Гетерофазные оксидные системы на основе сегнетоэлектрических пленок, являются перспективными [1]: для создания энергонезависимых ЗУ с оптическим считыванием из-за переключения вектора спонтанной поляризации внешним электрическим полем; для солнечных элементов и устройств оптической обработки информации [2] из-за фоторефрактивного эффекта, эффекта появления статической поляризации диэлектрика под действием электрического поля лазерного луча. Рассмотрим эти применения подробнее.
Сегнетоэлектрическая память с неразрушающим оптическим считыванием информации. В связи с тем, что наиболее распространенный на данный момент тип энергонезависимой памяти (флэш-память) имеет критический недостаток, заключающийся в ограниченном числе циклов перезаписи, то одним из вариантов решения этой проблемы является применение памяти с произвольным доступом на основе сегнетоэлектрических конденсаторов. Это новое поколение энергонезависимой памяти, которое объединяет высокую скорость записи/чтения данных и низкое энергопотребление.
В основе записи информации в структурах с применением сегнетоэлектрических материалов лежат эффекты остаточной фотопроводимости и остаточной фотоемкости. Суть эффектов заключается в том, что после прекращения освещения, установленные значения емкости структуры сохраняются в течение длительного времени [4]. В таких устройствах предлагается производить запись путем поворота или реориентации спонтанной поляризации во внешнем поле или используя фоторефрактивный эффект [5].
В [6] рассматривается применение лазерного луча для записи и считывания информации. При записи облучение лазерным лучом позволяет снизить значение коэрцитивного поля. При считывании изменение направления сегнетоэлектрической поляризации находится в зависимости от интенсивности лазерного излучения. Плотность записи в этом случае зависит от диаметра лазерного луча, а быстродействие от скорости локального нагрева. Пример такой структуры приведен на Рис. 7 [7]. Также возможен другой вариант организации плотноупакованных ячеек сегнетоэлектрической памяти. В таком случае используются полосковые лазеры, как источники света, который доставляется к ячейке памяти путем отражения от 450 зеркал.
Рис.7 − Схема массива ячеек сегнетоэлектрической памяти
с оптическим считыванием [6]
Другим перспективным вариантом является применение тонкопленочных конденсаторов с гетерофазной сегнетоэлекртической пленкой (к примеру ЦТС). Тонкие пленки ЦТС представляют интерес практического использования для энергонезависимой памяти с неразрушающим оптическим считыванием. В статье [8] рассматривалась структура поперечного сечения и качественный вид зонной диаграммы, который показан на Рис. 8. Также возможно использование органических сегнетоэлектриков в качестве элементов памяти. Это позволяет решить проблему ―полупереключения в массиве ячеек [9].
Рис.8 − Поперечное сечение (a) и зонная диаграмма в отсутствие освещения (b) тонкопленочных структур Ni–ЦТС–Pt. 1 – p−n -переход, 2 – слой пленки ЦТС с проводимостью n -типа, 3 –область пленки p -типа проводимости, 4 –приэлектродный барьер Шоттки[8]
Хотя рассмотренные методики имеют свои недостатки, из-за предельной простоты, малой потребляемой мощности, стабильности электрически переключательных свойств, и низкой стоимости системы записи и считывания информации, они являются перспективными для устройств энергонезависимой памяти.
Солнечные элементы. В настоящее время на рынке солнечной энергетики преобладают кремниевые солнечные элементы [10]. Методы получения таких солнечных элементов хорошо разработаны, и в зависимости от используемых материалов и технологий имеют КПД от 8 до 23 % [11]. Другим типом солнечных батарей являются тонкопленочные солнечные элементы [12]. Тонкопленочная технология обладает рядом преимуществ, таких как низкий расход материала, способность эффективно воспринимать рассеянное солнечное излучение. На Рис. 9 показана зависимость эффективности по годам для различных типов ФЭП по данным [13].
Величина фото-ЭДС в тонких сегнетоэлектрических пленках не ограничена шириной запрещенной зоны. Поэтому для них возможно использование фотовольтанического эффекта для создания солнечных элементов [14-16]. В работе [15] авторам удалось получить фото-ЭДС, равную 7 В, на пленках толщиной 0,42 мкм, заполяризованных параллельно поверхности пленки. В качестве сегнетоэлектрика использовался Pb0.97La0.03(Zr0.52Ti0,48)O3, легированный WO3. Величина и направление фототока и фото-ЭДС зависят от направления и величины предварительной поляризации (см. Рис. 10). 
Рис. 9 − Эффективность преобразования солнечной энергии различными типами ФЭП 
Рис. 10− Зависимость фото-ЭДС от интенсивности облучения [15]
В работе [17] сообщается о формировании сегнетоэлектрической структуры на основе ЦТС легированной лантаном и возможности ее использования в качестве датчика прозрачности. В данную структуру при изготовлении была имплантирована платиновая проволока, которая играет роль внутреннего электрода. Данная структура может быть использована в качестве датчика задымленности из-за ее сегнетоэлектрических свойств и может иметь другие приложения, такие как: 2-D сканирование перед пересадкой роговицы для проверки ее непрозрачности, 2-D сканирование насекомых на непрозрачность (энтомология), 1-D сканирование кожи перед пересадкой для анализа ее цвета, 1-D сканирование выбросов СО2 автомобилей в реальном времени.
Полезная модель [18] описывает добавление в солнечный элемент дополнительного фотопреобразующего слоя из сегнетоэлектрического материала. Следствием введения дополнительного фотопреобразующего слоя является повышение эффективности преобразования солнечного излучения за счет повышения значений встроенных полей, связанных с увеличенными размерами кристаллитов и однородностью стехиометрического состава по толщине фотопреобразующих слоев. Таким образом, заявляемый солнечный элемент позволяет повысить эффективность преобразования солнечного излучения.
Перспективными материалами являются оксиды различных металлов, например Cu2O [19], CuO, ZnO и др. и гетероструктуры на их основе, по причине их низкой себестоимости, широкой распространенности на Земле, шириной запрещенной зоны, лежащей в диапазоне 1,2 – 3,3 эВ и относительно высокого коэффициента спектрального поглощения солнечного света.
Для получения гетеропереходов ZnO/CuO было использовано множество методов, среди которых можно выделить твердотельный синтез [20], прессование [21], соосаждение [22], золь-гель метод [23], магнетронное распыление [24], термическое окисление [25], гидротермальный метод [26]. В работе [27] структуры солнечных элементов на основе CuO/ZnO были получены методом электроосаждения. Полученные гетероструктуры характеризуются высоким оптическим поглощением в диапазоне длин волн 400…800 нм. В поликристаллическом варианте установлено, что, несмотря на различные типы кристаллических решеток, наблюдается хорошая физикохимическая совместимость слоев. Авторы предполагают, что увеличение кристалличности приведет к увеличению эффективности солнечных элементов. Предполагается, что гетероструктура CuO/ZnO относится к гетероструктурам второго типа (ковариантным структурам), при этом энергетические уровни зон для CuO находятся выше уровней энергетических зон ZnO. Выбор в качестве электродов – ITO для контакта с CuO и Al для ZnO обеспечивают эффективное разделение неравновесных носителей заряда. Это приводит к увеличению эффективности солнечных элементов.
В работе [28] структура солнечного элемента, состоящего из серебряного электрода, поглощающего слоя p -CuO, прозрачного слоя n -ZnO:Sn, была получена вакуумным напылением. Значение КПД составило всего 0,232 %. Это вероятнее всего связано с поверхностным отражением падающих фононов, нагреванием и неомическими контактами. Несмотря на низкую эффективность, разработанные солнечные элементы остаются перспективными вследствие низкой стоимости и доступности материалов.
Для солнечных элементов на основе Cu2O максимальное значение КПД ~3.8 % было получено в работе [29]. Для получения поглощающих слоев были использованы высокотемпературный отжиг и импульсное лазерное осаждение [29, 30].
Перспективными методами улучшения эффективности солнечных элементов на основе гетеропереходов CuO/ZnO является использование активных слоев в виде нановолокон и наностержней, что позволяет увеличить площадь перехода и улучшить накопление носителей заряда [31].
Заключение
Целью данной работы было рассмотрение теоретической части взаимодействия света в полупроводнике. Рассмотрено собственное поглощение света, а также основные принципы экситонной теории на примере пленочных наноструктурированных гетерофазных оксидных материалов на примере Cu2O.
В данной работе рассматривался вопрос перспективности разработки ФЭП на основе пленочных систем на основе оксидных гетероструктур. Для создания фотоэлектрических преобразователей на их основе необходимы дальнейшие комплексные исследования для удовлетворения противоречивых условий, возникающих на стадии формирования гетероструктур СuO/ZnO.
И в заключение хотелось бы рассказать про другие виды поглощения.
Поглощение света решеткой
Поглощение света решеткой происходит в результате взаимодействия электромагнитного поля световой волны с движущимися зарядами узлов решетки.
1. Колебания решетки приводят к поглощению света в соответствии с правилами отбора: 
, 
.
2. Из правил отбора следует, что свет поглощается только оптическими колебаниями решетки, при этом 
.
Свет поглощается поперечными оптическими колебаниями решетки. Колебания решетки проявляются в спектре отражения в виде «остаточных» лучей.
Поглощение света электронами в локализованных состояниях
Электрон или дырка, находясь в локализованном состоянии, может поглотить фотон, перейдя при этом в другое локализованное состояние или в свободное состояние. Полосы поглощения света при переходах носителей заряда с дискретных уровней лежат за границей собственного поглощения в сторону больших частот. Положение полосы поглощения можно определить соотношением
1. Правило отбора при поглощении света носителями заряда в локализованном состоянии имеют вид 
, 
, где 2χ-1 – размеры области локализации электрона или дырки.
2. Примесное поглощение имеет вид узких полос, если происходит переход электрона между дискретными уровнями энергии, соответствующих возбужденному состоянию примеси, и сравнительно широких полос при фотоионизации. Энергия фотоионизации несколько больше термической ионизации.
3. Примесное поглощение приводит к генерации носителя заряда одного типа.
Переходы между зоной и примесным уровнем
Переходы между нейтральным донором и зоной проводимости или между валентной зоной и нейтральным акцептором могут произойти в результате поглощения фотона с малой энергией. Чтобы такой процесс поглощения имел место, энергия фотона должно быть не меньше энергии ионизации примеси Ei. Обычно эта энергия соответствует далекой инфракрасной области спектра. Наблюдаются пики поглощения, связанные с переходами в состояние с n=1,2,3. Пики с большими энергиями сливаются с полосой, соответствующей полной ионизации донора. Отметим, что, хотя плотность конечных состояний (зона проводимости) увеличивается с увеличением энергией, коэффициент поглощения, соответствующий полной ионизации примеси (переход в зону проводимости), уменьшается с увеличением энергии фотона. При 
, где к0 – квазиимпульс, соответствующей дну зоны проводимости, волновая функция примеси уменьшается приблизительно как 
.
Переходы между валентной зоной и ионизованным донором (уровень должен быть пустым, чтобы переход мог произойти) или между ионизованными акцептором и зоной проводимости имеют место при энергиях фотона 
.
В отличие от экситонного поглощения, которое связано с переходом между дискретным уровнем и хорошо определенным краем зоны, в переходах между примесью и зоной фигурирует вся полоса уровней. Следовательно, переходы между примесью и зоной должны проявляться в виде уступа на краю поглощения, с порогом при энергии 
. Коэффициент поглощения для переходов с участием примесей гораздо меньше, чем для межзонных переходов, поскольку плотность примесных состояний гораздо меньше плотности состояний в зонах.
Список литературы
1) Рабе, К. М. Физика сегнетоэлектриков. Современный взгляд / под ред. К. М. Рабе, Ч. Г. Ана, Ж. М. Трискона // М.: Бином. — 2011. – 440 с.
2) Клименков Б. Д. Развитие и области применения сегнетоэлектрических материалов. От прошлого к будущему // Молодой ученый. — 2015. — №8. —256-260.
3) Воротилов, К.А. Сегнетоэлектрические запоминающие устройства / К.А. Воротилов, А.С. Сигов // ФТТ. — 2012. т. 54, вып. 5, – c. 843-848.
4) Технология, свойства и применение сегнетоэлектрических пленок и структур на их основе / А.Г. Алтынников и др.; Под ред. В. П. Афанасьева, А.Б. Козырева. СПб.: ООО «Техномедиа». Изд-во «Элмор». — 2007. – 248 с.
5) Воротилов К.А., Мухортов В.М., Сигов А.С. Интегрированные сегнето-электрические устройства: Монография. / под ред. А.С. Сигова. М.: Энерго-атомиздат, – 2011. – 175 с.
6) Ferroelectricpolymers : chemistry, physics, and applications / H. Nalwa. —NewYork: M. DekkerInc., – 1995. – 912 c.
7) Optically addressed ferroelectric memory with nondestructive readout / S. Thakoor, A. Thakoor // Applied Optics IP. 1995. Vol. 34, № 17. – p. 3136-3144.
8) Барьерные фотовольтаические эффекты в сегнетоэлектрических тонких пленках ЦТС / В.К. Ярмаркин, Б.М. Гольцман, М.М. Казанин, В.В. Леманов //ФТТ. — 2000. т. 42, вып. 3, c. 511-516.
9) Organic Nonvolatile Memory Devices Based on Ferroelectricity / R.C.G. Naber, K. Asadi, P.W.M. Blom, et al. // Advanced Materials. – 2009. Vol. 22 — c. 933-945
10) M. A. Green Thin-film solar cells: review of materials, technologies and commercial status / J Mater Sci: Mater Electron, — 2007. 18. – p.15–19.
11) Афанасьев В.П., Теруков Е.И., Шерченков А.А. Тонкопленочные солнечные элементы на основе кремния. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ, – 2011. — 168 с.
12) Модель элемента солнечной батареи типа CIGS / Гарифулина М. Р., Власов А. И., Макарчук В. В., и др. // – 2012. 77-48211/479044:1-21.
13) Solar cell efficiency tables (version 47) / Green M.A., Emery K. et al. // Progress in Photovoltaics: Research and Applications. – 2009. Vol. 17. – pp. 85-94.
14) Photovoltaic mechanisms in ferroelectric thin films with the effects of the electrodes and interfaces / M. Qin, K. Yao, Y. C. Liang// Appl. Phys. Lett. — 2009. vol. 95, — p. 022912.
15) Large photo-induced voltage in a ferroelectric thin film with in-plane polarization / K. Yao, B.K. Gan, M. Chen, S. Shannigrahi // Appl. Phys. Lett. —2005. Vol. 87, № 21. — c. 212906.
16) Bulk Photovoltaic Effect at Visible Wavelength in Epitaxial Ferroelectric BiFeO3 Thin Films/ W. Ji, K. Yao, Y.C. Liang // Advanced Materials. — 2010. vol. 22, № 15. — p. 1763-1766.
17) Opacity Sensor Based on Photovoltaic Effect of Ferroelectric PLZT Ceramic With Pt Wire Implant / E. Suaste-Gómez, J. Agustín Flores-Cuautle, C. González-Morán // IEEE Sensors journal, – 2010. – vol. 10, No. 6. — p. 1056-1060.
18) Полезная модель № 129708 / Афанасьев П.В., Афанасьев В.П., Солнечный элемент. Опубл. 27.06.2013. Классы МПК: H01L31, B82B1.
19) Шелованова Г. Н., Устинов В. И. Анодный оксид меди(I) – перспективный материал солнечной энергетики // Молодежь и наука: сборник материалов IХ Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых с международным участием, посвященной 385-летию со дня основания г. Красноярска [Электронный ресурс]. – Красноярск: Сиб. федер. унт., – 2013. — Режим доступа: https://conf.sfu-kras.ru/sites/mn2013/section028.html, свободный — Загл. с экрана (дата обращения: 1.06.2016).
20) Aygün S., Cann D. Hydrogen sensitivity of doped CuO/ZnO heterocontact sensors // Sensors and Actuators B. – 2005. – V. 106. – P. 837-842.
21) Choi J. D., Choi G. M. Electrical and CO sensing properties of layered ZnO-CuO sensors // Sensors and Actuators B. – 2000. – V. 69. – P. 120-126.
22) Sensing properties of CuO-ZnO heterojunction gas sensors / Y. Hu, X. Zhou, Q. Han et al. // Materials Science and Engineering B. – 2003. – V. 99. – P. 41-43.
23) H.Y. Bae, G.M. Choi. Electrical and reducing gas sensing properties of ZnO and ZnO-CuO thin films fabricated by spin coating method // Sensors and Actuators B. – 1999. – V. 55. – P.47–54.
24) Design of p-CuO/n-ZnO heterojunctions by rf magnetron sputtering / K. J. Sa-ji, S. Populoh, A. N. Tiwari, Y. E. Romanyuk // Physica Status Solidi A. – 2013. – V.– P. 1386–1391.
25) Xu C. H., Lui H. F., Surya C. Synthetics of ZnO nanostructures by thermal oxidation in water vapor containing environments // Materials Letters. – 2011. – V.65– P. 27–30.
26) Nagaraju G., Ko Y. H., Yu J. S. Facile synthesis of ZnO/CuO nanostructures on cellulose paper and their p–n junction properties // Materials Letters. – 2014. – V.116– P. 64–67/.
27) Kidowaki H., Oku T., Akiyama T. Fabrication and characterization of CuO/ZnO solar cells // Journal of Physics: Conference Series. – 2012. – V. 352. – P. 012022.
28) Current-voltage characteristics of p-CuO/n-ZnO:Sn Solar cell / E.O. Omayio, P. M. Karimi, W. K.Njoroge, F. K. Mugwanga // Int. J. Thin Film Sci. Tec. – 2013. – V. 2, N. 1. – P. 25-28.
29) High-efficiency oxide solar cells with ZnO/Cu2O heterojunction fabricated on thermally oxidized Cu2O sheets / T. Minami, Y.Nishi, T.Miyata, J. Nomoto // Ap-plied Physics Express. – 2011. – V. 4. – P. 062301.
30) Fabrication and characterization of copper oxide-zinc oxide solar cells pre-pared by electrodeposition /K. Fujimoto, T. Oku, T. Akiyama, A. Suzuki // Journal of Physics: Conference Series. – 2013. – V.433. –P. 012024.
31) Cui J., Gibson U. J. A simple two-step electrodeposition of Cu2O/ZnO nano-pillar solar cells // J.Phys. Chem. C. – 2010. – V. 114. – p. 6408-6412.
32) Киреев П.С. «Физика полупроводников» М «Высшая школа» 1975г 584стр.
33) Ж. Панков «Оптические процессы в полупроводниках» Издательство «Мир» Москва 1973г.
34) В.Л. Бонч-Бруевич, С.Г. Калашников «Физика полупроводников» Москва «Наука» 1990г.
35) А.И. Ансельм «Введение в теорию полупроводников» Москва «Наука» 1978г.