WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика твердого тела, 2000, том 42, вып. 1 Спектры характеристических потерь электронов дихалькогенидов молибдена © А.Н. Тимошкин, В.Вал. Соболев, В.В. Соболев Удмуртский государственный университет, 426034 Ижевск, Россия E-mail: sobolev@uni.udm.ru (Поступила в Редакцию 16 марта 1999 г.

В окончательной редакции 28 июня 1999 г.) Впервые рассмотрены полные комплексы фундаментальных оптических функций дихалькогенидов молибдена. Установлены их энергии объемных и поверхностных плазмонов двух типов, а также корреляция энергий длинноволновых плазмонов с энергиями глубоких минимумов спектров отражения и 2E2, а также максимумов спектров фазы отражения.

Электронную структуру твердых тел в широкой обла- благодаря теоретическим предсказаниям их аномальных сти энергии экспериментально изучают по спектрам от- свойств, особенно высокотемпературной сверхпроводиражения, пропускания, фотоэмиссии и т. д. [1]. При этом мости [2,3].

общепринятым источником возбуждения является свет, что позволяет получить спектр поперечных компонент 1. Метод расчетов переходов. Продольные составляющие спектра переходов можно получить с помощью потоков быстрых заряПолный комплекс оптических фундаментальных функженных частиц. Согласно теории возмущения, интенсивций содержит пятнадцать оптических функций [4]: коность передачи энергии частиц определяется функцией эффициенты отражения R и поглощения µ; показатели потерь энергии W (v, E, q), которая выражается через преломления n и поглощения k; реальная 1 и мнимая 2 двойной интеграл функции от скорости v, испульса q части диэлектрической проницаемости; функция 2E2, и энергии частиц E. Обычно на основе определенных пропорциональная объединенной плотности состояний приближений и нормировок из измеренной функции W при постоянной силе осциллятора; эффективное коливыделяют функцию -Im(-1), называемую функцией чество валентных электронов nef f (E), участвующих в объемных характеристических потерь в отличие от функпереходах до заданной энергии E, и эффективная проции поверхностных потерь: -Im(1 + )-1.

ницаемость ef f ; характеристические потери объемных В области сравнительно больших энергий в окрест(-Im-1) и поверхностных (-Im(1 + )-1) плазмонов;

ности очень малых значений 1(E) и 2(E) спектры фаза отраженной волны; электрооптические диффефункций потерь содержат очень широкие и интенсивные ренциальные функции, и R-1dR/dE. Обычно весь полосы, обусловленные возбуждением всех валентных комплекс функций рассчитывают по одному экспериэлектронов. Общепринято считать, что они обусловлены ментальному спектру R(E), но в очень широкой облаобъемными и поверхностными плазмонами с энергиями максимумов полос при EPV и EPS соответственно. Кро- сти энергии при помощи интегральных соотношений Крамерса–Кронига и аналитических функций. Метод расме них наблюдаются существенно менее интенсивные и очень узкие максимумы, связанные с возбуждением чета подробно описан и неоднократно применялся [4,5].

продольных компонент междузонных или экситонных переходов. Наличие последних вызывает уменьшение EPV 2. Результаты расчетов и EPS по сравнению с энергией плазмонов EP свободных и их обсуждение электронов.

Экспериментальные методики измерения потерь W Экспериментально спектры отражения монокристалвесьма непросты, а погрешность определения EPV долов MoS2, MoSe2, MoTe2 для поляризации E C стигает E 0.5 eV. Поэтому особую актуальность и 300 K изучены в области 1–12.5 [6], 1–30 eV [7]. На приобретают методы расчетов спектров потерь по эксоснове спектров R(E) работы [7] нами получены полные периментальным оптическим спектрам отражения. Цель комплексы оптических фундаментальных функций этих настоящего сообщения — установление спектров обътрех соединений. В настоящем сообщении кратко остаемных и поверхностных характеристических потерь криновимся только на спектрах потерь (рис. 1, 2 и таблица).

сталлов MoS2, MoSe2, MoTe2 и особенностей корреляСогласно нашим расчетам, энергии объемных (EPVO) ции структур спектров -Im(1) и -Im(1 + )-1, а также и поверхностных (EPVS) плазмонов в ряду других оптических фундаментальных функций.

Дихалькогениды группы MoX2 являются полупровод- MoS2–MoSe2–MoTe2 изменяются от 22.90 до 19.95 и от никами с Eg в области 1 eV. У них сильно выражена сло- 19.35 до 16.30 eV соответственно. Экспериментальные истая структура. Многие годы они интенсивно изучались данные EPVE известны только для объемных плазмонов 38 А.Н. Тимошкин, В.Вал. Соболев, В.В. Соболев женно оценены по спектрам потерь MoS2 (8.7 eV) и MoSe2 ( 8eV) [2]. Согласно нашим оценкам, для MoTe2 полоса плазмонов типа I должна находиться в спектрах -Im-1 в окрестности 7.1 eV (это значение в таблице приведено в скобках).

Два типа плазмонов, сильно различающихся по энергии и интенсивности проявления в спектрах потерь, хорошо известны для графита [8]. Они объясняются сильно выраженной слоистой кристаллической структурой графита, разделением валентных электронов на две группы (- и -электроны). Соединения группы MoX2 также имеют слоистую структуру. Не случайно оптическая ось Рис. 1. Спектры -Im-1 (1, 2 3) -Im(1 + )-1 (1, 2 3 ) кристаллов MoS2 (1, 1 ), MoSe2 (2, 2 ), MoTe2 (3, 3 ) в области 0–25 eV.

MoS2 и MoTe2: приближенно они равны 22.3 и 22.2 eV соответственно [2]. Оценки для энергий плазмонов в прибижении свободных электронов дают для MoXзначения в интервале 27.3–22.5 eV. Иногда упрощенно энергии EPVO оценивают непосредственно по спектру при 1 0. Для MoX2 такие оценки существенно занижают EPVO: на 0.75 (MoS2), 1.7 (MoSe2), 0.5, eV (MoTe2). На основе анализа наших расчетных данных для EPVO легко предсказать ожидаемую энергию EPVE для MoTe2: 20 eV (она приведена в таблице в скобках). Поверхностные плазмоны MoX2 эксперименатльно не изучены. Согласно нашим расчетам, их энергии меньше объемных на 3.55 (MoS2, MoTe2), 5.0 eV (MoSe2). Как и ожидалось по общей теории плазмонов [1], величина EP заметно больше, чем EPVO. В случае MoX2 E = EP-EPVO = 4.4 (MoS2), 2.8 (MoSe2) и 2.5 eV(MoTe2).

Кроме рассмотренной самой интенсивной и широкой полосы в спектре объемных и поверхностных характеристических потерь наблюдается еще одна полоса в области меньших энергий E 7-9 eV, существенно менее интенсивная и узкая. Необходимо отметить, что эта полоса, как и основная полоса плазмонов, не имеет аналога в спектрах отражения и поглощения, т. е. в спектрах R, 2, k, 2E2. Из анализа спектров оптических фундаментальных функций кристаллов MoX2 следует, что максимум этой дополнительной полосы спектров объемных и поверхностных потерь с высокой точностью совпадает с энергией глубокого минимума функции 2E2, ярко выраженного узкого максимума для фазы отраженной волны (E) и точкой пересечения кривой 1(E) оси энергии (1(E) 0). Он расположен ниже очень глубокого минимума отражения на 0.3–0.4 eV. Эти особенности дополнительных к основной полосе потерь максимумов позволяют утверждать, что они также обусловлены чисто плазменными эффектами. Энергии длинноволновых объемных и поверхностных плазмонов (тип I) различаются всего лишь на 0.2–0.3 eV, т. е. в Рис. 2. Спектры -Im-1 (1), -Im(1 + )-1 (2), R (3), (4), 10 раз меньше, чем для основных плазмонов (тип II).

2E2 (5), nef f (6) кристаллов MoS2 (a), MoSe2 (b), MoTe2 (c) Экспериментально энергии плазмонов типа I прибли- в области 5–10 eV.

Физика твердого тела, 2000, том 42, вып. Спектры характеристических потерь электронов дихалькогенидов молибдена Энергии (eV) рассчитанных плазмонов EP, EPVO, EPSO, экспериментальных EPVE и экстремумов 1, R, 2E2 ифазы и эффективное количество валентных электронов кристаллов MoX2 и графита MoTe2 MoSe2 MoS2 Графит Параметр I II I II I II I II EP – 22.50 – 25.30 – 27.30 12.50 23.EPVO 7.20 19.95 8.10 22.45 8.75 22.90 7.10 26.EPSO 7.00 16.30 7.80 17.40 8.55 19.35 6.50 20.EPVE ( 7.1) ( 20.0) 8.00 22.20 8.70 23.30 6.3–7.5 25–E(1 = 0) 7.05 19.45 8.05 20.75 8.65 22.15 6.95 25.E(min R) 7.55 – 8.40 – 9.15 – 8.3 – E(min 2E2) 7.05 – 8.05 – 8.75 – 9.9 – E(max ) 7.0 – 8.1 – 8.75 – 7.29 – Nef f 10 24 12 28 9 21 1.4 MoX2 и графита перпендикулярна основной плоскости близость по энергиям длинноволновых плазмонов, миобразцов. Кристаллическая структура и характер меж- нимума 2E2, максимума (E), E(1 = 0) и резкого атомных взаимодействий дихалькогенидов MoX2 гораздо минимума R(E) при большой аналогии с графитом. Тем сложнее, чем у графита. Поэтому для MoX2 ожидается самым известное четкое деление валентных электронов более сложная модель ориентации связующих орбиталей и межатомных взаимодействий на две различные группы и участие d-электронов в межатомных взаимодействиях у графита доказано и для существенно более сложвнутри отдельных смежных слоев и между ними. В ных слоистых кристаллических структур группы MoX2.

связи с этим было бы интересно сравнить параметры Модель двух различных групп валентных электронов, плазмонов MoX2 и графита.

видимо, характерна для слоистых и сильно анизотропных Нами аналогично кристаллам группы MoX2 по спеккристаллов. Вероятность осуществления этой модели у тру отражения в области 0–40 eV [8] рассчитан полный конкретных кристаллов можно определить по интенкомплекс оптических фундаментальных функций графисивности длинноволнового плазмона. Детальный анализ та. В таблице приведены наши данные, за исключениспектра функции nef f (E) поможет количественно разем EP, EPV E [9,10]. Анализ данных таблицы свидетельделить валентные электроны на две различные группы ствует о весьма большом сходстве особенностей двух участвующих в переходах до данной энергии E.

типов плазмонов двух различных групп слоистых кристаллов: MoX2 и графита. Поэтому можно утверждать, Работа выпонена при поддержке Центра фундаменчто два различных типа плазмонов должны наблюдаться тального естествознания при С.-Петербургском универу всех типов слоистых кристаллов. Cтепень разделения ситете.

валентных электронов на две различные круппы зависит от анизотропии кристаллической решетки. Одним из саСписок литературы мых чувствительных методов выявления этих двух групп валентных электронов является метод характеристиче[1] Д. Пайнс. Элементарные возбуждения в твердых телах.

ских потерь, особенно метод, основанный на расчетах из Мир, М. (1965). 382 с.; D. Pines. Elementary excitations in оптического спектра отражения.

solids. W.A. Benjamin. N.Y.–Amsterdam (1963). 340 p.

Энергии максимумов типа I и II спектров -Im-[2] A.D. Yoffe. Festkorperprobleme 13, 1 (1973).

и -Im(1 + )-1 кристаллов MoX2 различаются на [3] В.В. Соболев., В.В. Немошкаленко. Методы вычислитель3.5–5 (II) и 0.2 eV(I). В области энергии E < 7eV ной физики в теории твердого тела. Электронная структуспектры потерь содержат много очень слабых и узких ра дихалькогенидов редких металлов. Наукова думка, Киев пиков, положение которых в спектрах поверхностных и (1990). 293 с.

объемных потерь совпадает с точностью до 0.01 eV. Эти [4] В.В. Соболев., В.В. Немошкаленко. Методы вычислительпики обусловлены прямыми междузонными и экситонной физики в теории твердого тела. Электронная структуными переходами. Сопоставление спектров потерь и ра полупроводников. Наукова думка, Киев (1988). 423 с.

для MoX2 свидетельствует о том, что энергии пиков [5] В.В. Соболев, В.Вал. Соболев. ФТТ 36, 9, 2560 (1994).

потерь превышают энергии пиков 2 на 0.5–1 eV в [6] В.В. Соболев, В.И. Донецких, А.А. Опаловский, В.Е. Федоров. ФТП 5, 6, 1025 (1971).

области E > 2.5 eV и почти совпадают при меньших [7] A.R. Beal, H.P. Hughes. J. Phys. C12, 5, 881 (1979).

энергиях. Анализ этих данных показывает, что энергия [8] E.A. Taft, H.R. Philipp. Phys. Rev. A138, 1, 197 (1965).

продольно-поперечного расщепления переходов очень [9] J.G. Carter, R.H. Huebner, R.N. Hamm, R.D. Birkhoff. Phys.

мала — E < 0.05 eV для E < 2.5 eV и увеличивается с Rev. A 137, 2, 639 (1965).

ростом энергии примерно на порядок в области больших [10] F.R. McFeely, S.P. Kowalczyk, L. Ley, R.G. Cavell. Phys. Rev.

энергий.

B9, 12, 5268 (1974).

Итак, впервые установлены два типа поверхностных и объемных плазмонов кристалов MoS2, MoSe2, MoTe2, Физика твердого тела, 2000, том 42, 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.