WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 | 2 ||

сталлы CdF2 : Ga и CdF2 : In являются полуизолиру Донорные пары с растоянием r < R могли бы расющими, так как электроны, введенные в кристалл сматриваться как изолированные, однако значительная при окрашивании, преимущественно локализованы на концентрация заряженных акцепторов (в нашем случае глубоких M1+-центрах (M = Ga, In). С этими центраэто междоузельные ионы F-) приводит к расстройке ми связана фотоионизационная полоса поглощения в резонанса между энергетическими уровнями пары на ультрафиолетовой–видимой области спектра. Освещевеличину [37] ние кристалов в указанной полосе приводит к высвобождению электронов в зону проводимости с их после- e2 e2 e (r, R, sin ) = - = (RA - RB).

дующим захватом ионизованным („пустым“) центром с 1RB 1RA 1Rобразованием нейтрального (мелкого) донора; при этом (7) ионизованный глубокий центр спонтанно превращается Здесь 1 — диэлектрическая проницаемость, e —заряд также в нейтральный донор. Оптические спектры леги- электрона, RA, RB и R — расстояния от иона F- до 2 Физика твердого тела, 2002, том 44, вып. 1364 С.А. Казанский, А.И. Рыскин соотношение 2() 2 () = 2 [(1 + 2)1/2 - 1]1/2, (11) = c c получаем частотную зависимость оптического коэффициента поглощения ().

2.2. „Электронные“ двухуровневые системы в полупроводниковых кристаллах CdF2.

Электронные ДС, так же как ионные, могут быть выявлены по появлению насыщающегося поглощения в микроволновой области спектра. Мы обнаружили резонансное поглощение ионизованных донорных пар в полупроводниковых кристаллах CdF2 в микроволновой области 8 mm. При T = 1.8 K насыщение диэлектрических Рис. 12. Ионизованная донорная пара A-B, возмущенная потерь наблюдалось для всех исследованных образцов междоузельным ионом F-.

CdF2, активированныx Y, Ga или In, как увеличение интенсивности линии поглощения микроволнового резонатора с образцом при возрастании интенсивности донора A, B и их центра тяжести соответственно; — подводимой микроволновой мощности (рис. 13).

угол между направлением R и нормалью к оси A-B Как и в случае ионных ДС (см. выше), для об(рис. 12).

разца CdF2 : Y3+ (0.5 mol.%) согласование резонатора с По аналогии с [37] мы предполагаем, что все пары волноводом частично восстанавливается, а доля микрос W = вносят равный вклад в резонансное волновой мощности, отраженной от резонатора, падапоглощение донорных пар на частоте. Тогда для ет при насыщении электродипольных переходов между любого значения можно найти такой предельный угол подуровнями резонансных электронных ДС с увеличениlim (при 0 lim /2), для которого = W при ем подводимой мощности. В фотохромных кристаллах заданном R, и такое предельное расстояние CdF2 : Ga3+ и CdF2 : In3+ диэлектрические потери существенно возрастают (примерно на порядок) после того, 1/e2r как образцы, охлажденные в темноте от комнатной до Rmax(), (8) = для которого lim = /2 (очевидно, возмущающим действием заряженной примеси можно пренебречь при R Rmax). Определим функцию (, r) =sin lim, если R Rmax, и (, r) = 1, если R Rmax. Теперь можно найти часть S() 1 всех донорных пар с расстоянием r, которые вносят вклад в резонансное поглощение на частоте, 3x S() = exp[-(x/R)3] (, x)dx. (9) RОкончательно находим частотную зависимость мнимой части диэлектрической проницаемости, обусловленной резонансным поглощением ионизованных донорных пар (в гауссовых единицах CGS), 2 r 4 r 2() = NminS()e2Ra exp R R (1 + E2/Ec )-1/2tanh. (10) 2kBT Рис. 13. Частотная зависимость микроволновой мощности, геЗдесь — энергия кванта, E — амплитуда электриченерируемой клистроном ( 10 mW), после отражения от СВЧской компоненты переменного электромагнитного поля, резонатора с полупроводниковым образцом CdF2 : Y при разEc — ее критическое значение, связанное с насыщением личных уровнях ослабления генерируемой мощности: 30 (a), диэлектрических потерь в сильных полях. Используя 20 (b), 10 (c) и 0 dB(d). mic 36 GHz, T = 1.8K.

Физика твердого тела, 2002, том 44, вып. Кластеры ионов III группы в активированных кристаллах типа флюорита концентрация примеси иттрия ( 1020 cm-3) в этом кристалле. Таким образом, не менее 80% ионов Y3+ находятся в кластерах.

По аналогии с фторидами Ca, Sr и Ba [6,24] можно предположить, что в CdF2 существует предельная концентрация 1019 cm-3 донорных примесей, которые могут быть внедрены в кристаллическую решетку CdFкак статистически распределенные простые центры. „Излишняя“ примесь формирует примесно-фторные кластеры, которые отчетливо видны в оптических спектрах РЗ-ионов с концентрацией, превышающей 0.1 mol.% в CdF2 [7]. Высокая растворимость некоторых примесей основной подгруппы (подгруппы бора), например In [40], позволяет предположить, что образование кластеров — явление, типичное для донорных примесей в CdF2.

Таким образом, при изучении твердых растворов фтоРис. 14. Теоретические спектры поглощения в далекой ИКридов Ca, Sr и Ba с трифторидами второй половины области полупроводниковых кристаллов CdF2 с концентрацией нейтральных доноров 2 · 1018 cm-3 с боровским ради- РЗ-ряда и иттрия показано, что нестехиометрические усом a = 7 [33]. Степень компенсации полупроводника флюоритовые фазы, которые ранее рассматривались как K = 0.1 (a), 0.3 (b), 0.5 (c), 0.7 (d) и 0.9 (e).

полностью разупорядоченные, на самом деле могут аккомодировать изменение стехиометрии сравнительно упорядоченным способом — перестройкой кристаллической решетки флюорита с образование тех же струкгелиевой температуры, затем некоторое время освещатурных элементов (кластеров типа Y6F37), которые ются ультрафиолетовым–видимым светом, что приводит наблюдаются в гомологической серии флюоритоподобк росту концентрации мелких доноров. В кристаллах ных сверхструктур [21]. Это согласуется с известной CdF2, не подвергнутых процедуре аддитивного окрашитенденцией нестехиометрических соединений различных вания, электронные ДС не наблюдаются.

структурных типов к сохранению некоторого, а иногда Наши экспериментальные данные по микроволноводаже полного порядка в кристаллической решетке за му поглощению и данные работы [39] по далекому счет образования протяженных дефектов, в том числе ИК-поглощению были объяснены на основании уравнеи при ничтожных отклонениях от стехиометрии [41].

ний (10), (11) теории резонансного поглощения ионизоЭтот вывод подтверждается результатами других исслеванных донорных пар для полупроводников с различной дований. В работе [15] методом EXAFS показано, что степенью компенсации. На рис. 14 показаны рассчиближайшее окружение иона Y3+ в твердых растворах танные спектры поглощения в далекой ИК-области для (CaF2)1-y (YF3)y сходно по строению с ближайшим полупроводникового CdF2 с концентрацией электронов окружением иона Y3+ в YF3, которое, как и в кластере ne 2 · 1018 cm-3. Рассчитанные спектральные зависиY6F37, представляет собой квадратную антипризму. В рамости ИК-поглощения хорошо согласуются с экспериботе [41] сообщается о том, что нейтронографические ментальными спектрами [39] как по форме, так и по исследования, по-видимому, указывают на образование величине коэффициента поглощения.

„октаэдрических шестерок“ из R-ионов в активированАнализ экспериментальных данных по микроволновоных кристаллах типа флюорита. Исследование магнитму и далекому ИК-поглощению свидетельствует о проной восприимчивости дипольного спинового стекла в межуточной степени компенсации (0.5 K 0.9) изусистеме CaF2 : Er0.01 [43,44] свидетельствует о существоченных нами аддитивно окрашенных кристаллов CdF2.

Полная концентрация электронов ne ND 1018 cm-3 вании в образце областей с высоким (не менее 20 mol.%) содержанием ионов Er3+.

в этих кристаллах была определена из интенсивности ИК-полосы мелких центров [32,33], поэтому по приве- Наши результаты показывают, что при аддитивном денным выше значениям K можно определить суммар- окрашивании кристаллов CdF2, активированных элеменную концентрацию доноров (нейтральных и заряжен- тами III группы, полное химическое восстановление ных) ND = ne/(1 - K) 1019 cm-3. Поскольку кон- примеси и, следовательно, полное удаление междоузельных ионов F- из кристалла, по-видимому, невозможно.

центрация донорных примесей в CdF2 может достигать Это указывает на существование кластеров, „очищаюдесятков молярных процентов, эта оценка указывает на щих“ кристаллическую решетку от „излишней“ присуществование кластеров, „связывающих“ активаторные ионы и не принимающих участия в электронных процес- меси, а также на существование каких-то источников, сах. Оказалось, например, что концентрация доноров ND которые способны снабжать кристалл ионами F- в пров исследованных нами кристаллах CdF2 : Y (0.5 mol.%), цессе химического восстановления примеси. Очевидно, равная концентрации „изолированных“ ионов Y3+ в ре- этими источниками могут быть те же примесно-фторные шетке CdF2, по крайней мере в 5 раз меньше, чем полная кластеры, которые по предположению [6,7] являются Физика твердого тела, 2002, том 44, вып. 1366 С.А. Казанский, А.И. Рыскин накопителем междоузельных ионов F-. Кластеры обра- [29] Amorphous Solids (Low-Temperature Properties) / Ed.

W.A. Phillips. Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, N.Y.

зуются уже в процессе выращивания кристалла CdF2 и, (1981).

возможно, претерпевают некоторые изменения во время [30] W.A. Phillips. Rep. Prog. Phys. 50, 1657 (1987).

термохимической конверсии кристалла из полуизолиру[31] P.F. Weller. Inorg. Chem. 4, 11, 1545 (1965); ibid. 5, 5, ющего в полупроводниковое состояние [7]. Эти кластеры (1966).

(строение которых может отличаться для разных приме[32] F. Moser, D. Matz, S. Lyu. Phys. Rev. 182, 3, 808 (1969).

сей) и ответственны за высокую растворимость многих [33] J.M. Langer. Rev. Solid State Sci. 4, 297 (1990).

элементов III группы в CdF2. Значительная часть приме[34] C.H. Park, D.J. Chadi. Phys. Rev. Lett. 82, 113 (1999).

си, которая могла бы принять участие в формировании [35] A.S. Shcheulin, A.I. Ryskin, K. Swiatek, J.M. Langer. Phys.

донорных уровней, связывается в кластеры, что делает Lett. A222, 107 (1996).

невозможным получение полупроводникового CdF2 со [36] S.A. Kazanskii, D.S. Rumyantsev, A.I. Ryskin. Physica B, in степенью компенсации менее K < 0.5 или с концентра- press.

[37] S. Tanaka, M. Kobayashi, E. Hanamura, K. Uchinokura. Phys.

цией свободных либо слабосвязанных электронов более Rev. 134, 1, A256 (1964).

1019 cm-3.

[38] H.F. Jang, G. Gripps, T. Timusk. Phys. Rev. B41, 8, (1990).

[39] P. Eisenberger, P.S. Pershan, D.R. Bosomworth. Phys. Rev.

Список литературы 188, 3, 1197 (1969).

[40] P. Lagassie, J. Grannee, J.-M. Reau. Rev. Chim. Miner. 24, [1] W. Hayes. Crystals with the Fluorite Structure. Clarendon 328 (1987).

Press, Oxford (1974).

[41] B.G. Hyde, A.N. Bagshaw, Sten Andersson, M. O’Keefe.

[2] В.В. Овсянкин, П.П. Феофилов. Письма в ЖЭТФ 3, 12, Annu. Rev. Mat. Sci. 4, 1, 43 (1974).

494 (1966).

[42] P.J. Bendall, C.R.A. Catlow, J. Corish, P.W.M. Jacobs. J. Solid [3] Л.Д. Ливанова, И.Г. Сайткулов, А.Л. Столов. ФТТ 11, 4, State Chem. 51, 2, 159 (1984).

918 (1969).

[43] В.А. Ацаркин, В.В. Демидов, С.Я. Хлебников. Письма в [4] M.D. Kurz, J.C. Wright. J. Lumin. 15, 2, 169 (1977).

ЖЭТФ 32, 7, 461 (1980).

[5] M.P. Miller, J.C. Wright. J. Chem. Phys. 68, 4, 1548 (1978).

[44] Т.С. Белозерова, Е.К. Хеннер. ФТТ 26, 1, 83 (1984).

[6] D.S. Moore, J.C. Wright. J. Chem. Phys. 74, 3, 1626 (1981).

[7] Sun-II Mho, J.C. Wright. J. Chem. Phys. 81, 3, 1421 (1984).

[8] C.R.A. Catlow, J.D. Comins, F.A. Germano, R.T. Harley, W. Hayes, I.B. Owen. J. Phys. C14, 4, 329 (1981).

[9] D.G. Cahill, R.O. Pohl. Phys. Rev. B39, 14, 10 477 (1989).

[10] J. Tu, S.A. FitzGerald, J.A. Campbell, A.J. Sievers. J. NonCryst. Sol. 203, 153 (1996).

[11] S.A. FitzGerald, J.A. Campbell, A.J. Sievers. J. Non-Cryst. Sol.

203, 165 (1996).

[12] J.J. Tu, A.J. Sievers. Phys. Rev. Lett. 83, 20, 4077 (1999).

[13] A.K. Cheetman, B.E.F. Fender, M.J. Cooper. J. Phys. C4, 18, 3107 (1971).

[14] R.J. Booth, B.R. McGarvey. Phys. Rev. B21, 4, 1627 (1980).

[15] S.P. Vernon, M.B. Stearns. Phys. Rev. B29, 12, 6968 (1984).

[16] J.P. Laval, A. Abaous, B. Frit, A. Le Bail. J. Solid State Chem.

85, 1, 133 (1990).

[17] С.А. Казанский. ЖЭТФ 84, 3, 1202 (1983).

[18] Inorganic Solid Fluorites: Chemistry and Physics / Ed.

P. Hagenmuller. Academic Press, London, N.Y. (1985).

[19] P. Eisenberger, P.S. Pershan. Phys. Rev. 167, 2, 292 (1968).

[20] A.K. Ivanov-Shits, N.I. Sorokin, P.P. Fedorov, B.P. Sobolev.

Solid State Ion. 31, 253 (1989).

[21] D.J.M. Bevan, J. Strhle, O. Greis. J. Solid State Chem. 44, 1, 75 (1982).

[22] S. Geshwind. In: Electron Paramagnetic Resonance / Ed.

S. Geshwind. Plenum Press, N.Y., London (1972). P. 353.

[23] С.А. Казанский. Письма в ЖЭТФ 38, 9, 430 (1983).

[24] С.А. Казанский. ЖЭТФ 89, 4, 1258 (1985).

[25] В.С. Запасский. ФТТ 22, 10, 2906 (1980).

[26] A. Abragam, B. Bleaney. Electron Paramagnetic Resonance of Transition Ions. Clarendon Press, Oxford (1970). [А. Абрагам, Б. Блини. Электронный парамагнитный резонанс переходных ионов. Мир, М. (1972).] [27] J.E. Rouse, J.B. Gruber. Phys. Rev. B13, 9, 3764 (1976).

[28] С.А. Казанский. Письма в ЖЭТФ 41, 5, 185 (1985).

Pages:     | 1 | 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.