WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика твердого тела, 2006, том 48, вып. 5 ЭПР-исследования изменений зарядового состояния Cr по сечению дислокационных трубок в кристаллах ZnS © С.А. Омельченко, А.А. Горбань, М.Ф. Буланый, А.А. Тимофеев Днепропетровский национальный университет, 49050 Днепропетровск, Украина E-mail: somelch@mail.ru (Поступила в Редакцию 20 июня 2005 г.

В окончательной редакции 21 сентября 2005 г.) Показано, что в результате кратковременного высокотемпературного отжига кристаллов ZnS в атмосфере цинка происходит быстрая диффузия Zn по дислокационным трубкам вдоль линий ростовых дислокаций.

При этом примесные ионы двухвалентного хрома, локализованные в атмосферах Коттрелла вне областей ридовских цилиндров, становятся стабильно однократно ионизованными. Пластическая деформация таких кристаллов ZnS и электрический ток при напряжениях больше порогового приводят к уменьшению количества ионов одновалентного хрома. Это объясняется увеличением радиуса ридовских цилиндров, происходящим в процессе выхода ростовых дислокаций из атмосфер Коттрелла, и возрастанием линейной плотности их электрического заряда.

PACS: 76.30.Lh, 61.72.Hh Хорошо известные в кристаллах сульфида цинка фо- 1. Образцы и методика эксперимента точувствительные парамагнитные центры хрома и желеИсследовались кристаллы ZnS с примесью хрома, за вследствие способности изменять зарядовые состоявыращенные из расплава по методу Бриджмена под ния в электрических полях оказались очень удобными давлением инертного газа.

зондами для ЭПР-исследований эффектов, связанных Для пластического деформирования использовались с наличием на дислокациях электрических зарядов.

образцы в виде прямоугольных параллелепипедов разТак, с помощью измерений ЭПР в [1] впервые была мером 2 2 4 mm. Активная при деформации базисоценена величина линейной плотности электрического ная плоскость (111)c располагалась под углом 45 к заряда неподвижных дислокаций в кристаллах ZnS, а деформирующему напряжению. Деформирование пров работе [2] были объяснены особенности в измеизводилось с постоянной скоростью 2 · 10-5 m/s при нениях некоторых свойств кристаллов сульфида цинT = 400 K. Спектры ЭПР регистрировались после кажка, наблюдаемые на начальных стадиях пластической дого этапа деформирования. Отжиг производился в вакудеформации.

умированных запаянных кварцевых ампулах, в которые В настоящей работе показано, что при кратковревместе с образцами кристаллов помещались гранулы менном высокотемпературном отжиге кристаллов ZnS металлического цинка высокой чистоты. Электрическое в атмосфере цинка происходит быстрая диффузия Zn напряжение прикладывалось к кристаллам в процессе ЭПР-измерений. Для этого на тонкие пластинки обпо дислокационным трубкам вдоль линий ростовых разцов наносились контакты из серебряной пасты или дислокаций. Данное обстоятельство приводит к тому, In–Ga-амальгамы. Спектры ЭПР регистрировались на что примесные ионы двухвалентного хрома, локализорадиоспектрометре SE/X-2543 „RADIOPAN“ в X-диапаванные в атмосферах Коттрелла вне областей ридовских зоне при T = 300 K.

цилиндров, изменяют зарядовое состояние и становятся однократно ионизованными без традиционного использования УФ-возбуждения. Обнаружено, что количество 2. Быстрая диффузия цинка этих ионов после пластического деформирования, а такв кристаллах ZnS же при протекании через образцы электрического тока после достижения некоторого порогового напряжения Известно, что примесные атомы хрома внедряются уменьшается. Эти эффекты объясняются изменением в решетку сульфида цинка, изоэлектронно замещая иорадиуса ридовских цилиндров, которое происходит в ны Zn2+, т. е. в виде ионов Cr2+ (электронная конфигурапроцессе выхода ростовых дислокаций из атмосфер ция 3d4, энергетические уровни на 0.6 eV ниже дна зоны Коттрелла, и увеличением линейной плотности их элек- проводимости [3]). Спектры ЭПР центров Cr2+ в ZnS трического заряда, происходящим вследствие взаимодей- не наблюдаются. При облучении кристаллов УФ-светом, ствия с возбужденной электронной подсистемой крис- близким к краю собственного поглощения, образуются электронно-дырочные пары. Электроны из зоны провоталлов.

ЭПР-исследования изменений зарядового состояния Cr по сечению дислокационных трубок... димости захватываются на центры Cr2+ и преобразуют их в центры Cr+ с электронной конфигурацией 3d5.

Спектры ЭПР таких фоточувствительных центров в ZnS хорошо изучены и легко идентифицируются [4].

Мы обнаружили, что после кратковременного (15-20 min) отжига кристаллов ZnS : Cr в атмосфере цинка при T = 1500 K спектр ЭПР ионов Cr+ наблюдается без УФ-возбуждения. Это легко объяснить.

В процессе отжига происходит диффузия цинка в решетку ZnS. Электроны с мелких энергетических уровней атомов цинка, которые находятся в междоузлиях, захватываются глубокими центрами Cr2+ и превращают их в центры Cr+. Поскольку время отжига очень короткое, следует ожидать, что диффузия цинка происходит только в тонкий поверхностный слой. Действительно, после Рис. 1. Изменение относительного количества центров Cr+ (N/N0) в результате пластической деформации кристаллов механического или химического удаления поверхности сульфида цинка, предварительно отожженных в парах Zn образцов наблюдается резкое уменьшение интенсивно(t = 15 min, T = 1200C).

сти линий спектров ЭПР ионов Cr+. Однако оказалось, что центры Cr+ не исчезают полностью при удалении и более глубоких слоев образцов. Следовательно, даже при кратковременном отжиге атомы цинка проникают спектры ЭПР центров Cr+ также возвращались к исходв объем кристаллов. Единственная возможность для ному виду.

этого — быстрая диффузия по дислокационным трубкам, На основании имеющихся данных можно сделать ограничивающим область упругих искажений вокруг несколько предварительных выводов. Во-первых, колиростовых дислокаций [5]. Тот факт, что дополнительные чество однократно ионизованных центров Cr+ явно атомы цинка действительно вошли в состав атмосфер зависит от величины смещения дислокаций из исходного Коттрелла вокруг дислокаций, подтверждается сильным положения. Во-вторых, поскольку новые дислокации механическим упрочнением образцов после их отжига.

при величинах деформаций кристаллов до 1-2% в Такие образцы разрушались при попытках продеформизначительном количестве образоваться не могут, смеровать их более чем на 1-2%. Иногда через 20-40 h щаются в основном ростовые дислокации, концентрация происходило восстановление исходных размеров дефоркоторых в исследуемых кристаллах достаточно велика мированных образцов, оставленных без нагрузки при ( 105-106 cm-2). В-третьих, факт разрушения образкомнатной температуре. В образцах, которые отжигацов после деформации всего на 1-2% свидетельствует лись и закалялись в аналогичном режиме, но в атмосфео сильном закреплении дислокаций примесями; следоре собственных паров или в инертном газе, подобного вательно, вероятнее всего, они не имеют возможности упрочнения не наблюдалось.

выйти за пределы своих примесных атмосфер.

Все это позволяет сделать вывод о том, что нам Для того чтобы понять причину влияния смещения удалось искусственно создать ситуацию, при которой падислокаций на количество ионов Cr+, покажем, как эти рамагнитные зонды — стабильные без УФ-возбуждения ионы распределены по сечению дислокационных трубок центры Cr+ — оказались локализованными только в до начала деформирования.

объемах атмосфер Коттрелла. Это дает уникальную Поскольку дислокации, движущиеся при пластической возможность использовать метод ЭПР для изучения деформации кристаллов ZnS, обладают отрицательным процессов, происходящих в непосредственной близости электрическим зарядом, вблизи дислокаций в облаот дислокаций.

стях эффективного действия их электрических полей (т. е. в объемах ридовских цилиндров) ионы хрома долж3. Изменения количества центров Cr+ ны иметь зарядовое состояние не ниже чем Cr2+. Далее (между внешними „границами“ ридовских цилиндров и в примесных атмосферах после атмосфер Коттрелла) зарядовое состояние ионов хропластической деформации ма — Cr+, а за пределами атмосфер Коттрелла (в объеме образцов „хорошего“ кристалла) — опять Cr2+ (рис. 2).

Таким образом, в исследуемых образцах кристаллов Изменения спектров ЭПР исследуемых образцов сви- ZnS площадь под линиями резонансного поглощения детельствуют о том, что после пластической дефор- СВЧ-излучения ионами Cr+ пропорциональна объему мации количество центров Cr+ уменьшается (рис. 1). областей атмосфер Коттрелла, которые находятся за В образцах, размеры которых через некоторое время пределами эффективного действия электрических полей после прекращения деформирования восстанавливались, дислокаций.

Физика твердого тела, 2006, том 48, вып. 832 С.А. Омельченко, А.А. Горбань, М.Ф. Буланый, А.А. Тимофеев неподвижных ростовых дислокаций, связанные либо с их смещением в атмосферах Коттрелла, либо с изменением линейной плотности их заряда в результате каких-либо воздействий.

4. Изменения количества центров Cr+ в примесных атмосферах ростовых дислокаций в режиме инжекционно-пластического эффекта Инжекционно-пластический эффект заключается в упрочнении кристаллов соединений A2B6 в процессе их деформирования при действии достаточно сильных электрических полей в режиме двойной инжекции электронов и дырок в образцы из контактов [8]. Предполагалось [8,9], что, как и в случае фотопластического эффекта, упрочнение может быть связано с уменьшением подвижности движущихся дислокаций из-за увеличения их электрического заряда, происходящего в результате Рис. 2. Схема, иллюстрирующая уменьшение количества центров Cr+ в результате увеличения радиуса ридовских взаимодействия с возбужденной электронной подсистецилиндров при изменении положения дислокаций в примесных мой кристаллов. Однако если для фотопластическоатмосферах.

го эффекта наблюдаемое экспериментально изменение дислокационных токов объяснялось увеличением заряда дислокаций, то в случае инжекционно-пластического эффекта сделать подобное заключение оказалось принциИспользуя полученные выше результаты, объяснить пиально невозможным. Это связано с тем, что дислоканаблюдаемое уменьшение количества центров Cr+ после ционные токи на несколько порядков меньше величины пластической деформации не представляет труда. Ростоинжекционных токов. Поэтому доказать аналогичность вые дислокации зарождались при высоких температурах природы двух эффектов авторам [8,9] не удалось. Вопрос в условиях, благоприятных для процессов диффузии, о механизме инжекционно-пластического эффекта осталпоэтому они окружены густым облаком ионизованных ся открытым, хотя его решение, на наш взгляд, является электрическим полем дислокаций дефектов, которые важным и для выяснения истинной природы фотоплаэкранируют их заряд. В результате радиус ридовских стического эффекта. Дело в том, что в работах [10,11] цилиндров ростовых дислокаций имеет очень малую на основании обнаруженной в кристаллах ZnS и ZnSe величину и их объем минимален. Понятно, что в этом корреляции фотопластического и фотовольтаического случае концентрация центров Cr+ максимальна. После эффектов был поставлен под сомнение сам факт измепластической деформации дислокации сдвигаются с иснения электрических зарядов движущихся дислокаций.

ходного места и частично выходят из этого компенсиМы сделали попытку рассмотреть эту проблему с рующего облака, которое обычно может перемещаться помощью исследования спектров ЭПР чувствительных только в результате диффузии. Радиус ридовских ципарамагнитных зондов — ионов Cr+, находящихся в прилиндров вокруг дислокаций увеличивается, и, следовамесных атмосферах ростовых дислокаций. Понятно, что тельно, количество центров Cr+ должно уменьшаться.

зарегистрировать изменения спектров ЭПР этих центров Схематически этот процесс показан на рис. 2.

при возбуждении электронной подсистемы УФ-облучеИтак, можно считать доказанным, что при перемением невозможно, так как при этом будет происходить щении в своих примесных атмосферах электрические перезарядка Cr2+ Cr+ в объеме образцов вне примессвойства ростовых дислокаций изменяются. Полученный ных атмосфер. Поэтому было решено проверить изменерезультат представляется нам важным с нескольких ния электрической активности неподвижных дислокаций точек зрения. Во-первых, экспериментально подтвержде- в процессе протекания через образцы электрического ны предположения о природе различных особенностей, тока.

которые наблюдаются на начальных стадиях дефор- Оказалось, что, как и инжекционно-пластический эфмации в изменениях спектров ЭПР, люминесценции, фект, уменьшение количества ионов Cr+ начинается электрических и других свойств кристаллов сульфида только после приложения к токоподводящим контактам цинка [2,6,7]. Во-вторых, понятно, что в нашем распо- на образцах напряжения выше некоторого порогового ряжении появилась методика, которая позволяет зафик- значения, при котором электрическое поле составляет сировать малейшие изменения электрических свойств величину 105 V/cm. Эффект изменения количества Физика твердого тела, 2006, том 48, вып. ЭПР-исследования изменений зарядового состояния Cr по сечению дислокационных трубок... Известно, что в формировании равновесного заряда дислокаций кроме ионной составляющей важную роль играют процессы обмена электронами между дислокационными уровнями, зоной проводимости и энергетическими уровнями окружающих локальных центров [9].

Если дислокации не смещаются, после прекращения возбуждения электронной подсистемы величина их заряда должна восстановиться до начального значения вследствие того, что весь набор „участников“ процессов переноса зарядов и их положение остаются тождественными исходным. При этом характеристические времена релаксации заряда к неравновесной величине и обратно, по-видимому, должны совпадать. Поскольку ни того, ни другого в экспериментах не наблюдается, можно считать, что под действием электрических полей, Рис. 3. Изменение относительного количества центров Cr+ вызывающих электрический ток, дислокации смещаются (N/N0) после включения и выключения электрического поля из исходных положений. Это подтверждают появление (V = 1.2kV, f = 300 Hz). Толщина образца d = 0.51 mm.

на поверхности образцов полос скольжения, пороговый характер эффекта и результаты работ [12,13], в которых сообщалось о том, что в электрических полях, вызыионов Cr+ практически не зависит от направления вающих электролюминесценцию кристаллов сульфида приложения к образцам электрического напряжения. Как цинка, наблюдалась пластическая деформация образцов.

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.