Разработка и апробация экспериментальной методики использования портативных оптических источников для исследования процессов фотопроводимости HPHT-алмаза

Гавриш М.В., Погода А.П., Прохорова У.В., Розанов П.К., Борейшо А.С., Соломникова А.В., Емельянов И.Д., Телицын Н.С., Зубков В.И.

Ссылка для цитирования:

Гавриш М.В., Погода А.П., Прохорова У.В., Розанов П.К., Сементин В.В., Борейшо А.С., Соломникова А.В., Емельянов И.Д., Телицын Н.С., Зубков В.И. Разработка и апробация экспериментальной методики использования портативных оптических источников для исследования процессов фотопроводимости HPHT-алмаза // Оптический журнал. 2026. Т. 93. № 4. С. 46–56. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2026-93-04-46-56

Gavrish M.V., Pogoda A.P., Prokhorova U.K., Rozanov P.K., Boreysho A.S., Solomnikova A.V., Emelyanov I.D., Telitsyn N.S., Zubkov V.I. Development and testing of an experimental technique for using portable optical sources to study the photoconductivity processes of HPHT diamond [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2026. V. 93. № 4. P. 46–56. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2026-93-04-46-56

Ссылка на англоязычную версию:

Аннотация:

Предмет исследования. Оптические свойства HPHT-алмазов и их фоточувствительностью или изменению их фотопроводимости при возбуждении портативными узкополосными и широкополосными источниками излучения. Цель работы. Разработка и экспериментальная проверка методики исследования фотопроводимости HPHT-алмазов с использованием портативных источников оптического излучения ультрафиолетового и видимого диапазонов. Методы. Применены спектральные измерения и методика регистрации фотопроводимости, реализованные с использованием портативных лазерных и светодиодных источников. Основные результаты. Установлено, что полупроводниковые и твердотельные лазерные источники излучения, масса которых не превышает 2 кг, обеспечивают достаточную плотность мощности (1–100 мВт/см2) для возбуждения фотопроводимости. Помимо непрерывных, рассмотрены импульсные режимы генерации, что позволяет увеличить пиковую плотность мощности без дополнительного термического воздействия на образец. Показана возможность использования данных источников для диагностики примесного состава и исследования дефектных уровней в HPHT-алмазах. Научная новизна. Разработанная методика формирует новый подход к исследованию дефектных центров и динамики носителей заряда в широкозонных полупроводниках вне специализированных лабораторных условий за счёт использования портативных источников в сине-фиолетовой области спектра. Практическая значимость. Разработанная методика обеспечивает возможность проведения исследований примесного состава и фотопроводимости с применением мобильных, энергоэффективных и экономически доступных источников излучения, что расширяет потенциал лабораторных и прикладных работ в области фотоники и физики твёрдого тела.

Ключевые слова:

портативные источники оптического излучения, источники ультрафиолетового излучения, лазер, фотопроводимость, монокристаллический алмаз

Благодарность:

работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках государственного задания «Фундаментальные исследования в области создания устройств и технологий для разработки ключевых узлов высокоскоростных лазерных терминалов космической связи» FZWF-2025-0002. НИОКТР 125052706438-3. Исследование проводилось в рамках проекта № FSEE2025-0007 (государственное задание Минобрнауки Российской Федерации № 075-00003-25-00 от 25.12.2024)

Коды OCIS: 140.3460, 040.5150

Список источников:

1. Higashiwaki M., Kaplar R., Pernot J., Zhao H. Ultrawide bandgap semiconductors // Applied Physics Lett. 2021. V. 118. № 20. P. 200401-1–200401-4. https://doi.org/ 10.1063/5.0055292
2. Malinauskas T., Jarasiunas K., Ivakin E., Ralchenko V., Gontar A., Ivakhnenko S. Optical evaluation of carrier lifetime and diffusion length in synthetic diamonds // Diam. Relat. Mater. 2008. V. 17. № 7–10. P. 1212–1215. https://doi.org/10.1016/j.diamond.2008.01.005
3. Polyakov V.I., Rukovishnikov A.I., Rossukanyi N.M., Ralchenko V.G., Spaziani F., Conte G. Photoconductive and photovoltaic properties of CVD diamond films // Diamond and Related Materials. 2005. V. 14. P. 594–597. https://doi.org/ 10.1016/j.diamond.2004.11.030
4. Perez G., Maréchal A., Chicot G., Lefranc P., Jeannin P.-O., Eon D., Rouger N. Diamond semiconductor performances in power electronics applications // Diam. Relat. Mater. 2020. V. 110. P. 108154. https://doi.org/10.1016/j.diamond.2020.108154
5. Eaton-Magaña S., Johnson P., Jones D.C., Zaitsev A. Irradiation and annealing of type II HPHT-grown diamonds // Diamond and Related Materials. 2025. V. 158. P. 112597. https://doi.org/10.1016/j.diamond.2025.112597
6. Pace E., Vinattieri A., Pini A., Bogani F., Santoro M., Messina G., Santangelo S., Sato Y. Structural and functional characterization of HPHT diamond crystals used in photoconductive devices // Physica Status Solidi (a). 2000. V. 181. P. 91–97. https://doi.org/10.1002/1521-396X(200009)181:1%3C91::AID-PSSA91%3E3.0.CO;2-G
7. Gaudin J., Geoffroy G., Guizard S., Olevano V., Esnouf S., Klimentov S., Pivovarov P.A., Garnov S., Martin P., Belsky A., Petite G. Photoconductivity and photoemission of diamond under femtosecond Vuv irradiation. 2005. https://arxiv.org/abs/cond-mat/0512338
8. Lu Y.-J., Lin C.-N., Shan C.-X. Optoelectronic diamond: growth, properties, and photodetection applications // Advanced Optical Materials. 2018. V. 6. P. 1800359. https://doi.org/10.1002/adom.201800359
9. Kazuchits V.N., Kazuchits N.M., Rusetskiy M.S., Korolik O.V., Konovalova A.V., Ignatenko O.V. Rapid HPHT annealing of synthetic IB-TYPE diamonds // Carbon, V. 174, 2021. P. 180–189. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2020.12.002
10. Ломаев М. И., Скакун В. С., Соснин Э. А., Тарасенко В. Ф., Шитц Д. В., Ерофеев М. В. Эксилампы — эффективные источники спонтанного УФ и ВУФ излучения // УФН. Т. 173. 2003. С. 201–217. https://doi.org/ 10.3367/UFNr.0173.200302d.0201
Lomaev M. I., Skakun V. S., Sosnin E. A, Tarasenko V. F., Shitts D.V., Erofeev M.V. Excilamps: efficient sources of spontaneous UV and VUV radiation // Phys. Usp. 2003. V. 46. P. 193–209. https://doi.org/10.1070/PU2003v046n02ABEH001308
11. Luo T., Lindner L., Blinder R., Capelli M., Langer J., Cimalla V., Hahl F.A., Vidal X., Jeske J. Rapid determination of single substitutional nitrogen concentration in diamond from UV-Vis spectroscopy // Appl. Phys. Lett. 2022. V. 121. P.064002. https://doi.org/10.1063/5.0102370
12. Luo T, Hahl F.A., Langer J., Cimalla V., Lindner L., Vidal X., Haertelt M., Blinder R., Onoda S., Ohshima T., Jeske J. Absorption and birefringence study for reduced optical losses in diamond with high nitrogenvacancy concentration // Philosophical Transactions of the Royal Society A. 2024. V. 382. P. 111073. https://doi.org/10.1098/rsta.2022.0314
13. Wang Z., Wang Z., Liu Y., Li B., Zhao H., Guo Q., Ma H., Jia X. Properties of boron-doped HPHT diamond single crystals grown in a Fe-Ti-B-C system // Diamond and Related Materials. 2024. V. 145. P. 111073. https://doi.org/10.1016/j.diamond.2024.111073
14. Howell D., Collins A.T., Loudin L.C., Diggle P.L., D’Haenens-Johansson U.F.S., Smit K.V., Katrusha A.N., Butler J.E., Nestola F. Automated FTIR mapping of boron distribution in diamond // Diamond and Related Materials. 2019. V. 96. P. 207–215. https://doi.org/10.1016/j.diamond.2019.02.029
15. Woo K., Malakoutian M., Reeves B., Chowdhury S. A study on sub-bandgap photoexcitation in nitrogenand boron-doped diamond with interdigitated device structure // Applied Physics Letters. 2022. V. 120. P. 112104. https://doi.org/10.1063/5.0083710
16. Inyushkin A.V., Taldenkov A.N., Yelisseyev A.P., Vins V.G. Thermal conductivity of type-Ib HPHT synthetic diamond irradiated with electrons // Diamond and Related Materials. 2023. V. 139. P. 110302. https://doi.org/10.1016/j.diamond.2023.110302
17. Зубков В.И., Кучерова О.В., Яковлев И.Н., Соломонов А.В. Автоматизированная система для комплексных исследований полупроводниковых светоизлучающих структур и пластин в диапазоне от 15 до 475 K на базе криогенной зондовой станции // Микроэлектроника. 2015. Т. 44. № 3. С. 234. https://doi.org/10.7868/S0544126915030096
Zubkov V.I., Kucherova O.V., Yakovlev I.N., Solomonov A.V. An automated system for complex investigations of semiconductor light-emitting structures and wafers in the range from 15 to 475 K based on a cryogenic probe station // Microelectronics. 2015. V. 44. № 3. P. 234.
18. Чукова Ю.П. Фотопроводимость и эффект оптической памяти в алмазе // Труды минералогического музея. Выпуск 29. Новые данные о минералах СССР. М.: Наука, 1981. C. 127–132.
Chukova Yu.P. Photoconductivity and optical memory effect in diamond // Proceedings of the Mineralogical Museum. Issue 29. New data on minerals of the USSR. Moscow: Nauka, 1981. P. 127–132.
19. Rose A. Concepts in photoconductivity and allied problems. Princeton. New Jersey. 1962.
20. Климентов С.М., Гарнов С.В., Пименов С.М., Конов В.И., Глор С., Люти В., Вебер Х.П. Спектроскопия нестационарной фотопроводимости в поликристаллических алмазных пленках // Квантовая электроника. 2000. Т. 30 № 5. С. 459–461.
Klimentov S.M., Garnov S.V., Pimenov S.M., Konov V.I., Gloor S., Luthy W., Weber H.P. Transient photoconductivity spectroscopy of polycrystalline diamond films // Quantum Electronics. 2000. V. 30. № 5. P. 459–461.
https://doi.org/10.1070/QE2000v030n05ABEH001743
21. Vaitkus F.L., Inushima T., Yamazaki S. Highly tolerant diamond Schottky barrier photodiodes for deep-ultraviolet xenon excimer lamp and protons detection // Functional Diamond. 2022. V. 2. № 1. P. 167–174. https://doi.org/10.1080/26941112.2022.2150526
22.Teraji T., Yoshizaki S., Mitani S., Watanabe T., Ito T. Transport properties of electron-beam and photo excited carriers in high-quality single-crystalline chemical-vapor-deposition diamond films // Journal of applied physics. 2004. V. 96. № 12. P. 7300–7305. https://doi.org/10.1063/1.1805723
23. Ščajev P., Trinkler L., Berzina B., Ivakin E., Jarasiunas K. Influence of boron on donor–acceptor pair recombination in type IIa HPHT diamonds // Diamond & Related Materials. 2013. V. 36. P. 35–43. https://doi.org/10.1016/j.diamond.2013.03.011
24. Zakaria F.Z. Persistent photoconductivity and transport properties of the air-induced surface conducting diamond // ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences. 2018. V. 13. P. 3570–3578.