<<
>>

Известные оптические аномалии в монокристаллах германия и парателлурита.

В кристаллах германия OA непосредственно в видимом диапазоне не видны, но наиболее грубые из них всегда локализованы в объёмах материала с высокой плотностью дислокаций, как правило, содержащих и МУТ (малоугловые границы) [2, 60, 91].

На рис. 1.7 показана поверхность

монокристалла германия диаметром 300 мм, подвергнутая химическому селективному травлению и условно разделённая на секторы с целью подсчёта плотности дислокаций по объёму материала. Даже визуально хорошо

заметно, что в распределении дислокационных ямок травления имеется явная

неравномерность - светлые области соответствуют малой плотности

дислокаций, тёмные области - высокой плотности дислокаций, причём различия этой величины достигают по кристаллу не менее порядка - от IO4 до IO5см'2.

Рис. 1.7. Поперечное сечение протравленного монокристалла германия, размеченное для локального анализа плотности дислокаций

На рис. 1.8 представлен монокристалл германия с выделенными зонами, отличающимися по структурному и оптическому совершенству. Кристалл имел диаметр 52 - 55 мм и длину вдоль оси роста 300 мм. На сечении образца выделены 4 области, отличающиеся структурным совершенством. Области 1 и 2 характеризовались наличием разветвлённых малоугловых границ (в области 1 - более высокая концентрация малоугловых границ). Области 3 и 4 характеризовались наличием относительно равномерно распределённых дислокаций с разной их плотностью - в областив

Рис.

1.8. Монокристалл германия диаметром 52-55 мм с четырьмя выделенными областями, отличающимися плотностью дислокаций и

наличием МУТ (малоугловых границ)

Интерферометрические исследования этого же образца германия на проход проводились на ИК-интерферометре IR-80, построенном по схеме Тваймана-Грина с контрольной длиной волны 10,6 мкм. Визуализация интерферограмм осуществлялась с помощью пировидикона с последующим вводом массива данных об интенсивностях в компьютер.

Рис. 1.9. Интерферограмма области германия с высокой плотностью

дислокаций, полученная на проход при длине волны излучения λ=10,6 мкм

На рис. 1.9 приведена интерференционная картина при контроле на проход участка, соответствующего области 1 на рис. 1.8 с максимальной

5 2

плотностью дислокаций (10 см') и максимальной концентрацией малоугловых границ.

Анализ результатов показывает, что среднеквадратическая деформация волнового фронта (RMS) составляет 0,115λ, а полный размах (AN) - 0,40λ. Оптическая неоднородность (An) в представленном образце меняется монотонно и определяется по полному размаху (AN) зональной ошибки где h - толщина образца.

Значение оптической неоднородности в области 1 составило В областях 2, 3 и 4 аналогичные эксперименты дали

Расчеты механических напряжений σ∣,∣в германии, основные на полученных экспериментально значениях вариаций показателей преломления Ап, производились согласно формуле (1.1).

Результаты расчетов показали, что максимальные значения механических напряжений в областях с наихудшей оптической

Q

однородностью составили (4-5)∙ 10 Па в областях с максимальными концентрациями малоугловых границ и с максимальной плотностью дислокаций (порядка 10 см').

Минимальные значения механических напряжений (5-7)∙ 10 Па наблюдались в областях с максимальной оптической однородностью и минимальной плотностью дислокаций (порядка 5-10 см' ), в которых отсутствуют малоугловые границы.

Таким образом, связь между дефектами структуры, вызванными ими механическими напряжениями, а также электрофизическими параметрами и оптическими аномалиями в монокристаллах германия выявляется достаточно однозначно на качественном уровне, а с помощью интерференционных методов может быть получена численно.

В монокристаллах парателлурита многие OA макроуровня и мезоуровня выявляются значительно легче благодаря прозрачности материала в видимом диапазоне.

Дефекты полированных поверхностей этих кристаллов могут наблюдаться на экранах и фиксироваться цифровыми камерами непосредственно на экранах при освещении оптических элементов расширенными коллимированными пучками лазерного света, как это показано на рис. 1.10. Другой, более прецизионный способ исследования оптической однородности кристаллов парателлурита заключается в использовании узких, непреобразованных лазерных лучей. Сначала свободный луч направляется во входное окно прибора «Laser Beam Profiler», выход с ПЗС-матрицы которого в виде графической зависимости интенсивности излучения от координат в плоскости (или вдоль какой-либо координатной оси) наблюдается на экране PC. Затем луч пропускается в лазерный профилометр через исследуемый участок кристалла, записывается искажённый в оптическом элементе профиль интенсивности, после чего производится компьютерное вычитание исходного и искажённого профилей интенсивности. Это позволяет на качественном уровне и количественно оценивать искажения, вносимые в профиль луча только OA, присущими конкретному кристаллу. При этом можно проводить измерения по всей входной апертуре оптического элемента. Если тестируется исходный кристалл в виде були с прополированными взаимно-параллельными «окошками» на противоположных сторонах кристалла, то можно заранее выбирать для последующего использования наиболее оптически однородные объёмы материала.

Свили в парателлурите наиболее подробно исследованы в работах [44, 45]. В них доказано, что свили (рис. 1.12), соответствуют тем объемам кристаллов, в которых резко, на 1-2 порядка повышена плотность дислокаций по сравнению с окружающими объёмами, что показано на рис. 1.13.

Плотность дислокаций в области кристалла со свилью достигает значений ~106см'2. В оптически однородной области кристалла плотность дислокаций не превышает 10 см' . Бессвильность кристаллов с наивысшей степенью оптической однородности, определяемая согласно ГОСТу 3522-81, должна соответствовать категории 1Б.

Рис. 1.10. Дефекты и оптические аномалии на полированной поверхности монокристалла парателлурита, наблюдаемые в линейно-поляризованном

лазерном свете

Рис. 1.11. Вызванные OA искажения формы профиля интенсивности в сечении лазерного луча, прошедшего оптический элемент из кристалла парателлурита. Гауссова форма - исходный луч. Искажённая форма - луч, прошедший через кристалл

Рис. 1.12. Крупная свиль, проходящая в направлении [001] кристалла

парателлурита. Направление наблюдения - [110]

Рис. 1.13. Дислокационные ямки травления участка поверхности кристалла парателлурита (плоскость среза - (110)) в области, содержащей свиль

Газовые пузырьки - дефекты структуры, хорошо известные еще с первых опытов по выращиванию кристаллов парателлурита из расплава методом Чохральского [42-44,92]. По классификации OA газовые включения могут относиться к аномалиям всех размерных уровней, поскольку диаметры пузырьков лежат в пределах от нескольких мкм до 1-2 мм (рис.1.14-1.16.). В

связи с этим данные OA хорошо разрешаются с помощью методов классической микроскопии. Установлено, что материал, прилегающий к областям с пузырьками, свободен от механических напряжений и не отличается повышенной концентрацией других структурных дефектов и OA - дислокаций, МУГ, блоков, больших вариаций показателей преломления. Оптическое действие самих пузырьков на проходящий свет близко к действию микроскопических пустотелых рассеивающих линз, в итоге рассеивающих часть светового потока, вошедшего в кристалл, что искажает изображения и ухудшает все оптические параметры устройств. Требования к пузырности кристаллов парателлурита, как и других кристаллов и стёкол, регламентируются ГОСТ 3522-81 [93]. Материалы оптические. Метод определения пузырности.

Считается, что для большинства акустооптических устройств и двулучепреломляющих призм на основе кристаллов парателлурита достаточно категории пузырности ЗГ.

Типичными OA макроуровня в парателлурите является аномальная оптическая двуосность, характеризующаяся углом 2 V между наведёнными осями. Причиной этой аномалии являются остаточные послеростовые механические напряжения, искажающие оптическую индикатрису кристалла. Аномальная двуосность выявляется интерференционно-поляризационным методом коноскопии при наблюдении одноосных кристаллов в направлении оптической оси в коническом пучке линейно-поляризованного света [94,95].

Рис. 1.14. Закономерно расположенные микропузырьки диаметром 10-12 мкм, а также неизомерные крупные газовые включения на границе с объёмом без пузырьков в монокристалле парателлурита

Рис. 1.15. Общий вид кристалла парателлурита с захваченными газовыми пузырьками. А - периферийная область кристалла без пузырьков; В - область с пониженной концентрацией пузырьков; C - область массового захвата кристаллом пузырьков с характерным секториальным распределением по пирамидам роста; D - узкая приосевая область с повышенной концентрацией пузырьков

Рис. 1.16. Крупный одиночный пузырь диаметром 1,8 мм в кристалле парателлурита

Рис. 1.17. Проявление пьезооптического эффекта, вызванного механическими напряжениями, в виде аномальной двуосности с углом между наведёнными осями 2V~27', наблюдаемой в коноскопической картине монокристалла ниобата лития, полученной с помощью лазерного излучения в направлении оптической оси (ф = 0) для объема в центре

(на оси) були. Две темные точки - выходы наведённых осей

До недавнего времени для реализации коноскопического метода использовались только поляризационные микроскопы или полярископы, что ограничивало как поперечные размеры, так и толщину тестируемых образцов. В последние годы получил распространение и широкое развитие метод лазерной коноскопии [96-102], в котором в качестве источника линейно-поляризованного света используется лазер видимого диапазона, луч которого, после преобразования в системе линз или в коллиматоре, имеет коническую форму и широким пучком проходит через большую площадь входной грани исследуемого на двуосность кристалла. Примером использования лазерной коноскопии является полученная в настоящей работе коноскопическая картина монокристалла ниобата лития, представленная на рис. 1.17. Преимущества такого аппаратурного оформления метода состоят в возможности наблюдения изохром (линий равной разности хода обыкновенных и необыкновенных волн) значительно более высоких порядков, чем это возможно в микроскопах. Вся коноскопическая картина существенно ярче и чётче, чем при наблюдении в микроскоп или полярископ. Проецирование лазерной коноскопической картины на большой полупрозрачный экран в масштабе 1:1с последующей съёмкой её цифровой цветной камерой с обратной стороны экрана (навстречу лучам) позволяет проводить затем точный численный анализ полученных изображений с помощью специально разработанной в настоящей работе компьютерной программы. В данной программе используется недавно выведенное в авторских работах [69, 71] точное уравнение изохром одноосных кристаллов, на основании которого рассчитывается теоретическая картина изохром для кристалла заданного вещества с известной толщиной, с известными главными показателями преломления для применяемой длины волны излучения и с известным углом между нормалью к кристаллу и его оптической осью. Теоретическая картина изохром сравнивается с картиной, полученной экспериментально, что позволяет исследовать все известные

типы OA в парателлурите, в том числе свили, вариации показателей преломления, аномальную двуосность.

Механические напряжения, дающие наблюдаемый угол двуосности, можно рассчитать по формуле, приведённой в работе [95]:

где π - компоненты тензора пьезооптических коэффициентов, σμ- компоненты тензора механических напряжений, V-половина угла между наведенными осями.

Угол Ризм, который можно измерить непосредственно на экране, позволяет найти и истинный угол Vиз очевидного приближенного соотношения где - расстояние между точками выхода оптических осей на экране, d - расстояние между выходной поверхностью кристалла и экраном

- средний показатель преломления. В исследованном кристалле угол аномальной двуосности составлял 27', что дает для механических напряжений значение ~ 40 Mna (4 кГ/мм ).

Теоретически аномальная двуосность всегда существует даже у идеальных с практической точки зрения одноосных кристаллах, однако экспериментально, при углах менее 2-3', она находится за гранью обнаружения. Считается, что для элементов из одноосных кристаллов в самых чувствительных к OA оптоэлектронных устройствах достаточно выполнение следующих требований по двуосности: в приповерхностных слоях кристалла она не должна превышать 30', во внутренних объёмах — 20'.

<< | >>
Источник: Третьяков Сергей Андреевич. ВЛИЯНИЕ ДЕФЕКТОВ СТРУКТУРЫ И МИКРОРЕЛЬЕФА ПОВЕРХНОСТЕЙ НА ОПТИЧЕСКУЮ ОДНОРОДНОСТЬ МОНОКРИСТАЛЛОВ. Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук. Тверь 2019. 2019

Еще по теме Известные оптические аномалии в монокристаллах германия и парателлурита.:

  1. 3.4.3 Определение удельного сопротивления монокристаллов германия.
  2. 3.3 Тепловизионный контроль монокристаллов германия.
  3. 1.1. Классификация оптических аномалий в кристаллах.
  4. Глава I. ОПТИЧЕСКИЕ АНОМАЛИИ В КРИСТАЛЛАХ.
  5. Влияние рельефа поверхностей на оптические характеристики элементов из монокристаллов.
  6. Третьяков Сергей Андреевич. ВЛИЯНИЕ ДЕФЕКТОВ СТРУКТУРЫ И МИКРОРЕЛЬЕФА ПОВЕРХНОСТЕЙ НА ОПТИЧЕСКУЮ ОДНОРОДНОСТЬ МОНОКРИСТАЛЛОВ. Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук. Тверь 2019, 2019
  7. Третьяков Сергей Андреевич. ВЛИЯНИЕ ДЕФЕКТОВ СТРУКТУРЫ И МИКРОРЕЛЬЕФА ПОВЕРХНОСТЕЙ НА ОПТИЧЕСКУЮ ОДНОРОДНОСТЬ МОНОКРИСТАЛЛОВ. АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук. Тверь - 2019, 2019
  8. 3.4.2 ИК-дефектоскопия образцов германия.
  9. 2.1 Расчет индикатрис диффузионного отражения и рассеяния света поверхностями кристалла с известным микрорельефом с помощью метода геометрооптического приближения.
  10. 1.7. Влияние OA на характеристики оптических, оптоэлектронных и лазерных устройств на основе кристаллов.
  11. Зависимость пропускания, поглощения и рассеяния света от объемных дефектов структуры и оптической однородности кристаллов.
  12. 3.1 Применение коноскопии для численных оценок искажений оптической индикатрисы, связанных с дефектами структуры
  13. Связь между дефектами структуры и оптическими неоднородностями в кристаллах.
  14. 3.4 Использование ИК метода для выявления структурных дефектов и оптической неоднородности.
  15. ОГЛАВЛЕНИЕ
  16. Заключение
  17. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
  18. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ