Введение к работе
Актуальность темы. Полупроводниковые соединения на основе сульфидов металлов занимают важное место в разных областях современной техники. Это связано с большим разнообразием электрических, фотоэлектрических и оптических свойств соединений этого класса. Одним из таких соединений является сульфид кадмия, широко используемый для изготовления электрооптических и нелинейно-оптических приборов, модулей солнечных элементов, детекторов ионизирующих излучений, инфракрасных приемников.
Наряду с объемно выращенными кристаллами в настоящее время все больше применяются и изучаются пленочные структуры соединений АгВб. В отличие от объемно выращенных кристаллов, синтез пленочных структур позволяет получать материалы с принципиально новыми свойствами.
В настоящее время актуальной является задача разработки и усовершенствования методов синтеза пленок сульфидов металлов, позволяющих получать материалы с контролируемыми свойствами. Одним из таких способов является метод распыления растворов тиомочевинных координационных соединений (ТКС) на нагретую подложку. Перспективность практического применения данного метода заключается в простоте получения пленок сульфидов металлов смешанного состава при сравнительно низких температурах, в возможности введения в пленки активных примесей непосредственно в процессе получения и создания сложных гетероструктур, что позволяет расширить диапазон применения полезных свойств данных полупроводниковых материалов.
Проведенные ранее исследования позволили сформулировать условия получения достаточно чистых слоев сульфидов металлов, твердых растворов и гетероструктур на их основе. Однако применение новых структур требует знания закономерностей образования структурных дефектов и выработки стратегии управления их свойствами.
Тема диссертационной работы поддержана грантом РФФИ «Создание модельных нелинейных конденсированных сред для управления малыми световыми потоками» (№ 05-02-96-402-р-цчр_а) и Федеральной Целевой Программой «Индустрия наносистем и материалов» (ГОСТ контракт №02.513.11.3059).
Целью настоящей работы является изучение люминесцентных и фотоэлектрических свойств пленок CdS чистых и легированных щелочными металлами совместно с О и без него, полученных методом распыления растворов ТКС на нагретую подложку. В соответствии с поставленной целью были сформулированы следующие основные задачи:
1) исследовать влияние условий синтеза, а именно температуры напыления, концентрации легирующей примеси, а также сорта атома легирующего металла, на люминесцентные свойства исследуемых пленок;
определить основные характеристики фотолюминесценции пиролитических пленок CdS и предложить механизмы и модели центров рекомбинации в исследуемых структурах;
определить энергетические уровни локализации электронов в исследуемых структурах методом термостимулированной проводимости;
установить механизм влияния легирующих металлов на люминесцентные свойства пиролитических пленок CdS;
исследовать явление запасенной проводимости пиролитических пленок CdS;
исследовать устойчивость люминесценции пиролитических пленок CdS к воздействию ультрафиолетового света.
Объект и методики исследования. Объектом исследования являлись поликристаллические пленки CdS чистые и легированные щелочными металлами на ситалловых подложках. Пленки получали методом распыления растворов ТКС на нагретые подложки. Люминесцентные измерения проводились на установке, позволяющей регистрировать спектры люминесценции в диапазоне 380-890 нм при температурах от 77 К и выше. Для исследования кинетики релаксации фототока была сконструирована специальная установка, позволяющая регистрировать малые токи ~10" -^-10" А в диапазоне температур от 77 К до 323 К. Для получения информации об энергетическом положении уровней локализации электронов проводилось исследование термостимулированной проводимости.
Научная новизна. В работе впервые установлено:
поликристаллические пленки CdS, полученные методом пиролиза, характеризуются высоким квантовым выходом фотолюминесценции при комнатной температуре. Определены оптимальные условия синтеза пиролитических пленок CdS с наибольшей интенсивностью фотолюминесценции, а именно: температура напыления, концентрация примеси, а также сорт атома примесного щелочного металла;
установлена структура дефектов, ответственных за излучательную рекомбинацию;
предложен механизм влияния легирования щелочными металлами пиролитических пленок CdS на люминесцентные свойства таких структур;
люминесцентные свойства поликристаллических пленок CdS, полученных методом пиролиза, устойчивы к воздействию УФ светом в течение длительного времени;
поликристаллические пленки CdS, полученные методом пиролиза, обладают фотопаматью в широком диапазоне температур от 77 до 323 К;
определены энергетические положения уровней локализации электронов, играющих существенную роль в процессе запасания проводимости.
Практическая ценность работы. Легирование щелочными металлами пиролитических пленок на основе CdS приводит к увеличению интенсивности люминесценции по сравнению с интенсивностью чистых пленок CdS. Исследуемые пленки проявляют устойчивость к воздействию УФ светом в течение длительного времени. Кроме того, пиролитические
пленки CdS обладают способностью запасать проводимость при комнатной температуре длительное время ~ 10 сек. Такие свойства практически важны для использования исследуемых структур в качестве оптоэлектронных элементов и датчиков УФ излучения. Полученные результаты позволяют оптимизировать технологию получения пиролитических пленок на основе CdS с контролируемыми свойствами.
Основные положения, выносимые на защиту:
Спектры стационарной люминесценции поликристаллических пленок CdS, полученных методом ТКС. Природа и модели центров рекомбинации, ответственных за наблюдаемые полосы фотолюминесценции исследуемых структур.
Результаты исследования влияния условий синтеза, а именно температуры напыления, концентрации примеси, а также сорта атома примесного щелочного металла, на люминесцентные свойства тонкопленочных структур на основе CdS.
Механизм влияния легирования щелочными металлами пиролитических пленок CdS на люминесцентные свойства таких структур, заключающийся в том, что при введении примесные атомы блокируют центры конкурирующей рекомбинации.
Результаты исследования кинетики релаксации фототока и термостимулированной проводимости пиролитических пленок CdS, позволившие наблюдать запасенную проводимость таких структур, а также рассмотреть возможный механизм данного явления и определить величину потенциального барьера, ответственного за запасенную проводимость. Методом термостимулированной проводимости определены энергетические положения уровней локализации электронов.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на V Международной конференции «Оптика, оптоэлектроника и технологии». Ульяновск, 2003; Международной научно-технической школы-конференции «Молодые ученые - науке, технологиям и профессиональному образованию». Москва, 2003; Международной научно-технической конференции «Полиматериалы - 2003». Москва, 2003; X Всероссийской научной конференции студентов физиков и молодых ученых. Москва, 2004; II Всероссийской конференции «Физико-химические процессы в конденсированном состоянии и на межфазных границах». Воронеж, 2004; Международной научно-технической конференции «Тонкие пленки и наноструктуры - 2004». Москва, 2004; VI Международной конференции «Оптика, оптоэлектроника и технологии». Владимир - Ульяновск, 2005; Международной конференции «Фундаментальные проблемы физики - 2005». Казань, 2005; Международной научно-технической школы-конференции «Молодые ученые - 2005». Москва, 2005; VI Международной научной конференции «Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии». Кисловодск, 2006г; III Всероссийской конференции «Физико-химические процессы в конденсированном состоянии и на межфазных границах». Воронеж, 2006; Всероссийском Симпозиуме
"Нанофотоника". Черноголовка Московской области, 2007 г; VII Международной научной конференции «Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии». Кисловодск, 2007г.
Публикации и личный вклад автора. Работа выполнялась на кафедре оптики и спектроскопии Воронежского госуниверситета. Автором выполнялась подготовка (градуировка и модернизация) установок и выбор методики для проведения экспериментов, получены все экспериментальные результаты, проведены математическая обработка, анализ и интерпретация полученных данных. Обсуждение результатов проводилось совместно с научным руководителем доктором физ.-мат. наук, проф. Клюевым В.Г.
По результатам диссертационной работы опубликована 21 работа, в том числе 5 статей в журналах, входящих в список ВАК, и тезисы и материалы 16 докладов на международных и всероссийских научных конференциях и симпозиумах.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и списка литературы, включающего 105 наименований. Работа содержит 146 страниц машинописного текста, 56 рисунков, 24 таблицы.
