Содержание к диссертации
Стр.
ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА I. ОБЗОР ТЕОРЕТИЧЕСКИХ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ РАБОТ ПО ИССЛЕДОВАНИЮ ПОЛУПРОВОДНИКОВ СО СТРУКТУРОЙ
ТЄ5е ...12
Теоретическая зонная структура кристаллов T6Se , ТЄЬг$Є2,Тгі«,7ег 12
Оптические свойства кристаллов Т$е ,Т61ц,$е2» ШпТе2 18
Исследования оптических свойств полупроводников
при. гидростатическом давлении 24
1.4. Изотермическая сжимаемость и тепловое расширение
твердых тел 33
Постановка задачи 37
ГЛАВА П. МЕТОДИКИ ИЗМЕРЕНИЙ 39
П.І. Комплекс для исследования спектров поглощения
при низких температурах и высоких давлениях 39
П.2. Методика измерения изотермической сжимаемости и
теплового расширения 46
П.З. Методика изготовления образцов 50
П.4. Методика исследований спектров отражения 51
ГЛАВА Ш. ОПТИЧЕСКИЕ СЮЙСТВА КРИСТАЛЛОВ TSe ДСІа$ег> Т1пТегВ ОБЛАСТИ КРАЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНОГО
ПОГЛОЩЕНИЯ 54
Ш.І. Влияние температуры на край фундаментального пог
лощения кристаллов TCSe 54
Ш.2. Температурная зависимость края фундаментального
поглощения кристаллов 64
Ш.З. Влияние температуры на край поглощения кристаллов
Стр.
ТЄІпЯег 70
ШЛ. Спектр отражения кристаллов Т InSez 77
Ш,5. Тепловое расширение и изотермическая сжимаемость
Т6Га5ег и ТЄІуіТє^ 81
Результаты и выводы 86
ГЛАВА ІУ .ВЛИЯНИЕ ГИДРОСТАТИЧЕСКОГО ДАВЛЕНИЯ НА КРАЙ ФУНДАМЕНТАЛЬНОГО ПОГЛОЩЕНИЯ КРИСТАЛЛОВ TSe ,
Ш«,$е,,ТЄІ*Л"е, 88
ІУ.І. Влияние гидростатического давления на край
фундаментального поглощения кристаллов Т$е 88
ІУ.2. Спектры фундаментального поглощения кристаллов
Т1п,Ьег под давлением 95
ІУ.З. Влияние гидростатического давления на край
фундаментального поглощения кристалловТбІоТе ....102
Результаты и выводы 107
ПРИЛОЖЕНИЕ ..109
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ .112
ЛИТЕРАТУРА 116
- ц- -
Введение к работе
Актуальность темы.Монокристаллы группы aV1 с цепочечным типом кристаллической структуры (TSe и его аналоги T6S , T^IrtSe, TInTe ,Т<гаТе,и др.) занимают особое место в ряду сое -динений с сильной анизотропией кристаллического строения. В них обнаружены фотоакустический и пьезорезистивные эффекты, что дела -ет их перспективными материалами для оптоэлектроники.
Общую формулу этих соединений записывают в виде АВХ, где А и В являются атомами третьей группы, X - атом шестой группы перио -дической таблицы. Характерным элементом структуры этих соединений
3+ 2
являются длинные отрицательно заряженные цепочки (В^ТХ|~)~ атомов, вытянутые вдоль тетрагональной оси Z . Фрагменты разных це -
3+ ?— — Т+
почек (г ТХ| ) связаны между собой одновалентными ионами Ахт.
Связи между атомами внутри цепочек сильные ионно-коваленіного ха -рактера, между цепочками реализуется более слабая связь.
В последние годы в Институте физики АН Азерб.ССР интенсивно изучаются электрофизические свойства и колебательные спектры вышеуказанных соединений. В результате построена полная картина колебательных спектров TSe , TS ,ТЬгЪе,« Проведены и теоретические расчеты зонной структуры TSe ,TIrt$e ,ТЕпЛе . Имеются публикации, посвященные исследованию края фундаментального поглощения кристаллов 7Se ,TIn,5e . Однако данные об оптических свойствах этих кристаллов носят ограниченный и противоречивый характер. Для этих соединений не были проведены систематические исследования края фундаментального поглощения. Практически не имелось экспериментальных данных об оптических свойствах кристаллов TllnJe Не было проведено систематических исследований влияния гидроста -гического давления на спектры краевого поглощения Не было изу -чено также тепловое расширение и изотермическая сжимаемость
кри сталлов It Ьг S є , 11 ЬъТег .
Вышеизложенное позволяет следующим образом сформулировать цель настоящей работы: установить особенности формирования края фундаментального поглощения цепочечных полупроводников группы
Ш УТ
къ - структурных аналогов селенида таллия. Основные положения, выносимые на защиту:
Край фундаментального поглощения кристаллов ТЬг$е , Т6ЬгТег также как и TfcSe формируется непрямыми переходами. Прямой переход запрещен.
В отличие от кристаллов TSe температурные коэффициенты ширины непрямой запрещенной зоны кристаллов Т1п,5ег , ТСІцТе, и прямой зоны Т1лЛе2 имеют положительный знак. Отсутствует сдвиг ширины прямой запрещенной зоны кристаллов TBIibSe в ис -следованном интервале температур (4,2 - 300 К).
Структура, обнаруженная в спектрах поглощения кристаллов Т65е иТІїьТе. в поляризации ЕХС при низких температурах описывается прямыми запрещенными переходами Т^— Т^ с учетом эк-ситонных состояний.
Структуры в оптических спектрах отражения кристаллов обусловлены переходами из верхней группы валентных зон на нижние зоны проводимости в критических точках Г , Т , Ы и сим -метричных линиях (г , Д , Z .
Значения барических коэффициентов ширины непрямой запрещенной зоны цепочечных кристаллов А ВУІ больше соответствующих значений для прямой запрещенной зоны и не зависят от давлений (0 -6*Ю8) Па.
Научная новизна:
I. Определены температурные зависимости спектральных кривых поглощения кристаллов TBSe , ТІи,Ьь ,Т1пТег в широком интерва-ле температур (4,2 - 300 К). Дана интерпретация структуры, обнару-
- б -
женной в поляризации Е 1С в спектрах поглощения кристаллов ТЄ5е, ТЄІ*Тег .
Интерпретированы структуры наблюдаемые в спектрах отраже -ния кристаллов в интервале энергий 0,5 - б эВ в поляризованном свете при комнатной температуре,
Определены барические коэффициенты ширины запрещенной зоны кристаллов T6Se , TLrSe2 , TtlnJe^ .
Определены коэффициенты теплового расширения и значения изотермической сжимаемости кристаллов T&Irv$ez » ТІІпТе . Рассчита -ны значения Ср - Су . Рассчитаны вклады электрон-фононного взаи -модействия и теплового расширения в температурный коэффициент ши -рины запрещенной зоны.
Научная ценность диссертации состоит в том, что полученные результаты могут быть использованы для уточнения деталей рассчитан -ной зонной структуры»
Практическая значимость работы заключается в том, что полученные в работе данные об оптических свойствах цепочечных кристаллов группы к Иг могут быть использованы при создании оптических приборов на их основе. Показана принципиальная возможность изготовления высокочувствительных датчиков гидростатического давления на основе кристаллов АVі - структурных аналогов селенида таллия.
Апробация работы. Основные результаты работы были доложены на Республиканской научной конференции аспирантов (Баку, 1982), на Всесоюзной конференции по физике полупроводников (Баку, 1982), научных семинарах ИФАН Азерб.ССР, осенней школе по физике твердого тела (г.Севан 1984г.).
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 10 статьях.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, приложения и списка литературы.
Первая глава работы носит обзорный характер и написана на основе литературных данных. В ней кратко рассмотрены особенности кристаллической структуры и результаты теоретических расчетов зонной структуры кристаллов TSe » TdbtSe . TflnTe методом псев -допотенциала. Приведены результаты экспериментальных и теоретиче -скйх работ по изучению оптических свойств селенида таллия и его аналогов. Для удобства значения ширины запрещенной зоны этих кристаллов приведены в виде таблицы.
Анализ литературы показал, что данные об оптических свойствах этих кристаллов носят неполный, противоречивый характер и требуют существенного дополнения»
Здесь же рассмотрено влияние гидростатического давления на оптические свойства полупроводников. Показано, что исследования при высоких давлениях являются одним из мощных методов в исследовании физических свойств кристаллов и индикации возможных фазовых пере -ходов. Кроме того показано, что знание величины барического коэф -фициента ширины запрещенной зоны, температурного коэффициента изотермической сжимаемости и коэффициента теплового расширения позволяют выделить часть температурного коэффициента, обусловленную только расширением решетки от дополнительного вклада, который является собственно температурным эффектом. Поэтому представляется интересным также и исследование изотермической сжимаемости и теплового расширения кристаллов. Кратко, в общих чертах рассмотрено,какую информацию можно получить при исследованиях изотермической сжимаемости и теплового расширения кристаллов
В конце главы формулируется постановка задачи.
Вторая глава посвящена методике измерений. Здесь описаны конструкции криостата, камеры высокого давления и эксперименталь -ная установка, позволяющая исследовать спектры поглощения исследуемых кристаллов в широком интервале температур (4,2-300 К) и высоких
давлений (до 6«І08 Па),
Установка была собрана на основе монохроматора МДР-3. В ка -честве приемника излучения использовались, в зависимости от диапазона длин волн, охлаждаемое жидким азотом фотосопротивление на основе P8S или фотоэлектронный умножитель ФЭУ-62. Синхронное детектирование сигнала осуществлялось усилителем преобразователем УІШ-І. Низкотемпературные исследования проведены с помощью криос -тата системы "Утрекс", позволяющего термостатировать и автоматически поддерживать температуру образца с точностью 0,01 К в диапа -зоне температур 4,2 - 300 К.
Камера высокого давления была разработана в Институте физики высоких давлений АН СССР* Основные части деталей камеры изготовлены из стали* В качестве среды для передачи давления использовалась смесь обезвоженных трансформаторного масла и керосина (1:1). Дав -ление в камере регистрировали с помощью манганинового манометра ( по изменению сопротивления манганиновой проволоки при изменении давления ) с точностью не хуже 1%.
В той же главе описаны методики исследования спектров отраже -ния, теплового расширения и изотермической сжимаемости кристаллов. Исследования теплового расширения и изотермической сжимаемости кристаллов были проведены с помощью кварцевого дилатометра с фотоэлектрической регистрацией, разработанного в Институте физики АН Азерб.ССР. Прибор, в основном, состоит из системы передачи длины образца и регистрации удлинения.
Спектры отражения в области 0,5 - б эВ измерялись на спектрофотометре СФ-4 с модернизированной приставкой П30-І.
Здесь же приводятся методики изготовления образцов для оптических измерений, измерений изотермической сжимаемости и теплового расширения.
В третьей главе диссертации приводятся результаты исследова-
ния края фундаментального поглощения кристалловT6Se, ТIn,Se... Т1пТе2при низких температурах. С целью получения информации о характере электронных переходов, формирующих край поглощения, по-лученные спектры были перестроены по формуле (<*bv) *-hv-E , где №> = 1/2, 2/3, 2 - для непрямых разрешенных, прямых запрещенных и прямых разрешенных переходов, Е - ширина запрещенной зоны,
Показано, что низкоэнергетическая чаоть спектров хорошо описывается соотношением для непрямых разрешенных переходов, высокоэнергетическая часть - для прямых запрещенных переходов. Определены значения ширины запрещенной зоны этих кристаллов и температурные сдви -говые коэффициенты. В отличие от кристаллов TSe , температурные коэффициенты ширины непрямой зоны кристаллов TInSe »ТГ*Те и прямой зоны ТЕ1»гТег имеют положительный знак. Отсутствует сдвиг с температурой прямой зоны у кристаллов ТЬг$ег . Отличие знаков температурных коэффициентов TSe , TLtSe. TtIn.~Te9 и отсутствие сдвига прямой аоны уТГл,$е, объясняется вкладами в них электрон-фононного взаимодействия и расширения решетки. Установлено, что характерной особенностью спектров поглощения кристаллов Т6$е , "RlaSe^ ,Т61кТег является сильная поляризационная зависимость коэффициента поглощения, а также появление структуры при низких температурах в спектрах поглощения кристаллов TBSe и 71*Лег в геометрии Е1С в области энергий 1,06
В этой же главе приводятся результаты исследований спектра отражения кристаллов ТїІкЬе в области энергий 0,5 - б эВ в поляризованном свете. Приведена интерпретация пиков отражения,ос-
нованная на расчетах зонной структуры ТбЬгБе методом псевдопо-
тенциала. На основе изоструктурности соединений T^J^Se и 7Se » а также малой разницы в значениях ширин запрещенных зон (ДЕд # 0,5 эВ) показано соответствие пиков в спектрах отражения Т1и,$еги TSe .
В пятой части третьей главы приводятся результаты исследований теплового расширения и изотермической сжимаемости поликристаллических 7BI^Se,« J6InJez . Установлено, что замена иона Л *в Т5е на ион Ъг в TI*vSe2 приводит к упрочнению межатомных связей, а замена ионов Т и ионов селена в TSe на ионы Iiv и ионы теллура соответственно в Т1*Тег приводит к ослаблению межатом -ных связей. Рассчитаны значения параметра Грюнайзена для четырех фононов в TLtSe2, а также значения С -Су для Т1ъ$е~ иТЄІ*Те.
В конце главы приводятся основные выводы.
Четвертая глава диссертации посвящена исследованию воздейст -вия гидростатического давления на край поглощения кристалловT6Se,
Показано, что край поглощения с увеличением давления смещается в сторону меньших энергий,форма края при этом практически не меняется.Определены барические коэффициенты ширины пря -мой и непрямой запрещенной зоны.Установлено,что барический коэффициент ширины непрямой запрещенной зоны больше чем для прямой запрещенной зоны dB^ IdP = -2«КГ10 эВ/Па, dE*ld/*=-l,25-Ю"10эВ/Па дляТ$е , c/^w IdP = -1,48-10-10 эВ/Па, cl^ldP= - ідо-I0~10 эВ/Па дая7ЄГ«ег, dB^ldP^ -2,0-10-10 эВ/Па, d*ldP= -0,96-10-10 эВДа дляТНцТе .
Показано, что наблюдаемое изменение интенсивности полос фононов, активных в спектрах комбинационного рассеяния света кристал -ловTI»rSe начиная с 4#Ю8 Па и исчезновение его при Pi 7*10 Па обусловлено уменьшением ширины запрещенной зоны кристалла с увели-
- II -
чением давления. Рассчитаны вклады электрон-фононного взаимодействия и расширения решетки в температурный сдвиг края фундамен -тального поглощения.
В приложении приводится описание высокочувствительного датчика гидростатического давления на основе кристаллов Т8 &аТе. .
В заключении диссертации приводятся основные выводы и результаты.
