2.3 Materiais
2.3.2 Semicondutores
Os compostos semicondutores, tais como, arseneto de g´alio (GaAs) e telureto de c´admio (CdTe), possuem coeficientes eletro-´opticos similares, em magnitude, aos das sillenitas e mobilidade muito maiores. Desta forma, a condutividade no escuro, sendo proporcional `a mobilidade, tamb´em ´e muito maior e, portanto, o tempo de decaimento no escuro ´e pequeno. O resultado ´e que os compostos semicondutores n˜ao tˆem capacidade de armazenamento hologr´afica a longo prazo.
Estes materiais tˆem a banda proibida no limite pr´oximo ao infravermelho, podendo ser utilizados para holografia nessa faixa espectral, diferente das sillenitas que possuem maior sensibilidade na regi˜ao do vis´ıvel [30]. Por outro lado, por serem r´apidos, s˜ao ideais para o estudo de vibra¸c˜oes ultra-sˆonicas e por esse motivo o efeito foto-fem tem sido intensamente investigado em semicondutores como GaAs e CdTe [13].
Neste trabalho foram estudados alguns novos materiais semicondutores interessantes, como o telureto de zinco dopado com van´adio e alum´ınio-van´adio (ZnTe:V e ZnTe:Al:V) e CdTe dopado com van´adio, germˆanio e bismuto (CdTe:V, CdTe:Ge e CdTe:Bi), que ser˜ao descritos brevemente a seguir.
2.3.2.1 Telureto de c´admio (CdTe)
O telureto de c´admio ´e um semicondutor da fam´ılia II-VI com estrutura c´ubica de face centrada [28]. O CdTe ´e um material promissor para fotodetectores, c´elulas solares e filtros por ter uma
CAP´ITULO 2. MATERIAIS FOTORREFRATIVOS 13 larga faixa de sensibilidade na regi˜ao do infra-vermelho pr´oximo. Tamb´em ´e interessante para o processamento de informa¸c˜oes [32], por possuir um tempo de resposta muito mais curto (devido a alta mobilidade el´etrica) que os cristais ´oxidos, como as sillenitas e o LiNbO3 [33]. E
a adi¸c˜ao, tais como V, Ti, Ge e outras, podem formar n´ıveis de impurezas profundos (aceitadores e doadores) pr´oximos ao meio da banda proibida destes materiais [34, 35, 36] diminuindo assim a condutividade no escuro, que ´e importante em termos de aplica¸c˜oes.
N´os estudamos os cristais CdTe:V, CdTe:Ge e CdTe:Bi atrav´es das t´ecnicas de Fotocondu- tividade Resolvida em Comprimento de Onda e, principalmente, pela t´ecnica speckle-foto-fem.
2.3.2.2 Telureto de zinco (ZnTe)
O telureto de zinco (ZnTe) ´e um semicondutor da fam´ılia II-VI. Quando dopado com van´adio observa-se uma melhora na resposta fotorrefrativa deste material [37]. Similarmente ao que acontece com o CdTe, esta dopagem pode formar n´ıveis de impurezas profundos (aceitadores e doadores) pr´oximo ao meio da banda proibida destes materiais [37].
O ZnTe se destaca por possuir uma banda proibida mais larga que o CdTe, podendo ser estudado na regi˜ao do espectro do vis´ıvel. Na tabela 2.2 est´a apresentada as dimens˜oes das amostras utilizadas nos experimentos.
Tabela 2.2: Dimens˜oes das amostras semicondutoras.
Amostra espessura largura altura d (mm) ℓ (mm) H (mm) CdTe:V-BR4Z1Mb 2.6 4.2 9.39 CdTe:Ge-N191 4.0 5.0 7.0 CdTe:Bi-17(3) 2.0 4.75 10.45 ZnTe:Al:V-THM15 1.77 5.3 10.0 ZnTe:V-THM12 2.32 3.35 4.44
Cap´ıtulo 3
FOTO-FEM NUM PADR ˜AO DE
SPECKLE
O padr˜ao de “speckle” pode ser compreendido como uma distribui¸c˜ao granular e aleat´oria da intensidade de luz causada por uma superf´ıcie rugosa quando iluminada por luz coerente (laser). O movimento oscilante do “speckle” sobre uma amostra fotocondutora induz uma for¸ca ele- tromotriz permitindo que uma fotocorrente flua pelo material. Como a amplitude de oscila¸c˜ao do padr˜ao de luz e a fotocorrente resultante n˜ao s˜ao lineares, esta ´ultima apresenta diversos termos harmˆonicos na freq¨uˆencia de oscila¸c˜ao Ω. O primeiro harmˆonico cont´em informa¸c˜oes que permitem determinar a amplitude da oscila¸c˜ao mecˆanica e o tempo de resposta (τSC) para
a forma¸c˜ao do campo de cargas espaciais no material. Este tempo depende, dentre outros parˆametros, do tempo de relaxamento (ou diel´etrico) de Maxwell [28, 38]:
τSC ∝ τM=
ǫε0
σ (3.1)
onde ǫ ´e a constante diel´etrica, ε0 ´e a permissividade do v´acuo e σ ´e a condutividade dada pela
equa¸c˜ao 2.15.
A for¸ca foto-eletromotriz ´e induzida em materiais fotorrefrativos ou, simplesmente, fotocon- dutores quando iluminados por um padr˜ao de luz n˜ao-estacion´ario. Os portadores de cargas fotogerados nos estados extendidos (banda de condu¸c˜ao ou valˆencia) se movem atrav´es do campo espacial de cargas que surge quando o tempo de resposta ´e muito maior que o per´ıodo de vibra¸c˜ao. Se o padr˜ao de luz move-se muito mais r´apido que a resposta do campo espacial de cargas, mas mais lento que o tempo de vida dos portadores de cargas livres nestes estados extendidos, os portadores seguiram o movimento oscilat´orio do padr˜ao, mas o campo espacial
CAP´ITULO 3. FOTO-FEM NUM PADR ˜AO DE SPECKLE 15 de cargas n˜ao. Desta forma, os portadores de cargas livres n˜ao estar˜ao em equil´ıbrio, como con- sequˆencia, uma corrente surgir´a. Este efeito necessariamente n˜ao requer a modula¸c˜ao do ´ındice de refra¸c˜ao, mas depende da proje¸c˜ao de um padr˜ao de luz sobre a amostra para estabelecer a modula¸c˜ao do campo espacial de cargas [28, 38].
Para vibra¸c˜oes muito mais r´apidas que τSC, ou seja, para a condi¸c˜ao:
τSCΩ ≫ 1 (3.2)
onde Ω ´e a freq¨uˆencia angular da vibra¸c˜ao do padr˜ao de luz sobre o cristal fotorrefrativo, o sinal do primeiro harmˆonico da fotocorrente gerada n˜ao mais depende de τSC e o sistema fica parti-
cularmente interessante para medir vibra¸c˜oes mecˆanicas que possam produzir esses padr˜oes de luz “speckle” oscilante. Um trabalho anterior [16], desenvolvido em nosso laborat´orio, mostrou a presen¸ca de um m´aximo caracter´ıstico no sinal da fotocorrente para uma determinada rela¸c˜ao amplitude de oscila¸c˜ao-tamanho do “speckle”. Esse m´aximo ´e interessante do ponto de vista pr´atico pois permitiria calibrar o sistema de medida, aumentando o interesse tecnol´ogico desta t´ecnica. No entanto, a teoria desenvolvida na ref.[16] utiliza aproxima¸c˜oes que poderiam com- prometer as conclus˜oes finais. Neste cap´ıtulo, n´os desenvolvemos uma teoria mais exata para descrever o efeito foto-fem para um padr˜ao de ilumina¸c˜ao “speckle” gaussiano estacion´ario e vibrante.