Способ определения электрофизических параметров электропроводящих материалов Советский патент 1982 года по МПК G01J5/50 

; т 4:;

i

aa(7e-TO)

a

где т - длительность зондирующего импульса;Ci - теплоемкость решетки; а - коэффициент теплообмена электронной и фононной подсистем; Се - электронная теплоемкость; Те - электронная температура; То - начальная температура решетки, и регистрируют излучение горячих электронов в оптическом диапазоне на длинах волн, отличных от длины волны зондирующего излучения.

На рисунке приведена схема устройства, реализующего способ определения электрофизических параметров электропроводящих материалов.

Устройство содержит источник 1 когерентного излучения (лазер), оптический, затвор 2, оптическую формирующую систему 3, исследуемый материал (образец) 4, установленные по ходу излучения источнина 1, объектив 5, фильтр б, электронно-оптический регистратор (фотохронограф) 7 и регистрирующую среду 8, установленные по ходу излучения материала 4.

Источник 1 когерентного излучения и электронно-оптический регистратор 7 связаны цепью синхронизации.

Способ определения электрофизических параметров: коэффициента теплообмена электронной и фононной подсистем (а), частоты столкиовения электронов с фононами, подвижиости носителей зарядов, константы связи электронной и фононной подсистем, времени релаксации электронных уровней в полупроводниках и т. д., электропроводящих материалов - металлов и полупроводников, основан на нагреве электронной подсистемы материала 4 отдельно от его ионной подсистемы и регистрации излучения горячих электронов, возникающих при этом нагреве.

На источник 1 когерентного излучения подают импульс синхронизации и с помощью оптического затвора 2 формируют импульс оптического излучения. Через оптическую формирующую систему 3 импульс оптического излучения подают на исследуемый материал (образец) 4. Возникающее при этом свечение в оптическом диапазоне подают через объектив 5, оптический фильтр 6 на вход электронно-оптического регистратора (фотохронограф) 7 и с его выхода оптический сигнал регистрируют на регистрирующей среде (фотопленке) 8.

Длительность зондирующего импульса оптического излучения, формируемого источником 1 когерентного излучения, с оптическим затвором 2 выбирают из следующих соотношений:

Pj т ;

cj.

«

(,

где т, а, Ci, Се, Т и TQ имеют указанные значения.

Регистрацию излучения горячих электронов, параметры которых определяют электрофизические параметры материала, производят в оптическом диапазоне путем измерения оптических характеристик (спектрального состава) свечения материала 4 в месте падения зондирующего импульса излучения. V

Развертку фотохронографа 7 запускают цепью синхронизации одновременно с началом генерации источника 1. Полученную на экране электронно-оптического регистратора (ЭОПа) картину свечения развертывают во времени и фиксируют на регистрирующей среде 8 (фотопленке). Таким образом, фиксируют и измеряют оптические спектральные характеристики импульса видимого излучения - свечения поверхности материала 4 под действием зондирующего импульса. Фильтр 6 выбирают не пропускающим длину волны источника зондирующего излучеиия.

Использование данного способа позволяет, кроме определения электрофизических характеристик электропроводящих материалов, измерять (длительность импульсов ИК-излучения ( 10-2 с), определять форму импульсов и производить визуализацию сечения пучка ИК-излучения в зоне падения его на исследуемый материал 4. Для увеличения стабильности и точности измерений целесообразно помещать материал в вакуумную камеру, снабженную входным и выходным окном.

Регистрацию излучения горячих электронов производят в оптическом диапазоне на длинах волн (i-,2), отличных от длины волны зондирующего излучения Яз (з не принадлежит множеству длин волн Я,).

Коэффициент теплообмена электронной и фононной подсистем, частоты столкновений, эффективная концентрация электронов, их подвижность и другие электрофизические параметры связаны базовым соотнощением

.nSr.

б.,гГ

где т - масса электрона; п - концентрация; S - скорость звука; Те - время столкновения электронов7о - температура решетки. Проведенные авторами исследования выявили безынерционность свечения при соблюдении условий

CiT,

: и г $:

а(х()

/

До времен меньших lO с. Спектр свечения сплошной в соответствии с законом Планка, интенсивность свечения однозначно (нелинейно) зависит от мощности импульса зондируюш;его излучения. Поэтому это свечение может быть иснользовано как для измерения длительности и формы коротких до с импульсов, так и для визуализации импульсов ИК-излучения. Исследования (в диапазоне 0,63-10,6 мкм) также показали, что безынерционное свечение (его интенсивность и спектральный состав) спектрально-неселективны отосительно длины волны зондирующего излучения. Таким образом, данный способ может быть использован для снектрально-неселективного преобразователя ИК-излучения в видимое для оценки пространственно-временного распределения плотности мощности коротких до импульсов ИК-излучения.

В качестве источника зондирующего излучения использован неодимовый лазер, с самосинхронизацией мод. Я, 1,06 мкм, т 20 ПС, мощность импульса Q 10 Вт/см. Формирование ультракороткого импульса (т с) осуществлялось пассивным затвором на красителе № 3955 в нитробензоле.

Измерение длительности я формы импульса лазера производилось фотохронографом типа «Агат с временным разрешением 1 ПС.

Излучение лазера фокусировалось на поверхности металла (полупроводника). Свечение электронной подсистемы (горячих электронов) переносилось с помощью оптической системы на вход ЭОПа «Агат. Регистрация с выходного окна «Агата производилась фоторегистрацией на фотопленке.

Длительность и форма импульса лазера совпадала с длительностью и формой импульса свечения (температура) с учетом излучения поверхности по закону Планка.

Был определен коэффициент теплообмена электронной и фононной подсистем а. lldQ{t)jdt

П(0 - т,

где d - толщина пленки металла;

Q(t) - мощность зондирующего излучения (измерения в эксперименте) ;

Te(t) - электронная температура (измерения в эксперименте); TO - начальная температура металла (измерения в эксперименте).

Аналогично определяются и другие папаметры (см. 3).

В экспериментах получены следующие значения электрофизических параметров. Дж-с- к см-- :

По табличным данным

lOi.

В известном способе определение электрофизических параметров (например а) производилось с точностью до порядка величины (погрешность 10,00%), к таким же погрешностям приводят и теоретические исследования 3.

В настоящем способе методическая погрешность зависит от точности соблюдения

условия - -, так при --,

Зс i , погрешность составляет менее а

5% от измеряемой величины. В реальных измерениях с учетом реальных приборных погрешностей погрешность достигает 20- 30%.

Формула изобретения

Способ определения электрофизических параметров электропроводящих материалов, основанный на нагреве электронной подсистемы отдельно от ионной подсистемы и регистрации, параметров горячих электронов, отличающийся тем, что, с целью .расширения области применимости способа, нагрев электронной подсистемы осуществляют зондирующим импульсом оптического излучения, длительность которого

выбирают из следующих соотношений:

, -

«

(П-П)

т - длительность зондируюшего имгдепульса;

Сг - теплоемкость решетки; а - коэффициент теплообмена электронной н фононной подсистем; Се - электронная теплоемкость; Те - электронная температура; То - начальная температура решетки, и регистрируют излучение горячих электронов в оптическом диапазоне на длинах волн, отличных от длины волны зондируюшего излучения.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе:

1.Конуэлл Э. Кинетические свойства полупроводников в сильных электрических полях. М., «Мир, 1970, с. 21.

2.Ненакаливаемые катоды. Под ред, М. И. Елинсон, М., «Сов. радио, 1974, с. 47

(прототнп).

3.Гинзбург В. Л., Шабанский В. П. Кинетическая температура электронов в металлах и аномальная электронная эмнссия. ДАН СССР, т. 100, № 3, 1955, с. 52.