WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика твердого тела, 2005, том 47, вып. 6 Особенности неупругого рассеяния нейтронов на TA фононах в сильно легированном арсениде галлия © С.А. Борисов, С.Б. Вахрушев, А.А. Набережнов, Н.М. Окунева Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия E-mail: alex.nabereznov@mail.ioffe.ru (Поступила в Редакцию 28 июня 2004 г.) Представлены результаты исследования температурной зависимости формы линии неупругого рассеяния нейтронов на TA фононах в GaAs, сильно легированном Te, в интервале температур от 363 до 253 K. Показано, что легирование теллуром (при концентрации носителей Ne 2 · 1018 cm-3) приводит к появлению дополнительного вклада в рассеяние в области TA фононных резонансов со стороны высоких энергий при значениях приведенного волнового вектора q < 0.1a. Ниже 320 K наблюдается резкий рост интенсивности этой дополнительной компоненты, а ниже 273 K основной TA пик и дополнительное плечо практически полностью сливаются. Полагаем, что дополнительное рассеяние связано с индуцированной дефектами модой, которая может быть ответственна за наблюдаемые аномалии физических свойств в этом кристалле.

Настоящая работа проводилась при поддержке гранта президента РФ НШ-2168.2003.2 Программы ОФН РАН, Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 02-02-16695) и CRDF RP1-2361ST-02.

1. Введение мых кристаллов. Как показано в работе [4], при легировании полупроводниковых соединений типа A3B5 Одной из наиболее интересных проблем физики твер- элементами 6-й группы образуются сложные заряжендого тела до настоящего времени остается вопрос ные комплексы „донор-вакансия“, состоящие из атомов о существовании фазового перехода (ФП) в системе примеси и собственных дефектов структуры, согласно дипольных центров. Действительно, согласно теории реакции VGa + Te+ + e- (TeAsVGa)-, где VGa означает As Ланжевена-Дебая, в которой взаимодействие описыва- вакансию на месте Ga. Такие комплексы могут проявется в рамках модели самосогласованного поля, следует лять свойства дипольных центров [5], обладать большиожидать неограниченного возрастания поляризуемости ми дипольными и упругими моментами и эффективно подобных соединений („поляризационной катастрофы“) взаимодействовать с упругими деформациями решетки.

при понижении температуры. Однако уже в ранних Теоретически вопрос о возможности существоваэкспериментах [1,2] на галогенно-щелочных кристаллах, ния ФП в подобных системах рассматривался в рабосодержащих дипольные примеси, существования сегнетах [6,7], и в рамках феноменологической теории было тоэлектрического ФП обнаружено не было. Позднее показано, что свободная энергия такого легированного было показано [3], что причина такого расхождения кристалла в зависимости от поляризации может быть между теорией и экспериментом лежит в специфике представлена в виде диполь-дипольного взаимодействия: не только величина, но и знак взаимодействия зависят от относительной F(P) =F(0) +1/2 P2 + b1P4 + 1/2(b2 + bd)P2P2, (1) пространственной ориентации и расположения диполей.

В системах, содержащих примеси, это приводит к зна- где P — компонента поляризации; b1, b2 — ангарчительным флуктуациям локальных полей, воздействую- монические константы чистого кристалла, а bd отражает щих на диполи, и приближение самосогласованного поля вклад в ангармонизм 2-го порядка за счет дипольных оказывается неприменимым. Было также показано, что центров; — перенормированный параметр, зависяпространственные флуктуации значительно уменьшают щий как от температуры T, так и от концентрации эффективную поляризуемость и предупреждают появле- заряженных носителей Ne и дипольных дефектов Nd.

ние сегнетоэлектрической нестабильности. Такой вывод Перенормировка значения приводит к тому, что совершенно справедлив в случае непьезоэлектрических при определенных концентрациях Ne и Nd возникает кристаллов.

критическая T0(Nc, Ne), при которой параметр (T0) С другой стороны, пьезоэлектрические кристаллы ха- меняет знак, т. е. кристалл в целом теряет устойчивость рактеризуются линейной связью поляризации и упругих относительно перехода в состояние с ненулевой поляридеформаций решетки. Подобное линейное стрикционное зацией. Следует отметить, что благодаря линейной связи взаимодействие подавляет длинноволновые флуктуации между компонентами вектора поляризации и тензора поля упорядочения, и при достаточно высокой концент- деформации такой ФП наряду со спонтанной поляризарации дипольных примесей можно ожидать появления цией характеризуется и спонтанной деформацией и, таупорядоченного состояния даже для слабо поляризуе- ким образом, носит характер сегнетоэлектрического-сегОсобенности неупругого рассеяния нейтронов на TA фононах в сильно легированном... нетоэластического перехода, индуцированного системой 3. Результаты и обсуждение дипольных примесных центров.

В чистом арсениде галлия при всех значениях q Экспериментально возможность существования поникаких особенностей формы линии не наблюдалось, добного ФП изучалась на пьезоэлектрических кристалширина фононного резонанса практически полностью лах GaAs, легированных Te и Se. В работах [6,8] исследоопределялась энергетическим разрешением спектрометвались концентрационные и температурные зависимости ра и хорошо описывалась функцией Гаусса. Полученскорости продольного звука VL(T, Ne) и удельной теплоные данные совпадали с результатами, полученными емкости Cmol в GaAs, легированном Se [6], и коэффиципри 12 K и приведенными в работе [9], поэтому в ент инфракрасного поглощения (Ne) в GaAs, легиродальнейшем температурная зависимость формы линии ванном Te [8]. При 300 K в зависимостях VL(Ne) и (Ne) не исследовалась.

были обнаружены особенности при Ne 2 · 1018 cm-3.

В легированном GaAs при больших q при всех исслеТакой достаточно высокий уровень критической кондованных температурах наблюдался фононный резонанс центрации может быть объяснен тем, что, согласно с шириной, определяемой энергетическим разрешением работе [6], дипольные дефекты образуются только при и описываемый гауссианом с параметрами, аналогичныNe > 1017 cm-3, а их концентрация становится сущеми полученным для чистого GaAs, и сопровождаемый ственной при Ne 1018 cm-3. Измерения зависимостей VL(T ) и Cmol(T ) на образце с Ne 2 · 1018 cm-3 незначительным приливом со стороны высоких энергий.

При уменьшении q, как это видно из рис. 1, на котором подтвердили существование аномалий при Tc 300 K.

приведены кривые неупругого рассеяния нейтронов для Таким образом, эти результаты позволяют предполоразличных значений приведенного волнового вектора q жить существование специфического ФП в GaAs при при температуре 363 K, величина прилива возрастала.

указанных выше концентрации примесей и температуре.

В то же время особенности динамики решетки подобных соединений в настоящее время практически не изучены, а так как при существовании такого рода ФП можно ожидать появления аномалий в низкоэнергетической части спектра, нами были проведены исследования спектра низкочастотных возбуждений и, в частности, получены данные о температурной эволюции формы линии нейтронного резонанса, соответствующего неупругому рассеянию нейтронов на поперечных акустических (TA) фононах.

2. Методика эксперимента Исследования проводились на монокристалле чистого GaAs неправильной формы (объемом около 4 cm3) и на монокристалле GaAs, легированном теллуром (Nc 2 · 1018 cm-3), размером 20 20 40 mm на нейтронном спектрометре „Нейтрон-3“, расположенном на реакторе ВВР-М (ПИЯФ, г. Гатчина). Ось вращения кристалла была [110], длина волны падающих нейтронов составляла 2.485. В качестве монохроматора использовался пиролитический графит, а анализатора — монокристалл Cu(111). Все измерения проводились вблизи узла (220), для которого при доступных при данной длине волны нейтронов волновых векторах неупругий структурный фактор для рассеяния на акустических фононах максимален. Измерения на чистом арсениде галлия проводились только при комнатной температуРис. 1. Зависимость формы TA фононного резонанса от ре, а на легированном кристалле — в температурном величины приведенного волнового вектора q в легированном интервале от 363 до 253 K для значений приведенного GaAs вблизи узла (220) при 363 K. Сплошная линия — резульволнового вектора 0.06a < q < 0.2a (a — параметр тат подгонки экспериментальных данных суммой гауссианов обратной решетки). При q, меньших 0.06a, интени линейного фона. Штриховые линии — вклад отдельных сивное брэгговское рассеяние не позволяло надежно составляющих в наблюдаемый спектр неупругого рассеяния выделить слабый неупругий пик. нейтронов.

5 Физика твердого тела, 2005, том 47, вып. 1028 С.А. Борисов, С.Б. Вахрушев, А.А. Набережнов, Н.М. Окунева Рис. 2. Эволюция формы TA резонанса в легированном GaAs при Q =(220.07) при охлаждении. Пик при E 0.2THz —„хвост“ упругого брэгговского рассеяния. Штриховая линия — результат подгонки по описанному в тексте методу.

Полученные спектры неупругого рассеяния описывались (kT ) выполняется скейлинговое соотношение [10] суммой функций Гаусса, соответствующих TA фонону, дополнительному плечу и вкладу от упругого брэггов- I T /2, (2) j ского рассеяния, которое наблюдалось при малых q где I — интегральная интенсивность пика, j — чаиз-за недостаточно высокого разрешения (Bragg tail), стота j-го фононного резонанса, а T — абсолютная и линейного фона. Процедура подгонки сходилась за температура. Таким образом, при отсутствии сильных несколько циклов к хорошему значению величины 2.

В процессе охлаждения при q > 0.1a форма наблю- эффектов межмодового взаимодействия величина I2/T j даемого фононного резонанса не изменялась с темпе- не должна зависеть от температуры. На рис. 3 и приведены температурные зависимости ITA/T (кривая ратурой, однако при малых q (q < 0.1a) уменьшение на рис. 3) и TA (кривая 1 на рис. 4), где TA — температуры приводило к возрастанию интенсивности дополнительного плеча, которое ниже 273 K практи- частота TA фонона, а ITA — интегральная интенсивность. Хорошо видно, что даже в области 300-320 K, чески полностью сливалось с основным TA пиком.

В эксперименте наблюдалось широкое колоколоподоб- где суммарная интенсивность неупругого рассеяния в области TA резонанса наиболее быстро (кривая 3 на ное распределение неупругого рассеяния нейтронов; при рис. 3), приведенные выше соотношения выполняются, этом однозначно разрешить TA пик и дополнительное рассеяние уже не удавалось. На рис. 2 приведена темпе- и как TA, так и ITA/T не зависят от температуры. Это ратурная зависимость формы линии TA резонанса вбли- дало основание при обработке данных для температуры зи узла (220); сплошная линия — результат подгонки, ниже 293 K зафиксировать значения этих параметров штриховые линии — вклад отдельных упомянутых выше и варьировать в процессе подгонки только величины, компонент. Как уже отмечалось выше, начиная с 273 K относящиеся к дополнительному рассеянию. Как видно основной и дополнительный пики полностью сливались, из рис. 3 (кривая 2), интенсивность дополнительного и однозначная подгонка становилась невозможной. Мы крыла существенно возрастает при температурах нипроанализировали температурную зависимость парамет- же 320 K, т. е. именно в той области, где для сильно ров TA фононного резонанса при T 300 K. Как хо- легированного GaAs наблюдались особенности в коэфрошо известно, в высокотемпературном приближении фициенте поглощения ИК-излучения [8], пик удельной Физика твердого тела, 2005, том 47, вып. Особенности неупругого рассеяния нейтронов на TA фононах в сильно легированном... теплоемкости и минимум в скорости продольных акустических колебаний [6]. Естественно также ожидать в этом случае уменьшения скорости поперечных акустических колебаний. На рис. 5 приведены дисперсионные кривые для чистого (при комнатной температуре и при 12 K из работы [9]) и легированного GaAs. Легко видеть, что скорость поперечного звука, пропорциональная наклону дисперсионной кривой при малых q, в легированном GaAs несколько ниже, чем для чистого материала, и равна 2991 ± 149 m/s (для легированного GaAs) и 3461 ± 173 m/s (для чистого арсенида галлия). Последняя величина находится в хорошем соответствии со значением 3345 m/s, полученным при 300 K в [11].

В [6] получена температурная зависимость относительного ( Vl/Vl) изменения скорости ультразвука частотой 12.5 MHz для продольных волн в легированном кристалле с Ne = 3 · 1018 cm-3 и показано, что эта величина имеет локальный минимум около 300 K, соответствующий изменению Vl/Vl примерно на 0.1%, и что вблизи этой температуры происходит изменение Рис. 4. Температурная зависимость частоты TA резонанса (1) наклона температурной зависимости Vl/Vl. К сожаи дополнительного плеча (2) при q = 0.07a.

лению, мы не имели экспериментальной возможности наблюдать этот эффект для поперечной акустической ветви, поскольку ожидаемое изменение слишком мало и лежит за пределами экспериментальных возможностей.

Рис. 5. Дисперсионные кривые TA резонансов для чистого (светлые кружки — 12 K [9], темные квадраты — наши результаты, полученные при комнатной температуре) и легированного GaAs (наши данные, темные кружки — комнатная температура, светлые треугольники — 310 K).

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.