Оптика фазовых превращений и электретных состояний в оксидах переходных металлов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.10, доктор физико-математических наук Шадрин, Евгений Борисович

• Шадрин, Евгений Борисович
• доктор физико-математических наук
• 1997

Оглавление диссертации доктор физико-математических наук Шадрин, Евгений Борисович

ВВЕДШИЕ.И

Положения, выносимые на защиту.z

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

1.1. Физические характеристики диоксида ванадия. .Z

1.2. Оптические свойства монокристаллов и пленок диокеида ванадия.

1.2.1. Монокристаллы VOg.

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.

1.2.4. Корреляционные эффекты.

1.2.5. Оптические свойства пленок диоксида ванадия.4z

1.2.6. Температурный гистерезис.

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

1.4. Модификация метода измерения оптических постоянных.

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

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

1.7. Краткие выводы к главе 1.

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

2.1 Параметры, характеризующие гжавную петлю гистерезиса ИОВС.

2.2. Встречные семейства частных петель гистерезиса.Т

2.2.1. Определения.

2.2.2. Математическое описание частных петель.

2.3.Функция распределения коэрцитивных температур."

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

2.5. Главные вывода теории мартенситных превращений.

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-технологией.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

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^

3.7.3. Спектры комбинационного рассеяния света металлической фазы

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

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

3.10.КРАТКИЕ ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 3.

Глава 4. ФЙЗИКА ЗАПИСИ ИНФОРМАЦИИ НА ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫХ 0КШН0

ВАНАДИЕШХ СТРУКТУРАХ.

4.1.Амплитудная модуляция. .г

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.

Глава 5. ИНТЕРФЕРЕЩИОННАЯ ОШСНО-ВАНАДЙЕВАЯ СТРУКТУРА КАК Г0~

ЛОГРАФИЧЕСКАЯ РЕГИСТРИРУЮЩАЯ. СРЕДА.Ш

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

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%

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

5.13.Краткие вывода к главе 5.

Глава 6. НОВОЕ ПОКОЖШЖ ОНГО-ЭЖТРОШОЙ АППАРАТУРЫ НА ОСНОВЕ

УПРАВ25ШШХ ОКШНО-ВАНАДИЕВЫХ ИНТЕРФЕРОМЕТРОВ.

6.1. Быстродействующий элемент голографической памяти.

6.1.1. Импульсный режим.

6.1.2. Частотный режим.

6.2. Знергопрофилометр импульсного теплового потока.

6.2.1. Первый тип.ъХ

6.2.2. Второй тип.

6.3. Визуализатор излучения 00^ - лазера.

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 купратов вблизи точек фазовых переходов.

7.1. Введение.

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.

7.6. Катодолюминесценция однофазных образцов керамики

УВаСиО с лазерным ожегом поверхности скола. VI&

7.7. Краткие вывода к главе 7.

7.8. Обзор катодолюминесцентных исследований ВГСП-керамик

УВаСиО.^.

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

ДОЭЛЕКХРЕШОГО СОСТОЯНИЙ В КРИСТМШ ЛЕГИРОВАННЫХ сшшшгов. ъъч

8.1. Введаеие.

8.2. Образцы исследованных кристаллов. 38&

8.3. Исследование процесса формирования катодоэлектретного состояния в монокристаллах 8ТО Mí ? ÖSO ; NÍ; . ъв{

8.3.1. Стационарное катодоэлектретное состояние.

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.

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.

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

8.4. Определение толщины приповерхностного слоя пониженной проводимости кристалла силленита.4Z

8.5. Спектральные зависимости процессов разрушения КЭС. 43Í

8.6. Процессы формирования ж разрушения фотоэлектретного состояния /$ЭС/ в кристаллах ВТО: tBSO:{víl.

8.6.1. Формирование ФЭС в силленитах.АЪЪ

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

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.

8.10.Краткие вывода к главе 8.4?

Глава 9. ГОЛОГРАФЙЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ И ОПТИЧЕСКАЯ ПРОЧНОСТЬ

ЛЕГИРОВАННЫХ СЙЖЕНИГОВ.4'Т

9.1. Цроцессы формирования фотоэлектретного состояния при записи голографических решеток.

9.2. Стационарная дифракционная эффективность.4Т

9.3. Кинетика эволюции ДЭ в кристаллах легированных силленитов.

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

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.оо

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

9.673. Исследование поверхностной фотопроводимости.£0$

9.6.4. Исследование термостимултрованных токов кристаллов силленитов.#

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

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. 5В

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Оптика фазовых превращений и электретных состояний в оксидах переходных металлов»

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 - соединений, но для прочих натериалов уже были использованы ранее авторами предыдущих работ. В то же время интерференционно-голографические методы или метод оптического повреждения мог быть с успехом применен для исследования всех трех групп изученных нами веществ. Сказанное обобщено на рис. О2 .

СТРУКТУРА ШССЕРТАПИИ.

Диисертация состоит из Асвцтй глав, введения, заключения, основных выводов и списка цитированной литературы.

В первой главе диссертации, в ее начале, дана общая характеристика такого оксида переходного металла, как v 0^. Приведена краткая характеристика физических свойств монокристаллов и пленок этого соединения, дан перечень нерешенных к началу наших исследований проблем, касающихся как механизма фазового перехода в диоксиде ванадия и, в частности, влияния на него электрон-фононных и упругих взаимодействий, так и технологических приемов синтеза на основе v О2 пленочных структур с заранее заданными свойствами. Далее предложена макромодель интерференционной окисно-ванадиевой структуры /ИОВС/, описан разработанный нами метод экспресс-анализа оптических постоянных ИОВС и проведено сравнение результатов ис-ледований этих постоянных для ИОВС, полученных различными технологическими методами.

Вторая глава диссертации посвящена детально^ описанию главной петли температурного гистерезиса отражательной способности инт, рфернционных окисно-ванадиевых структур.

В этой главе впервые для диоксида ванадия дано полное математическое описание как всех типов главных петель температурного пае терезиса, так и встречной сетки полного набора частных петель гистерезиса. Этот фундаментальный результат позволил сформулировать для любых типов петель алгоритм построения функции Меркулова-Пре£ь заха — функции распределения коэрцитивных температур. Напомним, использовании^ & лани ой рйше МБ. ГОЛЫ аптичЕСких УССЛ£А04АИии т УВаСиО &ТО 560 вэо

ИНТЕРФЕРОМЕТРИЯ

ГОЛОГРЛФИЯ

Спектроскопия каМ£икйи,ШНОГц рйссгяния С&£ТЯ

Спектроскопия Ф ОТО ЭЛЕКТРЕтиогй /у рспголо^л^гргтиаго состоянии кйтои алмммтентт* сррктрйс/сщ н- оптмц£с#0£ по в ре Усаени£ + 4-

Рнс. 02,. Схема использованных в диссертации оптических методов исследования. Минусы соответствуют тем случаям, когда к началу наших исследований данным методом нельзя было получить принципиально новой информации /ввиду обилия литературных данных, принципиального отсутствия ярко вырвженного эффекта и т.п./ что по своему определению эта функция выражает распределение элементарных прямоугольных петель гистерезиса, слагающих галавную петлю, по ширинам петель и точкам их расположения на температурной шкале. При этом было обнаружено расщепление пика Функции Меркуло-ва-Прейзаха в том ее сечении, которое характеризует распределение элементарных петель по.ширинам для ИОВС, имеющих асимметричную петлю температурного гистерезиса и нестехиометричный состав по кислороду. Исследование морфологии таких ИОВС показало наличие расщепления гистограммы распределения зерен, слагающих ИОВС, по поперечным размерам, ко торе по своему характеру совпадает с расщеплением функции Меркулова-Прейзаха. Показано, что данный эффект находит непротиворечивое объяснение фамках теории мартенситного фазового перехода "металл-полуцроводник" в диоксиде ванадия. Далее развитым нами методом проанализированы результаты других авторов и показано, что в пределах ошибок экспериметна все они описываются выражениями, следующими из теории мартенеитных переходов, и на основании этого нами впервые предложена классификация типов петель температурного гистерезиса в диоксиде ванадия.

Треть . глава диссертации посвящена исследованию влияния кислородных дефектов на петлю температурного гистерезиса. Дефекты, в отличие от нестехиометричвого варианта синтеза, вводили^—сь различными способами в изначально етехиометричный образец.

В начале главы проведен сравнительный анализ, полученных нами результатов исследования главной петли гистерезиса в облученной электронами ИОВС с результатами других авторов и на основании этого предложена классификация типов доз облучения. Построена функция . Меркулова-Прейзаха в облученных электронами ИОВС и показано, что здесь расщеплению подвергается другое /ортогональное направлению по ширинам петель/ сечение этой функции. После этого описаны результаты сравнительного анализа спектров комбинационного рассеяния света /КРС/ монокристаллов и ИОВС с различными типами кислородных дефектов: полученных с помощью нестехиометричных условий синтеза, облучением потоком электронов или экстракцией кислорода с помощью суперионного насоса. Показано, что в спектрах КРС

ФОНОНЫ А л пол проводниковой фазы 196 см и 615 см в дефектных образцах расщепляются: первый - на две, второй - на три компоненты, имеющие резко раличную температурную зависимость. Обсуждаются варианты объяснения этого явления и детали механизма дефектообразования в диоксиде ванадия.

Кроме того, в спектрах КРС полупроводниковой /низкотемпера-т рной/фазы \/С>2 при повышении темпе -натуры в направлении в направлении приближения к фазовому переходу "полупроводник-металл", 1 впервые1обнаружено смягчение частоты фоноиного пика 145 см, а также аномально большое по сравнению с другими линиями уширение этого пика с повышением температуры. Как положение, так и полу-пирина указанного фононного пика в спектре -степенным образом зависят от приведенной температуры, причем показатели степени составляют величины 0,025 и 0,24 для положения и полуширины соответственно.

Далее в этой же главе описаны результаты исследования спектров КРС металлической фазы /высокотемпературной фазы/ V Og и показано, что широкий максимум на 550 см""1 /ширина 600 см""1/, сменяющий в спектре металлической фазы узкие пики полупроводниковой фазы, не является результатом резкого уширения и слияния последних при достижении Тс=340 К, как предполагалось ранеее, поскольку этот, максимум появляется в спектрах КРС уже за 20*25 К до Т„, сосуществуя с узкими пиками полупроводниковой фазы. Эти пики по мере приближения к TQ уменьшаются по интенсивности, причем два из л л них /145 см" и 219 см~*у вблизи Т приобретают форму контура Фа-но с антирезонансным провалом на высокочастотном крыле, что является следствием их взаимодействия с широким рамановским континуумом.

Высокое качество спектральной аппаратуры позволило установить, что спектры КРС металлической фазы V имеют слабую структуру, детали которой совпадают между собой в стоксовой и антистоксовой частях спектра, приче.~-м они не зависят от способа перевода образца в металлическое состояние: будь то нагрев выше Т , облучении образца потоком электронов /создающее дефекты с донорными свойствами, что также вызывает металлизацию за счет уже не термического, а донорного повышения концентрации носителей/ либо наводороживание образца с помощью обработки поверхности органическими соединениями.

В заключение данной главы приведены результаты исследования проводимости металлизованных электронно-лучевой бомбардировкой пленок v в которых впервые обнаружено явление слабой локализации электронов в проводящих металлических нитях. Оказалось, что эта локализация может быть подавлена магнитными полем /до 30 Тл/, приложенным перпендикулярно нити, в результате чего удается наблюдать отрицательное магнитосопротивление, достигающее 7% своего значения, а также гистерезисные явления по магнитному полю, подобные аналогичным явлениям в спиновых стеклах.

Сравнение полученных нами результатов, показавших наличие зародышей металлической фазы в толще полупроводниковой за десятки градусов до температуры фазового перехода "полупроводник-металл", с данными по ЭПР, особо чувствительным к присутствию признаков металлического состояния, показали, что ,ати признаки появляются приблизительно за 60 К до тс, что подтверждается также дш^ ными по ШР в V 02 .

В самом конце третьей главы показано, что как смягчение фо-нонного ппектра полупроводниковой фазы, так и замена узких пиков широким континуумом в металлической фазе могут быть непротиворечиво объяснены в предположении о зарождении за 50-60 К до Тс в полупроводниковой фазе V 02 новой несоразмерной фазы, представляющей собой локализованные Зс1Д-волны зарядовой плотности псевдоян-теллеровского иона Причиной смягчения является взаимодействие активной в КРС моды Vo^ с изначально мягкой модой промежуточной фазы, которое возникает благодаря соответствующим степеням свободы псевдо-ян-теллеровского иона V4*.

В рамках этой модели находит объяснение и необычное поведение спектра КРС металлической фазы, для чего необходимо учесть хаотичность распределения несоразмерной фазы и принять во внимание А не только взаимодействие фононов с локализованными 3«1 -электронал ми, но и взаимодействие волн зарядовой плонтости 3d -электронов между собой, а также возможность конкуренции этих взаимодействий. Указано, что структурированность широкого КРС - фона может быть связана с частичным вкладом в его интенсивность электронного рассеяния, связанного с нефермиевским поведением электронной жидкости диоксида ванадия аналогично тому, как это имеет место для КРС-фона БГСП - купратов. Приводятся теоретические и экспериментальные данные, подхгверздащие нефермиевекое поведение электронной жидкости в V Og.

Четвертая глава диссертации посвящена ис с следованию физики записи оптической и электронно-лучевой информации на интерференционных окисно-ванадиевых структурах. В этой главе исследованы экспериментально и теоретически описаны эффекты накопления контраста, температурного проявления деталей изображения и нелинейного преобразования сигнала при записи информации на ИОВС в импульсном адиабатическом режиме. Кроме этого, теоретически и экспериментально исследован процесс электронно-лучевого синтеза голограмм и выполнен полный теоретический расчет процесса записи информации электронным лучом.

Заключительная часть главы посвящена описанию разработанных и реализованных нами методов прямого наблюдения фазовой модуляции считывающего излучения, осуществляемого ИОВС. Впервые построена фазовая петля температурного гистерезиса и семейства больших частных фазовых петель. ^ 1

Пятая глава диссертации посвящена исследованию голографическ ких характеристик ИОВС. При этом на основании полученных нами выражений предложена полная схема расчета амплитудно-фазового оптического отклика интерференционной окисно-ванадиевой структуры и проведен расчет дифракционной эффективности ИОВС для синусоидальной и штриховой решеток.

Кроме этого, описан разработанный и реализованный метод измерения оптических констант ИОВС путем синтеза на ней штриховой дифракционной решетки иизмерения дифракционной эффективности в различных порядках: дифракции.

Далее в данной главе описано выполненное нами теоретическое и экспериментальное исследование необратимо записанных на ИОВС голографических решеток и предложен метол точного измерения порош необратимых изменений. Метод основан на записи на ИОВС необратимой решетки лазерным лучом с гауссовым распределнием энергии по сечению и последующем измерении распределения дифракционной эффективности по порядкам дифракции, которое оказалось чрезвычайно чувствительным к скачку фазы считывающего излучения, возникающее щи необратимых изменениях.

В последнем параграфе описан метод повышения дифракционной эффективности ИОВС путем создания профилированного штриха решетки, основанный на взаимодействии системы встречных сеток частных петель гистерезиса.

Шестая глава диссертации посвящена описанию серии разработали-ных и реализованных нами опто-электронных приборов на основе интерференционных окисно-ванадиевых структур. Сюда относятся:

-быстродействующий элемент голографической памяти с частотой смены кадров 20 Гц и дифракционной эффективностью 2% /вместо достигнутых ранее 3 Гц и 0,5 % соответственно/; -лазерный энергопрофилометр, способный анализировать распределение энергии в пикосекундном моноимпульсе лазерного излучения и имеющий неограниченное время неразрушающего считывания информации;

-визуализатор непрерывного 10,6 мкм - излучения; -коммутируемое электронным лучом лазерное зеркало для СО2-лазера;

-пассивный модулятор добротности импульсных лазеров »лазерный затвор - с параметрами: V =20 не ръ£> =50 МВт/ см*% X =0,44-1,2 мкм.

Седьмая глава диссертации посвящена оптическим исследованиям другого класса оксидов переходных металлов^. а именно, сверхпроводников УВаСиО, обладающих большим сходством свойств с диоксидом ванадия. Сюда относятся и узость энергетических -зон, и появление широкого фона в спектрах КРС, и аномальный ход проводимости в высокотемпературной области, и применимость концепции не-фермиввекого поведения сильно-коррелированной электронной жидкости.

При этом алгоритм выбора методов исследования, описанный в предисловий, ограничил нас исключительно катодолюминесцентными и интерференционне-голографическими методами ввиду чрезвычайно большого разнообразия методик, применяемых исследователями ВТС11 - соединений.

В начале главы приведены результаты изучения обнаруженной нами катодолюминесценции многофазных керамик УВаСиО, инициированной сверхпроводящим перекодом. Установлено, что красная /6400 1/ катодолюминесценция., коррелирующая с ВТСП - переходом и реализующаяся в виде мелких /поперечником 1004-200 мкм/ светящихся зон, представляет собой излучение кристаллитов свободной окиси иттрия, легированной гадолинием, которые в небольшом количестве вкраплены в основную ВТСП - матрицу. Предложен механизм управления интенсивностью этой катодолюминесценции с помощью ВТСП - перехода, согласно которому через контакт "ВТСП - матрица — кристалл широкозонного материала У в момент сверхпроводящего перехода резко увеличивается инжекция носителей за счет скачка уровня Ферми в ВТСП - матрице при таком переходе. В условиях непрерывной бомбардировки электронами возникающая из-за указанного скачка разность потенциалов создает условия для своеобразной катодо-электролюминесценции, возбуждающей решетку У 20з> чеРез которую возбуждение попадает на внутрицентровые состояния примесных ионов ОгсЬ.

В то же время голубой фон /4400 8/, покрывающий оставшуюся часть поверхности образца, не коррелирует с БГСП - переходом и является собственным излучением УВаСиО, обусловленным электронными переходами в образованиях типа Р - центров, порожденных вакансиями кислорода в цепочечной плоскости. Это обстоятельство под тверждено опытами по катодолюминесценции зон лазерного ожё'га однофазной 1-2-3 - ВТСП - керамики /заметим, что в исходной необожженной керамике катодолюминесценция отсутствует/.

Далее в седьмой главе диссертацию описаны эксперименты по спекл - интерферометрии оВнофазной УВаСиО - керамики и показа

ЙТО но, полуширина гистограммы распределения числа спеклов по интенсивности является эффективным оптическим индикатором перехода образца в сверхпроводящее состояние, а, кроме того, позволяет зарегистрировать серию структурных фазовых переходов в области температур 180-1-240 К, обусловленных процессом упорядочения вакансий в цепочечной плоскости.

Восьмая ы леб йта я главы диссертации посвящены исследованию еще одного класса оксидов переходных металлов, а имеео, ти-таносилленита /а также, ввиду сходства свойств - германо- и сили-косилленита/. Эта группа оксидов, помимо типичных общих черт с другими оксидами переходных металлов, такими как, например, изменение проводимости на 44-5 порядков под воздейсвтием лазерного излучения соответствующей длины волны, имеет и более изощренные варианты сходства свойств.

Так, если многие необычные черты поведения диоксида ванадия могут быть с успехом объяснены на основе концепции волн зарядовой плотности в системе 3 ¿"^-электронов, формирующих валентные связи решетки, то в титано- и силиковилленитах также возникают волны зарядовой плотности, но уже в электронной подсистеме свободных носителей,, захватываемых и перезахватываемых на уровни глубоких ловушек.

Как диоксид ванадия, так и силлениты способны запоминать свою предысторию, но если в V это происходит за счет гистерезиса свойств при фазовом переходе, то в силленитах - за счет формирования долгоживущего катодоэлектретного и фотоэлектретного состояний. Исследованию процессов формирования-разрушения этих состояний и посвящена полностью . восьмая глава диссертации.

В Д-е&Ятой главе описаны результаты детального изучения процессов записи плоских и объемных фазовых голограмм на кристалла легированных силленитов, а именно, кинетики возгорания и разрушения дифракционной эффективности, а Также зависимости этих процессов от оптической предыстории образца и типа легирующей примеси. Кроме этого, описываются исследования процессов электронно-лучевой записи дифракционных решеток на кристаллах силленитов и показывается, что определяющим фактором здесь является характер образования катодоэлектретного стояния в тонком приповерхностном слое образца.

В заключение главы приводятся данные по электронно-лучевому и оптическому повреждению кристаллов силленитов при записи информации мощнымип потоками частиц или излучения и показывается, что поверхностная лучевая прочность силленитов /по крайней мере на порядок меньшая объемной/ определяется /при отсутствии поверхностных загрязнений/ специфичным профилем показателя преломления в приповерхностном нарушенном слое образца. Обсуждаются актуальны?

- £5для силленитов механизмы оптического пробоя.

Заключение диссертации приведен перечень сходных черт, обнаруживающихся в поведении всех исследованных нами оксидов переходных металлов, приведены главные результаты работы и дан список цитированной литературы.

- %в

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ. ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЖГУ.

1. Единое математическое описание всех типов глазных и частных петель температурного гистерезиса окиско-ванадиевых структур /ИОВС/ выполняется классом функций типа ^ / Л

1 - Т^тСЛЧЗ ^

Цт, дьжт^-^р)- + Т)(т$)[1+ е" т*№) 1

Т -температура старта частной петли, Т - текущая температура/, что позволяет . аналитически построить функцию распределения коэрцитивных температур /фРКТ/, характеризующую распределение элементарных петель, слагающих главную петлю, по ширинам и их расположению на температурной шкале.

2. ФРКТ для симметричных петель гистерезиса имеет один главный максимум, с асимметричной /нестехиометрия/ — два главных максиму ма вдоль оси ширин элементарных птель, что определяется мартенсит-ным характером фазового перехода металл-полупроводник /ФШШ/ в диоксиде ванадия, когда ширина петли пропорциональна \ / /С , где и - максимально возможный размер мартенситной пластины, которым для ИОВС является поперечних зерна пленки.

3. Введение дефектов донорного типа /электронной бомбардировкой или насыщением водородом/, то есть возмущение электронной подсистемы, расщепляет ортогональное случаю нестехиометрии сечение ФРКТ, приводя в конечном счете к полной металлизации ИОВС, чего нельзя добиться никаким возмущениемрешеточной подсистемы. Это однозначно указывает на электронный /мотт-хаббардовский/ механизм ФИШ в диоксиде ванадия, подтверждая вторичный характер сопровождающих переход псевдо-ян-теллеровских искажений.

4. Обнаруженное смягчение фононной мода 145 см"1 /до 128 см-1 при Т=ТС/ полупроводниковой фазы монокристаллов диоксида ванадия и отсутствие смягчения в пленках У02 объясняется ролью псевдо-янтеллеровского центра V4"1" фешетке, который индуцирует в полупроводниковой фазе за 40-60° до Тс появление несоразмерной фазы, мягкие фононы которой вызывают смягчение активной в комбинационном рассеянии /КРС/ моды 145 см""1 основной решетки, а деструкция мягкой моды несоразмерной фазы в тонких /1000 1/ пленках объясняет отсутствие в них наблюдаемого смягчения.

5. Наличие широкого фона в спектрах КРС полупроводниковой фазы, центрирующегося на 500 см"1, и появляющегося за 20 К до Тс=340 К, который и поглощает в металлической фазе все узкие линии спектра, объясняется на базе модели хаотичности несоразмерной фазы при учете локального 3 сЬ -электрои-фоноиного взаимодействия и взаимодействия 3 -волн зарядовой плотности, то есть возможности конкуренции этих взаимодействий.

6. Слабая ■докаллизация электронов в детализованных электронной бомбардировкой пленках V 0^ соотвествует андерсоновской локализа# ции в одномерных проводящих нитях и может быть подавлена магнитным полем, порождающим отрицательное магнитосопротивление, доходящее до 7 %.

7. Инициированная сверхпроводящим фазовым переходом катодолю-минесценция в УВаСиО-керамиках соответствует излучению внедренных в ВТСП-матрицу микрокристаллитов свободной окиси иттрия, легированной гадолинием /6400 %/, причем ее возгорание при Т =93 К инициируется через контакт кристаллита V 203 с матрицей по электролюмшес-центному механизму за счет стока заряца через контакт, вызванного разностью потенциалов, возникающей в результате смещения уровня Ферми в У ВаСиО в момент ВТСП-перехода.

8. Процессы формирования фото- и катодоэлектретного состояния /#ЭС и КЗС/ в титано-силленитах определяются вытеснением электрического поля в приповерхностный слой кристалла с подаленной фоточувствительностью, микромодель явлений основывается на трехуровневой схеме электронных состояний в запрещенной зоне, ааналитическое описание процессов формирования-разрушения ФЗС и КЭС осуществляется решением системы уравнений Кирхгофа для специально выбранной эквивалентной схемы силяенито-содержащей структуры вместо численно ре-ешения системы уравнений Максвелла, что позволяет, в отличие от последней, во-первых, получить аналитическое решение, ауво-вторых провести расчет при наличии сквозных токов и, таким образом, пол-нос ть описать эксперимент.

9. Механизм оптического повреждения титаносилленитов является многостадийным и сводится к разогреву поверхностных кластеров металлического висмута /или других загрязлений/ с последующим термоударом, а при его удалении — определяется линзоподобной структурой рельефа поверхности. Построенные математические модели процесса оптического повреждения силленитов показывают, что наиболее ве-рояным его механизмом является вынужденное рассеяние Мандельштам-ма-Бриллюэна с генерацией гиперзвука разрушающего уровня мощным полем световой волны, сфокусированной линзоподобным рельефом.

Заключение диссертации по теме «Физика полупроводников», Шадрин, Евгений Борисович

ШНОШЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

1. Предложены макромодели интерференционных окисно-ванадиевых структур различных типов, выношены измерения утшвых зависимостей коэффициента отражения и фазы считывающего излучения .для температур, сооветствующих нагревной ветви петли температурного гистерезиса. Построены гистерезисные петли оптических констант указанных структур.

2. Найден класс функций, единым образом описывающий все типы петель гистерезива интерференционных окисно-ванадиевых структур /НОВО/ и на этом основании построена функция распределения коэрцитивных температур /ФРКГ/, характеризующая распределение элементарных петель гистерезиса, слагающих главную петлю, по ширинам и их расположению на температурной шкале.

3. Установлено, что ФРКГ для симметричных петель имеет один главный максимум, а для асимметричных - .два главных максимума и "хвост" в сторону узких элементарных петель и показано, что эти закономерности определяются мартенеитным характером фазового перехода в диоксиде ванадия, когда ширина петли пропорциональна \ / (И , где и - максимально возможный линейный размер мартенситной пластины, которым для пленочной ИОВС является поперечник зерна.

4. Построена ФРКГ облученных потоком электронов ИОВС и показано, что в этом случае расщеплению подвергается ортогональное случаю нестехиометрии /ширины петель/ сечение ФРКГ /температуры петель/, что говорит о воздействии исключительно на электронную подсистему диоксида ванадия без затрагивания решеточной подсистемы.

5. Методом комбинационного рассеяния света /КРС/ показано, что нестехиометрия и облучение электронами вносят различные изменения в колебательные спектры решетки V О^1 неетехтометрия затрагивает как область частот колебаний тяжелых / V /, так и легких /0/ атомов, а облучение электронами - только тяжелых.

6. Обнаружено смягчение /до 128 см"1 при Т =340 К/ частоты фононной мода 145 см""1 спектра КРС монокристаллов У02 и установлено, что показатели степени температурной зависимости положения и полуширины данной мягкой моды относятся к классу малых критических ин-деквов и равны 0,025 и 0,24 для положения и полуширины соотвествен-но. Показано, что смягчение спектра КРС тонких /1000 £/ пленок У02 отсутствует и предложена модель явления, базирующаяся на роли псе-вдо-ян-теллеровского центра Vв решетке V 0£» который индуцирует в полупроводниковой фазе за 40-60° до Тс=340 К появление несоразмерной фазы, изначально мягкие фононные моды которой вызывают частичное смягчение активной в КРС моды основной решетки V Деструкция мягкой моды несоразмерной фазы в тонких пленках V 02 в рамках данной модели легко объясняет отсутствие наблюдаемого имя-гчения в этом случае.

7. В спектрах КРС полупроводниковой фазы V 02 за 20° до ФШП обнаружено появление широкого фона с центром на 500 см"1, поглощающего в металлической фазе все узкие линии спектра, который идентичен фону в спектрах КРС металлизоваяных электронной бомбардировка® пленок N/0^. Показано, что моды 145 см-1 и 222 см""1 демонстрируют резонанс Фано с данным фоном и что наличие фона объясняется на базе модели хаотичности несоразмерной фазы при учете на только локального 3 сС -электрон-фононного взаимодействия, но и взаимодействия .друг с .другом 3 с1-волн зарядовой плотности, и, таким образом, возможности конкуренции этих взаимодействий. Показано, что определенный вклад в образование КРС - фона дает также нефермиевс-кое поведение сильно коррелированной электронной жидкости в V 02.

8. Обнаружена слабая локализация электронов в металлизованных электронной бомбардировкой пленках диоксида ванадия и показано, что она соотвествует адерсоновской локализации нисителей в одномерных проводящих нитях и модет быть подавлена магнитным полем, порождающим отрицательное магнитосопротивление, доходящее до 7 /о,

9. Практически однозначно установлен электронный /Мотт-2аббрр-довски^/механизм фазового перехода металл-полупроводник /ФШЦ/ в диоксиде ванадия и показано, что псевдо-ян-теллероввкие искажения вторичны по отношению к нему, хотя и определяюТмногие детали внешнего проявления фазового перехода.

10. Теоретически описаны и реализованы различные варианты электронно-лучевого синтеза голограмм на НОВО, теоретически и экспериментально исследованы фазовые петли температурного гистерезиса пленок У0£, а также впервые выполнено тремя незавивисжмыми методами прямое наблюдение фазовой модуляции считывающего излучения, осуществляемое интерференционнной окисно-ванадиевой структурой /ИОВС/.

11. Получены теоретические выражения .для дифракционной эффективности голографических решеток, записанных на ИОВС различных типов, предложены и реализованы различные дифракционные метода измерения оптических констант пленочных материалов(^£^р

12. В многофазных образцах керамики У Ь си Си. О обнаружена и исследована катодолюминесценция, инициированная сверхпроводящим фазовым переходом. Установлено, что эта люминесценция соотвествует излучению микрокристаллитов окиси иттрия, легированной гадолинием и показано, что возгорание обнаруженной красной /6400 %/ люминесценции инициируется через контакт кристаллита 'У283 с фазой 1-2-3 по электролюминесцентному закону за счет етока заряда через данный контакт, вызванного имвщением уровня Ферми в V Ъ& Си. О щш ВТСП -переходе.

Обнаружены и исследованы осцилляции интенсивности когерентного излучения, диффузно рассеяшшго поверхность® скола УЬсь СхО керамики и статистика возникающего при таком рассеяни спеклполя. Показано, что, как на многофазных, так и на однофазных образцах полуширина гистограммы распределения среднего числа спеклов дан

- 546данной интенсивности по соотвествующим уровням претерпевает резкие изменения /при охлаждении образца/ вблизи температуры сверхпроводящего перехода, а также при нагреве образца-в области температур 180-240 К.

Таким образом, установлено, что люминесцентная метка и статистика спекл поля являются надежными оптическими индикаторами перехода образца в сверхпроводящее состояние.

14. Исследованы процессы формирование-разрушения катодоэлектре-тного /КЭС и фотоэлектретного /ФЭС/ состояний в титано- и силико-силленитах. Показано, что в нелегированных силленитах характер этих процессов определяется вытеснением поля в нарушенный слой на поверхности кристалла. Определены параметры нарушенного слоя методами послойного травления и релеевского рассняния света. Предложена микромодель формирования и разрушения ФЭС и КЭС на основе трехуровневой схемы состояний электронов в запрещенной зоне, а также метод аналитического расчета кинетических характеристик ФЭС и КЭС в легированных силленитах, основанный на решении системы уравнений Кирхгофа для специальным образом выбранной эквивалентной схемы силлени-то-с о держащей структуры вместо численного решения соответсвующей системы уравннний Максвелла. Метод позволяет выполнять аналитические раснеты переходных процессов цри наличии сквозных токов, так как, в отличие от системы уравнений Максвелла, не имеющей аналитического решения, до пускает введение в схему расчета эмпирически установленных закономерностей.

15. Исследовано явление оптического повреждения силленитов при записи на них объемных фазовых голограмм и показано, что процесс оптического повреждения является многостадийным, а его механизм изначально сводится к разогреву поверхностных кластеров металлического висмута, а при его удалении - специфической линзоподобной структурой рельефа поверхности кристалла. Обсуждаются математические модели предлагаемых механизмов оптического повреждения и показывается, что наиболее вероятным механизмом является вынужденное рассеяние Мандельштамма-Бриллюэна с последующей генерацией гиперзвука разрушающего уровня.

16. Показана возможность успешного использования оксидов переходных металлов: в прикладных целях: описана серия разработанных и реализованных оптоэлектронных приборов новогс ; поколения, среда которых лазерный энергопрофшюметр, управляемое электронным лучом лазерное зеркало, модуляторы добротности лазерных резонаторов, системы электронно-лучевого синтеза голограмм, фотоэлектретные системы селекции движущихся изображений, катодоэлектрет-ные модуляторы световых потоков.

-т

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Ильинский A.B.,Шадрин Е.В. Роль поверхности при записи информации электронным лучом на электрооптических полупроводниковых крис таллах//Письма в ЖГФ.-1980.-т.6.-в.1.-с.34-37.

2. Ильинский A.B., Шадрин Е.Б. Формирование изображения на стру! туре диэлектрик-полупроводник при ее облучении электронным лу-чом//Пиеьма в ЖГ§.-1980.~т.6.-в.9.-с.520-523.

Астратов В.Н., Ильинский A.B., Каплянский A.A., Резников С.й Рысаков О.М., Шадрин Е.Б. Преобразование сигнала в оптическое изображение с помощью электрооптических кристаллов Bl^ OgQ и В1^2 е02д//Труды 11 Всесоюзного семинара по проблемам управления и модуляции излучения, Москва, 1981,-е. 164-166.

4. Кацавец Н.И., Леонов Е.И., Орлов В.М., Шадрин Е.Б. Особенности голографичвской записи в легированных кристаллах силиката и германата висмута// Сб.трудов 1У Веес.конф. по голографии, Ереван ,1982.-т.1.-с.88-91.

5. Кацавец Н.й. »Леонов Е.И., Орлов В.М., Шадрин Е.Б. Голо графическая запись в легированных кристаллах силиката ж германата висмута//1Тисьма в. ЖГФ.-1983.-т.9.-в.?.-с.424-428.

6. Кацавец Н.И.,Леонов Е.И.,Шадрин Е.Б., Щербаков Н.Г. Особенности кинетики нарастания фототока в структуре металл-германат в немута-ме талл//1Т®.-1984.-т.54.-в.3.-с.589-594.

7. Кацавец Н.И., Леонов Е.И., Шадрин Е.Б., Щербаков Н.Г. Особенности процесса фотодеполяризации в структуре металл-германат вш мута-ме т адл//ЖГФ . -1984 .-т. 54.-в. 12.-е. 2330. -2335.

8. Леонов Е.И., Хабаров С.Э.Мясников Д.А., Шишкин В.М., Шадрин Е.Б., Никитина И.П. Исследование стационарных и переходных прогр сов в слоистых структурах на основе легированных силленитов// Труды Вс. конф. по выислктельной оптоэлектронике: проблемы оптической памяти, Ереван.-1987.-т.1.-е.21-23.

-5Vi9~

9. Андреев B.H., Захарченя Б.П., Никити С.Е., Чудно версий Ф.А., Шадрин Е.Б., Шер З.М. Катодолюминесценция в высокотемпературном сверхпроводнике УВаСиО//11ксьт в 1ЭТФ.-1987.-т.46.-в.9.-с.391-393.

10. Орлов В.М., Мясников Д.А., Хабаров С.Э., Шадрин Е.Б. Исследование характеристик процесса взаимодействия электронного луча с мишенью на основе В 0: в светоклапанной ЗЛТ//ЖФ.-1990.-т.60.-в.2.-с.98-105.

11. Никулин Е.й., Чудно вс кий i.A., Шадрин Е.Б., Мясников Д.А. Влияние электронной боибардировки на проводимость пленок УОд// ЖТФ.-1988.-т.58.-в.12.-с.2411-2413.

12. Бочоришвилли Н.Ф., Введенский В. Д,, Гербштейн Ю.М.Данилов О.Б., Климов В.А., Сенцов Н.Ю., Чудновский Ф,А,, Шадрин Е.Б. Использование фазового перехода полупроводник-металл в двуокиси ванадия для внутрирезонаторного управления излучением СО^-лазе-ра//Ж'#. -1989. -т. 59. -в. 10. -с .83-88.

13. Берштейн В.А., бурьянов A.A., Егоров В.М. »Мастеров В.Ф., Мясников Д.А. »Федоров A.B., Хахавв Й.А., Чудновский i.A. »Шадрин Е.Б. Особенности поведения УВаСиО-керамик в интервале температур 80-300 К//ФТТ.-1989.-т.31.-в.8.-с.221-228.

14. Гальперин В. Д.,.Хахавв И. А., Чудновский Ф.А. »Шадрин Е.Б. Управление фазовым переходом металл-полупроводник с помощью быстродействующего термооохладителя//1ТФ. -1991. -т. 61. -в. 10. -с. 194-196.

15. Гальперин ВЛ1., Хахаев И.А. »Чудновский i.A. »Шадрин Е.Б. УпраЕ ление фазовым переходом металл-полупроводник с помощью быстродействующего термоохладителя 11//Письма в 1ТФ.-1992.-т.18.-в.10. -с.74-78.

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

17. Хахаев И.А. , Чудновский Ф.А.»Шадрин Е.Б. Мартенеитнн© эффекты при фазовом переходе металл-диэлектрик в пленке диоксидах ванадия//ФТТ.-1994.-т.36.-в.6.-е.1643-1649.

18. Андроненко P.P. ДЪнчарук Й.Н. »Давыдов В.Ю.Чудновский Ф.А., Шадрин Е.Б.Прямое наблюдение мягкой мода в спектрах КРС диоксида ванадия//Ф'1Т. -1994. -т. 36. -в. 7. -с. 2082-2089.

19. Никитин O.E., Хахаев М., Чудновский Ф.А., Шадрин Е.Б. Обратимые изменения электрических свойств пленки yOg с использование подложки из суперионного проводника//ФТТ.-1993.-т.35.-в. 10.-с.2815-2820.

20. Соколова Й.В., Хахаев И.А., Чудновский Ф.А., Шадрин Е.Б. Анализ возможности электронно-лучевого синтеза голограмм на реверсивных окисно-ванадиевых с труктурах//Научное приборостроение. -1992.-т.2.-в.2.-с.9-14.

21. Чудновский Ф.А.»Давыдов В.Ю.,Гончарук й.Н.»Шадрин Е.Б.,Вих-нин B.C.,Андроненко Р.Р.Мягкая, мода в изолирующей фазе yOg/Ap. 12 Международного симпозиума по эффекту Яна-Теллера, Тарту. -1994. -т. 1.-с. 20-21.

22. Чудаовский i.A.,Давыдов В.Ю. ДЪнчарук И.Н.,Хахаев И.А. ,Вих-нин B.C., Шадрин Е.Б. Комбинационное рассеяние света в металлической фазе диоксида ванация//Тр. 12 Международного симпозиума по эффекту Яна-Теллера, Тарту.-1994.-с.19.

По теме .диссертации получены также 7 авторских свидетельств на изобретения: A.C. $791009, A.C. J867274, A.C. .№971027, A.C. 11128716, A.C. Ü122ÖÖ76, А,С, Ш33215, A.C. 1 4340520.

-55f

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Приведенные в данной диссертационной работе результаты исследований оксидов перходных металлов, а именно, .диоксида ванадия, ВТСП - керамики У В си Си О и титано /силико/ силлени-тов, позволяют представить с%е единую картину их физических свойств .

Главное сходство свойств кристаллов этих соединений состоит в их способности запоминать предысторию своего состояния, определяющую их дальнейшее поведение.

Так диоксид ванадия и ВТСП - керамика запоминают свою температурную предысторию, тогда как титаносиллениты запоминают собственную температурную /данные ДТА/ и зарядовую /данные по КЗС и ФЭС/ предысторию.

Интересно отметить, что силлениты, диоксид ванадия и ВТСП-керамжи могут рассматриваться как звенья единой цепи, расположенные на некоторой общей качественной шкале.

Например фазовые превращения происходят в силленитах при высоких температурах /840 К/, диоксиде ванадия - вблизи комнат-ню: температур /340 Ж/, ВТСП - керамиках - при низких температурах /240 К/.

Далее силлениты обладают при Т, меньшей Те, диэлектрическими свойствами, диоксид ванадия - полупроводниковыми, ВТСП - соединения - металлическими.

Энергетичевкая щель составляет в силленитах - 3 эВ, в диоксиде ванадия 1 эВ, в ВТСП - соединениях - сотые доли ЭВ.

И, наконец, механизм памяти у силленитов - чисто электронны!, у диоксида ванадия - смешанный электронно-решеточный, у .ВТСП -керамики - чисто решеточный. Сказанное сцщщровано в табл. .

Помимо перечисленных сходных черт, исследованные в данной диссертационной работе соединения обладают большим количеством других близких по характеристикам свойств, но имеют, конечно, и сущетсвенные различия, данные о которых сведены в таблицу .

Наконец, следует сказать, что, помимо получения фундаментальной информации, такой, как подтверждение электронного /1аб-бардовского/ механизма фазового перехода металл-полупроводник в V 0^, построение функции распределения коэрцитивных температур и обнаружение связанных с этим размерных мартенситных эффектов, прямое наблюдение мягкой моды в диоксиде ванадия, объяснение свойств металлического состояния V в рамках модели несоразмерной фазы, обнаружение катодолюминесценции ВГСП - керамик инициированной сверхпроводящим фазовым переходом, обнаружение и исследование катодоэлектретного состояния в кристаллах титано-силленитов, прояснение механизма оптического повреждения в этих соединениях, в диссертационной работе показана возможность успешного использования оксидов переходных металлов в прикладных целях.

Так описана серия опто-электронных приборов нового поколения, среда которых лазерный энергоцрофшлометр, быстродейтсвующий элемент голо графической памяти, управляемое электронным лучом лазерное зеркало, системы электронно-лучевого синтеза голограмм, фотоэлектретные системы селекции .движущихся изображений, катодо-электретные модуляторы световых потоков.

На основании изложенного материала можно сказать, что фун-дашнтальная и прикладная актуальность оксидов переходных металлов не вызывает сомнений. к/i

Список литературы диссертационного исследования доктор физико-математических наук Шадрин, Евгений Борисович, 1997 год

1.I. Bruckner W., Opperman H., Reiohelt W., Terukow J.I., Tsohudnowski P.A., Wolf E. Vanadium Oxide.- Berlin, Ao.V., 1983 -251 s.

2. Villenouve G., Launay J.-C., Hagenmuller P. Properties electrioues du Systeme Y^xNbx02//Sol.St.Comm.-1974.-v.15.-p• 1683-1691.

3. Paul W.The present position of theory and experiment for V02// Mat.Res.Bull.~1970-v.5-p.691-694.

4. Мирлин Д.Н. Спектр поглощения двуокиси ванадия ниже точки перехода полупроводщш~металл//ФТТ-1968~т. Ю~с .3697-3699.

5. Gavini A.I Kwan O.C.Y., Optical properties of semiconducting V02-filras// Phys.Rev.B5-1972-p.3138-43

6. Mariani A., Merenda P., Yoos M. Lumineeoenoe of semiconducting V02//Sol.St.Comm.-1975-V.17-p.1485-1486.

7. Powell P.J., Berglund O.N., Spioer W.E. Photoemission from V02// Phys.Rev.-1969- v.178-p.1410-14l6

8. Sawadsky G.A., Post D. X-ray photoemission and Angerspectroscopy study of some vanadium oxides// Phys.Rev.-1979-B20-p.1546-1551

9. Черкашенко B.M., Курмаев E.3., Фотиев А.А., Волков В.Л. Рентгеновски© к-шдиооионные спектры ванадия в его окислах// ФТТ -1975-т.17-с.280-285.

10. ОЗ Губанов В.А., Эллис Д.Е. Квантово-химические расчеты электронной структуры диоксида ванадия// ЖСХ-1976-т.17-с.962

11. II3 Cherkashenko W.M., Doligh W.E., Kurmaev E.S., Potiew A.A.

12. X-ray ultrasoft spectra of vanadium in vanadiun oxides//Sol.St. 0hem.-1977-v.22™p.217-2241123 Gupta M.» Freeman A.I., Ellis D.E.,// PhyB.Rev.~-B16- p. 3338-3351.

13. Goodenogh I.B.// Sol.St.Comm. -1971-V.3- p.490-497.1193 Goodenough I.B. Progress in Solid State Chemistry Per-gamon Press, Oxford,1971-p.145.

14. Sci.Teohnol.A.-1984.-v.2.-N 2.-p.301-302.

15. Мотулевич Г.П.Оптические свойства поливалентных непереходных металлов// УФН.- 1969.- т.97.- в.2.- о.211-256.

16. Розенберг Г.В. Оптика тонкослойных покрытий.- М.Физмат-гиз.- 1958.- 112 с.

17. Roach W.R. Holographic storage in YOg// Appl.Phys.Lett.-1971.- v.9.~ n.11.- p.453-455.

18. Шкловский Б.И. , Эфрос А.Л.Электронные свойства легированных полупроводников. М. Наука, 1979. - 186 с.1433 Шварц К.К. Физика оптической записи в диэлектриках и полупроводниках,- Рига, Зжнатне,1986.- 232 с.1. ГЛАВА 2

19. Ланская Т.Г., Меркулов И.А., Чудновский Ф.А. Гистерезисные эффекты при фазовом переходе металл-полупроводник в диоксиде ванадия// ФТТ.-1978.- т.20.- с.1201-1208.

20. Егоров Ф.А., Темиров Ю.Ш. , Соколовский А.А., Дворяшшн В.Ф. Влияние фотоиндуцированного циклирования на свойства пленок ТО2// Письма в ЖТФ.- 1992.- т.18,- N.I8.- с.47-60.

21. Бугаев А.А., Захарченя Б.П., Чудновский Ф.А. Фазовый переход металл-полупроводник и ©го применение.- Л.Наука, 1979.-183 о.

22. Ройтбурд А.Л. Основы теории мартенситных фазовых переходов// УФН. -1974.- т.ИЗ.- 69-90.

23. Ландау Л.Д., Лифниц Е.М. Статистическая физика.-- М.Наука, 1976.- 421 с.

24. Бойко B.C. и др. Термоугфугие мартеноитные превращения// Металлы.-1992.-N I.-c.95-118.

25. Brews I.E. Simmetry Consideration and the Vanadium Dioxide Phase Transition// Phys. Rev.- 1970.- B1.- p.2557-2563.2*8. Fillingham P.J. Domain structure and twinning in crystals of ЧОй//

26. Heidinger W., Gross В.Anomalous hysteresys shape of VDg thin layers// Phys.Rev.Lett. ~ 1972.- n.2.- p.433-438.

27. Rogers K.D. et. al. Characterisation of epitaxially grown films of vanadium oxides// J. Appl.Bhys».--1991 . -v.70.-n 3.-p* 1412-1415»

28. The influence of deposition temperature on the structure and optical properties of YOg films// J.Yao«Soi.Teohn».- 1986. -A4.~ p.432-435.

29. Leone A., Trione A.M., Junga F. Alternation in electrical and infrared properties of vanadium oxides due to proton irradiation// IEEE trans, on nuclear Soi.- 1990.- v.37. —n.6.— p.1739-1743.

30. Голант B.F., Аброян ILA« , Остяков В.П. Оптические свойства облученных пленок материала. ФТЙРОС// Отчет по НИР» ЛПИ. -1986.- 31 с.

31. Bruckner W., Opperman H., Reichelt W., (Dereukow E.I., schudnowski P.A. » Wolf E. Yanadiumoxide. Darstellung, Eigenschaften, Anwendung.- Ac. Yer lag. Бег lin, 1983.- 251 S.

32. Bruckner W., Moldenhauer W., Wich H., Wolf E., Opperman H. , Gerlach u, Reichelt W. She range of Homogenity of YOg and the Influence of the Composition on the Physical properies// Phye. Stat.Bol.(a).- 1975.- v.29.- n.63.- p.63-70.

33. Ройтбурд А.Л. Основы теории мартерситных фазовых переходов// УФН.- 1974.- т.113т- с.69-90.

34. Griffits O.H.» Eastwood H.K. Influence of stochiometry on the metal-semiconductor transition in vanadium dioxide// J. Appl.Phys.- 1974.- v.45.- p. 2201-2211.

35. Kwan O.C.Y., Griffith 0.H.* Eastwood H.K. Transport and structural properties of YOg-filme// Appl.Phys.Lett.- 1972.-v.20.~ p.23-24.

36. Олейник A.C. Влияние технологических факторов на фазовый состав и морфологию окисно-ванадиевой структуры ФТИРОС// Эл.Техн., Сер. Эл.-вак. и газоразр. цриб.-1983.~ т.96«- в.1.~ с.42-46.

37. Haidinger W., Gross P. Anomalous hystertesis shape ofthin V02 layers// Thin Sol.Films.- 1972.- v.12.-n.2.- p.433-438.3103 UfertK.D. Doping of У02 Thin Films by Ion Implantation// Phys. Stat. Sol. A. 1977»- v. 42 • - p. 187. -1,90.

38. II3 Goodenoxjgh J.B. .The two Components of the Orystallograph^ Transition in V02// Sol.St.Chem.~ 1971.- p.490-500.

39. A12P3 11203// J.Appl.Phys.- 1993.- v.73.-n.6.-p.2841-2847.

40. ЗЛ93 Макин Г.И., Барышников Ю.Ю., ДружковQ.H.,Постникова Т.К. Исследование термического разложения алкоголятов ванадия// IV Всес. сов. по химии, технологии и применению ванадиевых соединений: Тез. докл.- Нижн.Тагил, 1986.с.97.

41. Пехович А.И., Жидких В.М. Расчеты теплового режима твердых тел.- Л. Энергия, 1968.- 311 с.

42. Hazony Y., Perkins H.K. Eleotronio structure and anomalous thermal expansion in Feig and YOg// J. Appi. Phys.-1970.- v.41p.5130-5136.

43. Т?г\о оcsv\rir\v»-t* 1 Ü7C хт OQC ~ t-к QO-1 П11WUU-i. « I ! « V » * У « J<~ I '-t l

44. Gervais F., Kress W. Lattice dynamics of oxides with rutile structure and instabilities at the metal-semioonductor phase transition of NbOg and VOg// Phys.Rev. В.- 1985.- v.311. N 8.- p.4809-4814.

45. Бугаев A.A., Захарченя Б.П., Чудновский Ф.А.Фазовый переход металл-полупроводник и его применение.- Л. Наука, 1979.183 с.

46. Андроненко P.P. Магнитные свойства полупроводниковой фазы диоксида ванадия: Автореферат диссертации на соиск. уч. ст. к.ф.-м.н.- Казань, 1989.- 18 с.

47. Никулин Б.И., Чудновский Ф.А., Шадрин Е.Б., Мясников Д.А. Влияние электронной ;0сшбардафовки^ ва-:,1^водиюоть пленок VQg//ТО.- 1988.- т.58.- в.12.- с. 24II-24I4.

48. Макаров В.В. Пространственное распределение плотности возбуждения в твердых телах, бомбардируемых электронами сэнергией 0,5 500 кэВ// ЖТФ.- 1978.- т.48.- В.З.- с.551-555.1. ГЛАВА 5

49. Гудаен Дж. Введение в Фурье-оптику.- М.Мир, 1970.-318 с.

50. Островский Ю.Н., Щепинов В.П., Яковлев В.В. Голографичекские интерференциошше методы измерения деформаций.-II.Наука, 1986.- 210 с.

51. Мэтьюз Д., Уокер Р. Математически© метода физики.- М. Атомиздат, 1983.- 397 с.

52. Oogan S.F., Kguen N.M., Perotti S.J., Rauch R.D. Optical Properties of electrooromio and Photochromic Vanadium Pent-oxide// J.Appl.Phy s.- v.86.- p.1333-1338.1. ГЛАВА 6.

53. Chudnovskii P.A. The metal-insulator phase transition in VOg and teonical applications// Sov.J.Teoh. Phys.- 1978.- v.20 n.8.- p.999-1012.

54. Агринский П.В., Захарченя В.П., Цукерман Е.В., Чудновс-кий Ф.А. Голографическая согласованная фильтрация на ФГИРОСе// Письма в ЖТФ.- 1983.- т.9.- в.12.- с.716-719.

55. Агеев Ю.й., Емельянов G.A., Крузенштерн В.М., Сагайдач-ный А. А. Оперативный контроль температуры пленки ФТ1Р0С посредством полупроводникового теплового конвертера// Письма в ЖТФ.-1981,- т.7.- в.З.- с.I48-151.

56. Sher Е.М. High effective thermoelectric elements// Pross. Euoropian Oonf. on Thermoelectrios. London: Petv.Pele-grinum Ltd.1988.- 10h 24.- p.277-282.

57. Воронин A.H., Зорин И.В., Чудновсий Ф.А., Гальперин В.Л., Кудасов А.С. Термоэлектрический элемент для пленки ФТИРОС // Измерительная техника.- 1978.- к 10.- с.39-41.-563

58. Бугаев А.А.» Захарченя Б.П., Чудновский Ф.А. Фазовый переход металл-полупроводник и его применение.-Л.Наука, 1979.183 с.

59. Пехович А.И.» Жидких В.М.Расчеты теплового режима твердых тел.- Л.Энергия, 1968.- 311 с.

60. Chivian I.S., Оав© W., Pester D.N. А 10,6 ит soan laser with programmable V02 mirror// IEEE Quant. El.-1979. v.QE -15, n.12.- p. 1326-1328.

61. Шульман A.P., Фридрихов С.В.Вторичноэмиссионные методы исследования твердых тел.- М.Наука.- 1977.- 501 с.

62. Бронштейн И.М., Фрайман Б.С. Вторичная электронная эмиссия.- М.Мир.- 1972.- 307 с.1. ГЛАВА 7.

63. Allen P.В., Wentzkowich R.M., Schulz W.W., Canfield P.O. Resistivity of the high temperature metallic phase of YOg // Phys.Rev.B.- 1993.- v.48.-n 7.- p.4359-4363.

64. Ruckenstein A.E., Varma C.M. A Theory of Marginal

65. Fermi-liquids// Mat. a. Mech.Superoond. НТО Superconductors III: Proc.Int vOonf.Part I. Jap. 22-26 July.-1991»- p»134-140.

66. Попова M.M., Пуятс А.В.» Спрингис M.I., Хлыбов У.П. К вопросу о катодожшнесценцш высокотемпературных овехцроводни-ков YBaOuO// Письма:,в ЖТФ.~ 1988.^ т.48.- в.II.- с.616-618.

67. Москвин А.В. Катодолющнеоцвнция.- М.Л. ,037ИЗ.-1948-1949.-682 с.

68. Burke W.Е., Wood D.L. X-Ray Luminescence of the Doped Y203// Adv. in X-ray Analises.-1968.-v.11.- p.204-208.

69. Pawar S.N., Todkar B.M., Awana V.P.S.,Agarval S.K., Narlicar A.V. Role of oxigen in electroluminescence of high. TQ YBaCuO semiconductors// Indian J. of Pure Appl.Phys.-1992.-v.30.-332-334.

70. Бронштейн И.M., Фрайман B.C. Вторичная электронная эмиссия.- М.Мир.- 1972.- 407 с.

71. Казанкин O.K. ж др. Прикладная электродажнесденция*-M.Сов.Радио.-1974.- 414 с.7103 Khomskii D., Kusmartsev P. Temperature induced redistribution of holes and properties of high T -superconductors//о1. Preprint . ф. 1-12.

72. Galemczuk R., Bongor E., Henry I.Y., Fotto L. , Yacheet. al.Evidence of a first order phase transition in УВа^Ои^О^ g at a?=230 k// Fevrier mars: Interlaken, 1988.- p.113-114.

73. Zhang J.X., Lin G.M., Zeng W.G., Liang K.F.y Lin Z.C. et. al. Very low frequency unelaetic study of YBagOu^O^^ in thermal cycling// Supercond.Sci.Tecimol.-1990,- v.3.~ p. 16-3-172.

74. Менке Г., Менке Д. Введение в лазерный эмиссионный шжроепектралышй анализ.- М.Наука, 1968.- 284 с; ЛехотовВ.С. Селективное действие лазерного излучения на вещество// УФН.-1978.- т.125.- в.I.- с.57.-71.

75. Г7 9R1 Т^г\аыо.хгиг\ В "R (fS-smn ттт, И- 7Т Г\тяп-оаг\г\х> "R U limciT>TfüT>1.< ш K/

76. Петров М.П., Степанов С.И.9 Хоменко А.В.,. Фоточувствительные электрооптические среда в голографии.-Л.Наука,I983.-269с.

77. Петров М.П., Степанов С.И., Хоменко А.В. Фоторефрак-тивные кристаллы в когерентной оптике. .-СПб.Наука, 1992.-317 с.

78. Роках А.Г. Фотоэлектрические явления в полупроводниках и диэлектржах.- Мзд.Сарат.Ун-та, 1984.- 157 с.

79. Константинов 0.В., Мезрин О.А., Кацавец Н.И., Леонов Е.И. О мехнизме релаксации электрического поля в ДЩ- структуре на основе фотопроводящего германата висмута// ФТТ.-1983.- т.25. -в.12.- С.3648-3652.

80. Фурман А.С. Динамика экранирования поля в полупровод- 569 нике с глубоким примесным уровнем//ФТП.-1988.- т.22.- в.12.-2138-2145.

81. Астратов В.Н., Ильинский A.B. Прямое исследование распределения поля в кристалле вао с помощью поперечного электрооптического эффекта// ФТТ.-1982.-т.24.- b.I.- с. 118-120.

82. Брыксин В.В., Коровин Л.И. » Петров М.П., Хоменко A.B. Теория явления динамической селекции изображений в фоторефрак-тивных средах// ФТТ.-1982.- т.24.- в.2. с.320-334.

83. Hou S.L., Lauer R.B., AldrichR.E. Transport process photoinduced carriers in Bi12Si020// J.Appl.Phys.-1973.- v.44.-p.2652-2658.

84. Аблова M.C., Андреев A.A., Певцов A.B. и др. Запись изображения на основе фотоиндуцированного электрооптического эффекта в BG0// Письма в ЖТФ.-1977.- т.З.- N 12.- с.537-540.

85. Кацавец Н.И., Кудрин И.Е., Леонов Е.И. Оптическая перезарядка глубоких примесных состояний в запрещенной зоне монокристаллов со структурой силленита// ЖТФ.-1988.- т.58.-в.3.» с.577-582.

86. Шварц К.К. . Физика оптической записи в диэлектриках и полупроводниках.- Рига, Зинатне,1986.- 230 с.

87. Копалов В.Л., Кравченко В.Б.» Куча В.В. Влияние легирования на ЭО-свойства монокриеталллов Bi12Sio20// Письма в ЖТФ.-1982.>- т.8.-в. 4.-с.205-207.

88. Кацавец Н.И. Исследоваще фотоэлектретного стояния в монокристаллах со структурой силлешта: Диссерт. на соискание УЧ. СТ. K.$.-Mv Н.- Л.,1985.- 286 О.

89. Астратов В.И., Ильнский A.B., Фурман A.C., Динамика экраадовашя электрического поля в фоторефрактившх кристаллах // Письма в ЖТФ.- 1988.- т.14.-в.14.- сЛ330-1335.

90. Астратов В.И., Ильинский A.B., Киселев ■ В. А., Мельников-этг

91. М.Б. Динамика распределения поля и заряда в Bi12Ge020 при термической ионизации ловушек//®Р1. -1983. -т. 25. -в. 9 ¿ 2630-2636

92. Miteva M. G., Some Possibilities for Improving the Holographic Recording Characteristics in Bi12Si02Q MonoorystalB // J.of Quant .EI. -1986 • -v.QE-22. n 8. ~ pИ 365-1368.

93. Ильинский A.B., Куценко A.B., Мельников М.Б.Стационарное распределение электрического поля в кристаллах силленитов, одновременно облучаемых электронным и световым лучками// ЖТФ. -1990.-- т.60.-B.6¿-С;84-91.

94. Бриггс Д*, Сиха М.П. Анализ поверхности методами Оке и рентгеновской фотоэлектронной спеткроскопии. ~М .Мир* 1987. 415 с.

95. Нефедов B.M.V Гати Д.А. * ДжурШ1СКИй Б.Ф.// Ж.Нэорг. Химии.<- 1975.-т.20,- N 9.- с ¿2307-2314.9103 Dohies Т.Р., Rabalias J.W.// Chem.Phys. -1977.- v.20. -p.277-283.

96. II. Brinen J.S., Mo.Clure J.E.// Anal.Lett.-1972.-v.5.-p.737-742.9123 Данченко T.B., Кудзин А.Ю., Труе&ева H.A. Фермоеш-мулированны© токи в кристалле Bi12Sio2Q// ФТТ.--1933.-Т.25.- в.6 с.1318-1320.

97. Yariv A. Theoty of the optical parametric oscillator// Quant .El.-1966.-vQE~-2. -r 9.- p. 418-24.

98. Ohiao R.Y., Towness C.H., Stoichett B.P. Stimulated Brillouen Scattering and coherent generation of inten.ce hypersonic waves// Phys.Rev.Lett.-1964.-v. 12.-*n 21.-- p.592-595.

99. Байрамов Б.Х., Захарченя Б.П.Б Хашхожев З.М. Самофокусировка и рассеяние излучения аргонового лазера в кристаллах германата висмута// ФТТ.--1972.- т.14.~ с.2730-2733.

100. Реди Дж. Действие мощного лазерного излучения.- М. Мир,1974.- 271 с.

101. Epivanov A.S. Avalance ionization in solid transparent dielectrics induced by strong laser radiation .pulses// Sov. J.of Exp.a.Teor.Phys.-1974.-v.67. -n 5. p.1805-1817.

102. Sparks M., Mills D.L.»Warren R. t Theory of electron-avalance breaodown in solids// Phys.Rev.-1981.-v.-B24.- p.3519-3541

103. Lesaux G., Launay J.C., Brun A. Transient Photocurrent induced by nanosecond light pulses in BSD and ВGO// Opt.Comm.-1986.-v.57.- n 3.- p.166-170.

104. Богданкевич O.B. и др. Электронно-лучевая и оптическая стойкость полупроводников// Кв.Эл. -1986.- т.13.- ж Ю»~ 0.2132-2134.