WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. 5 Оптические свойства монокристаллов синтетических алмазов ¶ © А.В. Мудрый, Т.П. Ларионова, И.А. Шакин, Г.А. Гусаков, Г.А. Дубров, В.В. Тихонов Институт физики твердого тела и полупроводников Национальной академии наук Белоруссии, 220072 Минск, Белоруссия Научно-исследовательский институт прикладных физических проблем Белорусского государственного университета, 220108 Минск, Белоруссия (Получена 7 октября 2003 г. Принята к печати 17 октября 2003 г.) С использованием метода температурного градиента и беспрессовых аппаратов высокого давления в присутствии растворителей–катализаторов (никель, железо) выращены монокристаллы синтетических алмазов. Для установления природы примесно-дефектных комплексов использовались оптические методы — пропускание, люминесценция и регистрация спектров возбуждения люминесценции. Исследования проведены на кристаллах как непосредственно после выращивания, так и после термической обработки при температуре T 2000-2200 K и давлении P 6.0-6.5 ГПа. Разные полосы люминесценции и поглощения отнесены к примесным центрам, содержащим атомы азота и никеля.

1. Введение волн 0.2–25 мкм, фотолюминесценции (ФЛ) и регистрации спектров возбуждения люминесценции в области Сочетание уникальных физических свойств (оптиче- 0.2-2 мкм. Регистрация спектров поглощения в области ских, электрических, тепловых, механических) с вы- 0.2-3.0 мкм проводилась на двухлучевом спектрометре сокой радиационной и химической стойкостью откры- Carry 500 UV-VIS-NIR (фирма Varian, США) и в области вает широкие возможности для использования алма- 1.4–25 мкм на фурье-спектрометре Protege-460 (фирма за в приборостроении (оптические окна, теплоотводы, Nicolet, США). Спектры фотолюминесценции регистриультрафиолетовые сенсоры и термосенсоры, детекторы ровались с использованием монохроматора МДР-23М ионизирующих излучений, активные среды для лазеров, с дифракционными решетками 600–1200 штр/мм. В каоптоэлектронные приборы и др.). Однако развитие дан- честве детекторов оптических сигналов использовались ного направления сдерживается недостатком высокока- охлаждаемые до температуры жидкого азота фоточественных кристаллов с требуемыми характеристика- электронный умножитель ФЭУ-83 (или ФЭУ-100) и ми. В связи с этим актуальной научно-технической зада- германиевый p-i-n-диод. Источником света служила чей является синтез крупных структурно-совершенных ксеноновая лампа мощностью 1000 Вт ДКСЭЛ-1000 с монокристаллов алмаза с использованием новых технонабором ультрафиолетовых (УФ) светофильтров. В слулогических приемов и комплексное исследование их фичае регистрации спектров возбуждения люминесценции зических свойств, прежде всего оптических [1]. В настоизлучение ксеноновой лампы, разложенное дифракциящей работе приводятся новые данные по исследованию онным монохроматором МДР-12, фокусировалось на поглощения, люминесценции и спектров возбуждения исследуемом образце.

люминесценции синтетических алмазов в зависимости от условий выращивания кристаллов и режимов после3. Экспериментальные результаты дующей термобарической обработки.

и их обсуждение 2. Методика эксперимента Проведенные эксперименты позволили зарегистрировать ряд интенсивных полос ФЛ, в том числе и Синтез монокристаллов алмазов осуществлялся метоэлектронно-колебательного типа, связанных с наличием дом температурного градиента в интервале температур в кристаллах синтетических алмазов остаточных некон1750–1800 K и давлений (5.4-5.5) ГПа с использотролируемых примесных атомов (азот, никель и др.) и ванием аппаратов высокого давления типа „разрезная собственных структурных дефектов. В качестве примера сфера“. Монокристаллы алмазов диаметром 4–7мм вына рис. 1 приведены типичные спектры ФЛ кристалращивались в системе Ni–Fe–C. В ряде случаев проводилов, снятые непосредственно после их выращивания лась стабилизирующая термобарическая обработка кри(рис. 1, a, b, образец 1811), а также после термобаристаллов в интервалах температур T (2000-2200) K ческой высокотемпературной обработки при T = 2173 K и давлений P (6.0-6.5) ГПа в течение 3–24 ч. Иси P 6.5 ГПа в течение 16 ч (рис. 1, c, d, образец 2005).

ходные кристаллы имели насыщенную желтую окрасКак видно, в спектрах люминесценции исследованных ку. Оптические свойства алмазов исследовались в шиобразцов присутствует интенсивная широкая полоса A с роком интервале температур от 78 до 300 K с исмаксимумом в области длин волн 510–540 нм (энергии пользованием методик поглощения в области длин фотонов 2.30–2.45 эВ), характерная для пирамид роста ¶ E-mail: mudriy@ifttp.bas-net.by октаэдрических граней. При комнатной температуре Оптические свойства монокристаллов синтетических алмазов кристаллов при температуре жидкого азота имеют более богатую квазилинейчатую структуру, расположенную на высокоэнергетическом крыле широкой полосы. В спектрах люминесценции проявляются интенсивные узкие бесфононные линии S2(A) при 2.369 эВ (523.3 нм), S2(B) при 2.535 эВ (489.1 нм), S2(C) при 2.594 эВ (477.8 нм) и ряд менее интенсивных компонент, сопутствующих этим линиям, включая колебательные повторения. Наблюдаемые после термобарической обработки линии (A, B, C) (см. также тонкую структуру спектров на рис. 2) могут быть отнесены к оптическим переходам в электронной структуре так называемых S2-центров [5]. Следует отметить, что группа линий S(A, B, C) проявлялась также со значительно меньшей интенсивностью для большинства исследованных нами исходных синтетических алмазов. Высокотемпературная термобарическая обработка таких образцов приводила к возрастанию интенсивности линий S2 в 5–10 раз.

В общем эксперименты показывают значительное увеличение интенсивности электронно-колебательных полос, как S3, так и S2, при термобарической обработке алмазов. Возрастание концентрации соответствующих центров люминесценции S2 и S3, как уже отмечалось, способствует просветлению кристаллов и увеличивает интенсивность люминесценции в 3–5 раз по сравнению с исходными образцами при одинаковых уровнях возбуРис. 1. Спектры фотолюминесценции (PL) монокристаллов алмаза, снятые при температурах 78 (a, c) и 300 K (b, d).

a, b — образец 1811; c, d — образец 2005.

полоса имеет затянутое длинноволновое крыло и полуширину 370 мэВ. При охлаждении кристаллов до 78 K в спектрах фотолюминесценции проявляется электронно-колебательная полоса с головной бесфононной линией S3 с энергией (длиной волны) 2.496 эВ (496.7 нм) и характерными для нее низкоэнергетическими колебательными повторениями 2.457 эВ (504.6 нм), 2.426 эВ (511 нм) и 2.391 эВ (518 нм). Энергии соответствующих фононов составляют 40, 70 и 105 мэВ, что согласуется с данными [2–5]. При этом наиболее отчетливо в спектрах проявляется электронный переход с участием квазилокального фонона с энергией 40 мэВ (рис. 2).

В спектрах также присутствует менее интенсивная бесфононная линия 2.621 мэВ (473.3 нм), относящаяся к этому же центру люминесценции. Кристаллы исходных синтетических алмазов в этом случае имеют желто-зеленый насыщенный цвет. Эксперименты показали, что термобарическая высокотемпературная обработка при давлении 6.5 ГПа и температуре отжига 2173 K в течение 20 ч изменяет цвет синтетических алмазов — они Рис. 2. Тонкая структура спектров фотолюминесценции (PL) становятся значительно светлее с характерным мягким образца 2005 при 78 K. a, b — разные выделенные участки зеленым оттенком. Спектры фотолюминесценции таких спектра.

Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. 540 А.В. Мудрый, Т.П. Ларионова, И.А. Шакин, Г.А. Гусаков, Г.А. Дубров, В.В. Тихонов ждения. Этот факт, по нашему мнению, свидетельствует об отжиге центров безызлучательной рекомбинации при термобарической обработке и активной перестройке дефектов в кристаллической матрице с участием остаточных технологических примесей и прежде всего азота и никеля. Ранее эти центры люминесценции были обнаружены в природных и синтетических алмазах и отнесены к атомам никеля в положительно заряженном состоянии, ассоциированным в комплексе с дивакансией и 2–3 атомами азота в ближайшем окружении [2–5].

При этом отметим, что относительная интенсивность спектральных групп S2 и S3 для разных исходных синтетических алмазов могла существенно различаться:

так, например, в спектрах ФЛ образца 1811 система S2 вообще не проявляется (рис. 1). Термобарическая обработка также значительно изменяет относительное соотношение интенсивностей спектральных групп S2 и S3, хотя общие спектральные закономерности сохраняются для всеx обработанных образцов (при 2000–2200 K P 6.5 ГПа в течение 5–20 ч). Тем не менее общее увеличение и относительное перераспределение интенсивностей электронно-колебательных полос S2 и S3 в спектрах указывает на значительную трансформацию дефектов, содержащих примесные атомы никеля и азота, что и приводит к изменению цвета алмазов от насыщенного желто-зеленого к мягкому светло-зеленому.

На рис. 2, b показана длинноволновая область спектра Рис. 3. Спектры возбуждения фотолюминесценции (PL) моноФЛ термобарически обработанного образца 2005. Как кристаллов алмаза при 78 K: a–d — образец 2005; e —образец видно, в этой спектральной области обнаруживается 1811. Указаны энергии фотонов, при которых осуществлялась группа узких линий 1.704, 1.660 и 1.605 эВ. Анализ регистрация.

относительных интенсивностей этих линий в спектрах ФЛ, в частности линий 1.704 и 1.660 эВ, показывает, что они различны для разных кристаллов и изменяются им центров люминесценции, т. е. на возможное отнесепо-разному в зависимости от условий термобарической ние их к двум различным по своей природе дефектам, обработки (температура 2000–2200 K, давление 6.5 ГПа, что согласуется с предположением [3]. Спектр возбудлительность 5–20 ч). Такие факты указывают на их ждения люминесценции образца 1811 содержит принсвязь по крайней мере с несколькими независимыми ципиально другую основную полосу возбуждения — центрами люминесценции, включающими в свой состав с максимумом 2.66 эВ (485 нм) и слабо интенсивную фоновые примеси — азот и никель. В пользу отнесения полосу в области 3.6 эВ (340 нм) (соотношение интенэтих линий к никельсодержащим (азотсодержащим) ценсивностей полос 2.66 и 3.6 эВ составляло 1 : 20). Притрам указывает тот факт, что интенсивность линий 1.веденные данные для образцов 2005 и 1811 являются и 1.660 эВ заметно возрастает при регистрации спектров доказательством значительной трансформации дефектов ФЛ из области кристалла, прилегающей к затравочной.

структуры в кристаллах алмазов при термобарической Эти линии ранее обнаружены в [4–6] и также приписаны обработке, что подтверждено также независимыми изменикельсодержащим (азотсодержащим) центрам.

рениями спектров поглощения образцов в УФ и видимом На рис. 3 приведены спектры возбуждения люмидиапазонах.

несценции, снятые для двух образцов при их региНа рис. 4 приведены спектры инфракрасного (ИК) страции в максимуме интенсивности полос и линий;

поглощения исходных и обработанных при высоких значения энергий фотонов, при которых осуществлялась температурах и давлениях кристаллов алмаза. Для удобрегистрация, указаны на рисунке. Как видно, спектры ства представления спектры смещены друг относительно содержат широкие полосы возбуждения с максимумами при 2.8эВ (440 нм) и 3.6 эВ (340 нм), относительная друга по вертикальной оси. Как видно, в спектральной интенсивность которых в значительной степени опреде- области 1500–3500 см-1 присутствуют широкие пололяется условиями регистрации, т. е. принадлежностью к сы, обусловленные собственными колебаниями атомов соответствующим полосам ФЛ. Эти факты указывают на решетки алмаза. Эти полосы не претерпевают изменезависимость линий S2(A), S2(B) и соответствующих нений в процессе термобарической обработки. ГрупФизика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. Оптические свойства монокристаллов синтетических алмазов Установлено, что вид спектров фотолюминесценции различается для разных кристаллов в зависимости от технологических условий их выращивания и определяется распределением примесей (азот, никель и др.) по секторам роста и граням кристаллов. Показано, что термобарическая обработка кристаллов синтетического алмаза в интервале температур 2000–2200 K и стабилизирующем давлении 6–6.5 ГПа приводит к агрегации значительной части (более 90%) C-дефектов с образованием A-дефектов и практически полному отжигу центров Me–X. При этом цвет кристаллов изменяется от насыщенного желто-зеленого до светло-зеленого и увеличивается их прозрачность. В результате термобарической обработки наблюдается существенное увеличение интенсивности люминесценции (в 3–5 раз) по сравнению с исходными кристаллами, что, по-видимому, связано с отжигом безызлучательных центров рекомбинации. Происходят значительные изменения и в спектре возбуждения A-свечения, что свидетельствует о перестройке в спектрах поглощения образцов и является доказательством значительной трансформации дефектов Рис. 4. Спектры ИК поглощения образца 2005 до (a) и структуры в кристаллах алмазов при термобарической после (b) термобарической обработки.

обработке.

Работа выполнена при поддержке ГНТП „Алмазы“ (задание № 3412/2.41) и БРФФИ (проект № Ф03-031).

па полос в области частот 1000–1400 см-1 связана с колебательными модами примесного азота, входящего Список литературы в состав различных дефектов. Полоса поглощения с максимумом при 1130 см-1 соответствует C-дефекту — [1] В.С. Соловьев, Г.А. Гусаков, С.В Рейман, О.В. Крекотень, одиночный атом азота в положении замещения. Полоса с А.В. Мудрый, В.В. Тихонов. Порошковая металлургия, 23, максимумом при 1280 см-1 обусловлена A-дефектом — 23 (2000).

пара атомов азота в соседних замещающих положениях.

[2] В.Е. Ильин, Е.В. Соболев, О.П. Юрьева. ФТТ, 12, Кроме полос, связанных с примесью азота, в спектре ис(1970).

ходного кристалла присутствует также широкая полоса [3] V. Nadolinny, A. Yelisseyev. Diamond Relat. Mater., 3, с максимумом при 860 см-1, которая, по данным [7,8], (1993).

обусловлена центрами Me–X. Эти дефекты образуются [4] A. Yelisseyev, Yu. Babich, V. Nadolinny, D. Fisher, B. Feigelson.

по границам микроскопических включений металла — Diamond Relat. Mater., 11, 23 (2002).

растворителя (Me). Входящая в их состав компонен- [5] I.N. Kupriyanov, V.A. Gusev, Yu.M. Borzdov, A.A. Kalinin, Yu.N. Pal’yanov. Diamond Relat. Mater., 8, 1301 (1999).

та X может быть углеродом и (или) азотом. Основные [6] S.C. Lawson, H. Kanda, K. Watanabe, I. Kiflawi, Y. Sate, изменения, происходящие в спектрах ИК поглощения A.T. Collins. J. Appl. Phys., 79, 4348 (1996).

монокристаллов алмаза в результате термобарической [7] В.Г. Малоголовец, А.С. Вишневский, А.С. Поваренных.

обработки, сводятся к следующему. Практически полноДАН СССР, 243, 111 (1978).

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.