WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика твердого тела, 1997, том 39, № 12 Взаимодействие донорных и акцепторных экситонов никеля с дефектными колебаниями в кристаллах ZnSe : Ni © А.Н. Кислов, В.Г. Мазуренко, В.И. Соколов, А.Н. Вараксин Уральский государственный технический университет, 620002 Екатеринбург, Россия (Поступила в Редакцию 20 июня 1997 г.) Проведен расчет дефектных колебаний в кристалле ZnSe : Ni, индуцируемых примесью Ni, имеющей по отношению к нейтральному состоянию заряд ±1. Вычисления выполнены в рамках рекурсивного метода в оболочечной модели. Модельные расчеты позволили провести интерпретацию вибронных структур в спектрах электропоглощения для донорных и акцепторных экситонов никеля в кристалле ZnSe : Ni.

Примеси переходных 3d-металлов в полупроводнико- При введении в кристалл примеси кристаллические вых соединениях A2B6 изоэлектронно замещают ато- колебания подвержены изменениям такого же характера, мы II группы, имея n электронов в 3d-оболочке. Для как и при изменении ее электронного состояния (элекdn-конфигурации конкретной примеси существует опре- тронном переходе), поэтому теоретические расчеты коделенное количество многоэлектронных внутрицентро- лебательного спектра должны хорошо коррелировать с вых состояний, которые классифицируются по неприво- экспериментально полученными спектрами. В [2,4] был димым представлениям точечной группы позиционной проведен качественный анализ структуры вибронных посимметрии примеси. Переходы между этими состояни- вторений БФЛ для ДЭ Ni [d7e] иАЭNi [d9h] в соединениями хорошо наблюдаются в спектрах поглощения и ях типа A2B6. Однако анализ экспериментальных данных фотолюминесценции. Как правило, электронные перехоосуществлялся на основе информации о колебательном ды сопровождаются вибронными повторениями, обуслоспектре идеального кристалла, и не учитывалось возвленными колебаниями ионов в кристалле. Эти колебаможное появление дефектных колебаний, индуцируемых ния также классифицируются по неприводимым предпримесью.

ставлениям точечной группы примесного иона. Причем Целью настоящей работы является моделирование при наличии примеси вид колебаний, т. е. соотношение колебательного спектра кристаллов ZnSe с примесью амплитуд, фаз и частот, может значительно отличаться Ni в различном зарядовом состоянии без учета гибриот случая идеального кристалла.

дизации d-электронов с s- и p-электронами, а также В последние годы активно исследуются эксперименинтерпретация вибронных структур для ДЭ и АЭ никеля, тальными методами водородоподобные возбуждния принаблюдаемых в спектрах электропоглощения (ЭП).

месей 3d-металлов в полупроводниках A2B6. В зависимости от типа водородоподобного носителя такое 1. Методика и результаты расчетов возбуждение называется донорным экситоном (ДЭ) или акцепторным экситоном (АЭ) [1]. Для этих возбуждений Анализ экспериментальных данных, связанных с фо(ДЭ и АЭ) характерно изменение числа электронов в нонной подсистемой, удобно проводить с использова3d-оболочке на -1 для ДЭ и на +1 для АЭ, т. е. измением локальной плотности состояний (ЛПС) фононов.

нение заряда примеси, и наличие носителя (электрона В настоящей работе рассчитывались симметризировандля ДЭ и дырки для АЭ) на размытой, водородопоные ЛПС фононов, спроектированные на определенную добной орбите, удерживаемого кулоновским взаимодейобласть вблизи рассматриваемого атома (ССЛПС) на ствием. Экспериментальные данные свидетельствуют об основе рекурсивного метода [5] в модели оболочек. В интенсивном взаимодействии ДЭ и АЭ с колебаниями данной модели предполагали, что потенциал взаимодейрешетки. Во всех известных случаях бесфононная листвия Ui j(r) ион–ион, ион–оболочка и оболочка–оболочния (БФЛ) сопровождается колебательными повтореника представляется суммой борн-майеровского близкодейями, значительно более интенсивными по сравнению ствующего Vi j(r) и кулоновского дальнодействующего с колебательными повторениями БФЛ, наблюдаемыми слагаемых для внутрицентровых переходов [1]. В [2] на основе Ui j(r) =Vi j(r) +ZiZj/r, (1) теоретико-групповых соображений было показано, что ДЭ Ni и АЭ Ni взаимодействуют с колебаниями, неприVi j(r) =Ai j exp(-i jr) -Ci j/r6, (2) водимые представления которых совместимы с симмегде индексы i и j нумеруют ионы и оболочки, находятрией основного состояния d7-конфигурации для ДЭ Ni щиеся на расстоянии r друг от друга, Ai j, i j, Ci j — и d9-конфигурации для АЭ Ni. В [3] рассматривалось взаимодействие близкой по смыслу системы ”электрон постоянные, зависящие от типа иона.

в состоянии большого радиуса +Cr4+” с колебаниями Основные формулы и методика использования рекуррешетки в рубине Al2O3 : Cr для объяснения фототока сивного метода в модели оболочек с учетом кулоновпри внутрицентровом возбуждении Cr+3. ского дальнодействия для вычисления ССЛПС и частот 3 2148 А.Н. Кислов, В.Г. Мазуренко, В.И. Соколов, А.Н. Вараксин Рис. 1. Дисперсионные кривые для кристалла ZnSe. Кривые 1 и 2 — наш расчет в моделях I и II соответственно. Квадраты — экспериментальные значения [10].

колебаний, обусловленных наличием дефекта в кристал- между ними. Для обеих наших моделей, как и в расле, изложены в [6,7]. Здесь же отметим, что в настоя- чете [11], в акустической и оптической областях ППС щей работе использовался кластер, содержащий около фононов наблюдаются три больших пика. Отличие про250 ионов. Для вычисления диагональных элементов является в сужении высокочастотной и низкочастотной матриц силовых постоянных взаимодействия ион–ион, части фононного спектра, а также в положении и шиион–оболочка и оболочка–оболочка по методу Эвальда рине запрещенной зоны: она смещена в низкочастотную рассматривалась область, содержащая около 1000 ионов. область, а величина ее больше, чем в [11]. Первое Для моделирования структуры и динамики решетки расхождение связано, по-видимому, с небольшим разкристаллов ZnSe с примесью Ni в модели оболочек мером кластера, а вследствие этого и с недостаточно использовались два набора полуэмпирических параметров межионного взаимодействия, представленных в работах [8] и [9] (модели I и II соответственно). Эти параметры были получены на основе подгонки под экспериментальные значения упругих и пьезоэлектрических постоянных, диэлектрических проницаемостей и энергии связи.

На основе этих параметров потенциалов межионного взаимодействия нами были вычислены дисперсионные зависимости (q) для трех высокосимметричных направлений зоны Бриллюэна (рис. 1). Сопоставление теоретических и экспериментальных значений частот показывает хорошее согласие для поперечных акустических ветвей. Хуже описываются оптические дисперсионные кривые. С использованием этих параметров была вычислена другая основная характеристика колебательного спектра — полная плотность состояний (ППС) фононов идеального кристалла (рис. 2).

Сравнение результатов нашего расчета ППС с расчетом, выполненным интегрированием по зоне Брил- Рис. 2. ППС фононов идеального кристалла ZnSe, вычисленная в модели I (1) и в модели II (2).

люэна [11], позволяет отметить неплохую корреляцию Физика твердого тела, 1997, том 39, № Взаимодействие донорных и акцепторных экситонов никеля с дефектными колебаниями... Рис. 3. a) Изменение ССЛПС колебаний симметрии A1, связанное с введением примеси Ni+3 в кристалл ZnSe. b) ССЛПС A1-колебаний в ZnSe (1) и в ZnSe : Ni+3 (2).

точным вычислением пар коэффициентов разложения кретными расчетами упругих, диэлектрических свойств функции Грина в непрерывную дробь. Отличие в ширине и фононных спектров ряда кристаллов (см., наприщели обусловлено используемыми в наших расчетах мер, [12,13]).

параметрами межионных потенциалов. Таким образом, В настоящей работе был использован аналогичный удовлетворительное согласие расчетных значений частот подход, при котором параметры Ai j, i j, Ci j короткои ППС фононов с экспериментальными значениями и действующей части потенциала взаимодействия Vi j(r) более точными расчетами указывает на корректность примеси никеля Ni с окружающими ионами совпадали используемых моделей. с соответствующими параметрами для иона цинка Zn.

Введение в кристалл ZnSe примеси Ni+1 и Nr+3 при- Отметим, что в расчетах учитывалось изменение массы и водит к искажению решетки вблизи дефекта. Основной зарядового состояния, обусловленное замещением иона проблемой при моделировании структуры и динамики цинка ионом никеля. В этой модели рассчитывалась решетки кристаллов с примесями является корректное релаксация решетки около Ni+1 и Ni+3 на основе метода описание взаимодействия примеси с ионами кристалла- молекулярной статики путем минимизации полной энерматрицы. В силу сложности этой задачи в практических гии по программе MOLSTAT [14]. Значения смещений расчетах в настоящее время получил распространение ближайших соседей около примеси приведены в таблице.

подход, основанный на аппроксимации парного близко- Расчеты показывают, что существенно смещаются иодействующего потенциала рассматриваемой пары ионов ны только первой координационной сферы. Сдвиг равизвестным потенциалом близкодействия для пары ионов новесного положения ионов второй координационной с близким электронным строением. Корректность тако- сферы на порядок меньше, чем у ближайших к дефекту го подхода была подтверждена многочисленными кон- соседей. Величина смещения для моделей I и II состаФизика твердого тела, 1997, том 39, № 2150 А.Н. Кислов, В.Г. Мазуренко, В.И. Соколов, А.Н. Вараксин Смещение ионов ближайшего окружения примеси никеля 2. Сравнение с экспериментом в кристалле ZnSe : Ni (в ) и обсуждение результатов Модель I Модель II Как отмечалось выше, в кристаллах ZnSe : Ni донорные Ni+1 Ni+3 Ni+1 Ni+и акцепторные экситоны интенсивно взаимодействуют с 0.241 -0.266 0.255 -0.колебаниями решетки. Это взаимодействие проявляется в виде вибронных спутников БФЛ в спектрах электропоП р и м е ч а н и е. Знак минус означает сдвиг равновесного положения глощения (рис. 4).

ионов ближайшего окружения к примеси.

Следует подчеркнуть, что пики в спектрах ЭП дают информацию косвенно о положении линии в спектре вляет около 4.5% от постоянной решетки, однако для поглощения. Если под влиянием электрического поля случая Ni+1 ионы ближайшего окружения сдвигаются от происходит уширение линии поглощения, то в спектре дефекта, а для Ni+3 к дефекту.

ЭП наблюдается структура, состоящая из двух положиПримесный ион никеля Ni в различном зарядовом тельных и более интенсивного отрицательного пиков.

состоянии в кристалле ZnSe находится в позиции с Положение линии поглощения совпадает с положением точечной группой симметрии Td. В настоящей работе отрицательного пика. Такая ситуация наблюдается для рассчитывались симметризованные колебания, спроекДЭ никеля в ZnSe : Ni. На рис. 4, a стрелки 1–3 указыватированные на область, содержащую одну координают положение линий поглощения. Если электрическое ционную сферу вблизи иона Zn или замещающей его поле сдвигает линию поглощения в сторону меньших примеси. В этом случае пятнадцатимерное пространство энергий (квадратичный эффект Штарка), то в спектре смещений распадается на неприводимые представления ЭП наблюдается структура, состоящая из равных поточечной группы Td ложительного и отрицательного пиков. Такая структура проявляется для АЭ никеля. Линии поглощения соответ15 = A1 + E + T1 + 3T2. (3) ствует точка перехода через нуль или область с наибольшим наклоном. Именно так поставлены стрелки 1–3 на Для выделения дефектных колебаний симметрии рис. 4, b.

сначала рассчитывались ССЛПС фононов идеального Сплошной вибронный фон, сопутствующий БФЛ, охваG0() и дефектного G() кристаллов. Максимумы в тывает весь частотный диапазон колебаний кристалла приращении ССЛПС G = G - G0, не совпадающие с особенностями G0, связывались с дефектными коле- ZnSe. Это указывает на то, что экситон может взаимобаниями.

Рассмотрим изменения в ССЛПС при введении в кристалл ZnSe примеси Ni, имеющей по отношению к нейтральному состоянию заряд ±1. На рис. 3 в качестве примера представлены ССЛПС фононов типа A1 в идеальном кристалле ZnSe, в кристалле ZnSe : Ni+3 и их приращение G, вычисленные в модели II. Введение вместо иона Zn+2 примеси Ni+3 приводит к перераспределению ЛПС фононов и возникновению двух дефектных колебаний: щелевого и резонансного, находящегося в оптической зоне (на рис. 3, a отмечены стрелками). Кроме того, происходит смещение ”эффективной” частоты моды A1 в высокочастотную область. Это увеличение частоты ”дыхательной” моды A1 связано с ужесточением силового взаимодействия и коррелирует с результатами работы [15]. Подобные результаты получены и при использовании модели I.

Внедрение в решетку кристалла ZnSe примеси Ni+не приводит к появлению новых дефектных колебаний симметрии A1. Для E- и T2-типов симметрии в кристаллах ZnSe : Ni+1 независимо от используемых моделей не только наблюдается перераспределение ЛПС, но и появляются три резонансных колебания. У двух колебаний симметрии E и T2 частоты попадают в зону оптических фононов. Причем частота E-колебания больРис. 4. Спектральная зависимость амплитуды второй гармоше частоты T2-колебания. Третье резонансное колебание ники ЭП кристаллов ZnSe : Ni для донорного (a) и акцептортипа T2 обусловлено движением самого примесного иона ного (b) экситонов [2]. Положения БФЛ (E0) приняты за нуль и находится в акустической области.

на шкале энергий.

Физика твердого тела, 1997, том 39, № Взаимодействие донорных и акцепторных экситонов никеля с дефектными колебаниями... действовать с дефектными и с решеточными колебания- Таким образом, проведенные расчеты дефектных коми. Форма вибронного спектра описывается определен- лебаний кристаллов ZnSe с примесью никеля Ni+1 и ной комбинацией функции, характеризующей взаимодей- Ni+3 позволили провести анализ спектров ЭП и связать ствие с колебаниями и связанной как с ЛПС, так и с наблюдаемые вибронные пики с локализованными колекоррелятором смещений ионов. Отметим, что дефектные баниями, индуцируемыми примесями. Следует отметить, колебания характеризуются не только пиком в прира- что только при учете релаксации решетки в фононном щении G(), но и увеличением амплитуды колебаний спектре дефектных кристаллов возникают дополнительпримеси и ионов ближайшего окружения, поэтому такие ные пики. В расчетах, не учитывающих смещения ионов в колебания имеют определяющее влияние на вибронные дефектной области, наблюдается только перераспределеспектры. Однако в общем случае в вибронном спектре ние ЛПС фононов при переходе от идеального кристалла могут наблюдаться существенные структуры, не только к дефектному. Это указывает на существенную роль связанные с дефектными колебаниями, но и обусловлен- деформации решетки в формировании локализованных ные сингулярностями Ван–Хова в спектре G(). колебаний.

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.