WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 1 Релаксация фотовозбужденного хлорида серебра © В.Г. Клюев¶, Ю.В. Герасименко, Н.И. Коробкина Воронежский государственный университет, 394006 Воронеж, Россия (Получена 27 декабря 2004 г. Принята к печати 28 февраля 2005 г.) В процессе термической релаксации фотовозбужденного хлорида серебра наряду с процессом рекомбинации неравновесных носителей заряда наблюдается перелокализация их с мелких уровней на глубокие.

Наблюдаемые экспериментальные зависимости параметров фотостимулированной вспышки люминесценции (высвеченной светосуммы и коэффициента кинетики) от времени релаксации и температуры объяснены в рамках трехуровневой модели, содержащей уровень рекомбинации (люминесценции), глубокий уровень с энергией E 1.8 эВ и мелкий уровень с энергией E 0.03 эВ относительно дна зоны проводимости.

Показано, что адсорбция ионов Ag+ приводит к уменьшению энергии активации перелокализации с 0.17 до 0.03 эВ, что связано с поверхностной природой центров, ответственных за начальную стадию процесса релаксации.

PACS: 72.20.Jv, 78.55.Hx 1. Введение наиболее чувствительных и информативных является метод фотостимулированной вспышки люминесценции Галогениды серебра, обладая уникальными светочув(ФСВЛ) [2,7]. Этот метод позволяет, в частности, измествительными свойствами, широко используются для рять концентрацию зарядов, локализованных на глуборегистрации, хранения и воспроизведения оптической ких уровнях, (запасенная светосумма) в относительных информации. Из галогенидов серебра хлорид серебра единицах.

имеет самую большую запрещенную зону (Eg = 3.2эВ), В данной работе при помощи метода ФСВЛ проведено а также достаточно высокую плотность электронных исследование процесса термической релаксации фотосостояний в запрещенной зоне на глубине 1.2-2.0эВ возбужденного хлорида серебра, как чистого, так и обраот дна зоны проводимости [1,2]. Центры, которым соотботанного в растворах AgNO3 различной концентрации.

ветствуют глубокие уровни, играют важную роль в процессах фотостимулированного преобразования примес2. Эксперимент ных дефектов при захвате ими неравновесных зарядов, в частности на начальных стадиях фотографического 2.1. Метод фотостимулированной вспышки процесса [3]. Такие центры также рассматриваются в люминесценции качестве основы для создания ячеек оптической памяти.

При этом битом информации является электрон (дыр- Процесс измерения в методе ФСВЛ состоял из трех ка), локализованный на таком центре [4,5]. В последнем этапов.

случае особенно важно, чтобы время жизни такого На первом этапе (этап возбуждения) на образец электрона (дырки) было достаточно велико.

воздействовали излучением, генерирующим свободные При оптической генерации неравновесных носителей носители заряда. В данной работе AgCl возбуждался заряда альтернативой упомянутым процессам является излучением ртутной лампы ДРК-120, прошедшим через рекомбинация электронов и дырок. В результате после светофильтр УФС-6, при этом выделялось излучение возбуждения кристалла концентрация неравновесных с энергией фотонов h = 3.6 эВ, т. е. больше ширины носителей заряда, локализованных на глубоких уров- запрещенной зоны AgCl. Время возбуждения составнях, самопроизвольно уменьшается (термическая ре- ляло 30 с, что соответствует стационарному значению лаксация). Изучение механизмов релаксации, особенно интенсивности люминесценции и квазиравновесному забезызлучательных, и разработка способов воздействия полнению уровней в запрещенной зоне неравновесными на них с целью изменения времени жизни локализован- электронами и дырками.

ных неравновесных носителей заряда имеет не только После выключения возбуждения следует так называфундаментальное значение, но и важно в прикладном емый темновой интервал d. Длительность темнового аспекте.

интервала изменялась от 2 до 120 с.

Хлорид серебра при температуре T = 77 K имеет После окончания d на образец направлялось стиканал излучательной рекомбинации — люминесценцию мулирующее вспышку излучение с энергией фотонов с высоким квантовым выходом [6]. Это позволяет ис- hf = Ef. При этом заряды, локализованные на уровнях, пользовать оптические методы для изучения процесэнергия которых относительно края зоны E Ef, песа релаксации электронных возбуждений. Одним из реходят в свободные зоны и, рекомбинируя на центрах ¶ люминесценции, создают кратковременное свечение, коE-mail: vgklyuev@rambler.ru vgklyuev@phys.vsu.ru торое и называется фотостимулированной вспышкой 24 В.Г. Клюев, Ю.В. Герасименко, Н.И. Коробкина и 10-4 моль/л. При этом концентрации 10-4 моль/л соответствовало количество адсорбированных ионов Ag+, способных образовать 0.1 монослоя.

Излучение ФСВЛ регистрировалось фотометром с использованием фотоумножителя ФЭУ-79, работающего в режиме счета фотонов. Спектр люминесценции имел вид полосы с максимумом на длине волны max = 480 нм (hmax = 2.58 эВ) при 77 K. Возбуждение ФСВЛ осуществлялось излучением лампы СИ-400, прошедшим через монохроматор УМ-2. В данной работе энергия фотонов, стимулирующих вспышку, была равна hf = 1.8эВ.

Полная высвеченная светосумма измерялась в течение 8 с, так как за это время интенсивность люминесценции уменьшалась до фона ФЭУ, и вычислялась по формуле Рис. 1. Зависимость интенсивности люминесценции от вре- S8 = I(t) dt. (2) мени действия излучения, стимулирующего вспышку, для d = 2 (1) и 60 с (2).

За начальную интенсивность ФСВЛ I0 принималась величина 0.люминесценции. Зависимости интенсивности люминесI0 S0.4 = I(t) dt, (3) ценции от времени I(t) имеют вид, приведенный на рис. 1.

измеренная за 0.4 с.

Основным параметром, который измеряется метоКоэффициент кинетики ФСВЛ рассчитывался согласдом ФСВЛ, является полная высвеченная светосумма, но выражению равная k = S0.4/S8. (4) S = I(t) dt. (1) Результаты измерений при разных температурах нормировались на температурное гашение стационарной люминесценции. При измерении интенсивности люмиЭта величина пропорциональна числу освобождаемых несценции относительная погрешность была не вылокализованных зарядов и при некоторых условиях проше 1%, при измерении светосуммы не больше 5%.

порциональна концентрации дефектов, имеющих уровни Значения энергии активации процесса перелокализации на глубине E Ef [7–9].

зарядов Earl измерены с погрешностью 20%.

Зависимость S(Ef ) характеризует распределение плотности состояний в запрещенной зоне [2].

3. Результаты и обсуждение Другим важным параметром является так называемый коэффициент кинетики ФСВЛ k = I0/S, где I0 есть I(t) 3.1. Релаксация и ее моделирование при t = 0 — начальная интенсивность вспышки. В рабов чистомAgCl те [7] показано, что, если можно пренебречь повторным захватом электронов на глубокие уровни, с которых На рис. 2 приведены зависимости параметров ФСВЛ происходит их переход в зону проводимости в процесS и k от времени темнового интервала, вычисленные из се ФСВЛ, то параметр k характеризует эффективное экспериментальных данных по формулам (2)–(4). Видно, сечение захвата фотонов соответствующим примесным что при T = 110 K уже при d = 120 с интенсивность центром.

излучательной рекомбинации практически становится равной нулю (кривая 2). Вместе со светосуммой S уменьшается и коэффициент кинетики k, причем до 2.2. Условия эксперимента d = 30 с он уменьшается быстро, а далее остается В качестве образцов использовали чистые микрокри- постоянным в пределах ошибки измерения.

сталлы AgCl, синтезированные по методу Бриджмена, Зависимости параметров ФСВЛ S и k от температуры описанному в [6].

определялись для d = 2, 5, 10, 15, 20, 30, 60, 120 с. На Влияние состояния поверхности на релаксацию элек- рис. 3 приведены кривые только для d = 2 с. Все завитронных возбуждений изучалось на микрокристаллах симости S(T) для других d аналогичны приведенным на AgCl, обработанных в растворах AgNO3 марки ЧДА в рис. 3. Они также немонотонны и все имеют максимум бидистиллированной воде с концентрациями 10-7, 10-6 при T = 100 K.

Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. Релаксация фотовозбужденного хлорида серебра Увеличение светосуммы при росте температуры можно объяснить перелокализацией зарядов с других уровней на глубокие уровни, релаксация зарядов на которых измеряется методом ФСВЛ.

В нашей работе [11] представлены результаты обработки экспериментальных данных, которые показали, что процесс релаксации в AgCl в быстрой стадии до 20 с протекает с энергией активации Ea1 = 0.03 эВ, а в медленной стадии при d > 40 с — с энергией активации Ea2 = 0.06 эВ. При этом энергия активации процесса перелокализации зарядов для d = 2 с равна Earl = 0.17 эВ.

Процесс уменьшения интенсивности вспышки люминесценции в AgCl при увеличении времени темнового интервала был замечен еще в [12]. Однако подробно это явление изучено не было.

Рис. 2. Зависимости параметров ФСВЛ S (1, 2, 5) и k (3, 4, 6) В работе [13] анализировалась модель кристалла с от времени темнового интервала: (1–4) — эксперимент при двумя уровнями локализации зарядов. Один — уроT = 77 (1, 3), 110 K (2, 4); 5, 6 — расчет согласно (7) для вень локализации дырок (центр люминесценции), а T = 100 K и E2 = 0.17 эВ.

другой — уровень локализации электронов. Решения соответствующих систем дифференциальных уравнений для всех возможных комбинаций электронных переходов показало, что в такой модели коэффициент кинетики не зависит ни от величины темнового интервала, ни от температуры.

Качественное согласие расчетных зависимостей S и k от d и T с экспериментальными получено нами в рамках трехуровневой модели кристалла.

Соответствующая зонная диаграмма кристаллофосфора с одним типом центров люминесценции, концентрация которых N, и двумя типами центров локализации электронов с концентрациями N1 и N2 приведена на рис. 4. Один из этих уровней локализации электронов (N1) — глубокий, с него происходит перевод электронов в зону проводимости (Nc) излучением, стимулирующим вспышку люминесценции. Другой уровень локализации электронов (N2) является мелким, его глубина относительно дна зоны проводимости E2 kBT Рис. 3. Зависимости параметров ФСВЛ S (1, 3) и k (2) от (kB — постоянная Больцмана).

температуры: 1, 2 — эксперимент при d = 2с, 3 — расчет согласно (7).

Рекомбинация в полосе люминесценции AgCl с max = 480 нм происходит по механизму Шена-Классенса, который достаточно надежно обоснован [6,10]. Согласно этому механизму, свободный электрон рекомбинирует с дыркой, захваченной на центр люминесценции, уровень которого расположен на глубине 2.58 эВ от дна зоны проводимости.

Изменение коэффициента кинетики k в процессе релаксации свидетельствует о том, что в этом процессе кроме центра рекомбинации (люминесценции) и глубокого центра локализации электрона, с которого электрон Рис. 4. Зонная диаграмма полупроводника с одним центром при измерении S переводится в зону проводимости, рекомбинации — центром локализации дырок N и двумя принимают участие и другие уровни захвата электрона. центрами локализации электронов N1 и N2.

Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 26 В.Г. Клюев, Ю.В. Герасименко, Н.И. Коробкина Обозначения на зонной диаграмме и их смысл со- имеет вид ответствуют [14,15]. Здесь n-, n- — концентрации 1 dn+ - = -Nc n+ - 1n-N электронов, локализованных на уровнях захвата; n+ — dt концентрация дырок, локализованных на центрах лю dn минесценции; — коэффициент ионизации центров 1 = 1Nc N1 - 1n- - 1n-N 1 dt люминесценции, пропорциональный интенсивности воз буждающего излучения;, 1 — коэффициенты реком- dn2 = 2Nc N2 - 2n-. (7) бинации зарядов; 1, 2 — вероятности захвата свобод dt ных электронов; 1, 2 — вероятности освобождения dNc = 1n- + 2n- - 1Nc N локализованных электронов.

1 dt В данной схеме по каналу 2 Nc 1 происхо- - 2Nc N2 - Nc n+ дит термическая перелокализация электронов с мелких n+ = n- + n- + Nc уровней с концентрацией N2 на глубокие с концентра- 1 цией N1.

Следуя (7), удалось получить аналитическое решеТермическая релаксация осуществляется по двум кание в предположении, что вероятность рекомбинаналам. Первый канал 2 Nc — излучательный.

ции много меньше вероятности повторного захвата:

Второй канал 1, по-видимому, безызлучательный, так n+ 1N1 + 2N2.

как излучение в соответствующей области энергий Очень громоздкие аналитические выражения анализи(от 0.7эВ) обнаружено не было. Рекомбинация лоровались с помощью программы Mathematica 4.

кализованных электронов n- и дырок n+ с вероятноНа рис. 2 кривые 5 и 6 иллюстрируют теоретичестью 1 может происходить по механизму типа донорноские зависимости S(d) и k(d) при T = 100 K в слуакцепторного.

чае, когда глубина мелкой электронной ловушки равна Система уравнений, описывающих изменение кон E2 = 0.17 эВ.

центраций локализованных и свободных зарядов в проЭкспериментальная зависимость k(d) при увеличении цессе релаксации имеет вид времени d практически выходит на постоянное значение для медленного процесса релаксации, свидетельствуя о dn+ = -Nc n+ - 1n-n+ 1 том, что быстрый процесс релаксации с Ea1 = 0.03 эВ dt связан с термическим освобождением электронов с мел dn1 ких ловушек с концентрацией N2. В модели без N2, рас= 1Nc (N1 - n-) - 1n- - 1n-n+ 1 1 dt смотренной в [13], k(d) =const. Тогда второй процесс с, (5) Ea2 = 0.06 эВ с точки зрения рассмотренной модели свяdn2 = 2Nc (N2 - n-) - 2n 2 зан с прямой рекомбинацией донорно-акцепторного типа dt с вероятностью 1. В этом случае энергия 0.06 эВ соот dNc = 1n- + 2n- - 1Nc (N1 - n-) ветствует высоте потенциального барьера для донорно1 2 dt акцепторной рекомбинации.

- - 2Nc (N2 - n-) - Nc n+ Теоретическая зависимость S(T ) для энергии мелкой электронной ловушки E2 = 0.17 эВ представлена на n+ = n- + n- + Nc (6) 1 рис. 3 кривой 3, которая имеет максимум при T = 100 K, — закон сохранения заряда.

как и экспериментальная кривая 1. Таким образом, в Кроме стандартных упрощающих предположений, корамках рассматриваемой модели уровню с концентраторые используются при решении подобных систем цией N2 в случае быстрой компоненты релаксации соотуравнений [15], при решении системы (5) нами были ветствует энергетическая глубина 0.03 эВ, а в процессе введены следующие упрощения.

перелокализации 0.17 эВ, откуда следует, что реальная 1) Предполагалось, что при измерении ФСВЛ мы система уровней в хлориде серебра еще сложнее, чем наблюдаем только начальные стадии релаксации. Аргув данной модели. При этом глубина уровня, соответментом в пользу такого вывода является наличие более ствующего процессу перелокализации, например, может слабой ФСВЛ, которую удается зафиксировать повторно быть достаточно большой, а перелокализация может без дополнительного возбуждения после окончания реосуществляться при переходе электрона на уровень с гистрации первой вспышки спустя определенное время.

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.