WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика твердого тела, 2005, том 47, вып. 7 Исследование диффузии европия в SmS © А.В. Голубков, В.А. Дидик, В.В. Каминский, Е.А. Скорятина, В.П. Усачева, Н.В. Шаренкова Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия E-mail: didik@mail.ioffe.ru (Поступила в Редакцию 19 октября 2004 г.) В интервале температур от 780 до 1100C исследована диффузия европия в сульфиде самария.

Получены данные о коэффициенте диффузии и энергиях активации европия в моно- и поликристаллических образцах SmS. Сделан вывод о преимущественном перемещении европия в монокристаллическом сульфиде самария по узлам кристаллической решетки (D 10-12-10-9 cm2/s). Показано, что в поликристаллах SmS диффузия носит сложный характер и имеет как медленную (D 10-10-10-9 cm2/s), так и быструю (D 10-8-10-7 cm2/s) компоненту. Механизм диффузии европия в поликристаллах связан главным образом с миграцией европия по границам монокристаллических областей поликристалла, за характерные размеры которых приняты размеры областей когерентного рассеяния рентгеновского излучения.

Работа выполнена при финансовой поддержке ЗАО „Диал Инжиниринг“ (Санкт-Петербург).

Интерес к изучению диффузии европия в сульфиде ческого SmS представляли собой плоскопараллельные самария (SmS) возник в связи с исследованиями эффекта пластины, выколотые из слитка по плоскости спайгенерации ЭДС в этом полупроводниковом материале, ности (100). Размер пластин составлял 8 5 3 mm.

поскольку температура начала генерации и величина ге- Плоскопараллельность образцов (±2 µm) обеспечиванерируемой ЭДС зависят от концентрации примесей [1]. лась сухим прецизионным шлифованием на абразивной Наиболее естественной примесью в данном случае явля- бумаге и контролировалась с помощью вертикального ется европий, который в ряду лантаноидов соседствует с оптиметра ИКВ-1 с ценой деления 1 µm.

самарием и поэтому во многом имеет сходные свойства. Эксперименты проводились с использованием раОтличие состоит в том, что европий не изменяет своей диоактивного изотопа Eu в интервале температур валентности при нагревании (Eu2+), в то время как 780-1100C. В процессе вакуумного отжига радиоаксамарий ее меняет (Sm2+ Sm3+). С другой сторо- тивный изотоп европия вводился как в моно-, так и в ны, SmS и EuS кристаллизуются в структурном типе поликристаллические образцы SmS. Для получения конNaCl с необычайно близкими по величине постоянными центрационного профиля использовался метод секциорешетки: 5.967 и 5.968 соответственно. При этом нирования, т. е. последовательного снятия слоев. Гаммаполупроводники с рассогласованием параметра решетки активность снятых слоев определялась с помощью деменее 0.01 считаются наиболее перспективными с тектора БДЗА2-01 со сцинтилляционным кристаллом точки зрения создания гетероструктур [2]. Если учесть NaI (Tl) в сочетании с комплектом электронно-измерисущественную разницу зонных структур, и, в частности, тельной аппаратуры. В результате исследования были глубины залегания 4 f -уровней [3], сочетающуюся с сов- получены профили распределения радиоактивного изоместимостью тепловых, электрических и кристаллохи- топа Eu в образцах SmS при различных температурах.

мических свойств, то становится очевидным интерес, ко- Профили европия, полученные после отжига моноторый может представлять исследование гетероструктур кристаллических образцов SmS при температурах 950, на основе SmS и EuS. Особенно привлекательным изуче- 1000 и 1050C (время отжига 1-21 h), представляют ние гетероструктур на основе SmS делает возможность собой монотонно cпадающие кривые (рис. 1, a). Глубина создания в этом полупроводнике инверсной заселенно- профилей, как и следовало ожидать, увеличивается с сти энергетических уровней при сравнительно слабых ростом температуры. Концентрация европия составляет физических воздействиях (нагрев до T 400 K), как это 1019-1021 cm-3 у поверхности образца, а затем убывает имеет место в процессе генерации ЭДС. Согласно [4], до 1015-1016 cm-3 в глубине образца.

в этом случае можно ожидать генерации оптического Образцы поликристаллического SmS отжигались при излучения с энергией кванта 0.03-0.06 eV. Изучение же температурах 780-1100C в течение 2-10 h. Диффузипроцессов взаимодиффузии в гетероструктурах является онные профили европия в поликристаллическом SmS весьма важной научной задачей.

(рис. 1, b) носят сложный характер: концентрация евроПоликристаллы SmS были синтезированы из простых пия у поверхности имеет такие же значения, как и в мовеществ (самария и серы), сбрикетированы, после чего нокристаллах 1019-1021 cm-3, затем плавно убывает до подвергались гомогенизирующему отжигу при различ- значений 1016-1017 cm-3, далее профиль выполаживаетных температурах в запаянных молибденовых тиглях. ся на глубине более 500 µm. Исследования показали, что Монокристаллы SmS были получены методом зонной в поликристаллических образцах европий диффундирует плавки поликристаллов [5]. Образцы монокристалли- значительно быстрее, чем в монокристаллических.

Исследование диффузии европия в SmS Для описания диффузионных процессов в образцах SmS мы использовали решение уравнения Фика. Концентрационные кривые монокристаллического SmS удовлетворительно описывались erfc-функцией.

При исследованных температурах европий диффунРис. 2. Зависимость коффициента диффузии европия в сульфиде самария от температуры. 1 — монокристаллический SmS, 2, 3 — поликристаллический SmS, медленная и быстрая компоненты диффузии соответственно.

дирует в монокристаллический SmS с коэффициентом диффузии D = 10-12-10-9 cm2/s. Энергия активации при этом составляет 7.4 eV. Температурная зависимость D (рис. 2) описывается соотношением D = 6 · 1019 exp(-7.4/kT) [6].

Концентрационные кривые европия в поликристаллическом SmS не описываются одной erfc-функцией. Для описания процесса диффузии в этих образцах мы представили концентрационную кривую в виде двух зависимостей (erfc-функций), соответствующих быстрой и медленной компонентам диффузии. Коэффициенты диффузии для медленной компоненты в исследованном интервале температур имеют значения D 10-10-10-9 cm2/s.

Энергия активации составляет при этом 0.83 eV, а температурная зависимость D (рис. 2) описывается соотношением D = 1.4 · 10-6 exp(-0.83/kT ). По нашему мнению, медленная компонента диффузии описывает преимущественно диффузию примеси внутри зерен кристаллитов.

Коэффициенты диффузии для быстрой компоненты составляют D 4 · 10-8-1 · 10-7 cm2/s. При этом наблюдается весьма слабая зависимость коэффициента диффузии от температуры.

Быстрой компоненте диффузии, скорее всего, соответРис. 1. Профили распределения европия в сульфиде самария.

ствует миграция примеси лишь по путям ускоренной a — монокристаллический SmS, T, C и t, h: 1 — 950 и 21, диффузии в поликристаллах — по границам зерен и 2 — 1000 и 10, 3 — 1050 и 1; b — поликристаллический SmS, T, Cи t, min: 1 — 780 и 540, 2 — 950 и 280, 3 — 1100 и 140. порам.

Физика твердого тела, 2005, том 47, вып. 1194 А.В. Голубков, В.А. Дидик, В.В. Каминский, Е.А. Скорятина, В.П. Усачева, Н.В. Шаренкова мах (образец № 1 при 1700C, образец № 2 при 1200C). Значения ОКР, измеренные по стандартной рентгеновской методике [7], составляли 1100 A для образца № 1 и 650 для образца № 2. В обоих образцах диффузия европия осуществлялась при температуре 950C в течение 280 min. Полученные концентрационные профили представлены на рис. 3. В образце № 1 удается наблюдать лишь медленную диффузию с D = 5.6 · 10-12 cm2/s. В то же время для образца № наблюдается как медленная (D = 5.5 · 10-10 cm2/s), так и быстрая (D = 4 · 10-8 cm2/s) диффузия. Как видно, меньшей величине ОКР соответствует б скорость ольшая диффузии.

Полученная корреляция между величинами ОКР и D позволяет сделать предположение о преобладании миграции по поверхностям ОКР при диффузии европия в поликристаллическом SmS. Малая скорость диффузии и большая энергия активации европия в монокристаллических образцах SmS позволяют сделать вывод о преимущественном перемещении европия по узлам кристаллической решетки в случае монокристаллических образцов.

Рис. 3. Зависимость распределения европия в сульфиде сама- Список литературы рия от размеров области когерентного рассеяния. 1 — монокристаллический SmS, 2, 3 — поликристаллический SmS. Об- [1] В.В. Каминский, А.В. Голубков, Л.Н. Васильев. ФТТ 44, 8, ласть когерентного рассеяния, : 2 — 1100, 3 — 650. 1501 (2002).

[2] Г. Кремер. УФН 172, 9, 1087 (2002).

[3] В.П. Жузе. ЖВХО им. Д.И. Менделеева XXVI, 6, 695 (1981).

Для поликристаллов характерно наличие межзерен[4] В.В. Каминский, Н.В. Шаренкова, Л.Н. Васильев, С.М. Соных границ, пор,1 а также различных других дефектов, ловьев. ФТТ 47, 2, 217 (2005).

например дислокаций, которые могут присутствовать [5] А.В. Голубков, Е.И. Гончарова, В.П. Жузе, Г.М. Логинов, внутри зерен (кристаллитов). При всем этом многооб- В.Н. Сергеева, И.А. Смирнов. Физические свойства халькогенидов редкоземельных элементов. Наука, Л. (1973). 304 с.

разии необходимо иметь критерий, который характери[6] В.А. Дидик, Е.А. Скорятина, В.П. Усачева, А.В. Голубков, зовал бы степень дефектности поликристалла. В качеВ.В. Каминский. Письма в ЖТФ 30, 18, 9 (2004).

стве такого критерия нами был выбран размер области [7] С.С. Горелик, Л.Н. Расторгуев, Ю.А. Скаков. Рентгеногракогерентного рассеяния (ОКР) рентгеновского излучефический и электронно-оптический анализ. Металлургия, ния. Эта величина определяет средний размер бездеМ. (1970). 368 с.

фектных монокристаллических областей [7]. Величины ОКР составляют 102-103, что на один-два порядка меньше размеров пор и кристаллитов в поликристалле.

Соответственно суммарная площадь всех поверхностей ОКР на порядки превосходит площадь поверхностей кристаллитов и пор. Таким образом, если рассматривать быструю диффузию, можно предположить, что основной вклад в нее вносит диффузия по поверхностям ОКР, а ее скорость должна зависеть главным образом от величин ОКР.

Справедливость этого предположения была проверена экспериментально. Исходные поликристаллические образцы SmS перед исследованием диффузии были подвергнуты температурному отжигу в различных режиНаличие пор в поликристаллических образцах SmS подтверждается радиографическими исследованиями распределения европия по площади образца. Радиограммы показывают наличие большой доли примеси в виде скоплений в порах. Количество и площадь таких скоплений убывали с глубиной.

Физика твердого тела, 2005, том 47, вып.




© 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.