Оптические свойства соединений А2В6 с изоэлектронной примесью кислорода с позиций теории непересекающихся зон : на примере системы ZnS-ZnSe Мидерос Мора Даниэль Алехандро

Введение к работе

Актуальность темы

Соединения А₂В₆ являются перспективными материалами оптоэлектроники, наноэлектроники и ИК-техники В связи с этим они интенсивно исследуются уже более полстолетия, что определяет все новые области их применения В последнее десятилетие привлекли значительное внимание системы твердых растворов с резким несоответствием свойств компонентов, в которых анионы частично заменены более электроотрицательными атомами Важным эффектом, наблюдаемым в таких соединениях, является изменение зонной структуры при резком уменьшении ширины запрещенной зоны и сохранении величины параметров решетки с введением малых количеств изоэлектронной ПрИМсСИ

Неизменное присутствие кислорода в ZnS и ZnSe на уровне 10²⁰ см"³ как электроотрицательной фоновой изоэлектронной примеси хорошо известно Известно также, что нет достаточного теоретического обоснования природы ряда особенностей оптических свойств этих кристаллов и понимания, сколь существенную роль играет кислород в оптике соединений А^Вб Исследование этих проблем с привлечением вновь создающихся теоретических разработок является весьма актуальным

Дель диссертационной работы.

В связи с этим была поставлена цель по выяснению влияния ИЭП кислорода на ряд особенностей спектров соединений А₂Вб, учитывая новые представления теории "непересекающихся зон" (ВАС) Для достижения поставленной цели необходимо было решить ряд основных задач

1. Выяснить основы развивающейся теории ВАС, проверить применимость теории для объяснения наших экспериментальных результатов

2. Проанализировать большое количество спектров исследованных нами образцов ZnS, ZnSe и ZnS_xSei._x, легированных в процессе роста кислородом и медью

3. Проанализировать в соответствии с моделью непересекающихся зон спектры люминесценции, отражения, поглощения, возбуждения и пропускания ZnS и ZnSe, исследованные нами ранее с изменением концентрации кислорода

4. Рассчитать зонные модели, определяющие излучательных переходы для самоактивированного свечения и поглощения ZnS и ZnSe

5. Провести изучение роли кислорода в пропускании ZnSe и ZnS в диапазоне 5-20мкм

Обоснованность и достоверность полученных результатов подтверждается большим числом исследованных образцов с использованием современных общепризнанных методик анализа, комплексным характером независимых измерений, в том числе с изменением интенсивности возбуждения и температуры, исследованиями микросостава и микронеоднородности в РЭМ, а также измерениями отражения, поглощения, пропускания и тп При исследовании всех образцов осуществлялся контроль концентрации кислорода, а также других примесей Получено хорошее совпадение резучьтатов повторных экспериментов на близких по свойствам образцах. Все экспериментальные результаты, расчеты, выводы и предложенные модели достаточно хорошо согласуются с имеющимися литературными данными и не лрошворечсп друг другу

Научная новизна. В результате проведенной работы были получены следующие новые данные, представляющие научный интерес

6. Впервые дана интерпретация особенностей оптических свойств ZnS-ZnSe на основе теории "непересекающихся зон", тес учетом присутствия кислорода

7. Проведен анализ спектров катодолюминесценция (КЛ), поглощения, отражения, возбуждения люминесценции, пропускания на основе новых представлений, что глобально изменяет подход к их интерпретации

8. Построены зонные модели с учетом кислорода для типичных составов кристаллов (ZnS-ZnSe) О

4 Изучено изменение ширины запрещенной зоны (E_g) на примере ZnS в
зависимости от концентрации растворенного кислорода Представлена зависимость
EL ~ [Os], определяющая сдвиг края фундаментальной абсорбции сфалерита как
75мэВ на 1 мол% ИЭП

5. Впервые с учетом присутствия кислорода на основе теории "непересекающихся зон" исследованы и интерпретированы спектры и изменение ширины запрещенной зоны сульфоселенидов ZnSxSe^ во всем диапазоне составов Идентифицированы спектры кристаллов ZnSe Те(0)

6. Впервые изучено самоактивированное свечение на основе модели ВАС. уточнена классификация полос самоактивированного свечения ZnS и ZnSe в зависимости от стехиометрии и присутствия кислорода, дано объяснение дублетной структуры SA и SAL полос

7. Показано, что неоднородность реальных кристаллов за счет образования скоплений кислорода определяет ведущие полосы самоактивированного свечения в спектрах, причем спектральное положение этих полос позволяет определить [O_s] в скоплениях

8. Обнаружены и исследованы полосы связанного экситона на SA и SAL центрах Показано, что экситонные полосы, соответствующие скоплениям, определяют спектр краевого свечения

9. Согласно представленной модели переходов с поглощением в сложной мультизоне (ZnS-ZnSe)O проведена интерпретация отдельных полос спектров поглощения, возбуждения люминесценции, а также селективных полос поглощения в среднем дач диапазоне

10 Выяснена структура спектра и природа свечения Си в ZnS О и ZnSe О
Практическая значимость работы. Выяснение роли кислорода в

люминесценции и пропускании ZnS и ZnSe, могут быть положены в основу оптического метода контроля концентрации растворенного кислорода в ZnS и ZnSe в основном объеме кристалла (матрице) и в скоплениях Для контроля концентрации кислорода может быть использовано спектральное положение экситонных полос катодолюминесценции, отражения, а также пропускания в ИК диапазоне Тип самоактивированного свечения определяет отклонение состава кристаллов от стехиометрии

Освоение новых материалов, управляемо легированных ИЭП кислорода, перспективно для создания ряда новых приборов, в частности наноэлектроники Проведенные исследования носят фундаментальный характер и могут быть обобщены для объяснения аналогичных явлений по всей группе соединений А²В⁶

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Экспериментальные результаты, показывающие, что резкое уменьшение ширины запрещенной зоны ZnS(ZnSe) объясняется с позиции теории непересекающихся зон

2. Предложена зонная модель кристаллов ZnS О, ZnS Cu(O), ZnSe О, ZnSe Cu(O)

3. Новая интерпретация полос люминесценции Си в соединениях ZnS О и ZnSe О, как и дублетной структуры полос SA и SAL самоактивированного свечения

4. Модель кислородных центров свечения в соединениях А₂В₆ и интерпретация на основе теории непересекающихся зон особенностей исследованных самоактивированных полос люминесценции

5. Модель, соответствующая основным компонентам спектра поглощения (отражения, пропускания), возбуждения люминесценции в системе твердых растворов ZnS О - ZnSe О

6. Идентификация полос связанных экситонов BE на акцепторных уровнях кислородных центров самоактивированного SA свечения ZnS О и ZnSe О

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на Международном научно-техническом семинаре 'Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах" (Москва МЭИ 2005 - 2008 гг) - 5 докладов, Международной научно - технической конференции студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика" (Москва МЭИ 2005 -2008 гг) - 6 докладов, Международной конференции "Оптика оптоэлектроника и технологии" (Ульяновск, 27-30 июня 2005 г, 24-30 сентября 2007 г) - 2 доклада, XIII Intern Conf "High-purity substances and materials Production, analysis, application" (Nizhny Novgorod, 28-31 May 2007) - 1 доклад, II Int Congiess on Radiation Physics and Chemistry of Inorganic Materials High Current Electronics, and Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows (Tomsk, 10-15 November, 2006) - 1 доклад

Основные результаты исследований по теме диссертации представлены в 18 публикациях, в том числе 4 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ для публикации основных результатов диссертаций на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пять глав, заключения, библиографического списка из 176 наименований, содержит 152 страниц текста, 73 иллюстрации и 7 таблиц

Похожие диссертации на Оптические свойства соединений А2В6 с изоэлектронной примесью кислорода с позиций теории непересекающихся зон : на примере системы ZnS-ZnSe

Диэлектрические свойства соединений А2В6 с переходными материаламиШостак, Юрий Антонович

Исследование электрических и оптических свойств ZnSe, ионно-легированного In+ и As+ и излучающих структур на его основе Ластовка Владимир Викторович

Исследование электрооптических свойств двухатомных реальных кристаллов GaAs, ZnSe, CdTe, GaP и GaSeЗерагия, Эмзар Михайлович

Влияние одноосной деформации на физические свойства соединений типа Сu2S и Cu2Se Ибрагимов Нураддин Азиз оглы

Влияние давления на гальваномагнитные свойства полупроводниковых соединений TlSe и его аналогов Гасымов Шафаг Гусейн оглы

Исследование термодинамических свойств многокомпонентных соединений AIIIBV методом поля валентных силПодольская, Наталья Игоревна

Особенности электронной структуры и динамические свойства полупроводникового соединения CuAlO2Шульгин, Дмитрий Анатольевич

Получение и физические свойства полупроводниковых соединений системы Cu-Fe-SГавриленко Андрей Николаевич

Структура и оптические свойства тонкопленочных полупроводниковых соединений на основе кремния, синтезированных импульсными энергетическими воздействиями Баталов Рафаэль Ильясович

Выращивание монокристаллов и исследование оптических свойств тройного полупроводникового соединения CuAlSe2Груцо, Сергей Алексеевич