DOI: 10.17586/1023-5086-2023-90-04-35-47
УДК 538.975
Анастасия Александровна Ольхова1*, Алина Александровна Патрикеева2, Мария Алексеевна Дубкова3, Максим Михайлович Сергеев4
Университет ИТМО, Институт лазерных технологий, Санкт-Петербург, Россия
1olkhova.a.a@mail.ru https://orcid.org/0000-0001-9048-3031
2patrikeeva17@gmail.com https://orcid.org/0000-0002-5274-9692
3maria.dubkova@mail.ru https://orcid.org/0000-0003-3251-6602
4maxim.m.sergeev@gmail.com https://orcid.org/0000-0003-2854-9954
Аннотация
Предмет исследования. В работе представлены результаты исследования по изменению оптических и электрических характеристик плёнок PbSe при воздействии наносекундными лазерными импульсами. Цель работы. Исследование особенностей модификации структуры и свойств плёнок селенида свинца (PbSe) толщиной до 1 мкм, нанесённых на пластины силикатного стекла, после воздействия наносекундными лазерными импульсами с длиной волны 1064 нм в режиме построчного сканирования пятном излучения. Основные результаты. Изменение оптических свойств плёнок зависело от интенсивности лазерного излучения. При плотностях мощности 1,45 кВт/см2 и скорости сканирования 120 мм/с лазерное облучение приводило к потемнениею плёнки PbSe, а её отражение снижалось в видимом спектральном диапазоне. При этом пропускание и отражение плёнки в инфракрасной области спектра практически не изменялось, а её электрическое сопротивление изменялось более чем в 1,5 раза: возрастало при измерении перпендикулярно лазерным трекам и снижалось при измерении параллельно им. Понижение плотности мощности до 0,39 кВт/см2 и скорости сканирования до 30 мм/с приводило к просветлению плёнки PbSe, что вызвано изменением отражения в видимой области спектра. Также происходило изменение пропускания и отражения в инфракрасной области спектра, а электрическое сопротивление возрастало более чем в 10 раз. Практическая значимость. Показано, что отражение плёнок PbSe, широко используемых в устройствах газового анализа в качестве фоточувствительных элементов, может быть снижено в результате лазерной обработки импульсами лазерного излучения. Лазерная обработка также приводит к повышению фоточувствительности плёнки в среднем инфракрасном диапазоне длин волн. Таким образом, лазерная обработка может успешно заменить менее успешную в технологическом применении тепловую обработку в печи, которая приводит к аналогичны результатам.
Ключевые слова: халькогенидные плёнки, лазерное воздействие, структурирование поверхности, наносекундные лазерные импульсы, фоточувствительность, сопротивление плёнки
Благодарность: представленные исследования были выполнены за счёт гранта Российского научного фонда (проект № 19-79-10208).
Ссылка для цитирования: Ольхова А.А., Патрикеева А.А., Дубкова М.А., Сергеев М.М. Модификация оптических и электрических свойств плёнок селенида свинца PbSe наносекундными импульсами лазерного излучения с длиной волны 1,064 мкм // Оптический журнал. 2023. Т. 90. С. 35—47. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2023-90-04-35-47
Код OCIS: 140.3390.
Modification of optical and electrical properties of lead selenide PbSe films by nanosecond laser pulses with a wavelength of 1.064 microns
Anastasiia Olkhova1*, Alina Patrikeeva2, Maria Dubkova3, Maksim Sergeev4
ITMO University, Institute of laser technologies, Saint-Petersburg, Russia
1olkhova.a.a@mail.ru https://orcid.org/0000-0001-9048-3031
2patrikeeva17@gmail.com https://orcid.org/0000-0002-5274-9692
3maria.dubkova@mail.ru https://orcid.org/0000-0003-3251-6602
4maxim.m.sergeev@gmail.com https://orcid.org/0000-0003-2854-9954
Abstract
The subject of the study. The paper presents the results of a study on the change in the optical and electrical characteristics of PbSe films exposed to nanosecond laser pulses. Objective. Investigation of the features of the modification of the structure and properties of lead selenide (PbSe) films up to 1 µm thick deposited on coverslip plates after exposure to nanosecond laser pulses with a wavelength of 1064 nm in the mode of line-by-line scanning of the radiation spot. Main results. The change in the optical properties of the films depended on the intensity of the laser radiation. At power densities less than 1,45 kW/cm2, irradiation led to a significant decrease in the reflection of the PbSe film in the visible spectral range, while the film remained opaque and its resistance increased by more than 2 times. At high power densities, there was a gradual increase in transmission and a slight decrease in the reflection of the PbSe film in the visible spectral range. Practical significance. It is shown that the use of near infrared laser pulses makes it possible to correct the optical and electrical characteristics of chalcogenide films. PbSe films are widely used as photosensitive elements in gas analysis devices, where high radiation absorption is important, as well as low electrical resistance. Exposure of films to laser radiation makes it possible to achieve the desired characteristics, replacing heat treatment in an oven in the technological process.
Keywords: chalcogenide films, laser action, surface structuring, nanosecond laser pulses, photosensitivity, film resistivity
Acknowledgment: the presented research was carried out at the expense of a grant from the Russian Science Foundation (Project № 19-79-10208).
For citation: Olkhova A.A., Patrikeeva A.A., Dubkova M.A., Sergeev M.M. Modification of optical and electrical properties of lead selenide PbSe films by nanosecond laser pulses with a wavelength of 1.064 microns // Opticheskii Zhurnal. 2023. V. 90. № 4. P. 35–47. http: //doi.org/10.17586/1023-5086-2023-90-04-35-47
OCIS сode: 140.3390.
Список источников
1. Sati D.C., Jain H. Coexistence of photodarkening and photobleaching in Ge-Sb-Se thin films // Journal of Non-Crystalline Solids. 2017. V. 478. P. 23–28. https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2017.10.003
2. Tran D., Gorius N., Quilligan G. et al. Gas analyzer for monitoring H2O and CO2 partial pressures in space instrumentation // IEEE Sensors Journal. 2022. V. 22. № 13. P. 12576–12587. https://doi.org/10.1109/JSEN.2022.3177079
3. Maskaeva L.N., Yurk V.M., Markov V.F. et al. Structure and photoelectric properties of PbSe films deposited in the presence of ascorbic acid // Semiconductors. 2020. V. 54. P. 1191–1197. http://doi.org/10.1134/S106378262010022X
4. Weng B., Qiu J., Zhao L., Yuan Z., Chang C., Shi Z. Recent development on the uncooled mid-infrared PbSe detectors with high detectivity // Quantum Sens. Nanophoton. Devices XI. 2014. V. 8993. P. 178–185. https://doi.org/10.1117/12.2041276
5. Bakanov V.M., Maskaeva L.N., Markov V.F. Thermosensitization of nanostructured PbSe films // Chimica Techno Acta. 2015. V. 2. № 2. P. 164–170. https://doi.org/10.15826/chimtech.2015.2.2.018
6. Hemati T., Weng B. Theoretical study of leaky-mode resonant gratings for improving the absorption efficiency of the uncooled mid-infrared photodetectors // Journal of Applied Physics. 2018. V. 124. № 5. P. 053105. https://doi.org/10.1063/1.5040373
7. Yang Y., Liu, H.C., Hao, M.R., Shen W.Z. Investigation on the limit of weak infrared photodetection // Journal of Applied Physics. 2011. V. 110. № 7. P. 074501. https://doi.org/10.1063/1.3642986
8. Nepomnyaschy S.V., Pogodina S.B. Method for manufacturing a semiconductor structure on the basis of lead selenide // Patent WO2013/154462 A2. 2013.
9. Nian Q., Callahan M., Saei M., Look D., Efstathiadis H., Bailey J., Cheng G. J. Large scale laser crystallization of solution-based Alumina-doped Zinc Oxide (AZO) nanoinks for highly transparent conductive electrode // Sci Rep. 2015. V. 5. P. 15517. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/26515670
10. Olkhova A.A., Patrikeeva A.A., Dubkova M.A., Kuzmenko N.K., Nikonorov N.V., Sergeev M.M. Comparison of CW NUV and Pulse NIR laser influence on PbSe films photosensitivity // Applied Sciences. 2023. V. 13. № 4. P. 2396. https://doi.org/10.3390/app13042396
11. Вейко В.П. Лазерная обработка пленочных элементов. Л.: Машиностроение, 1986. Т. 248. С. 4.
12. Popov V.P., Tikhonov P.A., Tomaev V.V. Investigation into the mechanism of oxidation on the surface of lead selenide semiconductor structures // Glass physics and chemistry. 2003. V. 29. P. 494–500.
13. Ahmed R., Gupta M.C. Mid-infrared photoresponse of electrodeposited PbSe thin films by laser processing and sensitization // Optics and Lasers in Engineering. 2020. V. 134. P. 106299. https://doi.org/10.1016/j.optlaseng.2020.106299
14. Tomaev V.V., Miroshkin V.P., Gar'kin L.N., Tikhonov P. Dielectric properties and phase transition in the PbSe+ PbSeO3 composite material // Glass Physics and Chemistry. 2005. V. 31. P. 812–819.
15. Томаев В.В., Петров Ю.В. Получение окисленных пленок PbSeO3 из пленок PbSe // Физика и химия стекла. 2012. Т. 38. № 2. С. 276–281.
16. Silverman S.J., Levinstein H. Electrical properties of single crystals and thin films of PbSe and PbTe // Physical Review. 1954. V. 94. № 4. P. 871. https://doi.org/10.1103/PhysRev.94.871
References
1. Sati D.C., Jain H. Coexistence of photodarkening and photobleaching in Ge-Sb-Se thin films // Journal of Non-Crystalline Solids. 2017. V. 478. P. 23–28. https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2017.10.003
2. Tran D., Gorius N., Quilligan G. et al. Gas analyzer for monitoring H2O and CO2 partial pressures in space instrumentation // IEEE Sensors Journal. 2022. V. 22. № 13. P. 12576–12587. https://doi.org/10.1109/JSEN.2022.3177079
3. Maskaeva L.N., Yurk V.M., Markov V.F. et al. Structure and photoelectric properties of PbSe films deposited in the presence of ascorbic acid // Semiconductors. 2020. V. 54. P. 1191–1197. http://doi.org/10.1134/S106378262010022X
4. Weng B., Qiu J., Zhao L., Yuan Z., Chang C., Shi Z. Recent development on the uncooled mid-infrared PbSe detectors with high detectivity // Quantum Sens. Nanophoton. Devices XI. 2014. V. 8993. P. 178–185. https://doi.org/10.1117/12.2041276
5. Bakanov V.M., Maskaeva L.N., Markov V.F. Thermosensitization of nanostructured PbSe films // Chimica Techno Acta. 2015. V. 2. № 2. P. 164–170. https://doi.org/10.15826/chimtech.2015.2.2.018
6. Hemati T., Weng B. Theoretical study of leaky-mode resonant gratings for improving the absorption efficiency of the uncooled mid-infrared photodetectors // Journal of Applied Physics. 2018. V. 124. № 5. P. 053105. https://doi.org/10.1063/1.5040373
7. Yang Y., Liu, H.C., Hao, M.R., Shen W.Z. Investigation on the limit of weak infrared photodetection // Journal of Applied Physics. 2011. V. 110. № 7. P. 074501. https://doi.org/10.1063/1.3642986
8. Nepomnyaschy S.V., Pogodina S.B. Method for manufacturing a semiconductor structure on the basis of lead selenide // Patent WO2013/154462 A2. 2013.
9. Nian Q., Callahan M., Saei M., Look D., Efstathiadis H., Bailey J., Cheng G. J. Large scale laser crystallization of solution-based Alumina-doped Zinc Oxide (AZO) nanoinks for highly transparent conductive electrode // Sci Rep. 2015. V. 5. P. 15517. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/26515670
10. Olkhova A.A., Patrikeeva A.A., Dubkova M.A., Kuzmenko N.K., Nikonorov N.V., Sergeev M.M. Comparison of CW NUV and Pulse NIR laser influence on PbSe films photosensitivity // Applied Sciences. 2023. V. 13. № 4. P. 2396. https://doi.org/10.3390/app13042396
11. Veiko V.P. Laser processing of film elements. L.: Mashinostroenie, 1986. T. 248. P. 4.
12. Popov V.P., Tikhonov P.A., Tomaev V.V. Investigation into the mechanism of oxidation on the surface of lead selenide semiconductor structures // Glass physics and chemistry. 2003. V. 29. P. 494–500.
13. Ahmed R., Gupta M.C. Mid-infrared photoresponse of electrodeposited PbSe thin films by laser processing and sensitization // Optics and Lasers in Engineering. 2020. V. 134. P. 106299. https://doi.org/10.1016/j.optlaseng.2020.106299
14. Tomaev V.V., Miroshkin V.P., Gar'kin L.N., Tikhonov P. Dielectric properties and phase transition in the PbSe+ PbSeO3 composite material // Glass Physics and Chemistry. 2005. V. 31. P. 812–819.
15. Tomaev V.V., Petrov Yu.V. Preparation of oxidized PbSeO3 films from PbSe films // Glass Physics and Chemistry. 2012. V. 38. № 2. P. 276–281.
16. Silverman S.J., Levinstein H. Electrical properties of single crystals and thin films of PbSe and PbTe // Physical Review. 1954. V. 94. № 4. P. 871. https://doi.org/10.1103/PhysRev.94.871
