Влияние примесных ионов на оптическое поглощение и люминесценцию монокристаллических пленок галлиевых гранатов, выращиваемых методом жидкофазной эпитаксии Васильева Наталья Владимировна

Диссертация - 480 руб., доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Автореферат - бесплатно, доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Васильева Наталья Владимировна. Влияние примесных ионов на оптическое поглощение и люминесценцию монокристаллических пленок галлиевых гранатов, выращиваемых методом жидкофазной эпитаксии : Дис. ... канд. физ.-мат. наук : 01.04.07 : Москва, 2004 170 c. РГБ ОД, 61:04-1/1367

Содержание к диссертации

Введение

Глава 1. Литературный обзор 9

1.1. Структура монокристаллов гранатов 9

1.2. Жидкофазная эпитаксия монокристаллических пленок гранатов 11

1.3. Оптическое поглощение примесных и легирующих ионов в монокристаллах гранатов 19

1.4. Люминесценция монокристаллов GcbGasO^Nd 34

1.5. Твердотельные лазеры на основе монокристаллических пленок 40

Выводы главы 1 42

Глава 2. Методика выращивания и измерение параметров эпитаксиальных пленок гранатов 44

2.1. Методика и установка для выращивания монокристаллических эпитаксиалъных пленок 44

2.2. Методика измерения спектров поглощения 47

2.3. Методика исследования спектрально-люминесцентных характеристик 50

2.4. Фотографирование монокристаллов граната 54

Выводы главы 2 55

Глава 3. Оптическое поглощение примесных ионов в эпитаксиалъных пленках галлиевых гранатов 56

3.1. Подложка из Gd3Ga50i2 56

3.2. Пленки, выращенные из раствора-расплава на основе системы РЬО - В203 60

3.2. Пленки, выращенные из раствора-расплава на основе системы Ві203 - В203 72

Выводы главы 3 82

Глава 4. Спектральные характеристики эпитаксиальных пленок галлиевых гранатов, легированных оптически активными ионами 83

4.1. Nd-содержащие пленки 83

4.2, Co-содержащие пленки 101

Выводы главы 4 116

Основные результаты и выводы 118

Литература

Жидкофазная эпитаксия монокристаллических пленок гранатов
Методика исследования спектрально-люминесцентных характеристик
Пленки, выращенные из раствора-расплава на основе системы Ві203 - В203
Co-содержащие пленки

Введение к работе

Актуальность работы. Современный этап развития оптоэлектроникй характеризуется потребностью создания компактных оптических схем на тонкопленочных оптических элементах [1]. Привлекают следующие особенности пленочных устройств:

- все элементы находятся на одном основании, что упрощает их
взаимодействие;

плотность светового потока может быть очень высокой даже при средних уровнях мощности пленочного лазера, поскольку большая часть энергии света сосредоточивается в пленке;

фазовая скорость световой волны в пленочном волноводе может изменяться в зависимости от толщины пленки и вида колебаний.

Технология жидкофазной эпитаксии позволяет получать на немагнитных подложках со структурой граната эпитаксиальные многокомпонентные гранатовые пленки с достаточно высоким кристаллическим совершенством [2-4]. За последнее время были получены и исследованы лазерные тонкопленочные структуры, выращенные в основном на подложках из Y3AI5OU (ИАГ) [5-8]. Недостатком этого монокристалла является невысокая изоморфная емкость, обусловленная малым параметром кристаллической решетки (1,2005 нм) [9]. Ионы А1³⁺ являются наименьшими по размерам среди входящих в тетра- и октаэдрические подрешетки в структуре граната, а среди входящих в додекаэдрическую подрешетку меньшими размерами по сравнению с Y³⁺ обладают только ионы Lu³⁺, Yb³⁺, Tm³⁺ и Er³* [10]. Это ограничивает максимальную концентрацию крупных ионов (например, Nd³⁺), которую можно ввести в эпитаксиальную пленку на подложке ИАГ, поскольку необходимым условием получения эпитаксиальной пленки является согласование параметров решеток пленки и подложки с точностью порядка 0,01 % [1,11].

Более высоким параметром кристаллической решетки (1,2383 нм) обладают подложки из Gd₃Ga50i2 (ГГГ) [3], на которых также можно синтезировать тонкопленочные лазерные пленки.

Для выращивания монокристаллических гранатовых пленок методом жидкофазной эпитаксии используются растворы-расплавы на основе систем РЬО -В2О3 и ВІ2О3 - В2О3 [1]. Однако при выращивании пленок этим методом в кристаллическую структуру пленки входят ионы раствора-расплава и материала тигля (РЪ²⁺, пары РЬ²⁺ и Pb⁴⁺, Bi³⁺, Pt⁴⁺). Эти ионы для пленок являются примесными. Обзор литературы показывает, что влияние этих примесных ионов на оптическое поглощение и люминесценцию эпитаксиальных пленок граната в диапазоне длин волн от 200 до 2500 нм изучено недостаточно.

Целью работы являлось исследование влияния примесных ионов, которые переходят в выращиваемую пленку из раствора-расплава, на оптическое поглощение и люминесценцию эпитаксиальных пленок галлиевых гранатов, выращенных на подложках из Gd₃Ga₅0i2 с ориентацией (111). В рамках этого основного направления решаются задачи;

синтез эпитаксиальных пленок гадолиний-галлиевого граната из растворов-расплавов на основе систем РЬО - В2О3 и ВІ2О3 - В2О3 и исследование влияния примесных ионов на оптическое поглощение выращенных пленок;

синтез эпитаксиальных пленок с разной концентрацией неодима и исследование люминесцентных свойств иона Nd ⁺;

синтез Co-содержащих эпитаксиальных пленок и исследование влияния состава раствора-расплава на валентность легирующих ионов;

определение положения энергетических уровней оптически активных ионов Nd³⁺H Gd³⁺ в выращенных пленках, исходя из экспериментально регистрируемых спектров оптического поглощения.

Научная новизна результатов, составляющих содержание диссертации, заключается в следующем.

Впервые получены систематические экспериментальные данные об оптическом поглощении примесных ионов РЪ²⁺, пары РЬ²⁺ и РЬ⁴⁺, Ві³⁺ в эпитакснальных пленках гадолиний-галлиевого граната, выращенных на подложках ГТТ из растворов-расплавов на основе систем РЪО - В2О3 и Ві₂0з -В₂0₃.
Впервые определена концентрационная зависимость времени спада люминесценции Nd-содержащих эпитакснальных пленок в диапазоне изменения концентрации неодима от 0,3 до 15 ат. %.
Установлены схемы энергетических уровней ионов Nd ⁺ и Gd ⁺ в эпитакснальных гранатовых пленках при комнатной температуре.
Впервые методом жидкофазной эпитаксии выращены пленки составов Gd3Ga50i2:Co³⁺ и Gd₃Ga50i2:Co²⁺. Установлено, что в этих эпитакснальных пленках ионы Со ⁺ входят во все три подрешетки структуры граната, а ионы Со ⁺- только в тетраэдрическую подрешетку.

Научная и практическая значимость работы:

1. Полученные в настоящей работе систематические экспериментальные
данные об оптическом поглощении примесных ионов в выращенных
эпитакснальных пленках представляют собой основу для дальнейшего синтеза
новых оптически активных пленок гранатов.

2. Определены оптимальные условия синтеза Nd-содержащих пленок
гадолиний-галлиевого граната на подложках ГТТ из растворов-расплавов на
основе системы РЬО - Вг0₃.

Определены оптимальные условия синтеза Co-содержащих пленок гадолиний-галлиевого граната на подложках ГГТ из растворов-расплавов на основе систем РЬО - В₂0з и ВІ2О3 - В₂0з.
Установленные в настоящей работе схемы энергетических уровней ионов Nd³⁺ и Gd³⁺ в эпитаксиальных галлиевых пленках открывают новые возможности в теории спектроскопии конденсированных систем.

На защиту выносятся положения:

Вклад примесных ионов свинца в оптическое поглощение эпитаксиальных пленок гадолиний-галлиевого граната, выращенных из свинецсодержащего раствора-расплава, при малом переохлаждении обусловлен электронным переходом 'So -> ³Pi ионов РЬ²⁺ (280 нм), а при большом переохлаждении ещё и межвалентными парными переходами ионов Pb ⁺ и Pb ⁺(550 нм) и переходами с переносом заряда между ионами О²" и РЬ⁴⁺(325 нм).
Вклад примесных ионов висмута в оптическое поглощение эпитаксиальных пленок гадолиний-галлиевого граната, выращенных из висмутсодержащего раствора-расплава, обусловлен электронным переходом

So —> Pi ионов Bi ⁺ (290 нм), причем интенсивность полосы поглощения этого иона уменьшается с ростом концентрации Gd20₃ в растворе-расплаве.

Примесные ионы РЪ^г+ в эпитаксиальных пленках гадолиний-галлиевого граната, легированных неодимом, не оказывают существенного влияния на люминесценцию ионов Nd³⁺.
Ионы Со³⁺ входят во все три подрешетки структуры граната у пленок, выращенных из свинецсодержащего раствора-расплава. У пленок, выращенных из висмутсодержащего раствора-расплава, ионы Со³⁺ входят в тетраэдрическую и октаэдрическую подрешетки, а ионы Со²⁺ -в тетраэдрическую. При введении

Ge0₂ в раствор-расплав кобальт переходит в двухвалентное состояние и входит только в тетраэдрическую подрешетку.

Апробация работы. Материалы диссертации обсуждались на "IX Национальной конференции по росту кристаллов" (Россия, Москва, 2000 г), Второй Научной конференции "Фундаментальные проблемы физики" (Россия, Саратов, 2000 г), 4-ой Международной конференции "Рост кристаллов и тепломассоперенос" (Россия, Обнинск, 2001 г), "X Национальной конференции по росту кристаллов" (Россия, Москва, 2002 г), 5-ой Международной конференции "Рост кристаллов и тепломассоперенос" (Россия, Обнинск, 2003 г), на научных семинарах Научного центра гидрофизических исследований физического факультета МГУ (2002 г) и научных семинарах отдела Когерентной и нелинейной оптики НОФ РАН (2003 г).

Основное содержание диссертации опубликовано в 15 работах.

Объем и содержание работы. Объем диссертации составляет 130 страниц текста, включая 47 рисунков, 13 таблиц и список литературы из 84 наименований.

Диссертация содержит четыре главы, каждая из которых заканчивается выводами. В конце работы сформулированы основные результаты и выводы, список цитируемой литературы.

Жидкофазная эпитаксия монокристаллических пленок гранатов

Степень разрушения тигля уменьшается также при добавлении V205 к Ві20з [25].

Серьезным недостатком вышеуказанных растворителей является вхождения ионов свинца и висмута в состав эпитаксиальных пленок. В связи с этим было предложено использовать растворители на основе ВаО [3]. Однако высокая вязкость раствора препятствовала полному устранению остатков раствора, что вело к нарушению совершенства поверхности выращенной пленки.

Концентрация гранатообразующих компонентов выбирается такой, чтобы температура насыщения находилась в интервале 800-1000 С, а в процессе роста единственной твердой фазой была гранатовая [19]. При составлении шихты удобно использовать следующие мольные отношения концентраций компонентов [11]: Яі = 2[020з]/[ВД], (1.2) I R2 = [РЪО] I [B203], (1.3) R3 = [ГпОт] / ([ГПС%] + [PbO] + [В2О3]), (і і) R4 = [G2O3] / [М20з + МегОз], (1 ?) где квадратные скобки обозначают содержание оксида в шихте в мольных процентах, G -основной гранатообразующий элемент (Ga \ Fe +, А1 + и т.п.), R -редкоземельный элемент, Г„От - гранатообразующие оксиды, М - элемент, замещающий основной элемент в а-подрешетке, Me - элемент, замещающий I основной элемент в (/-подрешетке. і

Для расчета состава шихты необходимо знать коэффициенты j распределения гранатообразующих ионов [11], которые определяются следующими мольными отношениями-. . КЙЙ - (Xrf / (X tf + Х0я))т / Qi-ad і (X«d + Хов))ж (1 М К, = (X, / (X, + SXR) / (X, / (Хс + ЕХк))ж, (1.7) где КД - коэффициент распределения ионов, замещающих Ga+ в Й- и J-подрешетках; Х - мольное содержание этих ионов в пленке или растворе-расплаве; Ке - коэффициент распределения ионов, входящих в с- подрешетку; Кс мольное содержание этих ионов, а индексы «т» и «ж» относятся к пленке и I раствору-расплаву, соответственно.

Коэффициент распределения КСаа( ионов Ga3+ зависит от температуры роста Tg и увеличивается от 1,5 до 2,3 с ростом Tg от 802 до 1077 С [2]. j Для синтеза качественных монокристаллов большого диаметра необходимо, чтобы коэффициенты распределения гранатообразующих элементов были близки к единице [4]. Это, в частности, ограничивает возможности введения в монокристалл того или иного элемента в нужной концентрации. Если і коэффициенты распределения сильно различаются, то по мере роста вдоль оси ристалла концентрация элементов с коэффициентами распределения больше уменьшается, а концентрация элементов с коэффициентами распределения меньше 1, наоборот, увеличивается. Это приводит к тому, что в растущем монокристалле возникают напряжения и, в конце концов, он растрескивается. Дополнительные проблемы так же возникают в случае, когда в состав монокристалла входят разновалентные гранатообразующие ионы.

При синтезе эпитаксиальных пленок подбором состава шихты всегда можно скомпенсировать различие коэффициентов распределения гранатообразую щих элементов, увеличивая содержание гранатообразующих элементов с коэффициентами распределения меньше 1, причем, тем в большей степени, .чем меньше коэффициент. За счет этого можно получать такие материалы, которые нельзя синтезировать в виде объемных монокристаллов. Обязательное требование I согласования параметров кристаллической решетки пленки и подложки достаточно легко обеспечивается введением в состав пленки неактивных ионов I подходящего размера. I Знание фазовых диаграмм существенно облегчает оптимизацию состава І многокомпонентных раствор-расплавных систем [26,27]. В практике раствЬр расплавной кристаллизации, как правило, используются системы, состояние I которых соответствует области первичной кристаллизации граната. Это приводит і к необходимости изучения; , - фазообразования, а точнее концентрационных границ области первичной кристаллизации гранатовой фазы; I - растворимости (положения поверхности ликвидуса в координатах состав температура). Эти два условия определяют возможность проведения раствор-расплавной і кристаллизации в любой её форме: спонтанной или управляемой на подложку (затравку). Результаты исследований области существования гранатовой фазы обычно представляют на псевдотройных диаграммах типа растворитель I гранатообразующие оксиды в виде фрагментов концентрационного треугольника [28].

Методика исследования спектрально-люминесцентных характеристик

Основные этапы роста монокристаллических пленок следующие. Гранатообразующие оксиды и оксиды растворителя, предварительно прокаленные при температуре 250 -н 300 С, взвешивали в необходимом отношении на весах типа ВЛА-200-М, тщательно перемешивали в платиновой чашке, порционно загружали в платиновый тигель диаметром 40 50 мм и высотой 40 70 мм и наплавляли в муфельной печи при температуре 800 1000 С. Тигель с наплавленной шихтой помещали в нагревательную печь (рис.2.1.). Печь разогревали до температуры 980 4- 1080 С и гомогенизировали раствор-расплав в течение 3 т 4 часов, затем его температуру снижали до температуры роста. Подложку опускали в печь и выдерживали над поверхностью раствора-расплава для выравнивания температуры в течение 3 5 мин. Затем подложку приводили во вращение со скоростью от 50 до 200 об/мин, в зависимости от состава выращиваемой пленки, и погружали в раствор-расплав на глубину 15 20 мм. После наращивания монокристаллической пленки подложку извлекали из раствора-расплава, приводили в ускоренное вращение (со скоростью 300 об/мин) для удаления его остатков и далее медленно вынимали из печи. Не удаленные остатки раствора-расплава растворяли в 25 %-ной кислоте HNCb при температуре 80 С.

Упрощенная блок-схема установки эпитаксиального роста УЭР-3: I - нагревательная печь, II - блок перемещения и вращения штока, III - блок регулирования, стабилизации и контроля температуры основного нагревателя, IV - блок регулирования, стабилизации и контроля температуры дополнительного нагревателя, V - блок контроля температуры раствора-расплава.

Спектры поглощения регистрировались на двухлучевом спектрофотометре Lambda 900 фирмы Perkin-Elmer . Основными отличительными особенностями данного спектрофотометра являются: а) Образец располагается после монохроматора, т.е. образец освещается не всем излучением, идущем от источника, а уже выделенным монохроматическим излучением, это важно, когда образцы «боятся» избыточной засветки. б) Сканирование по длинам волн осуществляется от больших длин волн к меньшим, т.е. устраняются возможные наведенные потери в образце, вызванные засветкой высокоэнергетичным (коротковолновым) излучением. В некоторых образцах коротковолновое излучение может вызвать необратимые фотохимические реакции. Использование такого сканирования позволяет вовремя остановить процесс измерения спектра. в) Прибор является двухлучевым, т.е. в значительной мере устраняются ошибки, связанные с нестабильностью мощности источников излучения и чувствительностью приемников.

В спектрофотометре используются два фотоприемника в диапазоне длин волн X = 3300 нм - 860 нм - охлаждаемый элементами Пельтье PbS-фотодиод и в диапазоне X = 860 нм - 186 нм - фотоэлектронный умножитель.

Монохроматор является двойным и реализован на голографических сменных решетках. Смена решеток осуществляется при переходе через А, = 860 нм.

Исследования спектров поглощения проводили в Научном центре волоконной оптики при Институте общей физики РАН совместно с к.ф.-м.н. Ю.Н.Пырковым и д.ф.-м.н. Плотниченко. Смена фильтров осуществляется на длинах волн представленных в табл.2.1. Источниками излучения служат в диапазоне А. = 3300 нм - 320 нм -галогеновая лампа, в диапазоне X = 320 нм - 186 нм - дейтериевая газоразрядная лампа.

Спектрофотометр обеспечивает шаг сканирования от 0,01 до 10 нм, время накопления от 0,04 до 10 сек, спектральное разрешение от 0,05 до 5 нм. Нормальное соотношение сигнал/шум -10. Измеряемую пластинку, предварительно обезжиренную спиртом, закрепляли на поверхности диафрагмы с прямоугольным отверстием размером 8 х 4 мм так, чтобы измеряемый образец полностью перекрывал это отверстие. Диафрагму с пленкой устанавливали в держатель измерительного канала спектрометра. В опорном канале находилась такая же пустая диафрагма. После калибровки спектрофотометра (установки нулевой и 100%-ной линий) измеряли спектр пропускания подложки с пленкой. Для выделения поглощения выращенной плёнки из общего поглощения плёнки с подложкой, предварительно до эпитаксиального роста измеряли спектры пропускания подложек. Математическая обработка полученных спектров осуществлялась с помощью компьютера. Спектры поглощения рассчитывали из спектров пропускания следующим образом: сначала спектр пропускания подложки, измеренный до выращивания, делили на спектр пропускания подложки с выращенными на ней плёнками, а затем натуральный логарифм этого отношения делили на суммарную толщину плёнок, выросших с обеих сторон подложки.

Пленки, выращенные из раствора-расплава на основе системы Ві203 - В203

По мере выдержки раствора-расплава в переохлажденном состоянии происходит сильное снижение скорости роста пленки, вследствие чего значения толщины последовательно вьфащенных в одинаковых условиях, эпитаксиальных пленок в каждой серии различаются (см. таблицу 3.2). Такое снижение fg связано с проявлением эффекта деградации пересыщенного состояния раствора-расплава, хорошо известного для магнитооптических эпитаксиальных пленок феррит-гранатов [66,67].

Снижение fg не может быть объяснено испарением раствора-расплава, поскольку оно имеет место и при последовательном выращивании непосредственно друг за другом серии пленок с tg = 2 мин (fg = 2,23 мкм/мин для первой пленки в серии и fg = 0,47 мкм/мин для четвертой).

При синтезе эпитаксиальных пленок гранатов в качестве растворителя может быть использован раствор-расплав на основе системы ВігОз - Б20з [4,68-70]. Для определения примесного поглощения в этом случае на подложках ГГТ выращивали пленки гадолиний-галлиевого граната. Примесью в этом случае является ион Ві3+. При использовании подложки ГТГ вхождение висмута в состав этих пленок затруднено, поскольку ион Ві3+ крупнее иона Gd3+ (эффективные радиусы иона в кислородном окружении в додекаэдрической подрешетке для Bi3+ и Gd3+ равны 0,111 и 0,106 нм, соответственно) [9]. В противном случае в пленке появляются дислокации несоответствия, и при большом рассогласовании параметров она растрескивается. Состав шихты характеризовался следующими мольными отношениями

Было выращено несколько серий пленок (по 3-5 образцов в каждой), в которых концентрацию C(Gd203) оксида гадолиния увеличивали с шагом 0,5 мол.% в диапазоне от 1,0 до 6,1 мол.% (табл.3.4). Время роста монокристаллических пленок составляло 15 мин. Все выращенные пленки имели желтоватый оттенок. Ростовые эксперименты иллюстрирует рис.3.10, где показан концентрационный треугольник системы Gd203 - Ga203 - (Ві20з + В203).

Минимальная концентрация Gd203, при которой наблюдался эпитаксиальный рост пленок, составляла 1,0 моль.%, а минимальная температура роста Tg - 752 С. С ростом C(Gd203) температура насыщения Тнас, возрастает и диапазон температур 6Т, в котором имеет место эпитаксиальный рост пленок, смещается в область высоких температур (табл.3.3; рис.3.11).

Максимальная скорость роста fg, наблюдавшаяся в экспериментах, достигала 1,2 мкм/мин, а максимальная толщина пленки h тая - 18,2 мкм. Выращенные пленки, кроме пленок серий I и II (табл.3.4), были прозрачными и не содержали трещин. В эпитаксиальной пленке, выращенной при минимальной температуре из раствора-расплава с наименьшей концентрацией Gd203 (пленка 1-1 из табл.3.4), наблюдались ямки травления, что свидетельствует о наличии дислокаций несоответствия. С ростом C(Gd203) и при увеличении температуры роста оптическое качество эпитаксиальных пленок улучшалось.

В спектрах поглощения всех эпитаксиальных пленок, выращенных из раствора-расплава на основе ВІ2О3 - В2О3, наблюдается отчетливая полоса поглощения с максимумом на длине волны X = 290 нм (34480 см"1) (кривые 3, 4 и 5 на рис.3.12), которую обычно связывают с электронным переходом 'So -» 3Pi ионов Bi3+ (6s2) [36,71]. Для сравнения на этом же рисунке показан спектр поглощения пластины ортогерманата висмута BuGejOu толщиной 9,03 мм (кривая 1 на рис.3.12). Видно, что для этого материала край поглощения находится на длине волны X = 300 нм. В связи с тем, что ион Ge4+ не имеет линий поглощения вблизи 300 нм и в видимой части спектра, то наблюдаемую полосу поглощения с максимумом на длине волны X = 290 нм (34480 см"1) следует связать с ионом Bi3+.

При 2h > 10 мкм эпитаксиальные пленки становятся практически непрозрачными в полосе поглощения иона Bi3+, поэтому для образцов, для которых пропускание на длине волны X = 290 нм превышало 0,01 %, коэффициент поглощения определяли на длинах волн 274 и 304 нм (величины а274 и а304 в табл.3.4, соответственно). Общей тенденцией является снижение обеих величин с ростом С (Gd203) (рис.3.13), более выраженной для Я. = 304 нм (рис.3.12,6). Связь между коэффициентами поглощения ct2?4 и <*304 и температурой роста пленок не обнаружена. На рис.3.14 приведены спектры поглощения самой дефектной пленки (кривая 2, образец 1-1 из табл.3.4) и спектры более качественных пленок (кривые 1 и 3, образцы VIII-1 и IV-1 из табл.3.4 соответственно). Видно, что ширина полосы поглощения для исследуемых образцов различается, причем она максимальна для наименее качественного образца.

Co-содержащие пленки

Рис. 4.8. Спектр оптического поглощения (а) перехода \ш - 4Рід с кривыми разложения на отдельные линии и схема кристаллического расщепления (б) термов %/2 и РіД иона Nd3+ в эпитаксиальных пленках гадолиний-галлиевого граната, легированных неодимом, при комнатной температуре. поглощения на длине волны 807,5 нм для КНПГ и КЛНГТ равно 4 см" , а для ИАГ -12 см"! [75].

Заметим, что в эпитаксиальных пленках с С (Nd) = 1,7- 3,3 ат. % за двойной проход на длинах волн 805 и 808 нм полупроводниковым лазерным диодом поглощается около 1/3 мощности накачки, что позволяет использовать эти пленки в лазерах с поперечной накачкой [76-79]. При меньшей концентрации Nd в пленках необходимо либо увеличивать их толщину, либо использовать их в волноводных лазерах.

На рис.4.9 приведен типичный спектр люминесценции для Nd-содержащих эпитаксиальных пленок. Пики люминесценции эпитаксиальных монокристаллических пленок при всех исследованных концентрациях ионов Nd3+ расположены на тех же длинах волн, что и для монокристаллической пластины ШТ. Максимум люминесценции имеет место на длине волны 1,061 мкм.

На рис.4.10 показана концентрационная зависимость времени спада люминесценции ті.. Видно, что величина ті снижается с ростом концентрации ионов Nd3+. Для получения лазерной генерации перспективны пленки с С (Nd) = 3,3 ат. %, для которых время жизни люминесценции составляет 60 мкс. При С (Nd) 10 ат. % величина Т[ становится меньше 10 мкс.

Co-содержащие эпитаксиальные пленки гранатов выращивали на подложках ГГТ с из растворов-расплавов на основе систем РЬО - В2О3 (I), РЪО -В203 - Ge02 (И), Ві203 - В203 (Ш) и Ві203 - В203 - Ge02 (IV) [80-83]. В отсутствие Ge02 в растворе-расплаве для обеспечения зарядовой компенсации кобальт в основном находится в трехвалентном состоянии. Лишь небольшое количество ионов Со2+ может образовываться для компенсации заряда примесных ионов РЬ4+ и Pt4+ (см. п. 1.2). При наличии Ge02 ионы кобальта должны переходить в двухвалентное состояние для компенсации заряда ионов Ge4 .

Пленки, выращенные из растворов-расплавов І, П, III и IV были окрашены в зелено-жёлтый, зелёно-голубой, зелёный и синий цвета соответственно. Это свидетельствует о разной валентности ионов кобальта, входящих в их состав. Мольные отношения растворов-расплавов, которые использовались при выращивании Co-содержащих эпитаксиальных пленок, приведены в табл.4.3. Здесь же для сравнения приведены мольные отношения растворов-расплавов РЬО - В203 (V) и Ві2Оз - В203 (VI), из которых выращены пленки гадолиний-галлиевого граната.

Параметры роста пленок приведены в табл.4.4. Римские цифры относятся к раствору-расплаву, арабские - к номеру пленок, последовательно выращенных из соответствующего раствора-расплава. Отметим, что для образца № Ш-6, выращенного сразу после гомогенизации раствора-расплава, скорость роста пленки оказалась максимальной и составила 7Д мкм/мин.

На рис.4.12 приведены спектры поглощения подложки ГГТ (кривая 0) и эпитаксиальных пленок, выращенных из растворов-расплавов I, III, V и VI (кривые 1, 2, 3 и 4 соответственно). Сравнение этих спектров позволяет разделить пики поглощения, связанные с примесными и легирующими ионами. Из сравнения кривых 0, 1 и 3 (рис.4.12) следует, что пик поглощения с максимумом на длине волны к = 280 нм (35600 см"1) связан с электронным переходом 5So - 3Pi примесных ионов (6 s2) РЬ2+ (см. п.1.3).

Исходя из выводов работы [43] с легирующими ионами Со3+ в пленках, выращенных из раствора-расплава I, можно связать две широкие полосы поглощения в диапазонах спектра приблизительно 540- -800 нм и 900 1700 нм и узкую полосу поглощения с максимумом около 390 нм (табл.4.5). Каждая из широких полос состоит из трех компонент с максимумами: первая - около 570, 625 и 680 нм, вторая - около 1100, 1265 и 1630 нм. Из сравнения кривых 0, 2 и 4 (рис.4.12) следует, что пик поглощения с центром на длине волны X я» 290 нм связан с электронным переходом So -» 3Pi примесных ионов Bi3+ (см. п.1.3).

С легирующими ионами Со3+ в пленках, выращенных из раствора-расплава Щ связаны широкая полоса поглощения в диапазоне приблизительно 900 -1700 нм и узкая полоса поглощения с максимумом около 400 нм. Вторая широкая полоса поглощения в диапазоне длин волн 520 -740 нм обусловлена электронным переходом 4А2 — 4Tj Р) тетраэдрического Со2+ [43]. В пленках, выращенных из расплава III, компенсация заряда обеспечивается примесными ионами Pt4+.