WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика твердого тела, 1999, том 41, вып. 7 Новая полоса излучения связанных экситонов в кристаллах ZnSe и многоплазмонные оптические переходы © В.С. Вавилов, А.А. Клюканов, К.Д. Сушкевич, М.В. Чукичев, А.З. Ававдех, Р.Р. Резванов Молдавский государственный университет, 277009 Кишинев, Молдавия Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, 119899 Москва, Россия E-mail: klukanov@cinf.usm.md (Поступила в Редакцию 13 октября 1998 г.) Проведены исследования катодолюминесценции в кристаллах ZnSe, исходных и отожженных в расплаве Bi при температуре 1200 K в течение 120 h с последующей закалкой. В области длин волн 450-480 nm обнаружена новая серия Iis-nLO-mPl, состоящая из линии излучения связанных экситонов Iis с длиной волны = 455.9 nm и ее плазмонных и LO-фононных повторений Iis-LO (1 = 461.3nm), Iis-2LO (2 = 466.8nm), Iis-3LO (3 = 472.4nm) и Iis-4LO (4 = 478.3nm). Определено среднее число испущенных LO-фононов NLO = 2.2 ± 0.1 на фотон. Показано, что наблюдаемая более тонкая структура полосы может быть обусловлена многоплазмонными оптическими переходами. При низких концентрациях плазмы (p LO) кулоновское взаимодействие вызывает уширение серии Iis-nLO. В образцах с более плотной плазмой, у которых выполняется соотношение p LO, наблюдаются многоплазмонные сателлиты серии Iis-nLO-mPl. Теоретические расчеты формы полосы излучения согласуются с экспериментом.

Многоквантовые оптические переходы с участием доказательством участия в оптических переходах плазнизкочастотных плазмонов, обусловленных колебаниями монов, энергия p которых зависит от концентрации плазмы зонных носителей заряда, исследовались при плазмы и потому меняется с уровнем возбуждения и от излучательной рекомбинации электронов и дырок в пря- образца к образцу [6].

мозонных полупроводниковых соединениях ZnSe, CdS и Ярким проявлением многоплазмонных излучательных ZnTe авторами работ [1–8]. Фото и катодолюминесцент- переходов при рекомбинации связанных экситонов являные (КЛ) спектроскопические исследования свободно- ется красная полоса КЛ в ZnTe [7].

свободных, свободно-связанных и связанно-связанных Данная работа посвящена исследованию многоплазрекомбинационных переходов с излучением фотонов, фо- монных переходов, обнаруженных в спектрах КЛ кринонов и плазмонов были выполнены в широком темпера- сталлов ZnSe, исходных и отожженных в расплаве Bi с турном интервале (4.2-355 K) при различных уровнях последующей закалкой. В качестве исходного материала возбуждения ( j = 0.01-10 A/cm2) и временах задержки использовались кристаллы ZnSe, выращенные из паро(0.1-10 ms) [1–8]. Новые широкие составные поло- вой фазы. Отжиг образцов в расплаве Bi проводился сы излучения, включающие порядка десяти плазмон- при температуре 1200 K в течение 120 h. Охлаждение ных повторений, были обнаружены при высоких уров- (закалка) до комнатной температуры осуществлялось нях возбуждения в интервале решеточных температур вне печи погружением ампулы в воду.

40-70 K (ZnSe) и 30-120 K (ZnTe) [2–4], соответствую- КЛ возбуждалась при температуре образца 4.2 K элекщих максимальному времени жизни плазмонов и макси- тронным пучком с энергией 40 keV, длительностью иммуму подвижности носителей заряда. Было показано, что пульсов 0.4 µs и частотой их следования 200 Hz. Излучетонкая многоплазмонная структура полос обусловлена ние анализировалось с помощью монохроматора ДФС-рекомбинацией свободных зонных электронов и дырок, в области 0.4-0.8 µm.

сильно взаимодействующих с плазмонами.

Краевая КЛ как исходного, так и отожженного образМногоплазмонные оптические переходы, проявляю- цов состоит из серии линий в экситонной области щиеся в тонкой структуре и уширении полос, позволяют спектра. Наиболее интенсивной является линия ЭПК Iid объяснить многие ключевые особенности спектров излу- (445.8 nm) — экситона, локализованного на нейтральном чения полупроводниковых соединений II–VI. Было пока- акцепторе — вакансии цинка (VZn). В работах [9–12] зано, что не только высокотемпературная серия зеленой предполагается, что Iid линия обусловлена двумя акцеплюминесценции CdS, которая обусловлена свободно- торами различной природы — VZn и/или медью, засвязанными переходами, но и рекомбинация электронов мещающей цинк (CuZn). Для нелегированных образи дырок на донорно-акцепторных парах (ДАП) может цов Iid связана с вакансиями цинка. При легировании сопровождаться излучением и поглощением нескольких образцов медью за линию Iid ответственны дефекты на плазмонов [6]. Измеренные расстояния между линия- основе CuZn.

ми многоплазмонной низкотемпературной серии изме- В области длин волн 450-480 nm при низких уровнях нялись от 2 до 10 meV, что является экспериментальным возбуждения нами обнаружена новая полоса излучения Новая полоса излучения связанных экситонов в кристаллах ZnSe... Рис. 1. Спектры катодолюминесценции кристаллов ZnSe при T = 4.2K: 1 — образец, отожженный в расплаве Bi с последующей закалкой; 2 —исходный образец.

Iis-nLO-mPl (рис. 1), состоящая из линии излучения плаве Zn и медленно охлажденных (в режиме высвязанного экситона Iis с длиной волны = 455.9nm ключенной печи), полоса Iis-nLO-mPl не наблюдаи ее плазмонных и LO-фононных повторений Iis-LO лась [13] (здесь n — число излученных продоль(1 = 461.3nm), Iis-2LO (2 = 466.8nm), Iis-3LO ных оптических фононов, m-плазмонов). Это указыва(3 = 472.4nm) и Iis-4LO (4 = 478.3nm). Поми- ет на существенную роль вакансий цинка в формимо LO-фононных повторений наблюдается более тонкая ровании центров, ответственных за излучение серии структура полосы, обусловленная многоплазмонными Iis-nLO-mPl.

переходами (кривые 1 и 2 на рис. 1, а также кривая 1 Анализ спектров излучения начнем с рассмотрения на рис. 2). серии излучения связанных экситонов, включающей лиСледует отметить, что в образцах, отожженных в нию Iid и ее LO-фононные повторения, для которой расплаве Bi, расплаве Bi с добавкой цинка, рас- скорость излучательной рекомбинации R может быть 4 Физика твердого тела, 1999, том 41, вып. 1178 В.С. Вавилов, А.А. Клюканов, К.Д. Сушкевич, М.В. Чукичев, А.З. Ававдех, Р.Р. Резванов Рис. 2. Спектры КЛ образцов с различной концентрацией равновесной плазмы: 1 — плотная плазма p LO, в которой наблюдаются плазмонные повторения; 2 — плазма низкой плотности p LO.

представлена в виде соответствует распределению Пуассона для R в максимумах LO-фононных повторений Iid-nLO. Согласно n R = R0 (NLO/n!)n/ (x + n)2 + n. (1) полученным нами результатам, NLO = 0.20 ± 0.01, n если NLO определять как отношение интенсивностей Rn в максимумах бесфононного пика и однофононного Здесь R0 —константа, x =( -0)/LO, — частота повторения (Rmax/Rmax = NLO0/1). Если же NLO опрефонона, 0 — частота, соответствующая максимуму 1 делять как отношение (Rmax/Rmax) = (1/2)NLO(1/2), линии Iid, LO — частота LO-фононов, NLO —число 2 LO-фононов, испущенных на один фотон, 2n — по- то оказывается, что NLO > 0.2 и меняется от образца к луширина n-го фононного повторения в единицах LO. образцу в пределах 0.2-0.5. Еще более разительные реДля серии линий одинаковой полуширины формула (1) зультаты получаются, если определять NLO по третьему и Физика твердого тела, 1999, том 41, вып. Новая полоса излучения связанных экситонов в кристаллах ZnSe... второму фононным повторениям. Согласно спектрам КЛ на рис. 1, NLO 4 для образца 1 и NLO 1 для второго = = образца. Кроме того, для первого образца полуширина Iid-2LO больше полуширины Iid-3LO (если линию с длиной волны в максимуме = 461.3 nm считать Iid-3LO). Как видно из рис. 1 (кривая 1), на контуре линии Iid-2LO имеется плечо со стороны коротких длин волн. Все эти особенности легко разъясняются, если заметить, что в области второго LO-фононного повторения линии Iid имеются (накладываются) две линии Iid-2LO и бесфононная новая линия Iis. Для образца при = 456.0 nm это в основном линия Iid-2LO, тогда как для первого образца интенсивность Iid-2LO лишь в 2 раза больше интенсивности Iis. При этом для серии Iis взаимодействие связанного экситона с фононами оказывается более сильным, чем для серии Iid. Согласно результатам, представленным на рис. 1, для серии новой линии Iis и ее LO-фононных повторений находим, что NLO = 2.2 ± 0.1.

Скорость излучательной рекомбинации R [8] определяется производящей функцией, которая в двухуровневом приближении для связанного экситона имеет вид I(t) = exp (v/ ) h() - e() k Im /(, ) f (t, )/2d.. (2) Здесь обозначения те же, что и в работе [8]. Частоты элементарных возбуждений, с которыми взаимодействуют рекомбинирующие электрон и дырка, определяются нулями диэлектрической функции (, ). При низРис. 3. Форма полосы Iis-nLO-mPl R (a = p/LO, b, 1, 2, ких концентрациях плазмы зонных носителей заряда NLO, Np, x) при различных концентрациях плазмы и различных (p LO) этими возбуждениями являются плазмоны полуширинах сателлитов n,0 = 1, n,m = 2(1 + mb) ( <1/0, где 0 — длина экранировки) и LO-фононы.

(m = 1, 2,... ): 1 — R(0.3, 0, 0.03, 0.1, 2, 2, x); 2 — R Для водородоподобных центров (0.3, 0, 0.05, 0.2, 2, 2, x); 3 — R (0.1, 0, 0.1, 0.1, 2, 2, x);

4 — R (0.3, 0.35, 0.03, 0.1, 2, 3, x); 5 — R (0.3, 0.35, 0.03, 0.1, e,h() = e, h| exp(ire,h)|e, h 2, 1, x).

-= 1 +(ae,h/2)2. (3) симировать выражением Из формулы (2) видно, что в случае, когда радиусы состояний электрона и дырки ae и ah — одного порядка n (ae ah, h() e()), взаимодействие с плазмонами = = R = (NLO/n!) и фононами слабое. Таким образом, по спектрам КЛ можn,m но судить о структуре центра. Сильное взаимодействие m (Np /m!)n,m/ ( + n + am)2 + n,m. (4) с LO-фононами и плазмонами характерно для центров, которые сильно связывают один из носителей из пары e-h, локализуя его в пределах элементарной ячейки, Здесь a = p/LO. На рис. 3 представлены результаты и создают для второго носителя заряда кулоновское расчетов спектров КЛ при различных значениях средних поле. При этом область движения второго носителя в чисел излученных при рекомбинации LO-фононов NLO и этом поле охватывает сотни постоянных решетки. С плазмонов Np, различных соотношениях между p и LO центром такого типа связана линия Iis и ее LO-фононные и различных полуширинах линий, составляющих полосу и плазмонные сателлиты, форму которых можно аппрок- излучения.

4 Физика твердого тела, 1999, том 41, вып. 1180 В.С. Вавилов, А.А. Клюканов, К.Д. Сушкевич, М.В. Чукичев, А.З. Ававдех, Р.Р. Резванов Численные расчеты однофононного и одноплазмонно- [10] H. Roppiseher, J. Jacob, B.V. Novikov. Phys. Stat. Sol. (a) 27, 1, 123 (1975).

го сателлита можно выполнить, используя результаты [11] P.J. Dean, A.D. Ditt, M.S. Skolnick, P.J. Wrigt, J. Blockayne. J.

работ [1–8] и производящую функцию I(t) (2) с (, ) Crystal Growth. 59, 1, 301 (1982).

в приближении случайных фаз. При этом оказывается, [12] P.J. Dean, D.C. Herbert, C.J. Werkhoven, B.J. Fitzpatrick, что полуширина одноплазмонного сателлита как правиR.N. Bhorgava. Phys. Rev. B23, 12, 4888 (1981).

ло больше полуширины однофононного. Это связано с [13] А.В. Симашкевич, К.Д. Сушкевич. Изв. АН Республики большой дисперсией плазмонов и затуханием Ландау.

Молдавия. Сер. Физика и Техника, 2(8), 28 (1992).

Таким образом, необходимо считать, что выполняется [14] P.J. Dean. Phys. Stat. Sol. (a) 81, 2, 625 (1984).

неравенство n,m > n,0 (m = 1, 2,... ) и с ростом числа m излученных плазмонов величина n,m растет.

При малых концентрациях плазмы (p LO) многоплазмонная структура не разрешается. Процессы с излучением нескольких плазмонов приводят к уширению линии Iis и ее LO-фононных повторений (кривая 3 на рис. 3), что согласуется с экспериментом (кривая 2 на рис. 2). Если же p LO, то плазмонная структура может наблюдаться (кривые 1 и 2 на рис. 1, а также кривая 1 на рис. 2). Численные расчеты (рис. 3) и экспериментальные спектры КЛ находятся в удовлетворительном согласии, что позволяет сделать вывод об участии плазмонов в излучении новой серии связанных экситонов Iis-nLO-mPl в кристаллах ZnSe наряду с излучением ДАП [14] в этой области спектра.

Учитывая, что LO-фононные повторения наблюдаются обычно при рекомбинации экситонов, связанных на акцепторах, то естественно предположить, что центром, ответственным за появление линии Iis, является акцептор на основе вакансии цинка. Линия Iis наблюдается только в образцах, подвергнутых закалке, поэтому можно заключить, что данный акцепторный центр существует при высоких температурах и при закалке замораживается.

При медленном же охлаждении образцов рассматриваемый центр разрушается и на его основе образуются новые ассоциаты. Таким акцепторным центром, возможно, является комплекс, включающий две вакансии цинка и одну вакансию селена.

Список литературы [1] А.А. Клюканов. ФТТ 29, 5, 1529 (1987).

[2] В.С. Вавилов, А.А. Клюканов, Э.А. Сенокосов, Л.Э. Чиботару, М.В. Чукичев. ФТТ 30, 2, 614 (1988).

[3] A.A. Klyukanov, E.A. Senokosov, L.E. Chibotaru. Phys. Stat.

Sol. (b) 155, 1, 295 (1989).

[4] В.С. Вавилов, А.А. Клюканов, Н.М. Павленко, Сабри Джасин Мухаммед, Э.А. Сенокосов, В.Г. Стойкова, М.В. Чукичев. ФТТ 31, 10, 132 (1989).

[5] В.С. Вавилов, А.А. Клюканов, Э.А. Сенокосов, Л.Э. Чиботару, М.В. Чукичев. ФТТ 33, 1, 63 (1991).

[6] В.С. Вавилов, А.А. Клюканов, М.В. Чукичев, О.М. Шаповал, А.З. Ававдех, Р.Р. Резванов. ФТП 28, 12, 2113 (1994).

[7] В.С. Вавилов, А.А. Клюканов, К.Д. Сушкевич, М.В. Чукичев, А.З. Ававдех, Р.Р. Резванов. ФТТ 37, 2, 312 (1995).

[8] В.С. Вавилов, А.А. Клюканов, К.Д. Сушкевич, М.В. Чукичев, Р.Р. Резванов, С.К. Сушкевич. ФТТ 39, 9, 1526 (1997).

[9] Shi Min Huang, J. Nozne, J.C. Igaki. Jap. J. Appl. Phys. 22, 7, 1420 (1983).




© 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.