Особенности фотозарядового эффекта на природных материалах

На сегодняшний день в акустооптике представляет практическую значимость исследование механизмов фоточувствительности по аналогии с механизмами зрения живых существ. Для понимания данного процесса, создания новых алгоритмов видения, чувствительных элементов и регистрирующих приборов необходимо провести работы по исследованию этого процесса. Некоторые современные технические средства, такие как электронные и акустооптические устройства, позволяют продвинуться в этом направлении. Предполагается работа по исследованию фотозарядного эффекта, а также эксперимент по исследованию, для возможности дальнейшего практического применения.

Ключевые слова: фотозарядовый эффект, спектральная оптимизация, фоточувствительность, акустооптика, оптический фильтр, гелий-неоновый лазер, опто-механический модулятор, синхронный детектор

Цель и задачи исследования

Доказать возможность получения фотозарядового эффекта на поверхности некоторых полупродниковых материалах и других образцах.

Задачи:

1. Анализ литературных источников, посвященных данному вопросу.
2. Разработка экспериментальной установки для исследования.
3. Проведение эксперимента и получение результатов на поверхности исследуемых образцах.
4. Анализ полученных результатов.

Фотозарядовый эффект — это явление перераспределения заряда, возникающее под действием падающего излучения. Перераспределение заряда, расположенного вблизи поверхности проводника, сопровождается соответствующим изменением электростатического потенциала двойного слоя [1]. Этот эффект начал изучаться в 1989 г, была построена теоретическая модель явления, базирующаяся на эффекте перераспределения электронов по поверхности образца при облучении светом. Показана существенная зависимость величины эффекта от диэлектрической проницаемости, проводимости, формы поверхности. Особый интерес представляет эффект геометрического «усиления», который заметен на объектах, имеющих широкую освещаемую площадку и тонкий обратный (темновой) конец (острие, провод), и заключающийся в том что даже небольшое изменение электронной плотности под действием света приводит к появлению существенного избытка электронов на остром конце и, соответственно, появлению электрического поля [1,2,3].

Метод измерения напряжения фотозаряда основан на измерении небольшой разности электрических потенциалов в твердых объектах, при облучении светом с интенсивной модуляцией. Когда свет падает на образец, индуцируется небольшой электрический заряд поверхности и этот заряд измеряется как напряжение. Напряжение наблюдается на различных материалах, таких как проводники, полупроводники, диэлектрики, керамика и биологические объекты.

Фотозарядовый эффект появляется только при модулированном облучении. Это важный признак, который позволяет проверить, вызван ли измеренный сигнал этим эффектом, или вызван другими подобными эффектами, таких, как внешние и внутренние фотоэффекты, тепловое электричество и т. д. [4]

На основании анализа литературных источников [1,2,3,4,5], была выдвинута гипотеза о возможности применения исследовательского стенда для получения фотозарядового эффекта на поверхности материалов. Для этого необходимо создать исследовательский стенд, включающий источник излучения, экранированное отделение для образцов и регистрирующей системы, включающей синхронный детектор для регистрации слабых сигналов.

Была разработана схема экспериментальной установки рис. 1, в ходе дальнейшей работы данная схема была реализована рис.5.

Экранирующая коробка была выполнена из алюминия в форме циллиндра, входные окна — покрыты оксидом индия-олова (ITO) рис.2. В данную коробку помещается исследуемый образец. Излучение через входное окно 5 попадает на исследуемый образец 1. Черная поглощающая бумага 2, расположенная между образцом 1 и электродом 3, выполняет роль диэлектрика, а также исключает непосредственный контакт между ними, и дополнительно не дает излучению попадать на электрод 3. Исследуемый образец 1 и поглощающая бумага 2 помещаются в заземленную металлическую коробку 6, которая экранирована от внешних электрических наводок. На входном окне 5 нанесено токопроводящее покрытие, находящееся в контакте с коробкой 6.

Рис. 1. Описание работы схема для исследования фотозарядового эффекта: 1 — лазер, 2 — модулятор, 3 — поворотная призма, 4 — фокусирующий объектив, 5 — экранирующая коробка с исследуемым образцом, 6 — синхронный детектор, 7 — осциллограф

Рис. 2. Схема экранирующей коробки: 1 — исследуемый образец, 2 — черная бумага, 3 — электрод специальной формы, 4 — BNC-выход, 5 — входное окно, 6 — металлическая коробка

Внешний вид установки для исследования фотозарядового эффекта представлен на рис.3.

Рис. 3. Внешний вид экспериментальной установки, где 1 — лазер, 2 — модулятор, 3 — синхронный детектор, 4 — экранирующая коробка, 5 — осциллограф, 6 — поворотная призма

В качестве источника излучения использовался HeNe непрерывный лазер (длина волны λ=632 нм, мощность 1 мВт) совместно с модулятором. Модулятор позволял производить прерывание луча лазера с частотой от 10 до 650 Гц. Для регистрации сигнала с острия электрода использовался синхронный детектор Stanford SR510. В качестве исследуемых образцов были использованы осколок пластинки из кремния (Si), два листа дерева зеленый и желтый рис. 4, а также другие образцы.

Результатом измерений были временные зависимости амплитуды, полученные с исследуемых образцов на частотах от 60 до 650 Гц. На рис. 5 представлены результаты эксперимента для пластинки Si, рис. при облучении образцов HeNe лазером с частотой модуляции 485 Гц. На рис. 6 для желтого и зеленого листа. Наибольшая амплитуда сигнала была на пластике Si, поскольку она была лучше технологически обработана (гладкая поверхность, собственная толщина 1 мм). Поэтому для точного сравнения результатов эксперимента желательно иметь одинаковые геометрические параметры исследуемых образцов.

Рис. 5. Сигнал с электрода с использованием пластинки Si c частотой модуляции 485 Гц

Рис. 6. Сигнал с электрода при использовании желтого листа дерева (слева) на частоте 92 Гц и при использовании зеленого листа дерева (справа) на частоте 61 Гц

Выводы и результаты:

По окончанию работы были получены следующие результаты:

1. Доказана возможность получения фотозарядового эффекта на поверхности полупроводниковых материалах (Si, GaAs, Ge), а также некоторых органических образцах (листья) с использованием разработанной установки. Что позволяет потенциально использовать его для бесконтактного дистанционного сканирования свойств поверхности и определения ее структуры.
2. Получены зависимости амплитуд фотоэффекта от времени для вышеупомянутых материалов.
3. С изменением частоты модуляции амплитуда сигнала изменялась не линейно, форма оставалась постоянной. При изменении частоты в диапазоне от 60 до 650 Гц амплитуда сигнала сначала увеличивалась, а потом плавно уменьшалась, особенно это хорошо было заметно на полупроводниках Si и AsGa. Этот результат связан с частотными характеристиками исследуемых образцов, максимальное перераспределение зарядов происходит в середине частотного диапазона.
4. При измерениях в темноте и освещаемом помещении, амплитуда сигала в темноте была больше. Также форма сигнала в темноте была синусоидальной, а при внешнем освещении наблюдались искажения формы. Объясняется это интерференцией спектра лазера и внешнего света, в результате наблюдается сигнал с более широким спектром, который по форме напоминает искаженную синусоиду.
5. При исследовании фотозарядного эффекта на листьях амплитуда сигнала на желтом листе была больше, чем на зеленом. Этот результат может быть использован для создания новых регистрирующих приборов.

Полученные данные будут использоваться для дальнейшего изучения фотозарядного эффекта. В дальнейшей работе планируется пронаблюдать исследуемый эффект на других материалах (металлы, другие диэлектрики и органические материалы), доработать установку для измерения формы поверхности образца с использованием фотозарядного эффекта, что необходимо при реализации новых акустооптических систем видения.

Литература:

1. Мартьянов П.С, Бурмак Л. И. Метод на основе фотозарядового эффекта для разработки новых оптических систем. // Universum: Технические науки: электрон. научн. журн. 2017. № 6(39).
2. V. I. Pustovoit, M. Borissov, O. Ivanov. Photo-charge effect in conductors // Physics Letters A. 1989. V.135(1). P.59–61.
3. V. I. Pustovoit, O. Ivanov, M. Borisov. Photon-charge effect in conductors.//Physics Letters A, 1989, v.135, no.1, p.59–61; V. I. Pustovoit, O. Ivanov, M. Borisov. Surface photo-charge effect in conductors.//Solid State Communications, 1989, v.72, no.6, p.613–619
4. O. Ivanov, V. Mihailov, R. Djulgerova. Spectal Dependencies of the surface photo charge effect at conducting surfaces// Spectroscopy letters: an international journal for rapid communication 33:3, 2000, p.393–398
5. Курчанов А. Ф., Епихина Г. Е., Ефреев З. Л., Фаенов А. Я. Наблюдение фотоэлектрического эффекта при воздействии лазерного излучения на металлы и полупроводники // Квантовая электроника, 1988. Т.15, № 4. С.720–725.