WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика твердого тела, 2003, том 45, вып. 9 Влияние электрических полей неподвижных дислокаций на фотолюминесценцию и ЭПР в деформированных кристаллах ZnS © С.А. Омельченко, М.Ф. Буланый, О.В. Хмеленко Днепропетровский национальный университет, 49050 Днепропетровск, Украина E-mail: bulanyi@mail.dsu.dp.ua (Поступила в Редакцию 22 августа 2002 г.

В окончательной редакции 7 февраля 2003 г.) Рассматривается роль электрических полей неподвижных ростовых дислокаций в формировании люминесцентных свойств деформированных кристаллов сульфида цинка. Показано, что особенности изменений фотолюминесценции и электронного парамагнитного резонанса, наблюдаемые после пластического деформирования кристаллов ZnS, могут быть вызваны увеличением радиуса ридовских цилиндров, происходящим при выходе ростовых дислокаций из атмосфер Коттрелла.

Вследствие того, что пластическая деформация кри- 1. Образцы и методика эксперимента сталлов сопровождается множеством сопутствующих процессов, механизмы ее влияния на их электриче- Исследовались монокристаллы ZnS, выращенные из ские и оптические свойства могут быть самыми раз- расплава по методу Бриджмена под давлением инертного газа 150 atm. Примеси марганца (5 · 10-1 at.%) нообразными. В связи с этим понятно, что выяснение и железа (10-2 at.%) вводились в кристаллы в процессе природы описанных в данной работе деформационных выращивания.

изменений люминесцентных свойств кристаллов ZnS Из монокристаллов вырезались образцы размером представляет собой трудную экспериментальную задачу, 2 2 4 mm. Поверхность образцов полировалась алв которой кроме факторов, общих для всех материалов, мазной пастой. Активная при деформации плоскость необходимо учитывать также факторы, специфические скольжения (111)c располагалась под углом 45 по для сульфида цинка. Так, например, известно, что при отношению к деформирующему напряжению. Дефорпластической деформации кристаллов ZnS в результате мирование осуществлялось с постоянной скоростью движения частичных дислокаций происходит переори 2 · 10-5 m / s при температуре 400 K. Известно, что ентация исходной структуры микродвойников и полипри используемой геометрии и условиях нагружения типов в структуру сфалерита [1,2]. Важность учета в базисной плоскости кристаллов ZnS движутся чаэтого факта для анализа изменений всех структурностичные дислокации [1,2]. Регистрация спектров ЭПР и чувствительных свойств очевидна. Кроме того, доказано, фотолюминесценции (ФЛ) выполнялась после каждого что дислокации, движущиеся при пластической дефоракта деформации образцов. Условия деформирования мации кристаллов ZnS, обладают отрицательным элексохранялись в течение всех экспериментов.

трическим зарядом, что приводит к сильному взаимодейИзмерения ЭПР проводились на радиоспектрометствию дислокационной и электронной подсистем [3–5].

ре типа SE / X-2543 „RADIOPAN“ в X-диапазоне. ФЛ К этому следует добавить, что в кристаллах сульфив исследуемых образцах возбуждалась с помощью да цинка электрические поля, способные ионизировать ртутной лампы ДРШ-500 излучением с длиной волпримесные центры, обнаружены также у неподвижных ны = 365 mm. Регистрация спектров люминесценции дислокаций [6]. Однако непосредственное влияние этих осуществлялась по стандартной методике на автомаполей на процессы рекомбинации до сих пор не учитизированной установке с компьютерной обработкой тывалось.

результатов. Измерения производились при температуДля выяснения основных причин изменений люмирах 300 и 77 K.

несцентных свойств кристаллов ZnS : Mn и ZnS : Fe, происходящих в результате пластического деформирования и регистрируемых после прекращения дефор2. Результаты экспериментов мации, параллельно с оптическими измерениями использовался метод электронного парамагнитного реДиаграммы деформации исследуемых образцов свизонанса (ЭПР). Очевидно, что выбор примесей яв- детельствуют о том, что при используемом режиме ляется оптимальным, так как, с одной стороны, это деформирования начальное напряжение пластического удобные парамагнитные зонды для исследований ЭПР, течения для кристаллов ZnS : Fe в 7-12 раз больше, а с другой — хорошо известные центры внутрицен- чем для кристаллов ZnS : Mn. Отметим также, что обтровой (марганец) и рекомбинационной (железо) люми- разцы кристаллов ZnS : Mn легко деформировались до несценции. значений 20-25%, в то время как максимальная веВлияние электрических полей неподвижных дислокаций на фотолюминесценцию и ЭПР... личина деформации для кристаллов ZnS : Fe составляла 7-9%, после чего они разрушались.

2.1. Л ю м и н е с ц е н ц и я. Спектры ФЛ в кристаллах ZnS : Fe состоят из двух полос (рис. 1, a). Одна из них расположена в красной области спектра с максимумом на длине волны = 640 nm и обусловлена центрами Fe3+ [7]. Максимум интенсивности другой полосы, расположенной в зелено-голубой области спектра, соответствует длине волны = 510 nm. Свечение в данной области спектра является характерным для кристаллов сульфида цинка и часто наблюдается даже в нелегированных образцах [8].

В исследуемых кристаллах ZnS : Mn регистрируется одна полоса ФЛ центров Mn2+ в оранжевой области спектра с максимумом, соответствующим = 580 nm (рис. 2, a) [9].

Рис. 3. Зависимость интенсивности максимумов полос ФЛ После пластического деформирования практически кристаллов ZnS : Fe от степени деформации. a — „зеленовсе параметры спектров ФЛ исследуемых образцов изголубая“ ФЛ; b —ФЛF3+-центров.

меняются (рис. 1 и 2). Так, в кристаллах ZnS : Fe с увеличением степени деформации наблюдается монотонное возрастание интенсивности свечения в обеих полосах Рис. 4. Зависимость интенсивности максимума ФЛ Mn2+ от степени деформации кристаллов ZnS : Mn.

Рис. 1. Спектры ФЛ деформированных кристаллов ZnS : Fe.

(рис. 1 и 3). Максимум интенсивности „красной“ полосы = 0 (a), 3.27 (b), 5.78 (c) и 10.43% (d).

сдвигается в сторону более длинных волн ( = 8nm при = 7%). Положение максимума „зелено-голубой“ полосы практически не зависит от величины деформации образцов. В длинноволновую область смещается также максимум полосы свечения марганцевых центров в кристаллах ZnS : Mn ( = 5-7nm при = 10-12%), а ее интенсивность на начальной стадии деформирования, до значений 2-3%, возрастает (рис. 2, b), а затем с увеличением деформации образцов уменьшается до значений ниже исходных (рис. 2, c и d; рис. 4).

2.2. Э П Р. Спектр ЭПР в недеформированных образцах ZnS : Fe при T = 77 K и возбуждении УФ-светом с длиной волны = 365 nm представлен на рис. 5, a.

В этом спектре наблюдатся пять линий тонкой структуры спектра ЭПР ионов Fe3+, линия центрального перехода спектра ЭПР ионов Cr+ и характерная шестерка линий СТС-спектра ЭПР неконтролируемой примеси Рис. 2. Спектры ФЛ центров Mn2+ в деформированных кристаллах ZnS : Mn. = 0 (a), 2 (b), 7.8 (c) и 14.2% (d). ионов двухвалентного марганца. Те же спектры, но после Физика твердого тела, 2003, том 45, вып. 1610 С.А. Омельченко, М.Ф. Буланый, О.В. Хмеленко дальнейшего деформирования форма и ширина линий ЭПР возвращаются к исходным. Важно отметить, что на начальных этапах деформирования изменения формы и ширины линий спектров ЭПР ионов Fe3+ в кристаллах ZnS : Fe и ионов Mn2+ в кристаллах ZnS : Mn имеют качественно аналогичный характер.

3. Обсуждение результатов Обращает на себя внимание тот факт, что практически для всех деформационных зависимостей, представленных в данной работе, характерным является наличие „особенностей“ в области малых величин деформаций (от 0 до 5-6%). Так, после деформации в этом диапазоне величин наблюдается наибольшая скорость роста интенсивности ФЛ и концентраций центров Fe3+ и Cr+;

исчезает тонкая структура спектра ЭПР ионов Fe3+;

достигает максимального значения ФЛ центров Mn2+.

„Особенности“ проявляются также в поведении ширины и формы линий тонкой структуры спектров ЭПР ионов Mn2+ [10], электрической проводимости [11] Рис. 5. Изменения спектров ЭПР Mn2+, Fe3+, Cr+ пои в деформационной зависимости величины линейной сле деформирования кристаллов ZnS : Fe. = 0 (a), 3.27 (b) плотности электрического заряда дислокаций [12].

и 5.78%(c).

Сопоставление этих (далеко не всех) фактов позволяет относиться к ним как к следствию процессов, связанных с перемещением дислокаций и происходящих пластического деформирования образцов представлены на начальной стадии деформирования кристаллов. Мы на рис. 5, b и c. Видно, что ширина линий боковых считаем, что этими процессами являются 1) выход ропереходов тонкой структуры M = 5/2, 3/2, -1/2, -3/стовых дислокаций из примесных атомсфер Коттрелла;

(где M — электронное квантовое число) в спектре ЭПР 2) изменение электрических свойств дислокаций (проионов Fe3+ увеличивается, а их форма приближается исходящих в результате первого процесса). Более того, к гауссовой. При деформациях 5-6% в результате если кроме указанных процессов учесть деформационсильного уширения эти линии практически перестают ное увеличение концентрации дислокаций, то становится наблюдаться. Интенсивность центральных (M = 1/2) певозможным адекватное объяснение (наряду с особеннореходов спектров ЭПР Fe3+ и Cr+ с ростом деформации стями в области малых деформaций) практически всех увеличивается. Поскольку ширина и форма этих линий полученных в настоящей работе экспериментальных в исходных образцах и на заключительной стадии их результатов.

деформирования совпадают, можно считать, что это Образование ростовых дислокаций в кристаллах ZnS увеличение однозначно отражает характер деформапроисходит при больших температурах, т. е. в условиях ционных изменений концентрации фоточувствительных повышенной концентрации точечных дефектов и высопарамагнитных центров Fe3+ и Cr+.

кой эффективности диффузионных процессов. Примеси Подробные исследования спектров ЭПР ионов Mn2+ и другие дефекты мигрируют к дислокациям и образуют в пластически деформированных кристаллах ZnS : Mn примесные атмосферы Коттрелла. Известно, что эти проводились ранее [2,10]. В результате были подтвер- атмосферы могут закреплять дислокации, т. е. привождены данные рентгеноструктурного анализа о том, дить к упрочнению кристаллов. По-видимому, именно что деформация кристаллов ZnS реализуется движением такая ситуация имеет место при легировании кричастичных дислокаций [1]; установлена кинетика дефор- сталлов ZnS примесью Fe. Об этом кроме отмеченмационной переориентации кристаллической решетки ных выше данных свидетельствуют также результаты микродвойников и политипов в структуру одноориенти- наших экспериментов по изучению изменений струкрованного сфалерита. Наибольший интерес для данной туры кристаллов ZnS : Fe в процессе их закалки от работы представляет информация о влиянии деформа- температур, превышающих точку фазового перехода ции на ширину и форму резонансных линий. Если вюрцит–сфалерит (1297 K). В соответствии с [1,2] прев исходных кристаллах линии ЭПР ионов Mn2+ имеют вращение высокотемпературной модификации сульфида промежуточную форму между лоренцевой и гауссовой, цинка в низкотемпературную происходит в результате то после деформации на 2-3% они уширяются и их движения частичных дислокаций. При выращивании из форма становится преимущественно гауссовой. После расплава фазовый переход полностью не завершается, Физика твердого тела, 2003, том 45, вып. Влияние электрических полей неподвижных дислокаций на фотолюминесценцию и ЭПР... в результате чего полученные кристаллы всегда являют- Как уже отмечалось, спектр ФЛ исходных недеся микродвойниками сфалерита. Однако после закалки формированных кристаллов ZnS : Fe состоит из двух кристаллов ZnS : Fe, Mn от температур T > 1297 K в них полос: красной (max = 640 nm) и зелено-голубой одновременно наблюдаются спектры ЭПР ионов Mn2+, (max = 510 nm). Относительно природы центров свечения в зелено-голубой области спектра существуют характерные как для микродвойников сфалерита [13], различные мнения [8,17], но чаще всего их связывают так и для вюрцита [14]. Это свидетельствует о том, что фазовый переход в этом случае полностью не заверша- с наличием в кристаллах собственных дефектов. Будем считать, как и в [17], что ФЛ в полосе с max = 510 nm ется и в закаленных образцах всегда остаются участки возникает в результате излучательных переходов фотос „замороженной“ высокотемпературной гексагональэлектронов на двухзарядные вакансии серы, энергетиченой структурой. Отметим, что подобный эффект также ские уровни которых Ev = 1.05 ± 0.1 eV соответствуют наблюдается при закалке кристаллов ZnS, легированных акцепторным центрам. Центрами ФЛ в красной облаалюминием, но отсутствует при наличии только примеси сти являются ионы Fe3+. Известно, что в кристаллах марганца.

ZnS : Fe атомы железа изоэлектронно замещают цинк Таким образом, можно считать, что в атмосферах и имеют зарядовое состояние Fe2+ (электронная конКоттрелла концентрация железа значительно больше, фигурация 3d6, спектры ЭПР не наблюдаются). Fe2+чем в областях кристалла, удаленных от ростовых дисцентры в сульфиде цинка являются акцепторами, залокаций, т. е. примесь железа в отличие от примеси марполненные уровни которых располагаются на расстоганца [2,5] распределяется по объему кристаллов ZnS янии 1.1 eV над потолком валентной зоны [7]. При неравномерно.

облучении кристаллов УФ-светом с энергией, близкой Необходимо также учесть, что дислокации, при двик краю собственного поглощения, происходит рождежении которых осуществляется пластическая деформание электронно-дырочных пар с последующим захватом ция в кристаллах сульфида цинка, обладают отрицадырок на Fe2+-центры и образованием центров Fe3+ тельным электрическим зарядом [12,15]. Электрическое (электронная конфигурация 3d5, спектры ЭПР наблюполе заряженных дислокаций ионизирует находящиеся даются и представлены на рис. 5). Красное свечение рядом дефекты, в результате чего возникают экранирую(max = 640 nm) возникает в результате излучательных щие цилиндрические области положительного пространпереходов электронов с мелких уровней на уровни ценственного заряда — ридовские цилиндры. Радиус этих тров Fe3+ (Fe3+ + e Fe2+). Таким образом, при данном цилиндров определяется величиной заряда дислокаций уровне УФ-возбуждения устанавливается некоторая стаи концентрацией примесей. Атомы примесных атмосфер ционарная концентрация ионов Fe3+, спектрыФЛи ЭПР могут передвигаться только в результате диффузии, кокоторых представлены на рис. 1 и 5 соответственно.

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.