Оптика фазовых превращений и электретных состояний в оксидах переходных металлов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

На правах рукописи

С"'г ШАДРИН

Евгений Борисович

г.

ОПТИКА ФАЗОВЫХ ПРЕВРАЩЕНИЙ И ЭЛЕКТРЕТНЫХ СОСТОЯНИЙ В ОКСИДАХ ПЕРЕХОДНЫХ МЕТАЛЛОВ

(01.04.10 — физика полупроводников н диэлектриков)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на се искание ученой степени доктора физико-математических наук

Санкт-Петербург 1997

Работа выполнена в Физико-техническом институте имени А.Ф.Иоффе Российской Академиии наук.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

С.Д. Ханин,

доктор физико-математических наук A.A. Кпочихин, доктор технических наук Е.И.Теруков.

Ведущая организация: Санкт-Петербургский государственный

университет.

JhfjUAj 1 997 г. М

Занята состоится " ' 1 " ¿ЛД^-^ 1997 г. В X V час. на заседаний диссертационнрго совета Д 063.38.02 при Санкт-Петербургском государственном техническом университете по адресу: '

195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного технического университета.

Автореферат разослан "С/ / " 1997 г.

Ученый секретарь специализированного совета Д 063.38.02 кандидат

технических наук К.Г.Уткин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ .

Актуальность темы. Данная работа посвяшена исследованию фундаментальных механизмов, протекающих при управлении оптическим*; параметрами оксидов переходных металлов, таких, как диоксид ванадия - материал с фазовым переходом металл-полупроводник вблизи 540 К, пттрий-бариевый купрат - материал со сверхпроводящим фазовым переходом около 90 К и серией структурных превращений в области 160-*40 К, титане- и силикосиллениты - материалы с высокотемпературными превращениями около 840 К и уникальным набором физических свойств /таких как оптическая активность, высокая электронно-лучевая и фоточувствительность, продольный к поперечный электрооптические эффекты/.'

Потоки заряженных частиц или квантов света позволяют управлять оптическими параметрами этих соединений, вызывая громадные, но обратимые изменения их оптических свойств, причем как первичных-пропускай.',я, отражения, рефракции или поглощения, так и вторичных - фотолюминесценции, катодолюшгаеецэвцш или рамановских спектров. Следя за этими процессами, можно получить богатую информацию фундаментального.значения, а также использовать возможность указанного управления в прикладных целях.

'Гак, диоксид ванадия изменяет свою проводимость на пять порядков при изменении темпераутры на несколько градусов вблизи точки фазового перехода или под действием лазерного импульса длительностью 10+.30 не и плотностью энергии ИГ^ Дж/см^. Коэффициент отражения образца пленки \/0.> при этом изменяется на порядок ми более /например, от А% до 40 Ч/.

Такое же измзнение коэффициента отражения НГСП-кэрамики наблюдается при варьировании температуры образца на несколько градусов в области 160-Й40 К, а характеристики спекл-поля керамики испытывают слачок при варьировании температуры около 90 К. Изменение катодолюминесценции НГСП-керамики при этих температурах еще значительнее и составляет, не менее двух порядков.

Тйтано- и силикосилленкты такие изменяют свою прсгеодямость на 4+5 порядков под юздействием фотоактивного излучения, причем

. - 4 - ;

коэффициент пропускания юс в системе скребенных поляровдов изменяется на 1,5+2 порядка. Это же происходит под действием электронного луча при накоплении на поверхностных состояниях силленитов заряда порядка Ю-^ Кл/см*\

Шбор данной группы материалов бил обусловлен тем, что все эта соединения, будучи оксидамн переходных металлов, айда- -дают ярко выраженным сходством физических свойств при.всем различии численных значений характеризующих их параметров. А тленно:

1/. Все указанные материалы имеют по.меньшей мере два резко отличающихся по своим характеристикам физических состояния, что определяет большую информативность процессов, протекающих при управлении этими состояниями с помешью внешних воздействий.

2/. Все.указанные материалы допускают фундаментальные исследования своих оптических свойств дифракционными методами, путем синтеза на них или их самих в ввде голографических дифракцион--них решеток.

3/. Все перечисленные материалы обладает сходными механизмами образования кислородных дефектов под воздействием потоков электронного или лазерного излучений разрушающего уровня»

4/. Все материалы актуальны в прикладном отношении благодаря своей способности оезко и обратимо менять свои оптические характеристики к допускатьсинтез высококачественных монокристаллоз или пленок большой плошали.

Главным обшим свойством исследованных в диссертации соединений являете способность запоминать предысторию своего состояния, определяющую иг дачьнейяее повеление. ■ ."

Так, диоксид ванадия и НГСП-кераж»;«! запоминают свою температурную- решето рно, тогда как тегам- и силикосилляниты - температурную, и зарядовую предыстории.'' -Экспериментально это . проявляется в возникновении чаздичных видов оптического гистерезиса,, среди которых в диссертации исследованы: гистерезис.отражательной способности, раман-гистерезис, гистерезис 'дифракционной эффективности, ыагйитный гистерезис, люминесцентный гистерезис, като-доэлектретный гистерезис, абсорбционный гистерезис .

Следует таг.из сказать, что исследованные в данной диссертации оке и 70» переходных металлов могут быть охарактзрлзо" гны

как элементы некоторой обшой качественной шкалы:

- фазовыя превращения происходят в них. соответственно, в' областях температур 840 К, 340 К и 200 К;

силлениты при температурах, меньших температуры преврагое- ■ ни й, облапают диэлектрическими, диоксид ванадия - полупроводниковыми ВТСП - соединения - металлическими свойствами;

энергетическая щель в силленитах составляет 3 эВ, в VOg-около одного эЗ, в УВзСиО - доли электрон-вольта;

- механизм памяти у силленитов - чисто электронный, у диоксида ванадия - смешанный электронно-решеточный, у BTCII -керамики - чисто решеточный;

- сигнал акустической эми. ;ии возникает в силленитах бла- ' годаря электрострикции, в диоксиде ванадия - из-за анизотропии изменения объема при фазозс i переходе, в ВТСП - керамике - в результате трения зе^ен при структурных превращениях.

К началу наших исследований йЬ большинству из перечисленных физических явлений лкбо существовала'противоречивая информация, либо она отсутствовала вовсе. .

Так,для диоксида ванадия принципиальное несоответствие друг другу литературных данных привело к фундаментальному дефекту в ¿'снимании движу. ;аго механизма фазового перехода металл-полу-прозодник /ОМП/: нельзя сказать, является ли он Мотт-Хаббардов-ским - электронным, или же. это переход пайерлсовского типа, для которого первичны структурные искажения реиеиш, а изменения в электронной подсистеме - вторичны.

В отношении БЮП - гсерагадаг можно., сказать, что- к. началу наших исследований практически Отсутствовали данные по оптическим методам контроля температур фазовых превращений в этих соединениях и зон оптического повреждения, возникающих при лазерном синтезе.

Наконец, для силленитов имелась весьма скудная информация о механизмах формирования-разрушения катодоэлектретного состояния, электронно-лучевого синтеза голограммструктуре нарушенного.слоя и оптическому повреждению монокристаллов этих соединений, легированных различными примесями. '

Получение и анализ информации об этих явлениях в указанной

группе оксидов переходных металлов явились главной целью'настоящей диссертационной работа.

Основные положения, выносимые на защиту, изложены в конце настоящего реферата.

Научная новизна диссертационной работы определяется тем, что все основные результаты, изложенные в диссертации: от серии интерференционных и дифракционных методов измерения оптических констант, проведения комплекса качественных эксг.эриментов и выбора адекватных моделей до интерпретации полученных данных, сопоставления их с результатами теоретического анализа к определения большого числа оптоэлектронных параметров исследованных материалов, получены впервые. Оригинальные кетодкки и конструкции защищены авторскими свидетельствами.

Практическая значимость диссертационной работы определяется тем, что в нзй показана возможность использования оксидов переходных металлов в прикладных целях. Описана разработанная и реализованная серия оптоэлектронных приборов нопого поколения, среди которых лазерный эиорголрошилометр, быстродействующий элемент голо-раюической памяти, управляемое электронным лучом.лазерное зеркало, скстзш электронно-лучевого синтеза голограмм, фотозлектрет-лые системы селекции движущихся изображений,- катодоэлектретыые модуляторы световых штоков. Диссертация являет собой случай завершения фундаментальной научной работы созданием 'действующих образцов оптозлектронной аппаратуры. ..

Апробация работы. Результаты диссертационной работы-докладывались на XII Международном Ян-'Геллероьском симпозиуме /Тарту, 1994/'; на 11 Всесоюзном семинаре по прцелемам управления и м'ду-ляции излучения Д1осква, 1981/; на Всесоюзной конференции по го-лограажг /Ереван, 1932/; на Всзсоызной конференции "Актуальные проблемы получения и применения пьезо- и сегкетоэлектрических материалов" Д1оскза, 193?/; на 11 йсесоязной конференции "Физика- окисных пленок" /Петрозаводск, 1987/; на Всесоюзно;; конференции по вычислительной оптозлектронике ''Проблемы оптической памяти" /¿реваи. A2d7/; на ill асесоюзьоя конференции по физико-хикичгским основам технологии с е гн в то э л ек т р и чоских и родственных материалов /-Звенигород, ivm/, на m .Усксоюзмол конхеронции "Физика окисях длянок"

- ? -

/Петрозаводск, 1991/, на 17 Всероссийской конференции "Финика окис-, них пленок" /Петрозаводск, 1994/, на семинарах в ряде отделов ФТИ, СШТ7, ЛОМО, 1Ш, МЭЛЗ, опубликованы в центральных научных журналах, цитируются в работах зарубежных и отечественных авторов. Структуру и объем диссертации. Работа состоит из введении, девяти глав, заключения и списка цитируемой литературы. Объем составляет 550 страниц, в том числе 194 рисунка, 23 таблица и список цитируемой литературы."

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Первая глава диссертации посвящена исследованию оптических ха>-... рактеристик интерференционных окисно-ванадиевых структур /ИОВС/. Каадая такая структура представляет собой интерферометр Фабри -Перо, между зеркалами которого расположена пленка згжжсида на -надия - материала г фазовым переходом металл-полупроводник /Ф1ЖД/ с Тс= 340 К /67°С/. !

- Поскольку суммарная отражательная способность такой тонкопленочной /1С00 %/ структуры контролируется оптическим константами V02, резко изменяющимися при ШШ'и обладающими температурнкм гистерезисом,. то гистерезисом обладают и оптические свойства ИОйЗ. Стабилизация температуры ИОВС внутри петли гистерезиса /шириной 10+15°С/ позволяет организовать режим стабилизации информационного юля, то есть режим памяти.

Актуальность этой проблемы и одноврзмзнно большой'разброс литературных данных по оптическим1 свойствам аленох у0? благодаря сильной их зависимости ог технологии синтеза вынуждают проводить собственные исследования корреляции мзвду оптическими параметрами и условиями синтеза ИОВС.

В данной главе описаны результата.подобных исследований и на их основе предложена макромо/щль интерференционной окисно-ва-надиевой структуры, а также локазано, что все многообразие вариантов синтеза может быть разбито ка две главке группы, обозначенные как жесткая /Н/ и мягкая /S/. Для жесткой-хнрактерно быстрое /за минуты/ окисление пленки исходного металлического ванадия пр- атмосферном давлении, тогда как для мягкой-меялешшй -десятки минут - непосредственный синтез пленки диоксида ванадия в потоке кислорода низкого. давления /10~3 т р?.; ст./ с

- 8 -

последующим ее оснащением на горячую подязкку.

В первой главе также описан предложенный в диссертации метод экспресс-контроля оптических констант ИОВС, основанный на анализе формы колец Ньютона, сформированных на поверхности структуры, и показано, что жесткие технологии формипутот слои УО^ с коэффициентом поглощения, меньшим, чем у монокристаллов, тогда как

мягкие варианты приближают оптические константы пленок диоксида ванадия к таковым для монокристаллов этого-соединения.

¿¡алее описаны результаты измерений температурных и угловых зависимзэтей коэффициента отражения и фазового сдвига излучения, считывающего информацию с интерференционной структуры. На основании этой информации построены петли температурного гистерезиса оптических констант НОВО, знание которых принципиально ваяно при' конструировании окисно-ванациевых интерферометров с заданными оптическими свойствами.

Вторая глава диссертации посвящена описанию результатов исследования внутренней структуры главной петли температурного гистерезиса отражательной способности ИОЗС. Показано, что все многообразие петель гистерезиса сводится к пяти главным типам , каждый кз которых может быть описан шестью различными классами функций, найденными с помощью специальной программы компьютерного поиска математических аппроксимаций.

Однако, как оказалось, только один из них, а именно,

{ЦТ) -я (ц)*в Ш/ т+т> (т.)(ХЛ (1) где ехр[-СТ-Тср(Ш/Т¥СТ5)Г1;

а &СТ) - отражательная способность, позволяет одновременно описать как главные, так и частные петли гистерезиса, существование которых отображает внутреннюю структуру главной петли, поскольку внутри петли коэффициент отражения является функцией двух переменных: текушей температуры и температуры старта частной петли. При этом показано, что в .уравнении /1/ коэффициенты А,В, тср и Т* являются исключительно функциями темпзратуры старта причем виц их совпадает с видом функции /1/ . '

Полученное математическое описание петли гдс.епезисг позво-

лило прояснять механизм ее формирования, который сводится гс следующему.

Авторами • работы с< 1 было высказано предположение, что пленка V С>2 состоит из микрообластей, каждая и» которых характеризу- -ется прямоугольной петлей гистерезиса со своей шириной д? и температурой равновесия фаз Т0. Таким образом, согласно С-Л, главная петля гистерезиса состоит из набора элементарных петель, некоторым образом распределенных по ширинам Л Т и положениям Т0 на температурной шкале. Функция, описывающая это распределение, известна как функция РСТо,й$раопределения коэрцитивных температур /функция Меркулова-Прейзаха/:

где Т0= 1/2 (Т+Тс,) ; д Т= 1/2 (ДЧ -Т) • Оказалось, что для N/0^ график функции Меркулова-Прейзаха представляет собой .для стме-тричкой петли гистерезиса поверхность с одним максимумом и "хвостом " в области малых д Т, а для асимметричной петли -. поверхность с двумя максимумами и рядом более мелких особенностей в области малых й. Т.

Физическая причнуа расщепления главного максимума функции Меркулова-Прейзаха для асимметричных петель заключена в мартен-ситном характере фазового перехода металл-полупроводник в диоксиде ванадия. А именно, согласно теории с Я] . мартенситным является по определению 'шкое фазовое превращение,при котором атомы решетки смешаются друг относительно друга без обмена местами на расстояния не более межатомных, как это и имеет месте в УС^. £3] • При этом в соответствии с С.ЯЗ для начала фазового перехода требуется энергетическое отклонение от энергии равновесия неискаженных фаз, пропорциональное ЗуЧ1?0, где Ь0 - заданный предельный размер мартенситной пластины, которым в случае пленки УОо естественным сбразом является поперечник зерна.

Результаты исследований, описанных во второй главе/продемонстрировали совпадение для плояок Х/Оо особенностей функции Меркулоза-Прейзаха с особенностями гистограмм распределен!«; зерен этих пленок по размерам. Это справедливо как для симметричных, так и для асимметричных петель температурного гистерезиса, вклга-

чая расцепление главного максимума, а такАе более мелкие детали, что подтверждает применимость к диоксвду ванадия мартенсигной идеологии. Выполненный на этих же принципах анализ работ других авторов /около десяти/ также подтвердил данный тезис и покааал, что во всех доступных исследованию случаях асимметричная петля гистерезиса соответствовала расщепленной гистограмме распределения зерен по поперечным размерам. Одновременно с этим, принимая вс внимание то обстоятельство, что ширина главной петли гистерезиса определяется максимальной шириной слагающих её элементарных петель, то есть, согласно соотношению д . минимальным размером

зерна, удалось показать, что во всех проанализированных случаях это соотношение выполняется с точностыэ нэ хуже 20 %.

Полный анализ всей совокупности экспериментальных данных позволил предложить схему классификации типов петель гистерезиса ИОВС и способ получения гистограммы размерного распределения зерен пленки V0.> по форме главной петли,то есть принцип, позволяющий по форме главной петли гистерезиса отражательной способности КШО судить о морфологии VOo, входящей в ее состав.

3 начале третьей главы диссертации описано влияние на Ф1МП в пленке '/0^ увеличения концентрации свободных носителей заряда за счет создания в образце дефектав донорного типа. В качестве : дефектообрааувдего воздействия использовалась бомбардировка образца электронами с энергией 3*10 кзВ. ■

. При этом было установлено, что функция Меркулова-Прейзаха испытывает ушрёние и расцепление главного максимума по сечения, ■ связанному с положением пдаментарных п-^ель на температурной скале практически без изменения сечения, связанного'с их ширинами, ото означает,что введением дефектов яснорного типа удается селективно управлять электронной подсистемой диоксида закакия, не за- • трэгивэя при этом решеточной подсистемы.

ib лее в данной главе описаны эксперименты по обратимой экст-ракцки-инжекцкк кислорода в пленку V'02 с помотаю супориешюго насоса ¿ гС>2_- { . При это! оказалось, что возникающие при экстракции кислорода доноры повышают проводимость пленки, уменьася ее, скачок при ШП в 5.4 раз. Однако величина'скачка и значения прово-. дкмссгл могут быть полностью восстаноадены обратной ишгек^ией

кислорода з пленку V&, при реверсирования напряжения питания суперионного насоса. Было установлено также, что петля температурного гистерезиса после процесса экстракции-инжекции кислорода уширилась с 4° до 11° при сохранении почти "вертикального хода" главных ветвей, что свидетельствует о получении функцией Мерку-лова-Пройзаха максимума в области широких элементарных петель. Таким образом, этими экспериментами показана возможность селективного воздействия на решеточною подсистему диоксида ванадия без существенного влияния на его электронную подсистему, поскольку значение проводимоеtv полупроводниковой фазы и величина скачка сопротивлениями ФПМП полностью восстановлены обратной ин-жекциэй кислорода. При этом принципиально важен тот результат, что никаким селективным воздействием на решеточную подсистему не удается подавить ФПМП и - 'еталлизовать образец, .¡^лективкое воздействие на эле: тронную подсистему лекго способно привести к полной металлизации образца, то есть принудительному фазовому переходу металл-полупроводник. Это обстоятельство является важным свидетельством в пользу электронной природа ФПМП в VOg и вторичности сопровождавших его моноклинных искажений решетки.

С целью проверки этого обстоятельства в диссертации были исследованы спектры >имбкнационного рассеяния света /КРО/ монокристаллов и пленок .диоксида ванадия, описанные далее в этой главе. В результате этих исследований удалось непосредственно наблюдать мягкую-моду в спектрах KFC монокристаллов VСЦ: линия 145 см"-1- смягчается до 128 см-1 в интервале 8+66°С, "причем ее положение и полуширина с те легшим образом зависят от температуры с показателями степени 0,025 и 0,24, соответственно. Одновременно с.этим показано, что смягчение фононного спектра в тонких /1000 й/ пленках диоксида ванадия в пределах погрешности эксперимента не зарегистрировано.

Далее в третьей главе вписаны результаты детального исследования спек1ров КРС металлической фазы VOg, где как для монокристаллов, так и для пленок,обнаружен широкий /300 см"V пик на 550 см"1, возникающий уже в толупроводниковой фазе за 20° до Тс. При этом характерный для полупроводниковой фазы узколинейчатый спектр КРС полностью исчезает, пик смягчается с повышением

температуры, приобретает особенность на алО см и оказывается расположенным на неселективном неполяризозаннем КРС-фоне, раг-простра-няющемся далее 3000 см .

На основания совокупности полученных результатов предложена модель структурных превращений в диоксиде ванадия в области ФШП, базирующаяся на следующих положениях.

1/. На ионах в полупроводниковой фазе Ч/02 реаотйуется локальный поевдо-эффект Яна-Теллера /ПЭЯТ/, а в металлической фазе - локальный эффект Яна-Теллера /ЭЯ'Г/, что определяется, соответственно, псевдовырождением и вырождением

- состояний иона

V4*, а также большим вибронным взаимодействием этих состояний с колебаниями решетки. В результате возникает система многоямных потенциалов к связанных с ними псевдоспинов.

2/. Взаимодействие возникших псевдоспиновых переменных с обнаруженной в диссертации мягкой юдой приводит не только к уменьшению ее предельной частоты (К=0), но и к существенному изменению закона дисперсии этой моди, в результате чего минимальная частота ее оказывается соответствующей несоизмеримому значению волнового вектора К=К1 (0< К^Кг,акс ) .

3/. Косвенное взаимодействие между псевдоспинами через такую мяпсую моду является осциллирующе-затухаюпшм с периодом осцилляции 2%/]\1 . Это приводит к появлению сверхструктуры с тем же периодом, причем вблизи ФИШ в обеих фазах \/02 она содержит периодически повторявшиеся домены трех типов: с ферроупорядочением, . хаотическим расположением и антиферроупорядочением псевдоспинов.

• 4/. Роль фазового перехода сводится к управлению ПШТ на ионе V через поле 'параметра порядка электронного Ф1М1.

Прямым следствием предложенной шдед» является характерная перестройка спектра КРС. V 0.^. вблизи ФШП, к которой приводит появление доменной сверхструкгуры: внутри доменов реализуются, новые частоты колебаний решетки, определяемые иными граничными условиями даш фононов в домене по сравнения со случаем однородного со-" стояния. Изменение псевдосп..нового параметра порядка вдоль домена, определяемое осцилтлрушмм характером косвенного взаимодействуя, приводит к непрерывному распределению частот Биутридэменкых фононов в интервале, ширина которого определяется глубиной :.аси~ нусокдаикоё ковуушаги косвенного взаимодействия 141 .

3 рамках .данной модели пик на 550 см связывается с ферроупо-рядоченкым доменом, тогда как особенность на 230 см-1 - с антифорро-упорядоченным доменом /интенсивность КРС на ферродоменах выше, чем на антиферродоменах благодаря более сильной их связи с решеткой/. Появление' неселективного КРС-Ъона является результатом рассеяния света н домена;, с хаотическ ч распределением псевдоспинов. Смягчение частот внутридоменньп: возбуждений с повышением температуры в глубь металлической фазы объясняется взаимодействием с соответствующей внугридомекной мягкой релаксационнной модой /ферродис-торсионной или антиферродисгорсионнойЛ Падение интенсивности КРС - пиков при приближении к Тс со стороны полупроводниковой фазы возникает благодаря перекачка плотности фононннх состояний в низкочастотные релаксационные псевдоспиновые возбуждения доменов /явление близко к эффекту центрального лика в зпектре флук-туаций мягкой моды, хотя и имеет иную природу критической температурной зависимости/.

; Данная модель объясняет практически все прочие свойства металлической фазы \/0,, включая нефермиевское поведение электронной жидкости с 53 , а ее справедливость служит еще одним доводом в пользу электронной природа? ФГМЛ в этом соединении .поскольку модель базируете? на идее управления ПЭЯТ действием ноля параметра порядка электронного'фазового перехода.

В заключении третьей .главы описаны эксперименты по влиянию электронной бомбардировки на проводимость пленок УС^, где обнаружена андерсоновская локализация носителей в одномерных, проводящих нитях и показано, что ока может быть подавлена магнитным полем, что порождает отрицательное магиитосопротивление, доходящее до ? %. Обнаружены также гистерезнсные' эффекты по магнитному полю при 1,6 К и процессы многочасовой релаксация проводимости в магнитном поле, что характерно для поведения магнитных характеристик спиновых стекол.

Суммируя результаты третьей главы диссертации,можно сказать, что в ней приведен ряд весомых аргументов в пользу электронной природы ФШП в V 02, свидетельст^/юших, что в первом приближении ФШЯ з .диоксиде ванадия происходит по механизму йотта-Хаб-барга, хотя детальная разработка модели ян-теллеровских упорядочений показывает, что в следующем приближении необходим учэт

обратного влияния псевпо-ян-теллеровских искажений на параметр порядка электронного фазового перехода в диоксиде ванадия

Четвертая глава диссертации яосвяиена результатам исследования физической природа процесса записи информации на интерференционной окисно-ванадиевой структуре /ИОВС/.

На основании выражений, описывавших знутреншсга структуру петли оптического гистерезиса ИОВС, полученных зо второй главе, дано полное математическое описание оптического отклика ИОЕС при записи информационного поля с произвольным температурным профилем. Экспериментально обнаружен и теоретически описан эффект накопления контраста изображения на ИОВС.и показано, что этот эффект обладает насыщением, обусловлен,г,ш ебоганием друг к другу линий -етк: частных петель гистерезиса.

Далее описаны результаты теоретического предсказания к экспериментального обнаружения эффекта термического проявления деталей изображения путем специального варьирования температуры : стабилизации ИОВС. Показано, что наблюдение этого необычного эффекта требует специфичных петель гистерезиса и продемонстрирована возможность расширения благодаря этому эффекту круга проблем, решаемых устройствами оптической обработки информации и, в частности, оптическими корреляторами. . • . !

Далее в четвертой главе описаны два разработанных и реа-лизованш1х варианта электронно-лучевого синтеза голограмм на интерференционной окисно-вакадиевой структуре. Приведено теоретическое решени" тепловых. задач последовательного и параллельного синтеза. Показано, что пр раздельный сж?соб синтеза малоаерспек-. .тивэн, тогда как последовательный спосеёвн обеспечить запись на Й0£С( гопо1 раммы с дифракционной эффективность» 4-7 %, площадью 1 ш2, разрешением 200*1000 штр/ш за время 10*250.ме.

В заключении четверто' главы дано списание теоретического и экспериментального исследования фазовых петель температурно!« гистерезиса при записи на ИОН; оптической информации йро!йвольного профиля. Показано, что, юскольку ИОВС производит в общем случай тгли'гу.цно~фиэовую модуляцию, то для наблюдения чисто фазовой ее компоненты не подходят непосредственно методы,' традиционно ис- • пользуемые для перевода сказовой мо.луляц-га в мэаулятрго штенаивности зонтаружиегх- излучения. Поэтому для наблюдения чисто Лазо-

вой компоненты модуляции предложены к реализованы три оригинальных метода: метод интерференционного клина, метод оптического дифференцирования колоц Ньютона я дифференциальный микро-интерферометричэский метод.. Анализ полученных при этом математических выражений позволил также предложить и реализовать схему простого .дифференциального споктроинтерферометра.

Пятая глава диссертации посвящена изучению закономерностей, управляющих процессом дифракций излучения при записи голографи-ческих рошеточ ка различных типах ИОВС, а также зависимости дифракционной эффективное - а /ДЭ/ этих решеток от таких параметров ИОВС. как толщина и оптические константы формирующих ее слоев. ■ ' Следует сказать, что к началу наших исследований ИОВС были достаточно подробно изучены как носители гологрэфической информации СЗЗ , причем была достигнута. ДЭ около П,Ь' %. Однако общее описание ИОД. как голографической среды отсутствовало, поскольку не существует законченной Теории ФПМЛ в диоксиде ванадия. Поэтому расчет голографических параметров КОШ в диссертации был выполнен на основе предложенных нами феноменологических принципов математического описания амплитудной и фазовой петель гистерезиса, изложенных в предыдущих главах. ,

В'начале пятой глаш дана основанная ца этом полная "схема расчета параметров ИОВС как среды для записи гологргфкческой информации. Ввиду того, что синтезированные наш КСВС имели суммарную толщину»в.несколько раз меньшую длины волны считывающего излучения, при расчетах к ним применялись метода скалярной теории дифракции. Здесь наличествует то? специфичный случай, при котором фазовая модуляция возникает, ке за счет набега фазы в толше носителя информации, а за счет изменения оптических констант материала на штрихах решетки, возникающего в процессе записи при фазовом переходе кьтадл-полупроводник„

В данной главе получены теоретические выражения для дифракционной эффективности решеток, записанных на четырех конструктивных вариантах ИОВС,и показано, что максимальная теоретическая ДЭ ИОВС при синтезе синусоидальной решетки составляет 14*15 Однако практическая реализация значения ДЭ выше 7-8 % затруднена при современном уровне развития технологии синтеза ИОВС ввиду чрезвычайно резкой зависимости ДЗ вблизи максимума от оптических пара-

- 16 -

метров составляющих ее слоев.

Далее в этой главе показано, что ДЭ записанной на ИОЮ штриховой голографической решетки определяется выражением:

V С^г-г^г' СоььЦ>ьН), СЗ)

где - ДЭ в П/-ом порядке дифракции, и коэффициенты

отражения на штрихах и промежутках между ними, ДЦ^ - разность фаз считывающего излучения при отражении от штриха и промежутка,

- коэффициент заполнения штриха, то есть отношение ширины участка штриха, совершившего фазовый переход, к периоду решетки.

На основании этого выражения в .диссертации предложен и реализован ряд"метрологических приемов. Так, разработаны метода экспресс-измерения оптических констант ИОВС путем синтеза ее в вице штриховой дифракционной решетки. Это может быть осуществлено либо методом напыления слоев ИСШС через соответствующую маску, что создает оригинальный оптический элемент, .дифракционные свойства которого управляются фазовым переходом металл-полупроводник, либо созданием на обычной ИОВС необратимой дифракционной решетки методом оптического пробоя. В последнем случае формула (3) позволяет, во-первых, оценить оптические константы поврежденных излучением штрихов решотки /метод дает совпадение с эллипсометрическими данными в пределах 30 %/, а, во-вторых, дает возможность определить порог оптических повреждений ИОВС.

Дело в том, что выражение ( 3 ) позволяет с высокой точностью /до 1 %/ определить эффективный коэффициент заполнения штриха {Ъ , который затруднительно измег^ть прямым микроскопирова-нием, посольку некогеректное излучение в совокупности с субъективностью наблюдателя приводит к значениям, сильно отличающимся от тех, что фигурирую? в процессе дифракции на голографической решетке когерентного излучения. Высокая точность определения уъ достигается исследованием ДЭ в различных порядках дифракции /реально 5+7-ми.' благодаря наличию осциллирующего множителя (1 -- Если необратимая решетка синтезируется гауссовым

лучом, то полученное данным методом значение р> в совокупности с информацией об интегральной интенсивности луча позволяет легко определить порог оптических повреждений КОШ. Типичное значение

этого порога для стандартной ИОЕС оказалось равным (76+4) мДж/civr.

В заключение данной главы обсуждаются причины низкой лучевой прочности ИОВС, среди которых главнымч являются, во-первых, наличие в составе ИОВЗ алюминиевого зеркала - слабого в лучевом отношении элемента, а,во-вторых, присутствие среди зерен пленки V02 неизбежно некоторого количества зерен пятиокиси ванадия, создающее внутри ИОВС цепь положительной оптической обратной связи за счет сильного фэтохрочнэго Эффекта в VgO^, что лавинообразно повышает коэффитдоерт поглощения на рабочей длине волны и становится причиной оптического пробоя.

Шестая глава диссертации посвящена описанию серии сконструированных и реализованных приборов нового поколения на основе управляемых фазовым переходом скисно-ванадиевых интерферометров.

Первым среди них стоит быстродействующий элемент голографи-ческой памяти, термически контролируемый скоростным элементом Пельтье. Актуальность разработки такого элемента диктуется проблемой скоростной перезаписи голограммы в устройствах распознавания изображений типа "глаз робота".. Частота смены голографическо-го кадра в созданном нами элементе составляла 24 при условии полного стирания записанной информации /качество стирания 0,993/, что существенно превышает приведенное в литературе значение 5-6 Га /3/.

Далее в данной главе описан созданный нами энергопрофилометр импульсного теплового потока. Его работа основана на фотометрии отражательной способности КОШ вдоль рабочей поверхности после записи исследуемого импульса. Это гозволяет восстановить его энергетический профиль, причем прибор обладает рядом преимуществ по сравнению с имеющимися аналогами, среди которых: а/ - высокое быстродействие /до Ю"11 с' и б/ - возможность сколь угодно длительного керазрушаютеге» считывания информации, что обеспечивает прецизионную профилометрию при цифровом накопяертк сигнала.

Следующим описанным в данной главе устройством является, коммутируемое электронным лучом зеркало С02 - лазера, позволяющее создавать аппаратуру оптической локации. Лри решении данной задачи были успешно преодолены трудности, связанные со взаимным согласованием оптических,вто^.лно-эмиссиошшх- и радиационно-прочностных

свойств управляемого окизно-ванадкевого зеркала лазера.

Сопданное зеркало представляло собой эффективно пропускающий интерференционный фильтр, который, совершая ФШД под воздействием электоокного луча, переключался б интерференционное зеркале с высоким коэффициентом отражения. Плоиаць зеркала составляла. 10 см2; а скорость позиционирования. элемента с.

Заключает санную главу списание созданного на основе ШШ пассивного модулятора добротности ИК-лазера на диапазон длин волн 0,6 1,06 мкм. Нелинейные свойства ИОВС позволяют использовать ее в качестве затвора для генерации гигантских импульсов излучения неодимового и рубинового лазеров,глухое зеркало которых заменяется на ИОВС, причем температура стабилизации выбирается вблизи конца нисходящей ветви главной петли гистерезиса. При подаче импульса накачки энергия излучения в резонаторе, возрастая, нагревает Иий} к повышает ее коэффициент отражения, так что при превышении .юрога генерации возникает гигантский импульс излучения, длительность которого зависит от формы петли, температуры : стабилизации к мощности лазера.

Седьмая глава диссертации.посвящена результатам исследова- " ний еще одного класса оксидов переходных металлов - высокотемпературных сверхпроводников УВаСиО. '•■:.-

В этих соединениях имеет -место близкая диоксиду ванадия специфика энергетического сдектра 3<1 - электронов,, которая заключается в узости соотьетс.гвукжда энергетических зон, а. также сходаом комплексе физических свойств, таких, как появление широкого КРС - фона 16 3 , аномальный >од проводимости в металлическом состоянии С 7 3 , применимость концепции нефермиевет'с-го поведег 'я электронной .жидкости С 8 3 - , мартекситоподоб-ные структурные превращения £9.1 'и образование доменов .о ферроэлектрачесюш к антиф лроэлектричес.ким упорядочением кислородных вакансий С-(С .) .

Ввиду обилия работ, посвяшокных ВТСП - соединения;,1, в диссертации били использованы сравнительно • рецко применяемые като-долюминзецентше к интерференциошго-голографические методы исследо вания этих материалов.

Б начале сеяной главы списаны свойства обнаруженной в об-

ластя 6400 й. в виде широкого пика /800 Й/ катодолюминесценции^кл), инициированной сверхпроводящим разовым переходом /Тс-^93 К/ в многофазной керамике УВаСиО. Установлено, что данная люминесценция соответствует излучению монокристаллов свободной с—иси зттрия, легированной гадолинием, присутствие которой на поверхности керамика подтверждено рентгеноструктурнкми исследованиями. Предложена модели механизма' управления интенсивностью ка-тодолюминесценции /КЛ/ сверхпроводящим переходом, согласно которой возгорание красной /6400 %/ 1Л инициируется через контакт кристаллита б-с1 о 1-2-3 - матрицей по элекгрслюмикесцентно-

му механизму за счв'. скачкообразного подъема стока заряда через такой контакт, вызванного резким смеаэкиек уровня Ферадк в матрице при ВТСП - переходе. Теоретическая разработка указанного явления выполнена Д.Хомсклм л Ф.Кушмарцевым [ •И] .

Лдлее описаны результаты опытов до обнаружении катодоломи-несценшга многофазных керамик .ХВаСиО, возгоравшейся в области температур 120-240 К. Показано, что эта область совпадает с зоной температурных аномалий теплоемкости, ЭПР - сигнала . проводимости тех же образцов, а также, "что данная КЯ, имевшая пики вблизи 4900 Й и 5800 ^соответствует излучению выходящих на поверхность керамики кристаллитов свободной окиси иттрия, легированно й-'диспрозием. .'

В данной главе диссертации изучена также катодолюмкнесцен-ция зон лазерного ояога поверхности многофазных керамик УВаСиО, имевшая - широкий /350 Я/ кик в о&яасти..4400 & и плечо на -3800 На основании сопоставления." этих данных с данными но масс-спект-рометрш десорбционной компоненты при лазерной десорбции вещества с поверхности керамики с высказано предположение об ответственности за данное излучение образований типа Р или -центров, возникающих благах;.ря вакансиям кислорода в цепочечной плоскости, созданным лазерным ожогом.

Заключает данную главу комплекс интер^ерекциенко-голографи-ческих экспериментов, ср*лги которых 'обнаружение и исследование осцилляции интенсивности когерентного света, деффузно рассеянного многофазной УВаСиО - керамикой. Данные осцилляции, глубина модуляции которых достигает 50 а число - доходит до 8, возь..-

кают в области температур 160+240 К, причем это происходит только при нагреве образца, тогда как при охлаждении никаких ос-цилляций интенсивности рассеянного поверхностью керамики излучения не обнаруживается, то есть налицо выраженные гистерезисные явления. При этом число ^сцилляций зависит от температурной предыстории образца, то есть от температуры, до которой он был предварительно охлажден. Анализ совокупности экспериментальных данных позволяет сделать вывод, что осцилляции интенсивности рассеянного поверхностью многофазной ВТСП-керамикч излучения обусловлены изменением оптической длины световых лучей при их интерференции в прозрачных включэниях, подвергающихся деформации со стороны 1-2-3 - матрицы, объем которой изменяется при структурных превращениях в области 180+240 К, связанных с упорядочением кислородных вакансий в образце.

В конце данной главы описаны исследования статистики спеклов спекл-поля, возникающего при рассеянии когерентного излучения поверхностью сколи ВТСП - керамики, и показано, что, как на многофазных так и, что характерно, на ОДНОФАЗНЫХ образцах,полуширина гистограммы распределения числа спеклов по уровням интенсивности претерпевает резкие скачки вблизи температуры сверхпроводящего перехода, а также в области 180+240'К.

Суммируя результаты данной главы,можно констатировать,что обнаружена с рия надежных оптических методов контроля как для температуры сверхпроводящего фазового перехода в кеоамике УВаСкО.так и моментов высокотемпературных фазовых превращеилй в атом материале.

Восьмая глава диссертации посвящена исследованию процессов формировачия-разрушения фото- и катодоэлектретного состояний еше в одном оксиде переходного металла, а именно; титаносиллените /и родственном ему сзликосиллените/, легированном различными примесями.

Интерес к данным соединениям обусловлен тем, что эти оксиды, как и оксиды, описанные ранее, способны резко менять свои опти-шские характеристики под действием лазерного и электронного лу-' чей. Кроме того, внешним дефектообразуюшиивоздействием в приповерхностном слое титано- и силикосилленитов можно создавать заданную концентрацию дефектов, образующих в запрещенной зоне близ-

кую по энергии группу уровней. В процессе исследований было также установлено; что такие уровни можно создавать еще двумя способами: диффузией в кристалл титано- или силикосиллеиита на глубину 20+30 мкм переходных металлов: ванадия, железа, кобальта, никеля и других, а таэде выращиванием эпитаксиального легированного слоя силленита на подложке из того же материала, но специально не легированного.

В начале данной главы описаны результаты по изучению стационарных и переходных процессов формирования-разрушения катодо-электретного состояния /КЗС/ в кристаллах ВТО и ESO, приповерхностно /на 20+30 мкм,' легированных таким переходным металлом, как никель. Катодоэлектреткое состояние создавалось облучением легированной поверхности образца электронным лучом с энергией б+чикэВ, а динамика образования-разрушения КЭС исследовалась благодаря продольному электрооптическому эффекту. При этом бкл предложен и реализован вторично-эмиссионный .детод измерения потенциала облучаемой поверхности .диэлектрической мишени - важной характеристики процесса фррмирования-разрушения КЭС. IIa основании полученных в данных исследованиях результатов преложены макромодели этих процессов и проведено полное математическое описание как стационарных, так и переходных случаев на основании анализа соответствующих эквивалентных схем силленито-содёржцаих структур.

'Далее в данной главе описаны результаты температурных й спектральных исследований катодоэлектретного состояния в ВТО: Hl и В$0:Ци и предложены микромодели протекающих при этом процессов на основании трехуровневой схемы расположения электронных состояний в запрещенной зоне сияленитов. Схет подтверждена специально выполненными исследования!,и приповерхностной термосчшулированной • проводимости данных соединений.

На основании палгдайшвд исследований показано, что в специально не легированных монокристаллах ВТО и В SO процессы образования-разрушения К5С аналогичны таковым в ВГ0:М1 и В S0:Hl , а их характер определяется вытеснением поля в приповерхностный на-рукенный слой, возникающий в процессе травмирующей механической обработки кристалла. Определены параметры нарушенного слоя методом послойного травления , а также анализа индикатрисы релеевски

рассеянного этим слоем света. Установлена четкая корреляция между времена«® разрушения КЭС, полушириной индикатрисы рассеяния к толщиной нарушенного слоя.

Далее в данной главе исследованы процесса формирования -разрушения сЕотоэлектреть^го состояния /ФЭС/ в ВГО:№ и 3 и построены макро- и микромодели протекающих при этом процессов. На сснован>ш анализа полученной информации предложен метод аналитического расчета кинетики тока в структурах М-ВТ0:|\!1 -В10-М и М-В50:Н1-ВЪ0-М, основанный на решении системы уравнений Кирхгофа для специально выбранной эквивалентной схемы сил-ленитосодерлшщей структуры, дающий в токовой части полное совпадение с известными £ результатами численного решения системы уравнений Максвелла для нелегированных силленктов при наличии в структуре блокирующего электрода. Указанным методом рассчитана кинетика тока ФЭС сшлтштов в случае поверхностного легирования и установлено хорошее согласие результатов расчёта с экспершентом. Показало, что данный метод позволяет выполнить расчет при наличия сквозного тока в. отличие от 1летода численного решения систеш уравнений Максвелла, поскольку метод допускает возможность введения в схему расчета аналитических выражений для эмпирически установленных закономерностей цриконтактных явлений.

Зг лючает главу полная схематическая диаграмма эволюции энергетических зон, пбтенциала, электрического.шля и плотности объемного заряда при формировании ФЭС и КЭС в структурах Ы-ВТ0:(Л -ВТО-М и М-В $ 0: -В 50-М. В конце главы, приведены конструкции и полученные технические параметры созданных на основе скяленитосодержапшх структур фото-катодо-электрвтных,систем селекции движущихся изображений и катодоэлектретных световых клапанов для проекции изображений на внешний.экран.

Если в предвдуцей главе диссертации описывались эксперименты пс экранированию электрического поля с вытеснением его в приповерхностную зону кристалла с пошшекной проводимостью,то в начале девятой главы приводятся данные по исследованию объемной голографической записи в легированных сидлекитах.Эти результаты позволили проверить правомочность предложенных ранее'

..............-23-

моделей путем создания неоднородной фотогенерации носителей,формирующей зоны пониженной проводимости внутри кристалла.Цри этом неосвещенные места играют роль областей, куда вытесняется электрическое поле з процессе экранировки. Одновременно предоставляется возможность контроля процесса эволюции поля наблюдением за кинетикой дифракционной эффективности /ДЭ/ записанной голографической рекитки.

Исследования стационарной ДЭ проводились на монокристаллах ЗТО, ЗЬО, Ъ&.0, легированных ,Са,А1 и Мл,, причем как ео внешнем электрическом поле, так и без него. Определены голографические характеристики исследованных материалов, такие, как ДЭ, плотность энергии записи и'время хранения информахши. Анализ результатов основывался на теоретическом списзяии, приведенном в классических монографиях М.П.Петрова, С.И.Степанова, А.Б.Хоменко с 441, посвященных данному вопросу.

Далее в девятой главе описаны опыты по изучению кинетики азолюции ДЭ в кристаллах легированна* сзшшнчтов, определяемой кинетикой формирования внутренних электрических полей, которые, в свою очередь, обусловлены, с одной стороны, - скоростью установления стационарного значения концентрации носителей, а с другой,-кинетикой диффузионных процессов. Обеспечив линейность фотогенерации и рекомбинации, используя низкие пространственные частоты и проверив на опыте нззависнмость КИНЕТИКИ дифракционной эффективности от вкеонего электрического поля до значений 2 кВ/см, го есть создав условия, при которых характерные времена измэнэния ДЭ.отражают.время.изменения концентрации носителей заряда, мы провели серию зкспериментои по изучению зависимости кшетзаш ДЭ" от предварительной засветки образца красным. /6328 Я', зоидарув-'Щи*. синим' /4414 ^'.записывающим- светом или лх комбинацией. Также была исследована, зл-шсш сть кннетики 'ДЭ от наличия, отсутствия, резкого включения или вшьиачбюгя этих подсветок в процесс;? считывания голограммы^ Изучалась также зависимость кинетики ДЭ от типа легируюпй. лришеи з указанных выше условиях.

На основании совокупности полученных данных предложены макро- и мякромодели протекавших процессов, основанные на обсуждавшейся в предыдущей главе трехуровневой ехзме электронных со-

стояний в запрещенной зоне.Адекватносгь данной схемы протекающим. процессам доказана успешностью полного качественного объяснения на ее основе всех заблвдавшихся явлений.

После этого в данной главе приведено описание исследований процесса электронно-лучеього синтеза голограмм в кристаллах легированных склленитов. Этими исследованиями установлено, что ДЭ голограмм при электронно-лучевом варианте синтеза не превышает 0,1 % для всех типов легирующих примесей. Обнаружено явление всплеска дифракционной эффективности в высших порядках дифракции в момент отсечки записывающего электронного луча. Показано, что эти результаты находят непротиворечивое объяснение в рамках моделей формирования-разрушения катодоэлектретного состояния В'силле-нитах, описанных в предыдущей глазе.

Поскольку установлена возможность синтеза плоских голографи-ческих дифракционных решеток в легированных силленитах с помощью формирования катодоэлектретного состояния, представляло интерес проверить наливаю такой возможности с помощью процесса формирования фотоэлектретого состояния в приповерхностно легированных силяе-нитах. Ддя этого был использован способ, основанный на формировании ФЭС с помощью решетчатого /ВШЦ/ электрода, нанесенного на кристалл силленита с приповерхностным легированием. Данный способ несколько отличен от способа записи голограммы в устройствах ПРСМ илг ПРИЗ, чрезвычайно хорошо зарекомендовавших себя.в качестве модуляторов света, и использующих процесс разрушения фотоактивным излучением предварительно'созданного $33.

Оказалось, что ДЭ в структуре ВШП-Ш'0:^С-БТО-М в 2-3 раза выше ДЭ а случае формирования -КЗС и составляет 0,2+0,3 % для пространственных частот 10*20 штр/мм. Исследование кинетики ДЭ для данного случзд показало, что все результаты могут быть объяснены на основании описанных выше моделей формирования Фэс в приповерхностно легированных силленитах. '

Заключает .данную главу описание конллекса экспериментов по исследованию'оптического повреждения в кристаллах легированных силленитов. Опыты в этом направлении показали, что оптическое повреждение в этих соединениях при достинимых в лабораторных условиях плотностях мощности излучения является, поверхностным

эффектом.

Для выявления механизма оптического повреждения были использованы такие методы исследования, как рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия, релееЕское рассеяние света, фото- и термэ-стимулированнзя проводимость, дифференциальный термический анализ, исследование нелинейного оптического поглощения в мощном световом поле. 3 процессе экспериментов установлено наличие на поверхности кристаллов силленитов металлического висмута, а также обнаружено образование фаз кристаллизации в силленитах в области температур 575*715°С. Остановлена также корреляция между поверхностной фотопроводимостью, термостимулированными токами, типом легирования, глубиной травления и лучевой прочностью силленитов. Показано, что пик лучевой прочности приходится на кристаллы, легированные ванадием, а также, что этот пик соответствует глубине травления 20+25 мкм, совпадая с выходом на поверхность дислокационной компоненты кар; генного слоя .

Кроме этого, обнаружена зависимость коэффициента оптического поглощения с длиной волны 1,06 мкм от плотности мощности зондирующего излучения. Показано, чтв это явление создает цепь . положительной оптической обратной связи, снижающей лучевую лроч-.ность кристалла силленита. \

В заключении девятой главы показано, что процесс оптического повреждения в силленитах является многостадийным, а его механизм изначально сводится к разогреву поверхностных кластеров металлического висмута, а при их удалении - линзоподобной структурой рельефа поверхности кристалла. Рассмотрены математические модели различных механизмов оптического повреждения, причем показано, что наиболее вероятным среди них является вынужденное рассеяние Мандельштэмма-Бршшззка с генерацией гиперзвука разрушающего уровня.

Основные положения, выкосюке на защиту. - Показано, что математическое описание всех типов глазных и частных летзль температурнох'о гистерезиса отражательной способности интерференционных окиско-вавадаевых структур /ИОВС/ выполняется классом функций:

/Ts-температура старта частной петли, Т-такущая температура/. На этом основании построено аналитическое выражение для функции рас-• пределения коэрцитивных тешератур /ФРКТ/, характеризующей распределение элементарных петель, слагающих главную петлю, по.ширинам и их расположениям на температурной шкале. На основании эл-лкпсометрических измерений построены гистерезискые петли оптических констант ИОВС и предложены•макромодели структур различных типов.

- Установлено, что ФРКТ даш'симметричных /стехиоме тричный синтез/ петель гистерезиса ИОВС имеет один главный максимум, для асимметричных /нестехиометрнчный синтез/ - два главных максимума и„хвост"в сторону узких элемантарных петель и показано, что эти закономерности определяются мпртенситнда характером фазового перехода металл-Еллупровсднкк в диоксиде ванадия, когда ширина петли пропорциональна 1/\Гь1 , где 1_0 максимально возможный линейный размер мартенситной пластины, которым для пленочной ИОВС является поперечник зерна.

. - Введение дефектов донорного типа, то есть возмущение электронной подсистемы, расщепляет ортогональное случаю нестехиометрии сечение "РКТ, приводя в конечном счете к полкой металлизации ИОВС, чего нельзя добиться никаким селективным возмущением решеточной подсистемы, что установлено в эксперимнктах по обратимой экстрак-ции-инлсекции кислорода в пленку диоксида ванадия с помощью суперионного кислородного насоса. Этот факт в совокупностью с результатами по исследованию спектров комбинационное рассеяния света /КРС/ указывает на электронный /мотт-хаббардовекий/ механизм ФШП в диоксиде ванадия и вторичный характер сопровождавших аереход моноклинных искажений решетки.

- Обнаружено смягчение в спектре КРС монокристаллов VOg ча->тоты фононной моды 145 см"1 /до 123 см"1 при Тс=340 К/ и установлено, что показатели степени температурной зависимости положения и полуширины данной мягкой моды относятся к классу малых критических индексов и равны 0,025 и 0,24. Для положения и полуширины

- 27 - '

соответственно. Показано, что смягчение спектра КРС тонких /1000 Я/ пленок У02 отсутствует и предложена модель структурных превращений в диоксиде ванадия в области ФШП, базирующаяся на роли псездо-ян-телдеровского центра Л/4+ в решетке, который идцуци-рует в полупроводниковой фазе У/02 локальный псевдоэффект Яна-Теллера, а а металлической фазе - локальный эффект Яка-Теллера благодаря псевдо-вырождению и выуожденш 3 - состояний. Ксеренное взаимодействие между возникающими дри этом псевдоспинами через обнаруженную мягкую моду приводит к возникновению в диоксиде ванадия сверхетруктурк с несоразмерным периодом, состоящей из доменов с фб^]?оупорядочением, актиферроупорядочением и хаотически разушрядоченннм состоянием псевдоспинов. Роль электронного ФПМП сводится к управлению ПЭйТ на \/4+ через поле параметра порядка этого перехода.

-Возникновение в спектрах КРС монокристаллов и пленок Ч/0?

г - 1

широкого максимума на 500 см , который появляется в полупроводниковой фазе за 20° до ^. полностью заменяет собой узколинейча-рШ спектр полупроводниковой фазы, приобретает особенность на 230 см"1 и оказывается расположенным на неселективном КРС -фоке, ¡тянущемся до частот свыше 3000 см"-1-, объясняется в рамках предложенной модели рассеянием света на доменвх возникающей сверх-ртруктуры: максимум связывается с фзрроупорядочекным доменом, особенность - с антиферроупоркдоченным, неселективлый фон - с доменом с. хаотическим состоянием нсевдосгошов. Справедливость модели, объясняющей также практически все прочие свойства металлической фазы диоксида ванадия, служит дополнительным доводом в пользу электронной природы ФШП в'этом соединении, поскольку модель базируется на вдее управления ЛЗЯТ действием поля параметра порядка электронного фазового перехода. ■■■■•■•

—Слабая локализация эл" {тронов в метпллизовакннх электронной бомбардировкой пленках У00соотзстствует авдерсоновской локализации. в одномерных проводящих нитях и может быть подавлена магнитным полем, порождающим отрицательное магнитосопротивление, доходящее до 7

. - Инициированная сверхпроводящим фазовым переходом катодо-люминесценция в УВаСиО - керамиках соответствует излучению вне-

- 28 -

дренных в ВТСП-матрицу монокристаллитов свободной окиси иттрия, легированной гадолинием (6400 А), причем ее возгорание при Т =93 К инициируется через контакт кристаллита Y2Qj с 1-2-3 - матрицей по электролкминесцентному механизму за счет стока заряда через контакт, которое вызывается разностью потенциалов, возникающей при смещении уровня Ферми в YBaCuO в момент сверхпроводящего перехода.

-Процессы формирования фото- и катодоэлектретного со- • стояний (ФЭС и КЭС) в титана- и силикосилленитах определяются вытеснением электрического поля в приповерхностный слой кристалла с подавленной фоточувствительностыо, микромодель явлений основывается на трехуровневой схеме электронных состояний в запрещенной зоне, а аналитическое описание процессов формирования-разрушения ФЭС и КЭС осуществляется решением системы уравнений Кирхгофа для специально выбранной эквивалентной схемы силленитосодержащей структуры вместо численного решения системы уравнений Максвелла, что поэво-ляет, в отличие от последнего, во-первых, получить аналитическое- решение, а, во-вторых, произвести 'расчет при наличии сквозных токов и таким образом полностью описать эксперимент. \

-Мэханизм оптического повреждения силенитов является многостадийным и сводится к разогреву полем световой велны поверхностных кластеров металлического висмута (или загряз- ■ нений) с последующим термоударом, а при его удалении - определяется линзоподобной структурой рельефа поверхности кристалла. Построенные математические модели оптического повреждения силленитов показывают, что наиболее вероятным его механизмом является вынужденное рассеяние Манделышгам-ма-Бриллгоэна с генерацией гиперзвука разрушающего уровня полем световой волны, сфокусированной линзоподобным рельефом.

Основные результаты диссертационной работы отражены в следующих публикациях: 1. Ильинский A.B., Шадрин Е.Б. Роль поверхности при записи информации электронным лучом на электрооптических полу-

- 29 -

проводниковых "кристалах//Письма в ЖТФ. -1980,-т.6,-в.1,-с.34-37.

2. Ильинский A.B., Шадрин Е.Б. Формирование изображения на структуре диэлектрик - полупроводник при ее облучении электронным лучом//Ллсьма в ЖТФ.-1980,-т.-6,-в.9,-е.520-523.

3. Астратов В.Н., Ильинский A.B., Каппянский A.A., Резни--ков С.Н., Рысаков О.М., Шадрин Е.В. Преобразование сигнала в оптическое изображение с помо;,;'ою электрооптических кристаллов Bi^SiOro и Bi12GeO20//Tp. II Всесоюзного семинара по проблемам управле) 1Я и модуляции излучения, Москва, 1981,-с.164-166. '

4. Кацавец Н.И., Леонов Е.И., Орлов В.М., Шадрин Е.В. Особенности голографической записи в легировэнных кристаллах силленитов//Сб. Тр. IV Всес.' конф. по голографии, Ереван, 1982,-т.1,-с.88-91.

5. Кацавец Н.И., Леонов Е.И.. Орлов В.М.. Шадрин Е.Б. Го-лографическая запись в легированных кристаллах сипит та и германата висмута//Письма в ЖТФ»-1983,-т.9,-в.7,-с.424-428.

6. Кацавец Н.И., Леонов Е.И., Шадрин Е.В., Щербаков А. Г. Особенности кинетики нарастания. фототока в структуре металл -геманат висмута - металл//ЖТФ.-1984,-т.54,-в.3,-с.589-594.

7. Кацавец Н.И.. Леонов Е.И., Шадрин Е.В., Щербаков А.Г. Особенности процесса фотодеполяриэации в структуре металл -германат висмута - ыеталл//ЖТФ.-1984,-т.54,-в.12,-с.2330-2335. • • .

8. ЛеоновЕ.И.. Хабаров С.Э.. Мясников Д.А., Шишкин B.W., Шадрин Е.В.., Никитина И.П. Исследование стационарных и переходных процессов в слоистых структурах на основе легированных силленитов// Тр. Всес. конф. по вычислительной опто-электронике: проблемы оптической памяти. Ереван.-1987,-т.1, -с.21-23.

9. ' Андреев В.Н., Захарченя В.П., Никитин С.Е., Чудновский Ф.А., Шадрин Е.Б., Шер Э.М. Катодолгаминесценцич в высокотемпературном сверхпроводнике УВаСиО//Письма в ЖЭТФ.-1987, -т.46,-в.9,-с.391-393.

- 30 -

10. Орлов В.М., Мясников Д.А., Хабаров С.Э., Шадрин Е.Б. Исследование характеристик процесса взаимодействия электронного луча с мишенью на основе BS0:Ni в сето клапанной ЭЛТ //ЖТФ.-1990, -т.60,-в.-с.98-105.

11. №ясулин Е.И., Чудновский Ф.А., Шадрин Е.Б., Мясников Д.А. Влияние электронной бомбардировки на проводимость пленок VOz// ЖТФ.-1988,-т.5,-в.12,-с.2411-2413.

,12. Вочоришвипли Н.Ф., Введенский В.Д.,, Гербштейн Ю.М., Данилов О.В.,__ Климов В.А., Сенцов Н.Ю., Чудновский Ф.А., Шадрин Е.Б. Использование фазового перехода полупроводник-металл в двуокиси занадия для внутрире зонатор ного управления иялучением COi -лазера//ЖТФ.-1989,-т.59,-в.9,~с.83-88.

13. Берштейн В.А., 1\рьянов A.A., Егоров В.М., Мастеров В.Ф., Мясников Д.А., Хахаев И.А., Чудновский Ф.А., Шадрин Е.Б. Особенности_ поведения YBaCuO - керамик в интервале температур 80-300 К// ФТТ.-1989,-т.31,-в.8,-j.221-228.

14. Гальперин В.Л, Хахаев И.А, Чудновский Ф.А, Шадрин Е.Б. Управление фазовым переходом меташт-полупроводник с по- ;

мощыо быстродействукдцего термоохладителя//ЖГФ.-1991 ,-т.62,-в.9,-0.228-228.

15. Гальперин В.Л., Хахаев И.А., Чудновский Ф.А, Шадрин Е.В. Управление фазовым переходом металл-полупроводник с помощью быстродействующего термоохладителч.11//Письма в ЖТФ.-1992,-т.18,-в.9,-с.74-78.

16. Соколова И.В, Хахаев И.А., Чудновский Ф.А., Шадрин Е.В. Критерии оптимизации голографической эффективности регистрирующей среды на основе пленок диоксида ванадия// Научное приборостроение.-1991,-в.3,-с.73-79.

17. Хахаев К.А., Чудновский Ф.А., Шадрин Е.Б. Мартенсит-ные эффекты при фазовом переходе метагщ-полулроводник в пленке диоксида ванадая//ФТТ.-1994,-т.36,-в.6,-с.1643-1649.

18. Андроненко P.P., Гокчарук И.Н, Даввдов В.Ю., Чудновский Ф. А., Шадрин Е.Б. Прямое наблюдение мягкой моды а спектрах КРС диоксида ванадия//ФТТ.-1994,-т.36,-в.7,-

с.2282-2289.

19. Никитин. С.Е., Хахаев И.А., Чудновский Ф.А., Шадрин Е.Б. Обратимые изменения элйктрм^скыг гоойств

- 31 -

пленки V02 с использованием подложки из суперионного проводника// .-1993,-т.35,-в.10,-с.2815-2820.

20. Соколова И.В., Хахаев И.А., Чудновский Ф.А., Шадрин Е.В. Анализ возможности электронно-лучевого синтеза голограмм на реверсивных окиснованадиевьк структурах//Научное приборостроени0.-1992,-т.2,-в.2,-с.9-14.

21. Чудновский Ф.А., Даввдов В.Ю., ГЬнчарук И.Н., Шадрин Е.Б., Вихнин B.C., Андроненко P.P. Мягкая мода в изолирующей фазе V02// Тр. 12 Мэвдународкого симпозиума по эффекту Яна-Теллера, Тарту.-1994,-т1,-с.20-21.

22. Чудновский Ф..-? ., Давыдов В.Ю., Гончарук, И.Н., Хахаев И.А., Вихнин B.C., Шадрин Е.5. Комбинационное рассеяние света в металлической фазе диоксида ванадия//Тр. 12 Меязду народного симпозиума по эффекту Яна-Теллера. Тарту.-1994

с .19.

23. Вихнин B.C., Гончарук F.H., Давыдов В.Ю., Чудновский Ф.А., Шадрин Е.В. Спектры комбинационного рассеяния света высокотемпературной фазы диоксида ванадия и модель с эук-турных превращений Еблизи фазового перехода металл-полупроводник// ФТТ.-1995,-т.37,-N12,-с.3607-3623.

ЛИТЕРАТУРА 1* Ланская Т.Г., Мэркулов И.А., Чудновский Ф.А. ГЪтсте-резисные эффекты при фазовом переходе металл-полупроводник в диоксиде ванади.'1//ФТТ.-1978,-т.20,-с,1201-1208. .

2* Гойтбурд А.Л., Основы теории мартенси" шк фазовых переходов //УФН. -1974 , -т. 113, --с. 69-102. 3* Бугаев A.A., Захарченя В.П., Чудновский Ф.А. базовый переход металч-гюлупровод'мс и его применение.-Л. Наука, 1979.-183 с. 4* Вихнин B.C., Берковская Ю.В. Косвенное исн-ионнсе взаимодействие благодаря мягким фононньы модам//ФТТ.--1978.-т.20.-с.3603-3607. 5* Андреев З.Н., Климов В.А., Чудновский Ф.А. Температурная Уанисимость удельного сопротивления метглличес-

- 32 -

кой фазы VC2//IV Всероссийская н.-т. кокф. "Физика окис-ных гшенок". Тез. Докл.- Петрозаводск, 1994.-с.7.

6* Slakey F., Klein M.V. et. Al. Behaviour of the Raman continum and Raman "gap" in Tc=60 К YBazCu307- //Phys. Rev.B-1990.-V. 42.-1.. 4.-p. 2643-2646.

7* Varma C.M., LittlewoodP.B. et. Al, Phenomenology of the normal state of CuO high temperature superconductors//

., Phys.Rev.Lett.-1989.-v.63.-n.18.-p.1996-1999.

8+ Rackenstein A.E., Vanna C.M. A Theory of Marginal Fermi -liquids// Material and №chanism of Superconductivity HTC Superconductors III: Pr.Int.Conf., Jap. 22-26 July. ' -1991.-P.1.-p.134-140.

9* Bhattacbarya S., Higgins M.J., Johnston D.С. et.al. Elastic Anomalies and phase transition in high Tc su-perconductors//Phys .Rev. Lett. -199e. -v. 60. -p. 1181-1184.

10* Canelli G.,Canali M., Cantelli R., Cordei ) F., Ferraro S., Ferre .ti M. Low ten,jjerature phase transitions in УШгСизОб+х by unelastic relaxation measurement and possible formation of ferroelectric and antiferroelectric domains//Phys.Rev.В.-1992.-v.45.-n.2.-p.931-937.

11* Khomskii D, Kusmartsev F. Temperature .induced redistribution of holes and properties of high Tc-supercon-du^tors/ZPreprint.-p.1-12.

12* Герасимова Н.Б., Комолов C.A., Лазнева З.Ф., Федоров И. И. „Изменение спектра электронных состояний YBaCuO -образцов при лазерко-стимух^-рованной десорбции кисло-рода//Сверхпроводимость :_ физика, химия, техника.-. 1992.-т.5.-N7.- с.1253-1256.

13* Ильинский Л.В., Куценко А. В., Не.ль никое М.Б. Релаксация фототока и электрического поля в НЦП-структуре на основе силиката висмута//ФТТ.-1988.-т.30.-в.6.-с. 1780-1788.

14* Петров М.П., Степанов С.И., Хоменко А.В. фоторефрактив-ные кристаллы в когерентной оптике.-СПб. Наука,1992.^ 317 с.

л

íM-OÍX^J

РСХГИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК фИЗЖО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ имени А.Ф.ИОФФЕ

На правах рукописи

ШАДРИН ЕВГЕНИЙ БОРИСОВИЧ

ОПТИКА ФАЗОВЫХ ПРЕВРАЩЕНИЙ И ЭЛЕКТРЕТНЫХ СОСТОЯНИЙ В ОКСИДАХ ПЕРЕХОДНЫХ МЕТАЛЛОВ

Специальность 01.04.10 - физика полупроводников и

диэлектриков

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Санкт-Петербург 1997

-з-

ОПАВЛЕНИВ .

ПРЕДИСЛОВИЕ...............................................

ВВЕДШИЕ.......................................................И

Положения, выносимые на защиту.................................z6

Глава 1. ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА. ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫХ ОКШНО-ВАНАДШИХ СТРУКТУР.

1.1. Физические характеристики диоксида ванадия......... ..Z9

1.2. Оптические свойства монокристаллов и пленок диокеида ванадия..............................................

1.2.1. Монокристаллы VOg............................33

1.2.2. Ширина запрещенной зоны полупроводниковой фазы V 02. *....................................зе

1.2.3. Зонная схема диоксида ванадия и ее изменения при фазовом переходе металл - полупроводник...36

1.2.4. Корреляционные эффекты........................39

1.2.5. Оптические свойства пленок диоксида ванадия...4z

1.2.6. Температурный гистерезис......................43

1.3. Макромодель интерференционной окисно-ванадиевой структуры.................................................«5"

1.4. Модификация метода измерения оптических постоянных...47

1.5. Экспресс-метод измерения эффективных оптических констант ИОВС...........................................А9

1.6. Результаты исследования эффективных оптических параметров интерференционных структур на основе V Og.....Si

1.7. Краткие выводы к главе 1.............................66

Глава 2. ВНУТРЕННЯЯ СТРУКТУРА ГЖВНОЙ ПЕТЛИ ТЕМПЕРАТУРНОГО ГИСТЕРЕЗИСА ОТРАИТЕЛЬНОЁ СПОСОБНОСТИ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННОЙ ОКЖШО-ВАНАДИЕВОЙ СТРУКТУРЫ...........................вв

2.1 Параметры, характеризующие гжавную петлю гистерезиса ИОВС..................................................68

2.2. Встречные семейства частных петель гистерезиса.......Т4

2.2.1. Определения..................................

2.2.2. Математическое описание частных петель.......

2.3.Функция распределения коэрцитивных температур............"76

2.4. Мартенеитный характер фазового перехода металл-полупроводник в .диоксиде ванадия........................ Ж

2.5. Главные вывода теории мартенситных превращений......86

2.6. Размерные эффекты в пленках диоксида ванадия........92.

2.7. Управление формой главной петли гистерезиса с помощью варьирования условий синтеза....................4о£

2.7.1. Возможности управления, даваемые Н-технологи-

ей...........................................юг

2.7.2. Во зможно с ти управления, даваемые в -технологией......................................... ..<{05'

2.8. Краткие вывода к главе 2...........................

Глава 3. КИСЛОРОДНЫЕ ДЕФЕКТЫ, СМЯГЧЕНИЕ ШЮННОГО СПЕКТРА И

ПРИРОДА МЕТМШЧЕСКОГО СОСТОЯНИЙ В ДИОКСИДЕ ВАНАДИЯ'Л 4

3.1. Результаты экспериментов............................

3.2. Вторично-эмиссионные свойства ИОВС..................-1ЯЯ

3.3. Легирование ИОВС водородом путем ее облучения электронами через органические покрытия..................

3.4. Спектры комбинационного рассеяния света нестехиоме-тричных и облученных электронами ИОВС...............Ш

3.5. Обратимая экстракция-инжекция кислорода в пленку диоксида ванадия с помощью суперионнного кислородного насоса..................................................

3.6. Спектры КРС кристаллических образцов V подвергнутых дефектообразущим воздействиям...................

3.7. Смягчение фоионного спектра и природа металлического

состояния диоксида ванадия..........................

3.7.1. Температурные изменеия спектров комбинационного рассеяния диоксида ванадия................. • • •йб

3.7.2. Решение задачи об определении температуры поверхности образца в центре лазерного зонда...4^7

3.7.3. Спектры комбинационного рассеяния света металлической фазы ...........................202

3.8. Влияние электронной бомбардировки на проводимость пленок диоксида ванадия................................2£7

3.9. Механизм фазового перехода металя-полупррводник в диоксид© ванадия...................................... хм

3.10.КРАТКИЕ ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 3............................224

Глава 4. ФЙЗИКА ЗАПИСИ ИНФОРМАЦИИ НА ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫХ 0КШН0-

ВАНАДИЕШХ СТРУКТУРАХ...........................227

4.1.Амплитудная модуляция.. ..............................г 2 9

4.2. Эффект накопления контраста изображения при повторном тепловом воздействии на ИОВС........................

4.3.Нелинейные преобразования изображения» выполняемые с помощью ИОВС.........................................

4.4. Последоваяельный синтез информационного поля на интерференционной окисно-ванадиввой структуре с помощью электронного луча...................................

4.5. Фазовая модуляция считывающего излучения интерференционной окисно-ванадиввой структурой................¿Я

4.6. Прямое наблюдение фазовой модуляции считывающего излучения.............................................

4.6.1. Метод интерференционного клина...............

4.6.2. Метод колец Ньютона..........................2$?

4.6.3. Метод толстого клина.........................цо

4.6.4. Микроинтерферометрический метод..............хбО

-64.7. Краткие вывода к главе 4............................264

Глава 5. ИНТЕРФЕРЕЩИОННАЯ ОШСНО-ВАНАДЙЕВАЯ СТРУКТУРА КАК Г0~

ЛОГРАФИЧЕСКАЯ РЕГИСТРИРУЮЩАЯ. СРЕДА.................Ш

5.1. Дифракционная эффективность штриховой голографической записанной на ИОВС дифракционной решетки............265

5.2. Полная схема расчета параметров ИОВС как сре,ды для зашей голографической информации.......................2ЛО

5.3. Расчет дифракционной эффективности ИОВС различных типов при записи на них штриховой дифракционной решетки

5.4. Дифракционная эффективность синусоидальной решетки.

5.5. Метод оценки глубины фазовой модуляции в записанной на ИОВС ашшгаудно -фаз овой дифракционной решетке....

5.6. Анализ записанной на ИОВС амшштудно-фазовой решетки с произвольным профилем штриха......................

5.7. Методика записи на ИОВС .дифракционной решетки в профилированным штрихом................................Х%9

5.8. Метод измерения оптических констант ИОВС путем ее синтеза в виде штриховой .дифракционной решетки......я^Н

5.9. Измерение фазовых петель гистерезиса дифраюцюнным методом.................................................

5.10.Необратимые решетки, записанные методом оптических повреждений.........................................

5.11.Микроизмерение оптических констант оптически поврежденной части штриха решетки дифракционным методом... зоо

5.12.Определение порога необратимых изменений дифракционным методом......................................... 3-12

5.13.Краткие вывода к главе 5.......................346

Глава 6. НОВОЕ ПОКОЖШЖ ОНГО-ЭЖТРОШОЙ АППАРАТУРЫ НА ОСНОВЕ

УПРАВ25ШШХ ОКШНО-ВАНАДИЕВЫХ ИНТЕРФЕРОМЕТРОВ.........317

6.1. Быстродействующий элемент голографической памяти....

6.1.1. Импульсный режим......................................317

6.1.2. Частотный режим..............................

6.2. Знергопрофилометр импульсного теплового потока......

6.2.1. Первый тип...................................ъХ1

6.2.2. Второй тип...................................

6.3. Визуализатор излучения 00^ - лазера................. 3 33

6.4. Коммутируемое электронным лучом лазерное зеркало.... ъъъ

6.5. Пассивный модулятор добротности ИК-лазера /1,06/.... ъа\

6.6. Релаксационный модулятор излучения непрерывного лазера на основе комбинайии ИОШ со встречными петлями гистерезиса................................................ 3 АЪ

6.7. Краткие выводы к главе 6............................34?

Глава 7. Вариации оптических параметров иттрий-бариевых куп-

ратов вблизи точек фазовых переходов.............. .349

7.1. Введение............................................349

7.2. Кат одолюмине сценция УВаСиО, инициированная сверх-дроводящим фазовым переходом........................Ън$

7.3. Модель наблюдаемого явления.........................зоб

7.4. Особенности поведения оптических характеристик

УВаСиО-керамик в интервале температур 80-300 К.... %■(

7.5. Исследование статистики спекл-полей излучения, диф-фузно рассеянного поверхностью сверхпроводящей керамики УВаСиО......................................374

7.6. Катодолюминесценция однофазных образцов керамики

УВаСиО с лазерным ожегом поверхности скола........ VI&

7.7. Краткие вывода к главе 7............................579

7.8. Обзор катодолюминесцентных исследований ВГСП-керамик

УВаСиО...^.........................................380

Глава 8. ЖИМ ПРОЦЕССОВ ФОШИРОВАНШ-РАЗРУШЕНШ ФОТО- И КА.ТО-

-g-

ДОЭЛЕКХРЕШОГО СОСТОЯНИЙ В КРИСТМШ ЛЕГИРОВАННЫХ сшшшгов. ъъч

8.1. Введаеие............................................384

8.2. Образцы исследованных кристаллов.................... 38&

8.3. Исследование процесса формирования катодоэлектретно-

го состояния в монокристаллах 8ТО Mí ? ÖSO ; NÍ; .... ъв{

8.3.1. Стационарное катодоэлектретное состояние.....342

8.3.2. Вторично-эмиссионные свойства кристалла В£0:1^3%

8.3.3. Переходные процессы формирования-разрушения КЭС в Ш0:Ы\ , BS0:K¡ ......................

8.3.4. Температурные зависимости параметров переходных процессов................................403

8.3.5. Феноменологическая модель процессов формирования-разрушения КЭС в силленитах............4оз

8.3.6. Кинетика разрушения КЭС в BSOrl^í в условиях непрерывного считывания нефотоактивным светом..........................................416

8.3/7. Микромодель процессов образования КЭС в ВТО:Ш , BSO:lVi ....................................418

8.4. Определение толщины приповерхностного слоя пониженной

проводимости кристалла силленита...................4Z5

8.5. Спектральные зависимости процессов разрушения КЭС... 43Í

8.6. Процессы формирования ж разрушения фотоэлектретного

состояния /$ЭС/ в кристаллах ВТО: tBSO:{víl.......433

8.6.1. Формирование ФЭС в силленитах................АЪЪ

8.6.2. Модель процессов формирования ФЭС в кристалл-лах ВТО: Ni , В S 0: IV! ........................436

8.6.3. Разрушение фотоэлектретного состояния........aas

8.7. Комбинированная фото-катодоэлектретная система записи информации высокого разрешения на кристаллах легированных сил-ленитов..........................................................

8.8. Определение глубины проникновения электронного луча

в кристаллы силленитов..............................4б*т

8.9. Система селекции движущихся изображений.............468

8.10.Краткие вывода к главе 8............................4?2

Глава 9. ГОЛОГРАФЙЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ И ОПТИЧЕСКАЯ ПРОЧНОСТЬ

ЛЕГИРОВАННЫХ СЙЖЕНИГОВ..............................4'Т4

9.1. Цроцессы формирования фотоэлектретного состояния при записи голографических решеток......................414

9.2. Стационарная дифракционная эффективность............4Т7

9.3. Кинетика эволюции ДЭ в кристаллах легированных силленитов.............................................

9.4. Электронно-лучевой синтез голограмм на кристаллах легированных силленитов...............................495

9.5. Синтез голографических дифракционных решеток на кристаллах силленита с помощью встречно-штыревого преобразователя.........................................

9.6. Оптическое повреждение в кристаллах силленитов......

9.6.1. Рентгеновская фотоэлектронная» спектроскопия силленитов...................................оо4

9.6.2. Термограмметрические и дифференциально-термические исследования силленитов...............5оь

9.673. Исследование поверхностной фотопроводимости..£0$

9.6.4. Исследование термостимултрованных токов кристаллов силленитов...........................#5

9.6.5. Измерение оптического поглощения при больших плотностях мощности зондирующего излучения...549

9.6.6. Корреляция параметров оптического повреждения с физическими свойствами поверхности кристаллов силленитов...............................52 *

9.6.7. Механизм оптического повреждения в кристаллах

еилленитов.........................................

9.7. Краткие вывода к главе 9........................... 5В7

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..............................................540

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ..............................543

-и-

ПРЕДИСЛОШЕ.

Данная работа посвящена исследованию фундаментальных механизмов управления оптическими параметрами оксидов переходных металлов, таких как диоксид ванадия - материал с фазовым переходом металл-изолятор при 340 К, иттрий-бариевый купрат - материал со сверхпроводящим фазовым переходом около 90 К и серией структурных переходов в области 160-240 К, титано- и силикосилленит - материалы с высокотемпературными переводами /около 540 К/ и уникальным набором физических свойств /таких как оптическая активность, высокая электроннолучевая и фоточувствительность, продольный и поперечный электрооптические эффекты/.

При этом потоки заряженных частиц или квантов света позволяют управлять оптическими параметрами этих соединений, вызывая громадные, но обратимые изменения их оптических свойств, причем как первичных - пропускания, отражения, рефракции или поглощения, так и вторичных - фотолюминесценции, катодолюминесценции или ра-мановских спектров. Следя за этими процессами, можно получить большое количество информации фундаментального значения, а также использовать возможность указанного управления в прикладных целях.

Обратим внимание на то обстоятельство, что здесь не идет речь об изучении процесса переключения какого-либо устройства из одного стабильного состояния в другое /обычно характеризуемое как би-стабильность/. Речь идет об изменении на много порядков фундаментальных характеристик материала, инициируемом внешним воздействием.

Так диоксид ванадия изменяет свою проводимость на пять порядков при изменении температуры на несколько градусов вблизи точки фазового перехода или при действии лазерного импульса длительностью 20 не и плотностью энергии 10™4 Дк/см2.

При этом коэффициент отражения образца пленки диоксида ванадия изменяется на порядок или более /например, от 4 до 40 %/.

Такое же изменение коэффициента отражения ВГСП - керамики наблюдается при изменении температуры образца на несколько градусов в области 180-240 К благодаря интерфернционным эффектам в

слагающих его кристаллитах. Изменение интенсивности катодолюми-несценции образцов керамики в этом температурном интервале еще более значительно и составляет не менеедвух порядков.'

Исследованные нами кристаллы титано- и силикосилленитов изменяют свою проводимость на шесть порядков под воздействием лазерного излучения с длиной волны 4414 1 и плотностью мощности 50 мВт /см^, причем коэффициент пропускания этих кристаллов в системе скрещенных поляроидов изменяется на полтора - два порядка. То же происходит, если кристалл накапливает на своих поверхностных состояниях заряд порядка Кл/см^', приносимый электронным лучом.

Обратим также внимание на то обстоятельство, что указанные из: енения не носят характера опрокидывания, но, имея столь широкие диапазоны изменений, допускают прецезионное управление во всем диапазоне своих изменений, причем такие вариации являются реверсивными, одновременно обладая некоторым гистерезисом, что создает условия для организации режима памяти.

ВВЕДЕНИЕ.

Выбор нами группы материалов для исследований был обусловлен тем обстоятельством, что вышеперечисленные материалы при всем различии численных значений их параметров, будучи оксидами переходных металлов, обладают ярко выраженным сходсвтом физических с во ист е что позволяет многие вопросы, касающиеся как фундаментальных, так и прикладных аспектов, рассматривать со сходных позиций. Поясним Это.

1. Все указанные материалы имеют по меньшей мере два резко отличающиеся по своим характеристикам физических состояния, что

определяет большую информативность процессов, протекающих при управлении этими состояниями с помощью внешних воздействий.

2. Все указанные материалы допускают фундаментальные исследования своих оптических свойств дифракционными методами путем синтеза на них или их самих в виде голографических дифракционных решеток.

3. Все перечисленные материалы обладают сходными механизмами образования кислородных дефектов под воздействием потоков электронного или лазерного ижлучений вблизи порога разрушения материала.

4. Все материалы весьма актуальны с прикладной точки зрения благодаря своей способности резко и обратимо менять оптические характ ерис тики.

5. Все исследованные нами материалы допускают синтез монокристаллов или пленок большой площади с высокой однородностью свойств, что позволило нам реализовать в их помощью группу прикладных устройств, могущих служить базой целой серии опто-электрш ной аппаратуры нового поколения: сверхбыстродействующих систем визуализации МК-излучений,, СВЧ-полей, потоков ионизирующих излучений? преобразователей некогерентного излучения в когерентное, систем распознавания изображений типа "глаз робота", систем машинного синтеза голограмм и т.п.

На рис. СМ представлена использованная нами группа первичных окислов, комбинации которых в исходной шихте позволили синтезировать всю совокупность исследованных в данной работе материалов.

Выбор методов исследования мы подчинили тому принципу, чтобы имеющиеся в нашем распоряжении оптические экспериментальные методики с одной стороны давали максимум-фундаментальной информации, а с]цругой - не дублировалирезультаты исследований прочих авторов. По этой причине для различных веществ, исследованных нами, часто применялась различная экспериментальная техника. Так катодолюми-

ИССЛЕДУЕМЫЕ СОЕДИНЕНИЙ

- (4 -

ПЕРВИЧНЫЕ ОКИСЛЫ

УВ

ИССЛЕДУЕМЫЕ СОЕДИНЕНИЯ

ЬчгСе ОгоС'ЧИО

Рис. О 1 Группа первичных оксилов /столбец в центре/,

использованных для синтеза исследованных в диссертации соединений /расположены по сторонам среднего столбца/. Сплошные линии -схема синтеза, штриховые линии - схема легирования. Оксиды переходных металлов обведены в рамку.

несцентные методы могли дать информацию принципиального значения при исследовании ВТСП - соединен�