Оптическая генерация поверхностных акустических волн в пьезоэлектриках тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.06 ВАК РФ

Р Г П АЛ

им РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

Акустический институт им;ни академика Н.Н. Андреева

На правах рукописи

Грудшнская Ирина Савельевна

ОПТИЧЕСКАЯ ГЕНЕРАЦИЯ ПОВЕРХНОСТНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛИ В ПЬЕЗОЭЛЕКТРИКАХ

Специальность 01.01.06 - акустика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата фщнко-математичесхих наук

М(ккпа.

Работа выполнена в Акустическом институте имени академика H.H. Андреева

Научные руководители: доктор физико-математических наук

ДА. ЧЛБЛН кандидат физико-математических наук ПЛ. ПЯТАКОВ

Официальные оппоненты: доктор фи шко-математических наук

!!.Ф. КАЗАНЦЕВ доктор фиыко-математических наук j'I.A. ЧШЮЗЛТОНСКИИ

Недущаи пргажпация: Радиотехнический институт им. Aj'I. Минца

iaiüina (.остинки 2Ц MQSS^^ м)-"1а 1 /5" часов на ич'.мшш uiciuiu.th ¡ироиашкно concia Д.!Л).1)2.01 при Акустическом и нет шут им. II.II. Андресиа по адресу: MocKia, ул. Шпорника 4, Дк\стичсский институт.

С диссертацией можно ошако.чппьси в библиотеке Акустического института.

Aü[(реферат разослан

WW3 г.

>чеН1.ш секретарь спецпачи(прятанною сонета, клндидаг фи 1пко-ма к-магических наук ^__

H.A. Пятаков

ОКЦЛЯ .ТАРЛКТН^СТПКА РАБОТУ

Актуздькость теля:. Гензрапля звука еветовьл,! потеком (фоте-акустлческй эффект) является мспным средство;.: лсследозаяля в ф:!з;1ке конденсзровонниг сред. Прлчем практическое значэнле фо-тса:-:устпч9ск:п1 с-ффект. приобрел лнпь с появлением лазерея. 3 последние год}! у нас л за руСексм опубликовано .много работ ло лазерной генерации звука. Это связано чь только со енз^сз.юстъз физической стороны проблем, но л с болыдлмл ггерснектинапп з области оптико-акустической (ОД) спектроскопии, ^гкросксгсгл, для обработки пн^ермаши.

В основе лазерной генерации звука ле:-:ит процесс преобразования оптической с-норгил з акуст:г:оекуа при поглсиеплл светового излучения б среде. Меааклз.чы генерации звука при ОА преобразованы различны и зависят от объемной плотности'. зкерглл, вндаяз-шеЯся з среде. Для твердого тела сред:: этих механлзмез :.юг-:ко назвать тепловой, олектрсстр:п-щ1снный, дефэрмзцлонпый л пьезоэлектрический.

В настоящее времл наиболее продвинутая л з определение« смысле завершенные: мокю считать исследования, связанные с тепловым }.!2г.г;:п1з;.!С'„' оптической генерации звука в :-:лдклл л твердых средах. 3 то ко время неуклонно растет лнтерес к Еетеплогын механизмам лазерного возбузденля звука» а та:-ь:е к ОА диагностике полупроводников. Целый ряд новых путей возбуждения звука удалось обнаружить з последние годы для полупроводниковых крлсталлоз. Сравнительно недавно било предложено возбуждение акустлческлх волн через неханязм деСор^ационного потенциала, который на порядок и более мо::ет Сыть эффективнее термоупругого. Однако з пъезоэлектрнках особенно еф5ектпзкой предстезляется генерация звука через механизм обратного пьезоэСфекта при пространственной

разделении зарядов в освежаемом веществе. Наряду с объемными акустическими золками пьезоэлектрический механизм позволяет возбукдать к поверхностные волны.

Пьезоэлектрический механизм оптической генерации звука - это принципиально новый и наиболее эффективный способ возбуждения поверхностных акустических волн (ПАЗ) з пьезополупроьодниках и слоистых структурах полупроводник - пьезозлектрнк, г.р:: котором неоднородная, засветка и внешнее постоянное электрическое поле приводят к образованию решетки объемного заряда. Электрическое поле этого заряда через механизм обратного пьезоо^фекта возбуждает ПАВ.

Интерес к пьезоэлектрическому механизму возбувдепия ПАВ связан с изучением вэзмогксстей использования эффективных ОА взаимодействий в современных устройствах обработки информации, а такгге для исследования физических свойств полупроводников. Воз- ' мощность технических приложений ОА эффекта сткмулг тет поиск материалов ь структур с максимальным акуетич-эскиы откликом. В этом свисло кажется перспективной реализация ОА преобразования в слоистых структурах фотопроводшж - пьезоэлектрик, позволяющая сочетать преимущества разных материалов (высокую фотопроводимость, хорошие пьезоэлектрические свойства и т.д.). Требуют изучения и анализа условия», при которых реализуются максимальные . эффективности лазерного возбуждения акустических волн за счет гтъеаомзханизмз. Перечисленные проблемы определили направление исследований настоящей работы.

Пел^ю работа является экспериментальное к теоретическое исследование пьезоэлектрического механизма оптической генерации ПАВ ь слоистой еруктуро полупроводник - пъезозлектрнк, а также в нье-з спслунроьодкике.

Научная новизна. $3 диссертации получен ряд новых резуль-

татов, которые автор- выноси? на завету.

1. Проведено детальное экспе-рг^ленталькоэ к теоретическое ;:с-'• следование пьезоэлектрического меганнзма опт:песксЯ генерашн

ПАВ, причем рпд еффектоз наблюдался впервые.

2. Построена теория генерации ПЛВ з слоистой структуре полупрссоджк - пьеосолоктрпк СогуцсЗ озетозой репэткой з присутствии гневного дро£фс£ого поля. .«и2~:а г.озбу-ддэкпя оорядз л поля з полуггроводга;;« птозеден для олучг.с-з собственного л пртаеспого поглощения света. Определен парантез опз:;сп?.;сстл клш:туда ПЛВ от интенсивности лторпхс 'ллпудьсоз, часто?:: спука, напряженности електрнчеэкого поля, £пзичоек;:п нара.'летроз полупроводника.

3- Вперзне энспер:::/ептллътга исследован сффэхт генерации ПЛЗ з слоистой структуре СаЛа-Ы?ГЬ03 неподвижней ;: Сегудей световой розеткой. Показано, что бегущая репетка позволяет повысить с-З-фектпвпссть оптической генерация ПАВ 2 условен: елнгрснизыа. 3 слоистой структуре СаАз-ЬШЮ получено ,0А преобразование по своей эф5е:жшнсот;: превпгиз.'зцео известило ранее для твердого тела.

4- Впервые исследована генерация ПАЗ бегудей световой решеткой з пъезсполупрозоднкке СйБ, обусловленная пьезоэлектрическим незапио;.:с1! возбуждения. Показано, что увеличение длите-лъпсст:: лазерного гсятульса з полупроводнике с большим временэи гегзнп свободных носителей ыог:ет привести к увелнчегсга влияния электронного поглощения звука на е-ффектпвпость генерации ПАЗ.

Пракикаскгя значимость. Исследованный аффективный оптический метод возбуздеЕия звука монет быть использован для изучения физических свойств полупроводников, а танке в устройствах обработки информации. Привлекательность использования ОА взаимодействий для обработал , сигналов состоит з том, что устройства, выполненные на их основе, иогуг соединить з себе

быстродействие ПАВ-процессороз с гибкостью устройств, рбладающих оперативной памятью.

Развитая в работе теории оптической генерации ПАИ в слоистой сруктуре полунроводник-пьезоэлектрик позволяет для выбранных материалов определить оптимальные услоЕия(частоту, интенсивность, электрическое пола) с целыз полученая ОА преойрасс ¿ия максимальной &$фэ1-:т;гзности. Полученные в диссертации результата ;.:огут быть использованы для интерпретации ОА ьффектов, наблада-е>лгх пру ишудьскс:.: лазерном воздействии ка полупроводники.

Апробация работы. Основные результат!! диссертационной работы догадывались на 1 Всесоюзной конференции по фотоэлектрически;.)' явления;.! в полупроводниках {Ташкент, '909г.), XV Пекаровском совещании по теории полупроводников (Львов, 1992г.), 1 Российской кеагЗврмздии по физике полупроводаикоз (Низший Нозгород, 1993г.). а такзе на научных сешзнарах в Акустическом институте.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 7 печатных рабо?.

Структура" к об'ьец диссертации. Диссертация состоит из взо-денпя, четиред глав, заключения и списка литература. Она изложена на 117 страницах машинописного текста, содержит 25 рисунков. Список литературы включает 85 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

ьо введении обоснована актуальность теми, сформулированы цель работы, научная новизна и практическая значимость полученных, результатов, кратко изложено содержание диссертации.

3 парвой глгве дан обзор основных работ, посвященных исследования различных механизмов лазерной генерации звуковых волн в твердых телах, в тс;.! числе теплового, дефорыашюиного и пьезоэлектрического, при атом основное внимание уделено возбуждению ПАВ, Здесь ::е обоснована вагиость исследований пьезоолект-

рического механизма оптической генерации ПАВ Рэлея в присутствии постоянного внешнего электрического поля в пьезополупроводниках и слоистых структурах.

Вторая глава посвящена теоретическому анализу генеращш ПАВ в слоистой структуре фотопроводник-пьезоэлектрик бегущей сзетовой решеткой в присутствии внешнего дрейфового поля в фстопроводнике.

3 качестве теоретической модели слоистой структуры рассматривается два однороднее полупространства, одно из которых представляет собой фотопроводящую (У>0), другое - пьезоэлектрическую (У<0) среду. Зазор мевду полупространствами полагается пропе-брсяимо малым, однако механический контакт отсутствует. Оси X и У являются осями диэлекрического эллипсоида для пьезоэлектрихэ, а фотопроводник по диэлектрически}.! свойстзам изотропен. Через прозрачный для света пьезоэлектрик на фотспрозодгап; падает два световых пучка со сдвигом частот и , причем разность их волновых векторов направлена по оси X. Тогда полная интенсивность света на поверхности'фотопроводкжэ запишется:

Ях, + ) = I (1 + г.еиКг"ы1:5). ( 1 )

о

где п - коэффициент модуляции (полагаем л < 1). Вдоль оси X приложено внешнее постоянное электрическое поле В . Под действие:* света, в результате фотозозбузденпя свободных носителе!; тока, процессов их диффузии и дрейфа во внешне« электрической поле в фотопроводнике образуется бегущая синхронно с интерференционной картиной решетка обьешюго заряда. Электрическое поле этого заряда, проникая в соседнюю пьезоэлектрическую среду, через механизм пьезосффекта возбуждает в ней ПАВ.

Если пренебречь обратным влиянием через пьезоэффект полей акустических волн на фотоиндуцирезаннуя зарядовую структуру» что достаточно оправдано малостью пьезосвязи, то задача зозбуздгпнд ПАВ световым излучением разбивается на две независимые задачи:

задору определен:«: заряде :: поля в фотспрозодкпке прп воздействии ::г его поверхность гфостракстзепно-нзоднорсдной нестационарной засвоткп и задачу о еоз6^-::до!пп: ПАЗ в пъезозле::тр:п:е заданным распределение:! заряда. Анализ везбух'дешя заряда п ноля в" полупроводнике проведен для случаез собственного и гриысспого поглоцепня света. Вначале рассмотрен случай irpny.eci.ro поглощения, причем выбрана одна пз стандартных моделей - кошек-и::ро£ан;и:о"полупрозодппха п-ткпа. Кристалл легирован донорной прзлесью с концентрацией II . Пр:шзсная генерация електронов будет пронзходэть с частично заполненных донорннд уровней (енергкя фотонов падакдэго света мекызе шрсаш запрещенной зоны кУ<е5 ), приче:»' чпела ил очень велико по сравнению с числом електронов в зоне проводимости. Фотоэлектрически процессы в полупроводнике тогда описываются системой уравнений непрерывности, сохранения' заряда, Пуассона. Предполагается линейность рекомбигз-: их, причем для прпмэсной фотопроводимости это нрздполозенне оказывается справедлива.! вплоть до очень больешх значок: гй интенсивности езота. Обычно коэффициент примесного поглощения езета мал, т.е. о хсроиой точпосты:> мохно полагать однородность поглощения света при ваег. ?>0 :: скорость г-зкерац;;;: электронов

£ - £с - 5зоеи/~~-й1), где 6зо = 8™ : 2 - сг 61 -(ьа )"'*, о - коэффициент поглощения езэта, В -

'^С ООО с

квантовый впдод для фотопроводимости, м - энергия фотона.

Ьсдод>:2л система уравнений решена з линейном лриблиаении с учетом

гракичнкд условий, которые представляют собой стандартные

ууаьн«хя кепрзржностл потенциала, пндукцяя и тока. Приведем

_ 1

результат:: р&очетоз для фотопроводякка. хзреиешю« ¡.¡носгитель о .'5д-;оь :: далоо ояускаэм. Превышении полного числа электронов, сю'одпнг :: евяза:л:';;>:, над ' равнов'с:ш1! значением опаснзаотся

ff(x.y) = (Ce"KXy + NJ slKr с = (Х+Ш [—----г и

И 5 yy

(í'C1 -

у _ 4 e d * 0__^ 2 )

taCír^-tn^ta-^-^-^i-tütXi-íotj,))

4

x = rí1 ^ia ft u___ j_nl

Здесь t = „ „ '— - время максвелловской релаксации,-о - заряд

М С U Д _ о

электрона, д-лодвижность носителей, п -ст а ш гон арная воличзсга

о

концентрации, е - диэлектрическая проницаемость фотоппозодника, z

В ~

- время гязни электронен в ' зоне проводимости, D

• 11 1

коэффициент диффузии, TQ = ~-, = -ЩГ' 1 ~ Сcxx/cyyJ¿'

с-х' Суу ~К01тстен'1:и тензора диэлектрической проницаемости гъезоэлектрика. При условии примесной фотопроводимости плотность заряда з фотопроводнике, созданного светом Q = -еЫ(х,у).

Генерация ПАВ бегущей световой решеткой рассчитана методом нормальных мод /Auld В.A.Acoustic Fields and Waves in Solids.-New York: John Wiley and Cons. 1973. v.2, ¿Up./. Это удобный метод возмущений для расчета генерации ззукозых волн нэ границе двух сред. За певозмущенную эталонную нормальную моду принималась ПАВ приотсутствии проводимости в фотощюводпщей среде. При этом принято, что поток энергии через единичную апертуру для эталонной ПАВ равен некоторой величине ? . Тогда смещение в генерируемой

г.

ПАВ U(x,y) может быть записано через смещение з эталонной ПАВ U в виде U(i,y)=A (x)U (у), где А (х) - нормированная

n n ft ri

амплитуда звуковой волны. Уравнение для А (х) имеет вид:

'«о

у)-Р„]ау ( з )

Здесь й - волновое число оталопной ПАВ, 9 (у)е1 слектричсекий потсйхсга.". оталоглкхй ШЛЗ, рв-одоктричес!С!й заряд, кагсдовнкЗ звуковой волкой в фэ701фОБодша:о. Член, связанный с р„ гг ¡водит к изменена волнового числа ПАВ до величины 1&, где

с-ксс;ф:;циент затухания. Решение для аагоютудн звуковой волны А в устаысз'.гепемсл во временя рэасыа, вирсзешоЯ в, так называемых, онергетнчееких единицах (А=А -/"р" ):

п п

- /;

„ 4 ГйУ 12 о Г к , С 1

£„+/£ с 2

3 хх уу)

* Iе 1(к-Р.<) } • ( 4 >

м I

-относительное изменение скорости ПАВ ;.::л закороченной и свободней поверхности; б - некоторая неинтересная для нас Фаза.

При этем поток, звуковой анергии через единичную апертуру

записывается: Р=А-А*. Вблизи фазового синхронизма (К-й-5£)г«1

¡¿-оттоль з фигурных скобках принимает вид е1'^"®1!, при ссс«1 1(Кх-б)

(линейный рост А),---, при ат>1 (насыщение).

Числошшй анализ проведен для слоистой структуры СаА.з -Ь.'оЪОз (эрсеипд галлия-пелупзолируздпй, ниобат лития У-среза) в р-ппмо линейного роста амплитуды ПАВ. На рис. 1 .построены з&~псн:.:ости потока энергии ПАВ через единичную апертуру Р от :-л"«'с;:.т--.ости света I ( при 1,9- 10вс"1, о =б,к8'10ес_1).

частоты звука й ( при I =10э Вт/см2, 12=3 103Вт/сы2, 1,-5,5 • Ю"1;г/с:.!2), от напряженности электрического поля Е 1 и=

а) интенсивности света;

б) частоты зеукз;

в) напряженности олектрпческого поля.

1,9-10V1 при Ii=103Bt/cm2, 12=3-Юэ Et/cms, I = 5,5• 104Вт/сма. 1,~5 • 105Вт/см2). При этом принято: длила волны света 1 .Об мкм, длинз взаимодействия ~ = 0,1 см, -£-= 2,41-Ю"2, г = 10"9с, а =

V о

1,5 см~' t п =0,1, ¡1 = 0,3 м2/В• с, Е =10еЕ/м.

■ Результаты расчета позволяют выбрать оптимальные условия для проведения эксперимента (интенсивность, частоjy, полс^ и, таким образом, повысить эффективность оптоакустического npecJзазования. Отдельно рассмотрен случай сильной засветки. При этом за иевосмучопную сталонную нормальную моду приняли ПАВ в пьезоолоктрпко, граничащем с сильно проводящей средой ( закороченная граница пьезоэлектрика ). Тогда ypaBiiemie (3) долааю быть записано в виде:

4? f-fr. -IbV (*> = iG«?(i,0)D*(C) ( 5 )

n ^ aX J n Vi

Здесь D (n:f0)=D (0)e -нормальная компонента электрической'im-

n г»

дукцпи, наведенной эталонной звуковой волной при у=0, k - волновое число для пьезоэлектрика, покрытого слоем идеального проводника.

Б случае - сильной засветки, при условии привесной фотопроводимости ( ихк<<1 ) формула для амплитуды ПАВ в области синхронизма ( K-k)z« 1 имеет вид:

1

I Г.- -1--12

,- _ А../¡г ГМ1^ZJLlln&zL _1н е» (Аяг-е» (б)

—•~> ~ 2 ^ {V ) Се >. 6 * К '

Не меньший интерес представляет случай собственного поглощения света. При этом длина волны света такова, что энергия фотона больше сирины запрещенной зоны в полупроводнике. Образуются два типа пздвизенз носителей - электроны и дырки. Большой г.софСиниент поглощения света приводит к интенсивному фото-всзбуг-денню носителей в узком приповерхностном слое, и следовательно к эффективному возбуждений ПАВ. Для описания фотоэлектрических процессов в систему уравнений, рассмотренную ранее

для примесной фотопроводимости, необходимо вглглить уравнение непрерывности для дарок. Даже для однородного освещения задаю имеет простое аналитическое репение только в двух сапог::;::: случаях. Во-ггервкх, слабая засветка, когда число Еозбуддекннг. носителей ыало по сравкегага с числом теплсвих носителей. Естественно, отот вариант не преде гавляет для нас Солевого интереса. Во-вторых, сильная зас: етка.щэтеы предполагается, что рекомбинация линейна и пр.исходах в основном через относительно малое число прпмееннх центров Кь ( Дп. Ар х-- ). !1м'".::::о случай рассмотрен в работе.

Чтобы определить электрическое поле и потенциал в полупроводнике, возшжающие з результате оезепенпл бегудей световой решеткой, необходимо найти нестационарное ко:ще:-:трац:в: электронов и дырок (5;г, 6р). В нредполокешш квазпнейтральноепГ малой велпчшш скорости поверхностной рекомбинации 3 ( ,

■/йх~'~), а тгкке что диффузионная длина 1Е - '/¿Г много больпе характерной дллш затухания света ( I » ) и меньше периода решетки ( ВГК2<<1 ), ит«1, получено:

I Кг

Из урэзнения сохранения полного тока,в пренебрегают тоном смедения ( от «1 ), а та1з:е малы?.) демберовскш полем,найдена переменная компонента электр:гчеокого поля:

г?ЛхУ--- -В = - Е т<?.1¥л (7)

с Л о

' Тогда поте-щчал пъ границе полупроводника д,пя случая ссбетв=:в:ого поглощения имеет вид:

5? (х, 0) = [ £ал/1Н} е11Ст (3)

После подстановки потекциалз £р(.т,0) (8) и величина В^О) п уравпекие (5), найдена амплитуд* П4В в энер. еттеекп' единицах в области фазового синхронизма:

Х(х) = 4/Г-Г-]^ e!tfer-e,r (S)

¿ ^t) ) o s XX yyJ

£a эталонную иоду Хфкнята ПАВ при закороченной поверхности пъезоелектрпка.

3 диссертационной работе приведены численные оценки мощности изукосой волки для конфагурацан Y-MNbO -GaAs при освещении зеленым свете;/.. При тех параметрах, что и в предыдущих гыенках, длине еолны 0,53 мол, интенсивности 1>100 Вт/см2 (сильное собственное поглощение в слое «1мкм ),. получен поток онерг.ьн ПАЗ Р=4,3-10"2Bt/ü для 2=0,1 см.

Развитая в главе 2 теория оптической генерации ПАВ в слоистой структуре фотопроводник-пьеооэлектрик была использована для объяснения фотоакустическпс явлений, наблюдаемых экспе-г:с.:зптальлс з структуре GaAs-ЫИЬОз и описанных в главе 3.

Хрстьк глава посвящена экспериментальному исследование пьезоэлектрического механизма фотоакустического эффекта в слоистой структуре G&As-LiKbO (арсонкд га&гая-ниобат лития). Данная структура привлекательна сочетание:.: в ней высокой фотопроводимости СаАс с хорошая; пьезоолектрпчос;:ими свойства)»»! Ъ1?ГЬ0Э.

Есгбу::'дещ:е ПАВ в пъозоэлектрике проводилось при воздействии :;а фотсипзоводшгк неподвжжой и движущейся световой решетки,з прнсуте~з:г.: постоянного внеснего электрического поля. При этом использовались лазерные импульсы длительностью 20 не с длиной волны зеленого ( 0,53 ыю! ) к инфракрасного (1,05 шах) света, а rosno импульсы длительность» 250 не с дикой волны 0,53 ыкм.

В о той г паве приведено описашш методик измерений и схем здслс-реэюятошшх установок, оптико-акустической ячейки, дан анализ с>к«:српмонтаяышх кривых и их сравнеш:е с теорией. Особый ¡".¡торос представляет возможность управления аффек'ппностьа воз-Cy.utvíuw ПАВ ь слоистой системе. посредством выбора оптимальных у«лг.юа проьедешя эксперимента. ( частоты, интенсивности, поля ).

Оптшзд-акускгческэя ячейка представляла ссбой спотс:.:;' ;:г:-.о-тгллпчес!п1х ялзсяях таюбэтз лития (гласе скл.-етгта У11) п пеге-нвдз галлия (класс с;г:л,: атрии <5з), .лгпгрованзего "гль-

иее ребро "пластаки ЫКЪО_ совпадало с оси? ;;г.::г: п.-а плоскость бадз пертящлзглярга осп У. Нп прстп^ополглпз: зодчей по огаезепиэ к свету грани ЫГ.'ЬО и:.-лг.г-.л„:с-ь встрэчно-Етнревых электродов, еднй из кстсгых лзлл.-.^г.' прпл-гл: прооброзовгигелом ПАЗ с рабочей част-згсй 30 :.'.Гц. П ;-

фотспросодязего {¿зтегзала ксгользовалгл образец пллуллллллл:ллл\: СаЛз с тзкяовей проводимость» 5• 'Ю7Смч:.:. IX гран:-.':с I.!.'.. ' грань плестипи СяАз на раоечмгг'л 1 мл: один от другого ; ".'. :. .: • наклонные али.янкезые электроды сирт-шой 1 :.-.!. Плаз"::::1; с • принималась к пластине МПЬО , так что аазор мзлду к::."^: г. рабочей области составлял дели микрона.

Постоянное напряжение смецешм пода валссь па г-л-г'.игсгс'-нс-электроды, расположенные на повсрхнос-ти ОгЛг. Олтн-:о-аг.;.гс,т:г-:с-с::-.л ячейка осзещзлась световыми импульсами со стороны 1-Л"ЬС'„.

Г? П.3.1 исследовалось возбуждение ПАЗ нс-лсдг игле-:! сзетсЕг! решеткой. При этом использовались лазерное импульсы .ллн-ллнгзз;;:: Т-20 не на длине волны свеса 0,53 либо 1,05 !.и:м, с чазсстг:! следования 25 Гц. Когерентный пучок света,про-.едя через г;р:п раздваивался. Интерференция даух • когерентных пучгг-г. сг-с-та Приводила к формированию на грвшаге раздела оа.Ав-'.ИГоО- пространственной с1п-:усопдэлы:сй решетки интенсивности (пл.: неподвижной репетки). Престршстае.-пшЯ период распределс-п:.-: подбирался ранным дайне волны ПАВ кз рас-этсй част:?; преобразователя. Сигнал фотоакустичеекого стглкка гл.*::- : трического сигнала снимался с одного из ггосЗяррсмт&сИ расположенных на поверхности пластины К.'ЛФ , узнл'л'.ллсл и подавался на осциллограф. В разделе 3,1 простлал-::-к с-агп-п'-о.-т:!

амплитуды ПАВ от шхковой интенсивности лазерных импульсов I (при различных значишях напряжения смещения 1М для собственной-'' фотопроводимости в СаАа, от напряжения смещения и^ (при различных значе:п:ях интенсивности I) для собственной и примесной фотопроводимости. При величинах напряжения смещения ио=(0-740)В и гпшовсй интенсивности лазерных импульсов 1=(1-105)Вт/смаамплитуда сигнала на выходе ячейки изменялась в диапазоне значений (0-0,Со)В на длине водны света Х~0,53мкм и вдиапазоне значений . (00,01 )В к а длине волны света Х=1,0бмкм. Наблюдалась слабая за-¡'.попмость амплитуды сигнала ПАВ от интенсивности I при напряжениях смешения V ¿¡40В и линейная зависимость амплитуда от интзнси-

о

вности при напряжениях смещкшя и >300В, с некоторым насыщением

О

уровня выходного сигнала при штенсивяостях (102-103) Вт/см2. !.':гним£льный уровень сигнала, различимого на фоне шума А=10"3В, наблюдался при интенсивности засветки 1=2Вт/см2.

При больших 1штексивностях, для света'с длиной волны Х-0,53 мхм, получена близкая к линейной зависимость амплитуды акустического сигнала от внешнего электрического поля. 3 случае малых ппте.чсиьностей света зависимость выходного сигнала тлеет небольшой .килейщй участок, и постепенно переходит в насыщение с ростом величины электрического поля. Причем линейный участок зависимости растет с увеличением'интенсивности света. Для инфракрасного света с длиной волны Х-1,06 мкм получена линейная зависимость амплитуда выходного сигнала А от напряжения смешения и . Увеличение зна- -

о

чешп интенсивности инфракрасного света в 5 раз позволило увеличить амшк'ууду ПАВ лишь в '1,1 раза, что указывает на режим 1:аои'.;энпя амплитуды по интенсивности и согласуется с теологическим расчетом. В разделе 3-1 отмечено, что уровень наблюдавшегося сигнала при одинаковых значениях напряжения сммаския и интенсивности света в слоистой структуре ваЛв-ШЛЮ

Сил заметно зпез (з 3-5 раз), чем з С68 / Дсез В.п., Пятаков II.л. Опт:гческая гепзриш звука в с^отогтроводяшем пьс-зэглгктрик-з. //Письма з 1586, Т. 12, 1?15, с 923-932 /. Заметно отличался харсктер зависимости ампллтудп ПАВ от интенсивности света. В слоистой структуре пзекденпе еявитудо ПАЗ но ¡интенсивности, э случае зеленого света, проявлялось только при шгакид напряжениях смецения. Мозпо предполозгпть, что в данном случае наснденне проявляется при интенсизЕоетях света, . еоответетзу:сдих временам максвеллозской релаксации' мс-нызны временного периода световой реиет;си.

Сравнение результатов эксперимента о теоретическими зависимостями на рис.1 показывает, что теоретическая модель, построенная з главе 2, прэзильно отраггает основное особе.-гностп окенернментальних зависимостей: нзендение амплитуда ПАЗ по интенсивности (1=1,05 мим), линейность зависимости от ноля.

В разделе 3.2 приведет екепернментальнке результат;; но возбузденпю ПАВ з слоистой структуре фотопрозодник-;:ьезоел?;:трик (СаЛо- ЫКЪОз) бегуцей световой розеткой интенсивности. Для создания бегущей репотки использовались ашульек зеленого свет? длительностью Т=20нс, о частотой следования ;'=25Гц и длительностью ?-250нс, е частотой *=10кГц. Теория данного с|*£гк?з изложена в главе 2. Прешудзотво дв:г-г:удейся световой репетки перед неподзжкой связано с возможностью уменьшения гппсозгй интенсивности излучения при использовании белее длинных импульезз без ухудаения процесса генерз:ш акустической волны.

Двп:::уЕ:2яея репеткз пшенсивности на поверхности ячейки Лормирозалась следукки:-.! образом. При прохо:к"!?Н1п: светового ну;;:: импульсного лазс-ра через экустооптический модулятор (ЛОМ), в результате брэпозской дц-^ракцпи вознлП-'.аит пучки отглепгтпюго света, сдвиг частоты которых в первом шгядке диА'ракц'.н: равоп

частоте звуковой волны в АОМ. Наличие в оптической схеме прямоугольной призмы приводит к интерференции этих смещенных по частоте световых пучков и формировании бегущей световой решетки. Пространственный период распределения, зависящий от угла схокдекпя пу-гкоз, подбирался равным длине волны ПАВ на рабочей частоте приемного преобразователя.

Экспериментально исследозаш частотная зависимость амплитуды гозбуьдебуоа бегущей световой решеткой ПАВ, зависимость амплитуды ПАВ от внешнего злектр:гческого поля, от пиковой . интенсивности лазерных импульсов длительностью 2Снс либо 250нс. При различных ье.т,;ч:с;зх напряжения смещения II =(0-б00)В и пиковой интенсивности

О

лазерных импульсов 1=( 0-300 )Бт/с..!3 амплитуда сигнала на выходе ячейки изменялась в диапазоне значений (0-12,5)мЗ для сигналов длительностью Т=20но и (0-65)мВ для сигналов длительностью Т=250нс.

При увеличении интенсивности засветки до величины 5С-90 Бт/см2 амплитуда Г1АБ сначала плавно растет, а затем наблюдается се насыщение, причем крутизна графиков возрастает с увелгпением Ь'э. При небольших значениях напряжения и о величина еыходного сигнала слабо зависит от интенсивности света. Минимальный уровень сигнала, различимого на фоне шума А~0,2мЗ, наблюдался при интенсивности засветки 1=0,ЗВт/см2.

При больших интексивнсстях ^ 100Вт/см2 (при которых наступает наоыщегоге амплитуде по интенсивности) зависимость амплитуды ^ выходного сигнала А от напряжения смещения и0 близка к линейной, и только при 11о>5003 наблюдалось насыщение амплитуды выходного-сличала А по напряжению 1Го. С уменьшением интенсивности света I область насыщения амплитуды выходного сигнала А по напряжению и<> сдвигается влево, т.е наступает значительно раньше. В случае малых ¡штенсквностой света величина выходного сигнала Л практически

не зависит от величины напряжения Uo.

Характер зависимостей, приведенных в разделе 3.2 для сигналов длительностью 250нс, в основном аналогичен кривим, описэннзл.! выше для коротких импульсов. Характерной особенностью является отсутствие насыщения величины амплитуды выходного сигнала по интенсивности при :-:апрлз?еш!Ял U =5803. Величина амплитуда скислась в 5.2 раза вше.чей в случае короткого импульсе (~= =180Вт/см2, üo=530B ). Такое увеличение амплитуды сигнала связано с увеличение« времени когеректкой накач:з{ акустической газа со стороны более длинного светового импульса при синхронно:.! с волне;, перемещении интерференционной рештки. Таким образец, пспсльс -ние в эксперименте импульсов больпой длительности позволило существенно 'увеличить амплитуду зозбуздасмой ПАЗ при тех г::-значениях пиковой иптенсивкости лазерных пмпульеоз.

3 разделе 3-2 проведено сравнение экспериментальных кривых с теорией, рассмотренной в главе 2 для собственной фотспрово~с.:г.с-ти, и показано хорошее качественное согласие.

Сравнение оптической генерации ПАВ движущейся и неподнп^-ой решеткой !штенсивности показало, что при движении ропэт:з: появляется возмохность в несколько раз увеличить амплитуду и мощность возбуждаемой волны и при этом снизить интенсивность засвети;.

Проведенные исследования показали, что еффектизкссть пьезоэлектрического механизм® ' оптической генерации ПАЕ в слоистой •структуре GaAs-LiNbOa существенно вике, чем в гормапзтэ висмута (BG0) /Леев В.Н., Пятаков II,А. Еозбуздмше акустической волны бегущей световой рещеткой в фоторефрактивком пьезс9лектр:п;г -//Письма в ЖТФ, 1988, Т,14, КЗ, е.660-684/.

В четвертой главе представлены результаты исследований ге:;? -рации ПАВ бегущей световой решеткой на поверхности пьезэечгсзясге полупроводника судьфада кадмия (CdS /.обладавшего хоротей ''сто-

чувствительностью, обусловленной высокой подвижностью фотоэлектронов, и лоропгас: пьезоэлектрическими свойствами. Кроме того, кристалл Сс1С (класс с:ил.:отрнп с?.см) интересен целым рядом наблюдаемых в :;::.! скустоэлектро-гных эффектов, тадсих как скустоЭДС, элек-грснное усиление звука, нелинейные взаимодействия акустических зсл:: и др. 3 глазе списана ы&тодкка и схема эксперимента. Призе-д :•:::: с.ксперныэыталь-'ые зависимости амплитуды сигнала П>Ш от ьнеи-ег- ••.•лектрпческого пол;: и шаговой ппгексизнсетн лазерных импульсов длительность» СОнс и 250нс на длт?о зсдгат /.=0,53:лк.: (примес-::.-.я фо-гспровсдагасть в С15 ).

Гекераид:." ПАВ осуществлялась на частоте 20.МГЦ и достигала ьмилитуды С, 12ыЕ, при этом напряжение смещения ХЬ изменялось в диапазоне значений (0-700)В, а иятскепзность света (0-80)Вт/см2. Особенностью эксперимента являлось наличие мансп'лалъного сигнала в момент включения засветки г. постепошптй его спад до некоторого усгавозивЕогсся значения. Амплитуда 1;АВ измерялась в двух регк-::5х: мгновенно:.;, когда время кзмарекгня 1„..„=1/30с" 1«Г. !;, ^ г.- 1с - время перехода в кзазиетсчкозарннй т,е;:-им) я уетснов-ЧЕшеглсл

г::зм > хует"

В эксперименте набл-тцался ланбйнак рост и насыцение амплитуды ПАЗ от электрического псля. При этом анализ амплитуды волны пространственного заряда по формуле, получешюй в теории для случая щиэлеской фотопроводимости показал, что грл слабой засветке иг^ »' , а г >>1 с ростом дрейфовой скорости (1Е амплитуда ПАВ от ныгрязения с^ецегош растет яшейно, о затем переходит в касыде- о 1".:е, когда дрейфовая скорость становится сравнила п больсе скорости звука. В случае сильной засветки сс[;<<1, иг>>1 линейный участок растет, £> область насыщения сдвигается в сторону больших значений поля, и насыщение наступает при Ео>>1/[К^гн}.

Анализ формулы для амплитуды волны пространственного заряда

предсказывает линейный рост от интенсивности при больпих полях и насыщение 2:як'1нтуды ПАЗ от пнтснс;гбности при малых полях. Причем насыщение проявляется при интзксквностях, соответствующих временам иаксвелловекой релаксации сраЕЕП.им пли зр^окного нериода сзетозой рззеткп. Отклсне;п:е от линейкой зависимости связано с влиянием процесса электронного поглощешгя звука. Б случае короткого импульса характерной особенностью являлось мекыгее злияние электронного поглощения звука на амглитуднук зависимость от интенсивности с ростом напряжения смещения .

Следует отметить, "то при одном и том механизме всзбугде--ния ПАВ эффективность преобразования световой энергией в звуков;,чз в СДЭ сказалась существенно выше, чем в ВОО, однако несколько ниже, чем в слоистой структуре СаАз-ЫМЪО .

В заключении сформулирозаны основные результаты работы.

ОСКОШЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Прозедено детальное океперименталы-к ь и теоретическое исследование пьезоэлектрического механизма оптической генералж ПАВ, причем ряд эффектов наблюдался впервые.

2. Построена теория генерация поверхностной акустической волны в слоистой структуре полупроводник -- пьезозлектрик бегущей световой решеткой в присутствии внесшего дрейфового поля. Анализ возбуждения заряда п поля в полупроводнике проведан для случаев собственного к примесного поглощения света з приблнзенки линейной рекомбинации носителей. Получена теоретическая зависимость амплитуды возбуждаемой ПАВ от частоты звука, интенсивности света, напряженности электрического поля, физических параметров полутгрг водника. Обнаружено существование оптимальной частоты зозбуздсемс-й ПАВ, которая растет с увеличением интенсивности .засветки. Обнаружено, что с увеличением напряжения электрического поля и интенсивности падающего света амплитуда ПАВ имее" тен.ле;-дш к наскце-

ей. Сравнение результатов теоретического расчета с экспериментальными зависимостями показывает, что построенная теоретическая модель аффекта правильно отраг:ает его основные особенности. Расчет позЕО-тяе'-' выбрать оптимальные условия проведения эксперимента, и таким сбразом, повысить е-ффектизность оптоакустического нреобразсвания.

3- Впервые экспериментально исследован эффект генерации ПАВ з слоистой структуре GaAs - ЫЫЬО стоячей и бегущей световой решеткой. Показано, что бегущая розетка позволяет повысить эффективность оптической генерации ПАВ, и связано это с процессом накопления заряда в условиях синхронизма. Использование в експери-мекте бегущей свотоеой решетки позволите на несколько порядков снизить пиковуз интенсивность лазерных импульсов без ухудшения процесса генерации ПАВ. Рост амплитуды ПАВ при увеопгчеши: длительности лазерного импульса объясняется увеличением времени когерентной накачки акустической волны со стороны более ддшшого езетг-вого импульса при сикхроннсм с волной перемещении интерфе-рекцнонной решетки.

4. В работе впервые исследована генерация ИВ бегущей световой решеткой в пьезсполупрсводкнке CcLS, обусловленная пьезоэлектрическим механизмом возбуждения. Показано, что увеличение длительности лазерного импульса в полупроводнике с большим временем жизни свободных носителей моз:ет привести к увеличению влияния электронного поглощения звука на зависимость амплитуды ПАЗ от интенсивности света с ростом напряжения смещения

5. Таким образом, исследовано фотоакустическое взаимодействие высокой зффектизности для. ПАВ. Показано,что эффективность пьезоэлектрического механизма оптической генерации ПАЗ при разумном выборе параметров на несколько порядков провисает обычную для ептоакустики.

б. Исследованный аффективный метод оптической генерации ПАВ

может бить использован для изучения физических свойств полупроводников, а также в устройствах обработки инфорлацил.

ОСНОВ!HE РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ 0П7ВЛИК0ВАШ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

1. Грудзинская И.С., .Пятаков П.А. Сптзгческое возбуждение поверхностной акустической вол1щ в слоистой структуре фотопровод-ник-пьезозлектрик. // Акуст.журн., 1939. Т.35, N4, с.б1б-б19.

2. Грудзщ'ская И.С., Пятаков П.А. Сотоэлектрическое возбуждение поверхностных акустических волн в слоистой структуре СяАз-ЫПЬОз. 3 кн.: 1 Всесоюзная конференция по фотоолектрическиы явлениям в полупроводниках. Ташкент, 1939, 0.442.

3.- Грудзинская И.С., Пятаков П.А. Возбуждение акустической волны бегущей световой решеткой в слоистой структуре фотопрсзодкик-пьезоэлектрик.//Акуст.к:урн., 1990, Т.36, N3, с.423-428.

4. Грудзинская И.С., Пятаков П.А., Чабан A.A. Оотоакустический з(Ефект высокой эффективности в слоистой структуре полупровод-ник-пьезоолектрик. В kh.:XV Пекаровское совещание по теории полупроводников. Тезисы докладоз. Донецк, 1992, с.41.

5. Грудзинская И.С., Пятаков П.А., Чабан A.A. Пьезоэлектрический механизм оптико-акустического взаимодействия з слоистой структуре фотопроводник-пьезоэлектрнк. // Акуст.хурн., 1993. Т.39, N3,~с.467-472.

6. Грудзинская И.С., Пятаков П.А., Чабан A.A. Оптоакустическое взаимодействие высокой эффективности для поверхностных звуковых волн. В кн.: 1 Российская конференция по физике полупроводников. Тезисы докладов. Нижний Новгород. 1993, с.218.

7. Грудзинская И.С.. Пятаков П.А. Генерация поверхностной акустической волны бегущей световой репеткой в фотспреводядем пьезоэлектрике. // Акуст.журп., 1993, Т.39, К5. с.309-814.