Моделирование нагрева пленки селенида свинца непрерывным лазерным излучением с учетом процесса окисления

Введение. Исследованы особенности нагрева пленки селенида свинца (PbSe) при воздействии непрерывным лазерным излучением с учетом зарождения и увеличения толщины оксидной фазы. Показано, что окисление пленки PbSe приводит к снижению скорости нагревания и падению максимальной температуры за счет уменьшения доли поглощенного лазерного излучения в оксидной фазе. Результаты моделирования, представленные в работе, стали обоснованием ранее полученных экспериментальных результатов. Объяснение механизма лазерного нагревания пленки PbSe впервые позволило определить наиболее эффективную длительность лазерного воздействия, обеспечивающую формирование структур с заданными оптическими характеристиками.

Метод. Исследование выполнено методом аналитического моделирования. Для описания теплового источника использовалось частное решение уравнения теплопроводности. Оптические свойства пленки описывались на основе формул Френеля для отражения и пропускания света. На основании полученных ранее экспериментальных данных создана аналитическая модель, описывающая тепловой источник в пленке с учетом изменения ее оптических свойств за счет формирования слоя оксида PbSe и увеличения его толщины. Основные результаты. Показано, что при воздействии на пленку PbSe непрерывным лазерным излучением с длиной волны 405 нм, вследствие образования слоя оксида, происходит снижение коэффициента экстинкции пленки kf со значения 0,488 до величины 1,62·10–3. При этом показатель преломления пленки nf также снижается со значения 3,532 до 1,925. Коэффициент поглощения пленки на длине волны лазерного излучения за время облучения уменьшается с 0,68 до 0,03. По мере увеличения толщины оксидной фазы от 0 до 600 нм происходит замедление роста температуры в зоне облучения и смещение максимального значения температуры с поверхности к границе пленка–подложка. При воздействии непрерывным лазерным излучением с плотностью мощности около 340 Вт/см² в течение 9 с максимальная температура пленки не превышает 275 °С.

Обсуждение. Полученные результаты могут быть применены при разработке фотодетекторов на основе пленок PbSe для работы в среднем инфракрасном диапазоне спектра. Лазерный отжиг пленки позволяет локально и контролируемо изменять оптические и электрические характеристики пленки PbSe в небольшом диапазоне значений, что влияет на фоточувствительность пленки, используемой в качестве детектора среднего и дальнего инфракрасного излучения.

1. Scheer R., Schock H.W. Chalcogenide photovoltaics: physics, technologies, and thin film devices. Wiley, 2011. 384 p.

2. Gupta M.C., Harrison J.T., Islam M.T. Photoconductive PbSe thin films for infrared imaging // Materials Advances. 2021. V. 2. N 10. P. 3133–3160. https://doi.org/10.1039/D0MA00965B

3. Tsiulyanu D., Marian S., Liess H-D., Eisele I. Chalcogenide based gas sensors // Journal of Optoelectronics and Advanced Materials. 2003. V. 5. N 5. P. 1349–1354.

4. Khusayfan N.M., Khanfar H.K., Alharbi S.R.N. Fabrication and characterization of lead selenide thin film as X-ray sensors, photovoltaic devices and microwave resonators // Applied Physics A. 2023. V. 129. N 9. P. 639. https://doi.org/10.1007/s00339-023-06909-2

5. Khusayfan N.M., Qasrawi A.F., Khanfar H.K., Alharbi S.R. Lead selenide thin films designed for laser sensing and visible light communications //silicon. 2023. V. 15. N 16. P. 6971–6979. https://doi.org/10.1007/s12633-023-02554-9

6. Tretyakova N.A. IR sensitization of PbSnSe films by heat treatment in air // Inorganic Materials. 2017. V. 53. N 10. P. 1005–1008. https://doi.org/10.1134/s002016851710017x

7. 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. N 5. P. 494–500. https://doi.org/10.1023/a:1026399332312

8. 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/app121910162

9. 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 paser influence on PbSe films photosensitivity // Applied Sciences. 2023. V. 13. N 4. P. 2396. https://doi.org/10.3390/app13042396

10. Сергеев М.М., Пушкарева А.Е., Гресько В.Р. Моделирование теплового источника в пленке с наночастицами при воздействии ультракоротких лазерных импульсов // Известия высших учебных заведений. Приборостроение. 2024. Т. 67. № 7. С. 567–573. https://doi.org/10.17586/0021-3454-2024-67-7-567-573

11. Olkhova A., Patrikeeva A., Butyaeva M., Pushkareva A., Hassan V., Omelchenko P., Shulga B., Kozodaev D., Korepanov O., Bogdanov K., Pestov G., Sergeev M. Dynamics of lead selenide films modification by laser annealing // Physica B: Condensed Matter. 2025. V. 698. P. 416771. https://doi.org/10.1016/j.physb.2024.416771

12. Miyamoto I., Horn A., Gottmann J. Local melting of glass material and its application to direct fusion welding by Ps-laser pulses // Journal of Laser Micro Nanoengineering. 2007. V. 2. N 1. P. 7–14. https://doi.org/10.2961/jlmn.2007.01.0002

13. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. М.: Наука, 1973. 720 с.

14. Palik E.D. Handbook of Optical Constants of Solids. Academic Press, 1985.V. 1. 804 p.

15. Jang M.H., Yoo S.S., Kramer M.T., Dhar N.K., Gupta M.C. Electrical transport properties of sensitized PbSe thin films for IR imaging sensors //semiconductor Science and Technology. 2019. V. 34. N 6. P. 065009. https://doi.org/10.1088/1361-6641/ab19e7