ntvНаучно-технический вестник информационных технологий, механики и оптикиScientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics2226-14942500-0373Университет ИТМО10.17586/2226-1494-2024-24-1-30-40ntv-61Research ArticleОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ И ТЕХНОЛОГИИOPTICAL ENGINEERINGЛазерно-индуцированное тепловое воздействие на электрические характеристики фоточувствительных пленок селенида свинцаLaser-induced thermal effect on the electrical characteristics of photosensitive PbSe filmshttps://orcid.org/0000-0001-9048-3031ОльховаА. А.OlkhovaA. A.

Ольхова Анастасия Александровна — аспирант, младший научный сотрудник

Санкт-Петербург, 197101

sc 57814489800

Anastasiia A. Olkhova — PhD Student, Junior Researcher

Saint Petersburg, 197101

sc 57814489800

olkhova.a.a@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-5274-9692ПатрикееваА. А.PatrikeevaA. A.

Патрикеева Алина Александровна — студент, инженер 

Санкт-Петербург, 197101

 sc 57815254200

Alina A. Patrikeeva — Student, Engineer

Saint Petersburg, 197101

sc 57815254200

patrikeeva17@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0003-3251-6602БутяеваМ. А.ButyaevaM. A.

Бутяева Мария Алексеевна — студент, инженер

Санкт-Петербург, 197101

sc 58125613000

 

Maria A. Butyaeva — Student, Engineer

Saint Petersburg, 197101

sc 58125613000

maria.dubkova@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0003-0082-984XПушкареваА. Е.PushkarevaA. E.

Пушкарева Александра Евгеньевна — кандидат технических наук, ведущий инженер

Санкт-Петербург, 197101

 sc 12791000500 

Alexandra E. Pushkareva — PhD, Leading Engineer

Saint Petersburg, 197101

sc 12791000500

alexandra.pushkareva@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0001-7399-7022МосквинМ. К.MoskvinM. K.

Москвин Михаил Константинович — младший научный сотрудник

Санкт-Петербург, 197101

 sc 57194008858

Mikhail K. Moskvin — Junior Researcher

 Saint Petersburg, 197101

sc 57194008858

mkmoskvin@itmo.ruhttps://orcid.org/0000-0003-2854-9954СергеевМ. М.SergeevM. M.

Сергеев Максим Михайлович — кандидат технических наук, доцент, старший научный сотрудник

Санкт-Петербург, 197101

sc 55624732300

Maksim M. Sergeev — PhD, Associate Professor, Senior Researcher

Saint Petersburg, 197101

sc 55624732300

maxim.m.sergeev@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0001-6071-3449ВейкоВ. П.VeikoV. P.

Вейко Вадим Павлович — профессор, доктор технических наук, профессор

Санкт-Петербург, 197101

sc 7005095644

Vadim P. Veiko — D.Sc., Full Professor

 Saint Petersburg, 197101

sc 7005095644

vpveiko@itmo.ruУниверситет ИТМОРоссияITMO UniversityRussian Federation2024111220242413040Copyright © Ольхова А.А., Патрикеева А.А., Бутяева М.А., Пушкарева А.Е., Москвин М.К., Сергеев М.М., Вейко В.П., 20242024Ольхова А.А., Патрикеева А.А., Бутяева М.А., Пушкарева А.Е., Москвин М.К., Сергеев М.М., Вейко В.П.Olkhova A.A., Patrikeeva A.A., Butyaeva M.A., Pushkareva A.E., Moskvin M.K., Sergeev M.M., Veiko V.P.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://ntv.elpub.ru/jour/article/view/61

Введение. В работе представлено исследование влияния лазерного облучения кристаллических халькогенидных пленок селенида свинца на их электрические характеристики, вызванные необратимой модификацией структуры за счет валентной переконфигурации свинца в результате его окисления. Метод. Исследование особенностей модификации электрических свойств пленок выполнено в результате лазерного воздействия наносекундных импульсов с длиной волны 1064 нм. Измерения электрических характеристик пленок селенида свинца проводились с помощью четырехзондового метода. Основные результаты. Показано, что при направлении тока параллельно лазерным трекам, записанным в режиме потемнения, сопротивление модифицированной пленки снизилось на 44 % по сравнению с исходным образцом, а при перпендикулярном направлении тока сопротивление возросло на 153 %. Сопротивление пленки увеличилось более чем в 27 раз после лазерного облучения в режиме просветления вне зависимости от направления тока относительно лазерных треков. Экспериментально измеренные температура и ее градиент по лазерному пятну на пленке в режимах потемнения и просветления оказались в хорошем соответствии с предложенной математической моделью теплового воздействия лазерных импульсов. Показано, что процессы лазерной модификации пленок происходят при более низких температурах, чем при стандартной тепловой обработке в печи. Обсуждение. Полученные результаты могут быть применены при разработке фотодетекторов в среднем инфракрасном диапазоне спектра на основе пленки селенида свинца.

The paper presents a study of the effect of laser irradiation of crystalline chalcogenide films of lead selenide (PbSe) on their electrical characteristics caused by irreversible modification of the structure due to valence reconfiguration of lead as a result of its oxidation. The study of the modification features of the electrical properties of the films was carried out because of laser exposure to nanosecond pulses with a wavelength of 1064 nm. Measurements of the electrical characteristics of PbSe films were carried out using the four-probe method. It was shown that when the current was directed parallel to the laser tracks recorded in the darkening mode, the resistance of the modified film decreased by 44 % compared to the original sample, and with the perpendicular direction of the current, the resistance increased by 153 %. The resistance of the film increased more than 27 times after laser irradiation in the bleaching mode, regardless of the direction of the current relative to the laser tracks. The experimentally measured temperature and its gradient along the laser spot on the film in the darkening and bleaching modes turned out to be in good agreement with the proposed mathematical model of the thermal effect of laser pulses. It has been shown that the processes of laser modification of films occur at lower temperatures than during standard heat treatment in a furnace. The obtained results can be applied in the development of photodetectors in the middle IR range of the spectrum based on PbSe film.

лазерная модификацияпленки PbSeоптические характеристикирежим потемнениярежим просветлениятермообработкалазерные импульсыlaser modificationPbSe filmsoptical characteristicsdarkening modebleaching modeheat treatmentlaser pulsesРабота выполнена за счет средств гранта Российского научного фонда и гранта Санкт-Петербургского научного фонда (проект № 23-29-10081). Исследование структуры методом СЭМ-электронной микроскопии проведено в Центре нанотехнологий Научного парка Санкт-Петербургского государственного университета в рамках проекта № АААА-А19-119091190094.This research was funded by the Russian Science Foundation grant and a grant from the Saint Petersburg Science Foundation (project no. 23-29-10081). The investigation of the structure by means SEM electron microscopy was carried out at the IRC for Nanotechnology of the Science Park of Saint Petersburg State University within the framework of project No. АААА-А19-119091190094.ReferencesTan C.L., Mohseni H. Emerging technologies for high performance infrared detectors // Nanophotonics. 2018. V. 7. N 1. P. 169–197. https://doi.org/10.1515/nanoph-2017-0061Tan C.L., Mohseni H. Emerging technologies for high performance infrared detectors // Nanophotonics. 2018. V. 7. N 1. P. 169–197. https://doi.org/10.1515/nanoph-2017-0061Karim A., Andersson J.Y. Infrared detectors: Advances, challenges and new technologies // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2013. V. 51. N 1. P. 012001. https://doi.org/10.1088/1757-899x/51/1/012001Karim A., Andersson J.Y. Infrared detectors: Advances, challenges and new technologies // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2013. V. 51. N 1. P. 012001. https://doi.org/10.1088/1757-899x/51/1/012001Kasiyan V., Dashevsky Z., Schwarz C.M., Shatkhin M., Flitsiyan E., Chernyak L., Khokhlov D. Infrared detectors based on semiconductor p-n junction of PbSe // Journal of Applied Physics. 2012. V. 112. N 8. P. 086101. https://doi.org/10.1063/1.4759011Kasiyan V., Dashevsky Z., Schwarz C.M., Shatkhin M., Flitsiyan E., Chernyak L., Khokhlov D. Infrared detectors based on semiconductor p-n junction of PbSe // Journal of Applied Physics. 2012. V. 112. N 8. P. 086101. https://doi.org/10.1063/1.4759011Weng B., Qiu J., Yuan Z., Larson P.R., Strout G.W., Shi Z. Responsivity enhancement of mid-infrared PbSe detectors using CaF2 nano-structured antireflective coatings // Applied Physics Letters. 2014. V. 104. N 2. P. 021109. https://doi.org/10.1063/1.4861186Weng B., Qiu J., Yuan Z., Larson P.R., Strout G.W., Shi Z. Responsivity enhancement of mid-infrared PbSe detectors using CaF2 nano-structured antireflective coatings // Applied Physics Letters. 2014. V. 104. N 2. P. 021109. https://doi.org/10.1063/1.4861186Томаев В.В., Егоров С.В., Стоянова Т.В. Исследование фоточувствительности композита из селенида и селенита свинца в ультрафиолетовой области спектра // Физика и химия стекла. 2014. Т. 40. № 2. С. 268–276.Tomaev V.V., Egorov S.V., Stoyanova T.V. Investigation into the photosensitivity of a composite from lead selenide and selenite in UV region of spectrum. Glass Physics and Chemistry, 2014, vol. 40, no. 2, pp. 208–214. https://doi.org/10.1134/s1087659614020229Alekseeva G.T., Gurieva E.A., Konstantinov P.P., Prokofeva L.V., Fedorov M.I. Thermoelectric figure of merit of hetero- and isovalently doped PbSe // Semiconductors. 1996. V. 30. N 12. P. 1125–1127.Alekseeva G.T., Gurieva E.A., Konstantinov P.P., Prokofeva L.V., Fedorov M.I. Thermoelectric figure of merit of hetero- and isovalently doped PbSe // Semiconductors. 1996. V. 30. N 12. P. 1125–1127.Avery D.G., Goodwin D.W., Lawson W.D., Moss T.S. Optical and photo-electrical properties of indium antimonide // Proceedings of the Physical Society. Section B. 1954. V. 67. N 10. P. 761. https://doi.org/10.1088/0370-1301/67/10/304Avery D.G., Goodwin D.W., Lawson W.D., Moss T.S. Optical and photo-electrical properties of indium antimonide // Proceedings of the Physical Society. Section B. 1954. V. 67. N 10. P. 761. https://doi.org/10.1088/0370-1301/67/10/304Paul W., Jones D.A., Jones R.V. Infra-Red Transmission of Galena // Proceedings of the Physical Society. Section B. 1951. V. 64. N 6. P. 528. https://doi.org/10.1088/0370-1301/64/6/109Paul W., Jones D.A., Jones R.V. Infra-Red Transmission of Galena // Proceedings of the Physical Society. Section B. 1951. V. 64. N 6. P. 528. https://doi.org/10.1088/0370-1301/64/6/109Gibson A.F. The absorption spectra of single crystals of lead sulphide, selenide and telluride // Proceedings of the Physical Society. Section B. 1952. V. 65. N 7. P. 555. https://doi.org/10.1088/0370-1301/65/7/516Gibson A.F. The absorption spectra of single crystals of lead sulphide, selenide and telluride // Proceedings of the Physical Society. Section B. 1952. V. 65. N 7. P. 555. https://doi.org/10.1088/0370-1301/65/7/516Humphrey J.N., Scanlon W.W. Photoconductivity in lead selenide. Experimental // Physical Review. 1957. V. 105. N 2. P. 469–476. https://doi.org/10.1103/physrev.105.469Humphrey J.N., Scanlon W.W. Photoconductivity in lead selenide. Experimental // Physical Review. 1957. V. 105. N 2. P. 469–476. https://doi.org/10.1103/physrev.105.469Danilov E.A., Veretennikov M., Dronova M., Kalyakin T., Stepashkin A.A., Tcherdyntsev V.V., Samoilov V. Simple route to increase electrical conductivity and optical transmittance in graphene/ silver nanoparticles hybrid suspensions // Applied Sciences. 2023. V. 13. N 3. P. 1922. https://doi.org/10.3390/app13031922Danilov E.A., Veretennikov M., Dronova M., Kalyakin T., Stepashkin A.A., Tcherdyntsev V.V., Samoilov V. Simple route to increase electrical conductivity and optical transmittance in graphene/ silver nanoparticles hybrid suspensions // Applied Sciences. 2023. V. 13. N 3. P. 1922. https://doi.org/10.3390/app13031922Непомнящий С.В., Погодина С.Б. Способ изготовления полупроводниковой структуры на основе селенида свинца. Патент RU 2493632 C1. Бюл. 2013. № 26.Nepomnjashchij S.V., Pogodina S.B. Method of making lead selenide-based semiconductor structure. Patent RU 2493632 C1. 2013. (in Russian)Kolobov A.V., Tominaga J. Chalcogenide glasses in optical recording: recent progress // Journal of Optoelectronics and Advanced Materials. 2002. V. 4. N 3. P. 679–686.Kolobov A.V., Tominaga J. Chalcogenide glasses in optical recording: recent progress // Journal of Optoelectronics and Advanced Materials. 2002. V. 4. N 3. P. 679–686.Olkhova A.A., Patrikeeva A.A., Sergeev M.M. Electrical and optical properties of laser-induced structural modifications in PbSe films // Applied Sciences. 2022. V. 12. N 19. P. 10162. https://doi.org/10.3390/app121910162Olkhova A.A., Patrikeeva A.A., Sergeev M.M. Electrical and optical properties of laser-induced structural modifications in PbSe films // Applied Sciences. 2022. V. 12. N 19. P. 10162. https://doi.org/10.3390/app121910162Silverman S.J., Levinstein H. Electrical properties of single crystals and thin films of PbSe and PbTe // Physical Review. 1954. V. 94. N 4. P. 871–876. https://doi.org/10.1103/physrev.94.871Silverman S.J., Levinstein H. Electrical properties of single crystals and thin films of PbSe and PbTe // Physical Review. 1954. V. 94. N 4. P. 871–876. https://doi.org/10.1103/physrev.94.871Ahmed 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.2020.106299Ahmed 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.2020.106299Вейко В.П., Киеу К.К. Лазерная аморфизация стеклокерамик: основные закономерности и новые возможности изготовления микрооптических элементов // Квантовая электроника. 2007. Т. 37. № 1. С. 92–98.Veiko V.P., Kieu K.K. Laser amorphisation of glass ceramics: basic properties and new possibilities for manufacturing microoptical elements. Quantum Electronics, 2007, vol. 37, no. 1, pp. 92–98. https://doi.org/10.1070/qe2007v037n01abeh008992Voznyi A., Kosyak V., Onufrijevs P., Grase L., Vecstaudža J., Opanasyuk A., Medvid’ A. Laser-induced SnS2-SnS phase transition and surface modification in SnS2 thin films // Journal of Alloys and Compounds. 2016. V. 688. Part B. P. 130–139. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2016.07.103Voznyi A., Kosyak V., Onufrijevs P., Grase L., Vecstaudža J., Opanasyuk A., Medvid’ A. Laser-induced SnS2-SnS phase transition and surface modification in SnS2 thin films // Journal of Alloys and Compounds. 2016. V. 688. Part B. P. 130–139. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2016.07.103Miyamoto I., Horn A., Gottmann J., Wortmann D., Yoshino F. Fusion welding of glass using femtosecond laser pulses with high-repetition rates // Journal of Laser Micro/Nanoengineering. 2007. V. 2. N 1. P. 57–63. https://doi.org/10.2961/jlmn.2007.01.0011Miyamoto I., Horn A., Gottmann J., Wortmann D., Yoshino F. Fusion welding of glass using femtosecond laser pulses with high-repetition rates // Journal of Laser Micro/Nanoengineering. 2007. V. 2. N 1. P. 57–63. https://doi.org/10.2961/jlmn.2007.01.0011

The authors declare that there are no conflicts of interest present.