СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОЛЯРИЗАЦИОННО-ЧУВСТВИТЕЛЬНОЙ НАНОКОМПОЗИТНОЙ ПЛЁНКИ НА ОСНОВЕ СЕЛЕНИДА МЕДИ
METHOD FOR PRODUCING A POLARISATION-SENSITIVE NANOCOMPOSITE FILM BASED ON COPPER SELENIDE

Изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано для создания чувствительных к поляризации и направлению волнового вектора падающего лазерного излучения пленочных фотоэлементов.
Известен способ изготовления поляризационно-чувствительной нанографитовой пленки, в котором указанную пленку получают методом плазмохимического осаждения из смеси метана и водорода на кремниевой подложке [Михеев Г.М., Стяпшин В.М. Нанографитовый анализатор поляризации лазерного излучения // Приборы и техника эксперимента. 2012. №1. С.93-97.]. Известен также способ изготовления поляризационно-чувствительной серебро-палладиевой резистивной пленки, в котором указанную пленку получают путем вжигания на керамической подложке специальной резистивной пасты, состоящей из палладия, оксида серебра, стеклянной фритты и органического связующего [Михеев Г.М., Саушин А.С., Гончаров О.Ю., Дорофеев Г.Α., Гильмутдинов Ф.З., Зонов Р.Г. Влияние температуры вжигания на фазовый состав, фотовольтаический отклик и электрические свойства резистивных Ag/Pd пленок // Физика твердого тела. 2014. Т. 56, №11. С.2212-2218.].
Недостатками указанных способов являются низкая лучевая стойкость поляризационно-чувствительной пленки в первом случае и использование дорогостоящих металлов при производстве поляризационно-чувствительной пленки во втором случае, а также высокая трудоемкость изготовления и низкая эффективность преобразования мощности падающего лазерного излучения в фототок в том и другом случае.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному способу является способ изготовления поляризационно-чувствительной нанокомпозитной пленки на основе селенида меди, включающий последовательное нанесение методом вакуумно-термического напыления в едином вакуумном цикле слоев селена и меди на находящуюся при комнатной температуре и расположенную перпендикулярно к направлению движения напыляемых частиц диэлектрическую подложку [Михеев Г.М., Когай В.Я., Зонов Р.Г., Михеев К.Г., Могилева Т.Н., Свирко Ю.П. Генерация поляризационно-чувствительного фототока в тонкой нанокомпозитной пленке CuSe/Se // Письма в ЖЭТФ. 2019. Т. 109, Вып. 11. С.739-745.].
Недостатком указанного способа является низкая эффективность преобразования мощности падающего лазерного излучения в фототок в изготовленной пленке.
Задачей изобретения является разработка способа изготовления поляризационно-чувствительной нанокомпозитной пленки на основе селенида меди с большей эффективностью преобразования мощности лазерного излучения в фототок.
Сущность изобретения заключается в том, что в отличие от известного способа изготовления поляризационно-чувствительной нанокомпозитной пленки на основе селенида меди, включающего последовательное нанесение методом вакуумно-термического напыления в едином вакуумном цикле слоев селена и меди на находящуюся при комнатной температуре и расположенную перпендикулярно к направлению движения напыляемых частиц диэлектрическую подложку, полученную нанокомпозитную пленку отжигают в вакууме при температуре выше 120°С и ниже 217°С.
Техническим результатом является увеличение эффективности преобразования мощности лазерного излучения в фототок в поляризационно-чувствительной нанокомпозитной пленке на основе селенида меди.
Фиг. 1 показывает схему наблюдения электрического сигнала в поляризационно-чувствительной нанокомпозитной пленке на основе селенида меди в зависимости от поляризации падающего лазерного излучения: 1 - нанокомпозитная пленка на основе селенида меди; 2 - измерительные электроды; 3 - диэлектрическая подложка; 4 - осциллограф. Здесь «+» и «-» - положительный и отрицательный входы осциллографа соответственно; σ - плоскость падения; n - нормаль к поверхности пленки; k, Е - соответственно волновой и электрический векторы падающего излучения (k⊥Е); Φ - угол поворота плоскости поляризации падающего излучения относительно плоскости падения (οсь ξ лежит в плоскости σ, ξ⊥k).
Фиг. 2 показывает аппроксимированные зависимости коэффициента преобразования энергии падающего лазерного излучения в фототок, возникающий между измерительными электродами, от угла Ф, полученные на длине волны 795 нм при указанной на Фиг. 1 схеме подключения измерительных электродов к входам осциллографа: кривая 5 - зависимость коэффициента преобразования от угла Ф до отжига поляризационно-чувствительной нанокомпозитной пленки; кривая 6 - зависимость коэффициента преобразования от угла Φ после отжига.
Способ изготовления поляризационно-чувствительной нанокомпозитной пленки на основе селенида меди по данному изобретению осуществляется следующим образом. На находящуюся при комнатной температуре диэлектрическую подложку последовательно наносят методом вакуумно-термического напыления в едином вакуумном цикле слои селена и меди. При эту подложку располагают перпендикулярно к направлению движения напыляемых частиц. Горячие пары и кластеры меди, попадая на легкоплавкий слой селена, вступают с ним в химическую реакцию, в результате которой на поверхности подложки образуется полупрозрачная электропроводящая поляризационно-чувствительная нанокомпозитная пленка, состоящая из поликристаллического селенида меди и аморфного селена. Полученную нанокомпозитную пленку отжигают в вакууме, в результате чего происходит кристаллизация аморфного селена и укрупнение кристаллитов селенида меди, что приводит к увеличению эффективности преобразования мощности лазерного излучения в фототок.
Генерация фототока в поляризационно-чувствительной нанокомпозитной пленке на основе селенида меди находится в качественном согласии с теорией генерации фототока посредством поверхностного фотогальванического эффекта и обусловлена анизотропией элементарных процессов возбуждения и рассеяния фотоэлектронов на поверхности и в объеме пленки. Поскольку данная пленка, полученная методом вакуумно-термического напыления, имеет поликристаллическую, с аморфными включениями, структуру, то вследствие влияния границ кристаллитов вероятность рассеяния несущих вклад в фототок оптически выстроенных фотоэлектронов в объеме такой пленки будет больше, чем в монокристалле, а генерируемый в ней фототок будет соответственно меньше [Михеев Г.М., Когай В.Я., Зонов Р.Г., Михеев К.Г., Могилева Т.Н., Свирко Ю.П. Генерация поляризационно-чувствительного фототока в тонкой нанокомпозитной пленке CuSe/Se // Письма в ЖЭТФ. 2019. Т. 109, Вып. 11. С.739-745.]. Кристаллизация аморфного селена и укрупнение кристаллитов селенида меди путем рекристаллизации, происходящие в ходе отжига указанной нанокомпозитной пленки, приводят к уменьшению рассеяния оптически выстроенных фотоэлектронов в ее объеме и увеличению эффективности преобразования мощности лазерного излучения в фототок.
В наших экспериментах формирование поляризационно-чувствительной нанокомпозитной пленки на основе селенида меди осуществлялось методом вакуумно-термического напыления на прямоугольную кварцевую подложку размером 17,5×34,5 мм. Вдоль коротких сторон подложки были предварительно нанесены два параллельных тонкопленочных измерительных электрода шириной 5 мм. В процессе напыления подложка имела комнатную температуру и находилась на расстоянии 0,12 м от испарителя перпендикулярно к направлению движения напыляемых частиц. Соотношение навесок селена и меди в испарителе составляло 19:5. Готовая пленка имела толщину 130 нм и сопротивление постоянному току между измерительными электродами 37,2 Ом.
Отжиг экспериментального образца производился при температуре 150°С в течение 30 минут. Сопротивление постоянному току между измерительными электродами в отожженной пленке составило 25,7 Ом.
Выбор температуры отжига был обусловлен следующим. Известно, что скорость превращения одной модификации селена в другую зависит от температуры [Лебедь А. Б., Набойченко С.С., Шунин В.Α.; под общ. ред. Набойченко С.С. Производство селена и теллура на ОАО «Уралэлектромедь»: учебное пособие. Екатеринбург: Изд-во Урал. Ун-та., 2015. 112 с.]. Аморфный селен при 28°С медленно превращается в кристаллический моноклинный, а при 43°С - в кристаллический гексагональный. Переход моноклинного селена в гексагональный полностью завершается при 120°С в течение 1 часа, а при температуре 65°С данный процесс длится свыше 17 суток. Таким образом, за нижнюю границу температуры отжига уместно принять 120°С. В то же время отжиг должен производиться при температуре ниже температуры плавления. Температура плавления гексагонального селена меньше температуры плавления селенида меди и, по различным данным, составляет от 217°С до 220°С. В качестве верхней границы температуры отжига можно взять наименьшую из этих температур.
Анализ рентгеновских дифрактограмм, полученных до и после отжига, подтвердил возникновение кристаллического селена в отожженном образце, а также указал на рост кристаллитов селенида меди в процессе отжига.
Фототок в исследуемой пленке возбуждался на длине волны 795 нм лазерными импульсами длительностью 120 фс с энергией в импульсе E=0,15 мДж. Измерение фототока осуществлялось при помощи быстродействующего цифрового осциллографа с полосой пропускания 7 ГГц и входным сопротивлением r=50 Ом по схеме, представленной на Фиг. 1, для различных углов Φ до и после отжига пленки. Угол падения излучения на пленку составлял 45°.
Известно, что зависимость величины экстремального значения U однополярной импульсной фото эдс, возникающей между измерительными электродами в поляризационно-чувствительной нанокомпозитной пленке на основе селенида меди, от мощности падающего лазерного излучения носит линейный характер. Количественной мерой эффективности преобразования мощности лазерного излучения в фототок в этом случае при регистрации одинаковых по длительности лазерных импульсов может служить коэффициент преобразования энергии лазерного излучения в фототок:
Экспериментальные зависимости, приведенные на Фиг. 2, показывают, что отожженная нанокомпозитная пленка на основе селенида меди по-прежнему является поляризационно-чувствительной и имеет существенно больший коэффициент преобразования энергии лазерного излучения в фототок по сравнению с исходной.
Таким образом, в результате отжигав вакууме при температуре выше 120°С и ниже 217°С поляризационно-чувствительной нанокомпозитной пленки на основе селенида меди, изготовленной путем последовательного нанесения методом вакуумно-термического напыления в едином вакуумном цикле слоев селена и меди на находящуюся при комнатной температуре и расположенную перпендикулярно к направлению движения напыляемых частиц диэлектрическую подложку, происходит увеличение эффективности преобразования мощности лазерного излучения в фототок в указанной пленке.