Изменение состояния примесных атомов 119mSn в халькогенидных полупроводниках в процессе установления радиоактивного равновесия изотопов 119mTe/119Sb Жуков Николай Николаевич

Введение к работе

Мессбауэровская спектроскопия является одним из современных и эффективных методов исследования состояния примесных атомов в полупроводниках [1, 2]. В экспериментальном плане используют два варианта спектроскопии — абсорбционную мессбауэровскую спектроскопию (АМС), когда в исследуемый материал вводится стабильный мессбауэровский изотоп (резонансные гамма-кванты испускает стандартный источник), и эмиссионную мессбауэровскую спектроскопию (ЭМС), когда в исследуемый материал вводится долгоживущий радиоактивный изотоп (после распада которого образуется мессбауэровский изомер, служащий источником резонансных гамма-квантов). Несмотря на определенные трудности в использовании ЭМС (в частности, необходимость приготовления радиоактивных источников), этот вариант спектроскопии имеет существенные преимущества перед АМС: имеется возможность исследовать малые концентрации примеси, а также имеется возможность введения мессбауэровского зонда в необычные позиции кристаллической решетки или структурной сетки стекла. В настоящее время установлена эффективность использования ЭМС на изотопе ¹¹⁹Sn с материнскими ядрами ¹¹⁹Sb и ^119mTe для исследования состояния примесных атомов олова в кристаллических и аморфных материалах. Однако остается не выясненной проблема влияния динамического радиоактивного равновесия между материнскими атомами ¹¹⁹Sb и ^119mTe на тонкую структуру мессбауэровских спектров ¹¹⁹Sn, имеющая принципиальное значение при интерпретации данных эмиссионной мессбауэровской спектроскопии на изотопе ¹¹⁹Sn с материнскими атомами ¹¹⁹Sb и ^119mTe; в процессе установления такого равновесия в принципе может изменяться соотношение между концентрациями дочерних атомов ¹¹⁹Sb и ^119mTe, причем время установления равновесия сравнимо со временем измерения мессбауэровских спектров. Иными словами, может сложится ситуация, когда в процессе измерения спектров будет меняться соотношение концентраций между различными валентными и координационными состояниями дочерних атомов олова, образующихся при распаде материнских атомов ¹¹⁹Sb и ^119mTe. Отметим, что ранее указанные выше проблемы не обсуждались и возможные эффекты не учитывались при интерпретации экспериментальных результатов [1, 2].

Цель работы:

1. Разработать методологию определения влияния установления динамического радиоактивного равновесия между материнскими атомами ¹¹⁹Sb и ^119mTe на тонкую структуру эмиссионных мессбауэровских спектров ¹¹⁹Sn.

2. Методом эмиссионной мессбауэровской спектроскопии ¹¹⁹Sn с материнскими изотопами ^119mTe и ¹¹⁹Sb изучить влияние установления динамического радиоактивного равновесия на валентное и координационное состояния дочерних атомов ^119mSn, которые образуются в процессе радиоактивного распада изотопов ¹¹⁹Sb и ^119mTe в свинцовых и халькогенидных узлах кристаллических решеток халькогенидов свинца (PbS, PbSe, PbTe).

3. Методом эмиссионной мессбауэровской спектроскопии ¹¹⁹Sn с материнскими изотопами ^119mTe и ¹¹⁹Sb изучить влияние установления динамического радиоактивного равновесия на валентное и координационное состояния дочерних атомов ^119mSn, которые образуются в процессе радиоактивного распада изотопов ¹¹⁹Sb и ^119mTe в узлах мышьяка и халькогенов стеклообразных халькогенидов мышьяка (As2S3, As2Se3, As2Te3).

Научная новизна:

4. Методология измерения во времени серии эмиссионных мессбауэровских спектров ^119mSn одного источника, содержащего смесь материнских изотопов ¹¹⁹Sb и ^119mTe, находящихся первоначально в состоянии динамического равновесия, позволяет получить информацию как о месте локализации примесных атомов сурьмы и теллура в кристаллических (PbS, PbSe, PbTe) и стеклообразных (As2S3, As2Se3, As2Te3) халькогенидных полупроводниках, так и о валентном и координационном состояниях дочерних атомов олова ^119mSn.

5. Установлено, что легирование халькогенидов свинца смесью материнских радиоактивных изотопов ¹¹⁹Sb и ^119mTe, первоначально находящихся в состоянии динамического равновесия (в дальнейшем обозначенным как ¹¹⁹Sb1 и ^119mTe1), сопровождается:

локализацией атомов ¹¹⁹Sb1 преимущественно либо в подрешетке халькогена (в электронных образцах), либо в подрешетке свинца (в дырочных образцах);

локализацией атомов ^119mTe1 и образующихся из них атомов ¹¹⁹Sb (в дальнейшем обозначенных как ¹¹⁹Sb2) только в подрешетках халькогенов;

дочерние атомы ^119mSn в электронных образцах теллурида свинца стабилизируются только в шести координированных состояниях ^119mSn⁰ и ^119mSn²⁺, а соотношение между концентрациями двух валентных состояний олова лишь незначительно меняется в процессе установления динамического равновесия между атомами ¹¹⁹Sb2 и ^119mTe1.

дочерние атомы ^119mSn в дырочных образцах теллурида свинца стабилизируются только в состояниях шести координированных ^119mSn⁰ и ^119mSn²⁺, а доля центров ^119mSn²⁺ уменьшается в процессе установления динамического равновесия между атомами ¹¹⁹Sb2 и ^119mTe1.

дочерние атомы ^119mSn в электронных образцах сульфида и селенида свинца стабилизируются только в шести координированных состояниях ^119mSn⁰ и ^119mSn²⁺ (которые являются нейтральными и двукратно ионизованными состояниями донорного двухэлектронного центра олова с отрицательной корреляционной энергией), причем доля центров ^119mSn²⁺ лишь незначительно уменьшается в процессе установления динамического равновесия между атомами ¹¹⁹Sb2 и ^119mTe1.

дочерние атомы ^119mSn в дырочных образцах сульфида и селенида свинца стабилизируются в состояниях ^119mSn⁰ и ^119mSn⁴⁺, а доля центров ^119mSn⁴⁺ уменьшается в процессе установления динамического равновесия между атомами ¹¹⁹Sb2 и ^119mTe1.

3. Установлено, что легирование стеклообразных халькогенидов мышьяка смесью
материнских радиоактивных изотопов ¹¹⁹Sb и ^119mTe, первоначально находящихся в
состоянии динамического равновесия, сопровождается:

локализацией атомов ¹¹⁹Sb1 только в структурной сетке мышьяка;

локализацией атомов ^119mTe1 и образующихся из них атомов ¹¹⁹Sb2 только в подре-шетках халькогенов;

дочерние атомы ^119mSn в стеклообразном теллуриде мышьяка стабилизируются только в состояниях ^119mSn²⁺ и ^119mSn⁰, а доля центров ^119mSn²⁺ уменьшается в процессе установления динамического равновесия между атомами ¹¹⁹Sb2 и ^119mTe1.

дочерние атомы ^119mSn в стеклообразных As2S3 и As2Se3 стабилизируются в состояниях ^119mSn⁰ и ^119mSn²⁺ и ^119mSn⁴⁺(последние два центра являются однократно ионизованными состояниями амфотерного двухэлектронного центра олова с отрицательной корреляционной энергией), причем доля центров ^119mSn²⁺ и ^119mSn⁴⁺ уменьшается в процессе установления динамического равновесия между атомами ¹¹⁹Sb2 и ^119mTe1.

4. Продемонстрировано смещение части дочерних атомов ¹¹⁹Sb из положений материнских атомов ^119mTe в результате радиоактивного распада последних, причем доля таких атомов слабо зависит от процесса установления динамического равновесия между атомами ¹¹⁹Sb2 и ^119mTe1.

Положения, выносимые на защиту:

6. Методология измерения во времени серии эмиссионных мессбауэровских спектров ^119mSn одного источника, содержащего смесь материнских изотопов ¹¹⁹Sb и ^119mTe, первоначально находящихся в состоянии динамического равновесия, позволяет получить информацию как о месте локализации атомов сурьмы и теллура, так и о валентном и координационном состояниях дочерних атомов олова ^119mSn в полупроводнике.

7. Дочерние атомы ^119mSn, образующиеся после радиоактивного распада примесных атомов ¹¹⁹Sb1 и ^119mTe1, находящихся первоначально в состоянии динамического равновесия в сульфидах и селенидах свинца и мышьяка, стабилизируются в шести координированных состояниях Sn⁰, Sn²⁺ и Sn⁴⁺, причем распределение дочерних атомов олова по валентным (зарядовым) состояниям определяется при прочих равных условиях временем установления динамического равновесия между атомами ¹¹⁹Sb2 и ^119mTe1.

8. Дочерние атомы ^119mSn, образующиеся после радиоактивного распада примесных атомов ¹¹⁹Sb и ^119mTe, находящихся первоначально в состоянии динамического равновесия в теллуридах свинца и мышьяка, стабилизируются в шести координированных состояниях Sn⁰ и Sn²⁺, причем распределение дочерних атомов олова по валентным (зарядовым) состояниям определяется при прочих равных условиях временем установления динамического равновесия между атомами ¹¹⁹Sb2 и ^119mTe1. В результате проведенных исследований решена актуальная научная задача — продемонстрировано, что измерение во времени серии эмиссионных мессбауэров-ских спектров ^119mSn одного источника, содержащего смесь радиоактивных материнских изотопов ¹¹⁹Sb1 и ^119mTe1, первоначально находящихся в состоянии динамического равновесия, позволяет получить информацию как о месте локализации атомов сурьмы и теллура, так и о валентном и координационном состояниях дочерних атомов олова ^119mSn в полупроводнике, при этом показано, что распределение дочерних атомов олова по валентным (зарядовым) состояниям определяется при прочих равных условиях временем установления динамического равновесия между материнскими атомами ¹¹⁹Sb2 и ^119mTe1.

Теоретическая значимость работы

Результаты по идентификации форм стабилизации дочерних атомов ^119mSn образующихся в кристаллических и стеклообразных халькогенидах свинца и мышьяка после радиоактивного распада материнских атомов ¹¹⁹Sb и ^119mTe, первоначально находящихся в состоянии динамического равновесия, важны для дальнейшего развития теории таких центров в кристаллических и аморфных материалах, а также демонстрируют эффективность использования модели U-минус центров для интерпретации электрических и оптических свойств указанных материалов.

Практическая значимость работы и использование полученных результатов

Полученные результаты диссертационного исследования могут быть использованы при разработке новых технологий получения полупроводниковых материалов с набором электрических и оптических свойств, необходимых для производства приборов ночного видения на основе халькогенидов свинца. Результаты диссертационного исследования используются при обучении магистров наук по направлению

«Физика конденсированного состояния» на факультете физики РГПУ им. А. И. Герцена.

Достоверность и обоснованность результатов и выводов исследования обеспечивается применением современных экспериментальных методов физики конденсированного состояния (эмиссионной мессбауэровской спектроскопии и рентгенофлу-оресцентного анализа); использованием методов компьютерной обработки экспери-мериментальных данных; детальным сопоставлением экспериментальных результатов диссертационного исследования с литературными данными; интерпретацией экспериментальных данных в согласии с современными теоретическими и модельными представлениями физики кристаллических и стеклообразных полупроводников.

Апробация работы

Результаты исследований опубликованы в 3 статьях реферируемых журналов из списка ВАК [^1–3] и в 5 докладах на международных и всероссийских конференциях [^4–8], докладывались на Международной конференции «Фундаментальные и прикладные вопросы физики», Узбекистан, Ташкент, 2017 год; Международной конференции «Диэлектрики-2017» Санкт-Петербург, 2017 год.

Личный вклад автора заключается в обосновании целей и задач диссертационного исследования, подборе объектов исследования (халькогениды свинца и мышьяка) и участии в синтезе этих материалов; организации всех этапов исследования и участии в получении экспериментальных данных, участии в обобщении и анализе полученных результатов.

Структура и объем диссертации