Фотопластический эффект. Появление механических напряжений в кристаллических веществах (пьезоэлектриках под действием оптического излучения.
Описание
Фотопластическим эффектом называют появление механических напряжений в кристаллических веществах (пьезоэлектриках) под действием оптического излучения.
Он заключается в том, что при освещении светом фотопроводника (например, CdS) в процессе пластического деформирования и движения в нем дислокаций возникают прыжки прочности и пластичности, что наукой на момент открытия эффекта было запрещено. Механизм этого явления связан, как оказалось, с локальным торможением движущихся дислокаций перезаряжающимися центрами. Это – своеобразный пиннинг, когда точка, удерживающая дислокацию, под действием света меняет свое зарядовое состояние. Это наблюдалось во всех фотопроводниках класса А2В6: Zn-Se, Cd-S и другие.
Вообще говоря, этот процесс не запрещен в любых полупроводниках, включая кремний и германий. Нужно только, чтобы процессы релаксации электронной структуры и движение зарядовых дислокаций находись в соответствующих соотношениях между собой. В соединениях А2В6 это соотношение как раз подходящее. В кремнии же скорость пластической деформации так мала, а температура так высока, что происходит термический отрыв электронов от этих локальных центров, т.н. инфракрасное гашение фотопластического эффекта.
На рис.1 представлена диаграмма сжатия кристалла CdS. t=75Co - температура испытания образца. v = 10-5cм/с - скорость сжатия образца. Разная величина дополнительного напряжения определяется различной освещенностью образца.
В опытах Осипьяна и Савченко образцы полупроводников сжимались и растягивались до наступления пластической деформации. Затем образец освещался светом. Вызванное им перераспределение носителей заряда оказывало тормозящее действие на дислокации носителей пластической деформации и тотчас прочность образца увеличивалась почти вдвое. Стоило выключить свет, как прочность уменьшалась и вскоре достигала своего первоначального значения.
Дальнейшие исследования привели к наблюдению еще одного интересного явления - инфракрасного гашения фотопластического эффекта.
Эффект фотопластичности предполагается использовать для разработки нового типа элементов автоматики, новой технологии полупроводнико,для создания качественно новых приемников видимого светового и инфракрасного излучения.
Реализации эффекта
Фотоакустические явления ‑ возникновение звуковых волн в среде под действием оптического излучения. Основные механизмы фотоакустических явлений связаны с фототермическим эффектом, электронно-деформационным эффектом, обратным пьезоэффектом, электрострикцией и другими. Под фототермическим эффектом понимается нагревание вещества поглощаемым светом или вообще электромагнитным излучением любой частоты. Если интенсивность излучения модулирована, то в среде возникают температурные волны, распространяющиеся от места выделения теплоты. Нестационарное нагревание вызывает изменение плотности вещества, или термоупругие напряжения, что обусловливает возбуждение акустических волн в среде, окружающей область поглощения света. Исторически именно такой вариант возбуждения звука при поглощении света в замкнутом объёме газа был открыт А. Беллом (A. Bell) в 1880 и назван фотоакустическим эффектом. Фотоакустический эффект нашёл широкое применение в фотоакустической спектроскопии самых разнообразных веществ, в оптикоакустических фотоприёмниках, основанных на использовании селективного поглощения излучения в газовой ячейке; он лежит в основе высокочувствительных методов газового анализа. Фототермический эффект является универсальным способом бесконтактного возбуждения звука в любых средах» в том числе и удалённых от источника света. Регистрация звуковых волн и фототермической деформации образцов позволяет бесконтактным образом получать информацию о процессах превращения энергии света в тепло и о наличии неоднородностей в объёме непрозрачных объектов. Такая возможность связана с тем, что выделение теплоты происходит не непосредственно при поглощении света, а в результате релаксации вызванных светом возбуждений электронной подсистемы. Так, в полупроводниках при межзонном поглощении света возникают неравновесные электроны и дырки, а теплота выделяется с задержкой во времени в процессе их термализации и рекомбинации, который сопровождается переносом носителей заряда в пространстве. Возникающая частотная и пространственная дисперсия тепловых источников передаётся посредством температурных волн звуковым волнам и может быть восстановлена путём анализа частотных зависимостей их амплитуды и фазы. Таким образом могут быть определены характеристики процессов рекомбинации и переноса носителей заряда.При действии мощного лазерного излучения на вещество появляются дополнительные механизмы оптической генерации звука. Они связаны с возможными фазовыми переходами, и в частности с изменением агрегатного состояния вещества. Так, при облучении поверхности конденсированной среды может развиться интенсивное испарение, которое вследствие реактивной отдачи приводит к образованию ударной волны, переходящей по мере её распространения в акустическую. Аналогичное явление возникает и при оптическом пробое в газах: под действием света возникает сильно поглощающая свет плазма, которая быстро разогревается до высоких температур, вследствие чего в окружающей среде возникает ударная волна, а затем и акустическая.Электронно-деформационный эффект обусловлен тем, что в твёрдых телах электроны (как валентные, так и свободные) в значит, мере определяют силы взаимодействия между атомами. Если под действием света происходит разрыв ковалентных связей (валентный электрон переходит в свободное состояние), то изменяются силы связи между атомами и возникают механические напряжения нетепловой природы. При нестационарном освещении эти напряжения и создают звуковые волны. Тензор напряженийsikпропорционален концентрации созданных светом неравновесных носителей заряда, поэтому электронно-деформационный механизм фотоакустических явлений оказывается существенным в полупроводниках с достаточно большим временем жизни носителей заряда.
Существуют предположения обнаружить фотопластический эффект и в фуллеренах. Для того чтобы его наблюдать экспериментально, надо сначала научиться управляемо вводить в кристаллы фуллеренов дислокации, двигать их и измерять пластические свойства.
Наблюдалось наличие дислокаций в фуллеренах и их движение. Надо сказать, что наличие дислокаций в фуллеренах и вообще дислокационный механизм пластичности в фуллеренах априори не столь убедителен. Для количественного определения дислокационного механизма пластичности важна величина вектора Бюргерса. Выгодно ли вообще образовываться дислокациям в определенных кристаллах? Величина вектора Бюргерса в простом кристалле равна 2-3A. Энергия дислокации пропорциональна квадрату вектора Бюргерса, обычно это – gb2/2, где g модуль сдвига, b2 квадрат вектора Бюргерса. В фуллеренах параметр решетки равен 15A, поэтому квадрат вектора Бюргерса более чем в 200 раз больше, чем в привычных материалах. Спрашивается, выгодно ли кристаллу терпеть внутри себя образование с такой высокой энергией? Априори на этот вопрос ответа нет. Может быть и не выгодно. И тогда механизм пластической деформации, если она вообще будет в фуллеренах, вообще может быть не дислокационным, потому что дислокациям энергетически не выгодно образовываться. Удалось экспериментально показать, что дислокации в фуллеренах есть, и они движутся. Все-таки пластическая деформация может возникать в фуллеренах по дислокационному механизму.
Литература
1. Ю.А. Осипьян, И.Б. Савченко Экспериментальное наблюдение влияния света на пластическую деформацию сульфида. Письма в ЖЭТФ. 7, 130. 1968.
1. Ю.А. Осипьян, И.Б. Савченко Экспериментальное наблюдение влияния света на пластическую деформацию сульфида. Письма в ЖЭТФ. 7, 130. 1968.
