Введение к работе
Актуальность проблемы. Кристаллические материалы А4 и А2В6 представляют значительный интерес для инфракрасной оптики и олтоэлектроники, в связи с чем необходимо наличие надежного банка данных по их оптическим характеристикам.
Для области прозрачности материала основной интерес
представляют коэффициент поглощения а, а также показатель
преломления п и связанные с ним рефрактометрические характеристики
дисперсия dn/dA. и температурное приращение показателя
преломления dn/dT.
Опубликованные к началу работы над диссертацией результаты исследований оптических характеристик кристаллов А и А В не удовлетворяют требованиям оптического приборостроения. Имеющиеся данные, в т.ч. вошедшие в нормативно-справочную документацию, не полны и противоречивы (напр."Акустические кристаллы" Справочник под ред. Шаскольской М.П., М.: Наука, 1982 - 632с).
В сравнении с традиционными оптическими материалами, такими как стекла, щелочно-галоидные кристаллы, материалы А и А В характеризуются более высокими значениями n, dn/dA. и dn/dT, зависящими от физико-химических параметров вещества. Эти материалы имеют значительную оптическую неоднородность, а также высокий уровень остаточного поглощения. Названные особенности могут во многом определять погрешность измерений оптических характеристик, а также накладывать специальные требования на применяемые методы и средства измерений. В то же время в большинстве опубликованных работ особенности рассматриваемых кристаллов, как оптических материалов, учтены не были. В имеющейся справочной литературе их оптические характеристики приведены, ::ак правило, безотносительно примесного состава, температурного режима измерений, данных по кристаллофизическим параметрам.
Цвль работы состояла в проведении на уровне требований
оптического приборостроения исследований в широком спектральном
диапазоне (А.==0,1 - 200 мкм), включающем как собственные
ультрафиолетовые и инфракрасные полосы поглощения , так и область
прозрачности, общих закономерностей и основных особенностей
оптических (главным образом, рефлектометрических и
рефрактометрических) свойств моно- и поликристаллических материалов А и А В симметрии алмаза и сфалерита в зависимости от электрофизических и кристаллофизических параметров. Конкретные задачи работы состояли в:
исследовании, выявлении и сопоставительном анализе зависимостей основных оптических характеристик инфракрасных материалов, выпускаемых отраслью, от их структурных и электрофизических параметров;
- обосновании и подготовке исходных экспериментальных данных для создания банка справочных данных, обеспечивающих расчетно-конструкторские работы в области проектирования ИК-систем;
обобщении результатов рефрактометрических и рефлектометрических исследований материалов А и А В в рамках общей теории дисперсии с учетом особенностей их зонной - структуры;
применении методов и средств ультрафиолетовой и
инфракрасной рефлектометрии к определению
характеристических параметров кристаллов;
разработке гониометрических методов и средств
исследования рефрактометрических характеристик
высокопреломляющих сред в ПК-области спектра, а также анализе составляющих погрешности измерения п, определении пределоных
точностных характеристик и выборе оптимальных условий
измерений.
Объекты и методы исследований, Исследовавшимися в настоящей работе материалами были отечественные и импортные моно-и поликристаллы германия и кремния, легированные различными
18 Ч
донсрными и акцепторными примесями до концентраций NDA«10 см", а
также специально нелегированные моно- и поликристаллы сульфида и
селенида цинка и теллурида кадмия с различными
кристаллофизическими характеристиками.
Указанный набор материалов для исследования определялся, в основном, их практическим значением для ИК-техники.
Так как для описания распространения электромагнитных волн видимого и инфракрасного диапазонов в области прозрачности материала, а также их поведения на границах раздела, достаточно задать одну оптическую постоянную - показатель преломления п, то в качестве основного метода исследований за пределами собственных полос поглощения была выбрана рефрактометрия, а проводимые экспериментальные исследования включили в себя измерения спектральных и температурных зависимостей показателя преломления в различных образцах Ge, Si, ZnS, ZnSe и CdTe в зависимости от электрофизических и кристаллофизических параметров.
В области ^=0,7 - 12 мкм, наиболее значимой в практическом отношении, измерения п были выполнены методом призменной рефрактометрии, обеспечивающей наиболее достоверное измерение п, с применением специально разработанного рефрактометра. Потребность в таком рефрактометре объяснялась отсутствием приборов, которые позволили бы получить надежные данные для высокопреломляющих сред в инфракрасной области спектра г учетом отмеченных выше их особенностей. Гониометрические установки, такие как ГСИ, ИФ-24 и ИГ-63, применяемые на оптических предприятиях для исследования стекол,
не могли использоваться в нашем случае уже потому, что в них отсутствует система термостатирования образцов и требуются образцы больших габаритов (размер преломляющей грани 50x50 мм2}.
В пределах и вблизи полос собственного поглощения основным
методом исследований явилась рефлектометрия, что позволило путем
дисперсионного анализа определить характеристические параметры
кристаллов, такие как ширина энергетических зазоров в особых точках
зоны Бриллюэна, частоты длинноволновых оптических колебаний
кристаллической решетки мто и (oLO, длинноволновые
диэлектрические проницаемости кристаллов сл и е0 и т.п. и, таким образом, в явном виде установить особенности поликристаллических оптических материалов в сравнении с монокристаллическими, а также влияние структурно-физических особенностей вещества на перечисленные характеристические параметры.
На всех образцах в области их прозрачности были выполнены также исследования спектров остаточного поглощения с применением стандартной спектрометрической техники.
По итогам проведенных разработок и исследований на защиту выносятся следующие научные результаты и положения:
- банк экспериментальных данных по рефрактометрическим
характеристикам германия, кремния, сульфида и селенида цинка, а
также теллурида кадмия (в т.ч. показателю преломления,
дисперсии, термооптической постоянной), сформированный на
основе измерений п методом призмы в области спектра до /. = 12
мкм в широком диапазоне электрофизических и
кристаллофизических параметров вещества;
полуэмпирические соотношения для расчета
рефрактометрических характеристик германия, кремния, сульфида цинка, селег.іда ципка и теллурида кадмия в рабочем диапазоне
длин волн и температур с точностью на уровне требований оптического приборостроения ( An ~± 0,0002);
установленную закономерность изменения
рефрактометрических характеристик материалов А в зависимости
от электрофизических и кристаллофизических параметров
материала, состоящую в том, что в высокоомных и
слаболегированных образцах рефрактометрические характеристики
остаются без изменений в широком диапазоне
кристаллофизических параметров (структуры, плотности
дислокаций, степени компенсации, удельного сопротивления и т.п.),
а также для различных технологий получения образцов;
наблюдаемые приращения этих характеристик в
сильнолегированных образцах полностью определяются влиянием свободных носителей заряда и точно описываются на основании теории дисперсии на свободных носителях;
- совокупность экспериментальных и расчетных данных по спектрам отражения моно- и поликристаллических материалов А В в области инфракрасных полос собственного поглощения и установленное для этих материалов совпадение основных характеристических параметров (частот длинноволновых колебаний кристаллической решетки, низкочастотной и высокочастотной диэлектрических проницаемостей) в образцах с различными кристаллофизическими свойствами;
совокупность экспериментальных данных по
ультрафиолетовому отражению соединений А В ; результаты
анализа спектров отражения методом Крамерса-Кронига и
выявленные из этих спектров и короткоаолновой дисперсии
показателя преломления зг.чонсмерности поведения
рефрактометрических характеристик рассматриваемых
поликристаллических материалоз, состоящие в том, что в.
горячепрессоаанных поликристаллах сульфида цинка (КО-2 и К0-
2В) в сравнении с монокристаллами, сублиматами ПО-2, а также
CVD-материалами приращение показателя преломления
отрицательно. Это приращение связано, в основном, с размерами
монокристаллических зерен, составляющих поликристалл (в
материалах КО-2 и КО-2В с размерами зерен не более 1 мкм
приращение показателя преломления составляет величину до Лп=
—0,002). В то же время в поликристаллах на основе селенида
цинка, где размеры моноблоков значительны,
рефрактометрические характеристики слабо зависят (на уровне погрешности измерений) от кристаллофизических параметров вещества;
установленное качественное влияние кристаллофизических параметров и параметров технологического процесса на прозрачность материалов;
расчетные и экспериментальные данные сопоставительного анализа различных методов призменной рефрактометрии и экспериментальная установка, обеспечивающая возможность измерения показателя преломления высоколреломляющих сред на призмах малых геометрических размеров (площадь входной грани призмы 15x15 мм ) в области спектра 0,7...12 мкм при температурах Т = 20...70 С с абсолютной погрешностью не хуже гО.0002. Научная новизна. Исследования оптических характеристик
материалов А и А В , выпускаемых отраслью, на уровне требований оптического приборостроения и с учетом их особенностей, как оптических материалов, выполнены впервые.
Практическая ценность. Разработана методика и создана аппаратура для исследований рефрактометрических характеристик ао:со\опреломляюічих сред в ИК-ооласт^ спектра и подготовлен банк
исходных экспериментальных данных, использованный при каталогизации кристаллических материалов групп А4 и А2В6.
Данные по оптическим характеристикам включены в состав действующей справочной и нормативно-технической документации (НТД) на материалы (ОСТЗ-5234-82 "Кристаллы германия оптические. Технические условия", ТУ48-0513-37-83 "Германий монокристаллический для ИК-оптики. Технические условия", ОСТ 3-6307-87 "Материал оптический поликристаллический марки ПО-4. Технические условия", ТУ 1Ф26-503-89ЯЕИЛ "Керамика оптическая КО-2В (экспериментальная партия). Технические условия", проект ОСТЗ..."Кристаллы кремния оптические. Основные параметры", а также каталог ВНЦ ГОИ "Оптические кристаллические материалы" под ред. Петровского Г.Т., Л., 1991г. и др.).
Полученные в работе результаты по технологической воспроизводимости показателя преломления позволили исключить в НТД на оптические кристаллы германия, кремния и селенида цинка марки ПО-4 выходной контроль заготовок по показателю преломления на предприятиях-изготовителях.
Предложенные простые расчетные соотношения для определения спектральной и температурной зависимостей показателя преломления с точностью An = ±0,0002.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы
докладывались и обсуждались на шести всесоюзных конференциях и семинарах.
Публикации. Материалы работы опубликованы в двенадцати научных статьях.
Обьем и„структура_ диссертации. Диссертация содержит 171
страницу машинописного текста, 38 ригунков, 13 таблиц и по своей структуре состоит из 7 разделов, в т.ч. введения, заключения, списка литературы, включающего 169 работ отечественных и зарубежных
авторов, а также приложения, где приводятся таблицы опубликованных численных данных по показателю преломления, методам измерений, а также распечатки программ, использованных при обработке результатов измерений.
