким же способом, как и регистрация сигналов люминесценции. Спектры пропускания T(l) пленок снимались также с использованием этого же осветителя с вольфрамовой лампой, только в этом случае он располагался за образцом в месте, обозначенном цифрой 18. Сфокусированный конденсором световой пучок освещает образец 6 сзади, как указано стрелкой на рисунке 1, а прошедший через образец 6 свет далее собирался сферическим 10 и плоским 11 зеркалами в плоскости входной щели монохроматора. Ошибка в измерении амплитуды DR и DТ не превышала 2 %.

Рассмотренный процесс измерения оптических характеристик тонких пленок пироэлектрических материалов является неотъемлемой частью при исследовании взаимосвязи между основными параметрами технологических процессов и свойств тонких пленок оксида ванадия.

Список литературы:

1. В.Л. Романюк, В.Ф. Гременок, В.Б. Залесский, О.В. Ермаков, Г.Г. Чигирь, А.И. Белоус Создание и использование тонких сегнетоэлектрических пленок для приемников ИК-изображения // XIX Международная научно-техническая конференция по фотоэлектронике и приборам ночного видения, 23-26 мая, 2006, Москва, Россия, С. 189.
2. Synthesis and characterization of vanadium oxide films by post-oxidation and reactive sputtering // A. Khodin, V. Zalessky, M. Belov and etc./ Мaterial Science and Engineering B.- 2007 – V.141, №3 - P. 108 -114.
3. Исследования фазового перехода в тонкоплёночных структурах оксида ванадия //Залесский В.Б., Белов М.М., Леонова Т.Р. и др./ Актуальные проблемы физики твёрдого тела: сб. докл. Междунар. науч. конф., 23-26 окт. 2007 г. Минск. В 3 т. Т.2/редкол.:Н. М. Олехнович ( пред. ) [и др.] . – Минск : Изд. центр БГУ, 2007. – С.199-201.
4. Современные тенденции в области разработки неохлаждаемых тепловых приёмников ИК диапазона // Залесский В.Б., Белов М.М., Гременок В.Ф. Белоус А.И./ Актуальные проблемы физики твёрдого тела: сб. докл. Междунар. науч. конф., 23-26 окт. 2007г. Минск. В 3 т. Т.2/редкол.:Н. М. Олехнович ( пред. ) [и др.] . – Минск : Изд. центр БГУ, 2007. – С.26-28.