Введение к работе
Актуальность темы. Изучение колебаний кристаллической решетк~~1тр^д^авляёт собой неотъемлемую часть физики полупроводников, важность которых для современной техники невозможно переоценить. Характер и величина проводимости полупроводника может варьироваться посредством допирования различного рода примесями: донорными или акцепторными. Отсюда возникает необходимость изучения влияния этих примесей на кристаллическую решетку исходного материала. В случае сильного возмущающего действия примесей часто применяют компенсаторы -примесь другого рода, "залечивающую* кристаллическую решетку. Компенсатор может бить и электрически активним, если необходимое понижение проводимоти образца дешевле достигается не его очисткой, а внедрением дополнительной примеси. Динамика кристаллической решетки полупроводникового кристалла с примесями разного рода является, таким образом, весьма актуальной проблемой физики полупроводников.
Важным свойством кристаллической решетки является ее устойчивость по отношению к внешним воздействиям (давление, температура, электрическое или магнитное поле, деформация). Неустойчивые решетки при вариации внешних условий могут претерпевать спонтанные изменения структуры - фазовые превращения (или переходы). Фазовый переход представляет собой изменение характера взаимного расположения атомов кристаллической решетки и зачастую сопровождается изменением многих свойств материала: от механических до оптических и электрических- При атом низкотемпературная фаза является обычно более упорядоченной, но менее однородной чем высокотемпературная, что. неизбежно отражается на важных для практики свойствах материала. Причинами неоднородности являются как примеси и дефекты, роль которых может варьироваться в зависимости от удаленности от точки фазового перехода, так и собственная неоднородность распределения параметра упорядочения: доменная структура, квазистатически" крупномасштабные Флуктуации и длпшопериодические модуляции структуры-,-1 наличие границ кристалла.
Возможность экспериментального изучения пространственной неоднородности неустойчивых кристаллических решоток позволила бы понять фундаментальные причины ее возникновения и целенаправленно совершенствовать технологию получения более однородных материалов. Эта проблема представляется наиболое актуальной для широко используемых на практике полупроводниковых сегнетоэлектрических материалов, взаимодействие спонтанной поляризации с , носителями заряда в которых может служить дополнительным источником неоднородностей.
В концо 1986 начале 1987 годов были получены соединения с необычно высокой температурой перехода в сверхпроводящеес состояние - так называемые высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП). множество экспериментальных данных свидетельствует, что эти соединения по своим свойствам ближе к сильно допированным полупроводникам, чем к нормальным металлам. Кроме того, почти все соединения ВТСП обладают настолько резкой анизотропией проводимости, что их спектр флуктуации поляризации в одном из кристаллографических направлений является типичным для узкозонных полупроводников. Эти факты. послужили поводом для рассмотрения в настоящей работе фоношшх спектров ВТСП наряду с фононными спектрами полупроводников.
Цель» настоящей работы было изучение фундаментальных закономерностей проявления спонташюй, связанной с параметром упорядочения, или индуцированной примесями и дефектами неоднородности низкотемпературных фаз сегнетоэлектриков-полупро-водников в колебательных спектрах. Для этого необходимо было детально изучить связь параметров спектральных полос (резонансные частоты, интенсивности, полуширины и форма контуров) с параметром порядка, учитывая возможность влияния разного рода взаимодействий колебаний друг с другом и с электронными возбуждениями. В .роли объектов исследования использовались сильно анизотропные сегнетоэлектрики-полупроводники семейств Т1СаЗе2 и SbSI. Выбор сильно анизотропных кристаллических систем был продиктован соображениями о более легкой локализации колебательных возбуждений в системах с пониженной размерностью и. следовательно, более легкой реализацией неоднородного распределения параметра упорядочения. Так, слоистые кристаллы
первого семейства можно рассматривать как квазидвумерные системы, цепочечные кристаллы второго - как квазноднсиерные,-. Кроме перечисленных в число объектов исследований входшш такие слдыюанизотропные соединения семейства ВТСП: от полупроводниковых до хорошо проводящих. При изучений обдах вопросов спектроскопии разупорядоченных кристаллов использовались сметанные кристаллы семейства шеелитов и полупроводниковые твердые растворы соединений А,ЖВУ!
В работе предполагалось решить следующие конкретные научные задачи:
- на примере полупроводниковых кристаллов PbW(Mo)04 и CaW(Mo)04 и твердых растворов на их основе, а также твердых растворов полупроводникозых соединений А"ВУ*(А = Cd, Zn; В = S.Se.Te) псучкть связь спектральных характеристик с особенностями строения (аіпізотропия взаимодействий), примесішм составом и ого флуктуациями;
методами спе;; -роскошш ИК отражения п КРС изучить согнетоэлектрический ФП в кристаллах SbSI, выяснить вопрос о характера сегнетоэлектричеекой неустойчивости, наличии флуктуации параметра порядка вблизи Тс и природе низкотемпературных аномалий. Выяснить природу смещения Тс в твердых растворах SbS(Se)I;
методатйи спектроскопии ИК отражения и КРС изучить последовательность структурных Ш в слоистах полупроводниках 51GaSea и THnSa и твердых растворах на их основе. Исследовать структурный механизм евтнетоэдектрического ОТ, изучить влияние примесей замещения, состояния и свойств поверхности кристаллов на парамитр порядка фазовых переходов;
провести детальное изучение фононних спектров различных соединений ВТСП с целью поиска проявлений электрон-фоношюго взаимодействия. Оценить интенсивность этого взаимодействия (величину константы ЭФВ X).
Научную новизну проведенних исследований составляю?
результаты! сформулированные в Заключении и
- б -
положения, выносимые на защиту:
- экспериментальные данные по параметрам полос в спектрах ИК
поглощения и КРС группы полупроводниковых кристаллов AfIBY*,
MeXO,, AvBv,CYI,f і A,,,B,,,Oj'{
данные о температурной зависимости параметра порядка сегнетоэлвктричоских фазовых переходов в SbSI, TlGaSea и TllnSa;
обнаружение изменения формы ряда спектральных линий с лоренцевой до гауссовой и обратно в окрестности сегнетоэлектрического фазового перехода в слоистых кристаллах .Г"в,,,с][\-'
обнаружение влияния состояния и свойств поверхности на температуру фазового перехода в приповерхностном слое TlGaSet макроскопической толщины (-1мкм);
- обнаружение мягких мод в спектрах КРС низкотемпературных фаз
TlGaSea и TlInS2 и ряда твердых растворов на их основе;
метод анализа пространственной неоднородности параметра порядка по колебательному спектру низкотемпературной фазы примесного кристалла; - - данные о температурной зависимости интегральной интенсивности аксиального колебания кислорода в кристаллах YBa^Cu^O^ и наличие резонанса Фана аксиальных фононних мод со спектром електронних возбуждений в ряде кристаллов ВТСП.
Практическая значимость результатов.
-
(Зоздан и многократно аппробирован пакет программ расчета оптических характеристик из спектров ИК отражения и расчета параметров спектралышх линий " с учетом аппаратной функции спектрального прибора, который мохет успешно использоваться для количественного анализа сложных спектров полупроводниковых и проводящих объектов.
-
Получены новые данные о перестройке колебательного спектра с составом в полугфоюдниковых твердых растворах А" В":
ZUIei-XSex» ZnIe.-X-YSeKSV> CdIe»-X-VSexSV« а ТаЮШ тавРДО
растворов шеелитов Са(«ж.кМох)04 и Pb(Wt_xlioK)0#, имеющих большое практическое значение как перспективных лазерных материалов.
3. Данные о влиянии свойств поверхности на__ температуру
сегнетоэлектрического ФП могут бить испольооваїш ігри-поиске
шсокотемпературшіх сегнетоэлектриков и конструировании ^
приборов на основе сегнетоэлектрических материалов.
4. Метод определения пространственной неоднородное4".! параметра
порядка в твердых растворах TlGa(Sej _XSK) мокет быть
использован для оценки степени однородности сметанных
сегнетоэлектриков.
Основные результаты диссертации опубликованы в 37 научных работах и докладывались на:
всесоюзном сємішаре по фазовым переходам (Москва, 1982), 3-ем
Совотстко-японском симпозиуме по сегнетоэлектричеству
(Новосибирск, 1984), 3-ей Всесоюзной конференции по тройнш полущюводаикам и их применению (Кишшев, 1987), Всесоюзном съезде по спсктроскотш (Киев, 1988), 1 Всесоюзном совещании по высокотемпературной сверхпроводимости (Харьков, 1988), 7 Международной конференции по фурье-спектроскопии (Фэрфакс, 1989), 3 Международной конференции по физике фс.-.'чюв (Гейдельберг, (1989), международном конгрессе по молекулярной спектроскопил (Дрезден, 1989), Всесоюзной конференции по НС (Ужгород, 1989), 12 Всесоюзной конференции по физике сегнетоэлектриков (Росстов-на-Дсну,1989), Всесоюзном совещании . по оптике высокотемпературных сверхпроводников (Москва, 1987; Черноголовка, 1989), 1 Советско-западногерманском семинаре по спектроскопии ВТСП (Таллинн, 1989), Республиканских школах-семинарах по спектроскопии молекул и кристаллов. (Черновцы, 1979, Чернигов, 1983, Одесса, <985, Полтава, 1987), 3-ей Международной зимней школе по механизмам и применению ВТСП (Кирчберг, Австрия, 1992).
Диссертация состоит из введение, пооьми глав, заключения и списка литературы. Общий объем составляет 309 страниц, включая 138 рисунков, 19 таблиц и список литературы из 310 наименований.
- в -
