Пироэлектрические приемники являются наиболее часто используемыми тепловыми приемниками излучения. Однако в случае регистрации излучения с низкой частотой модуляции чувствительность пироприемников резко уменьшается. Поэтому актуален поиск других термочувствительных механизмов регистрации излучения. Такие термовольтаические эффекты существуют в сэндвичных системах металл-сегнетоэлектрик-металл. В работах авторов [1-7] обнаружено наличие остаточной поляризации кристалла при напылении в вакууме на грани плоскопараллельного образца электродов из металлов с различной работой выхода. Было высказано предположение, что такое свойство обусловлено электретной природой явления. Наличие контактной разности потенциалов при взаимодействии металла и кристалла приводит к появлению квазистационарного тока непироэлектрической природы. Легированный определенной концентрацией Fe кристалл образует среду с прыжковым типом проводимости. Проводимость в значительной степени зависит от температуры кристалла. Эта зависимость пропорциональна изменению температуры образца, что позволяет использовать этот эффект для регистрации и измерения излучения для нулевых и инфранизких частот модуляции излучения. Описанный выше эффект можно использовать для регистрации излучения широкого спектрального диапазона [4].
Целью настоящей работы является исследование координатной чувствительности приемника излучения постоянной или медленно меняющейся мощности на основе сэндвичной системы металл-сегнетоэлектрик-металл.
В качестве чувствительного элемента приемника использован легированный кристалл ниобата лития, в котором под действием падающего излучения возникает эдс, благодаря наличию термовольтаического эффекта [1-3].
В световых экспериментах применялся детектор излучения, состоящий из чувствительного элемента – изучаемого кристалла и предусилителя. Излучение поглощалось одним из напыленных электродов образца, расположенного на специальном кристаллодержателе, снижающем влияние вибропомех и обладающем высокими электроизолирующими свойствами. Предусилитель вместе с кристаллом помещался в экранирующий металлический корпус.
При модуляции светового пучка на выходе детектора регистрировался квазистационарный фототок. Для количественной характеристики квазистационарного фототока использовался коэффициент G:
(1)
где Uн0 – напряжение на сопротивлении нагрузки Rн при отсутствии света, Uнмк – стационарное значение напряжения на Rн при открытом световом пучке, Pпад – мощность падающего на кристалл излучения. С целью сравнения результатов, полученных при исследовании фотоэлектрического отклика и эффекта термостимулированной ЭДС, были проведены калибровочные измерения квазистационарного тока фотоэлектрического отклика с контролем температуры кристалла. Температура образца измерялась микротерморезистором СТ2–13, укрепленным на кристаллодержателе и находящемся в непосредственном контакте с поверхностью кристалла. Измерение температуры образца при падающей мощности излучения 1÷10 мВт составило 0,1¸5°С, что соответствует коэффициенту поглощения приемной площадки к ≤ 20 %.
В экспериментах с использованием в качестве источника излучения He–Ne лазера [0,63 мкм] была обнаружена зависимость коэффициента G от координаты светового пучка (от того, в какую часть кристалла фокусируется излучение).
Изучение координатной чувствительности проводилось на установке, схема которой показана на рис. 1.
Электроды чувствительного элемента выполнены полупрозрачными из металлов с различной работой выхода, при этом электрод с меньшей работой выхода металла контактирует с входной гранью кристалла, а электрод с большей работой выхода металла – с его выходной гранью.
Детектор устанавливался на координатном столике, позволяющем плавно перемещать кристалл вдоль и поперек лазерного луча. Диаметр светового пятна в фокусе линзы – 300 мкм. Полученная зависимость G от координаты для кристалла НЛ с 0,3 вес. % Fe дана на рис. 2.
Наличие отрицательного постоянного термовольтаического тока и положительного увеличивающегося фотовольтаического обеспечивает смену знака результирующего поля при перемещении вдоль полярной оси кристалла.
Рис. 1. Измерение координатной чувствительности
Рис. 2. График зависимости коэффициента G от координаты пучка лазера падающего на кристалл (Y-срез; 2·2,5·0,13 мм3; электроды Al – Cr; 0,3 вес. % Fe; Rн = ∝)
Рис. 3. Зависимость чувствительности от координаты
На торцах кристалла G достигает наибольшей величины, причем на разных торцах образца G принимает разные знаки. Такая асимметрия может быть связана с единственным выделенным направлением в кристалле – полярной осью Z. Зависимость G в поперечном направлении монотонная (рис. 3).
Выполнение легированного сегнетоэлектрического кристалла с ориентацией полярной оси под углом 2° – 5° к входной грани кристалла приводит во-первых, к созданию фотовольтаического поля и, во-вторых, к перераспределению концентрации носителей заряда при экранировании поля диполей вдоль полярной оси кристалла от минимального значения до максимального, что приводит к увеличению напряженности фотовольтаического поля вдоль полярной оси от минимума до максимума.
Для определения влияния температурного распределения на координатную зависимость фотоэлектрического отклика регистрировалось температурное поле на поверхности кристалла при облучении сфокусированным пучком излучения. Термограммы поверхности образца, зарегистрированные термографом IRTIS 200 для разных положений пучка показаны на рис. 4 а-б. Несмотря на увеличение максимальной температуры образца вблизи края, проведенные на основании полученных экспериментальных результатов оценки показывают, что данное увеличение не может обеспечить наблюдаемое возрастание чувствительности на краях образца.
а б
Рис. 4. Распределение температуры по поверхности кристалла ниобата лития при освещении He–Ne лазером: а – угловой край образца, Тmax = 45,59 оС; б – середина грани образца), Тmax = 42,14 оС
Обнаруженную экспериментально координатную зависимость величины термоиндуцированного тока предлагается использовать для создания координатно-чувствительных приемников излучения.
Заключение
Таким образом, из результатов исследования видно, что в тонкослойной системе металл-сегнетоэлектрик-металл термовольтаический отклик имеет значительную координатную зависимость, обусловленную вкладом фотогальванического и собственно термовольтаического эффектов. Полученные результаты можно использовать для разработки координатно-чувствительных пироприемников [10], а также при интерпретации экспериментальных результатов по изучению свойств сэндвичных пироэлектрических структур [2-4, 8-10].