WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Журнал технической физики, 1997, том 67, № 6 05;08 Фокусировка фононов в кристаллах CdSe, ZnS, ZnO © В.В. Зубрицкий Институт физики им. Б.И. Степанова АН Белоруссии, 220072 Минск, Белоруссия (Поступило в Редакцию 25 января 1996 г.) Рассчитаны распределения концентрирования энергии акустических фононов в гексагональных кристаллах CdSe, ZnS, ZnO при комнатной температуре с учетом пьезоэлектрической связи. Приведены оценки и показана немонотонность влияния на фокусировку пьезоэлектрического ужесточения, значений упругих и диэлектрических констант кристаллов, характеризующих происхождение образцов. Обнаружены пьезоэлектрическое расщепление фононных потоков и инфинитивность концентрирования медленных поперечных акустических (STA) мод. Предсказана возможность модификации анизотропии фокусировки STA фононов в гексагональных соединениях AIIBVI путем их легирования литием. Проанализированы эксперименты по акустоэлектронной генерации в CdSe и сделаны выводы об управляемости многообразия спектров высокочастотных осцилляций тока выделяемой частью распределения фокусировки различных мод.

Введение Метод и объекты исследования Из решения уравнения распространения для смещения Фокусировка фононов наблюдалась в различных крив анизотропной пьезоэлектрической среде [10], преобрасталлических средах и продолжает интенсивно исследозованного к виду ваться. Большинство работ выполнено в области низких температур, обеспечивающих функционирование сверхs (cEjklnjnk +eni jnnnjemklnmnk/i jninj -v2il)u0 = 0, i l проводящих детекторов. Появление же новых методов [1–3] расширяет возможности исследования этого s где cEjkl, eni j, i j — компоненты тензоров упругих пьеi эффекта в области более высоких температур, выяснения зоэлектрических модулей и диэлектрической проницаеего роли в различных физических явлениях [4–6], рабомости соответственно; — плотность кристалла; ni — те конкретных акустоэлектронных устройств: например, компоненты единичных векторов направлений распромонохроматические спектры генерации при исследовастранения упругой волны; v —ее скорость; u —вектор нии акустооптических ячеек на основе селенида кадмия поляризации среды, находились зависимости обратных получены на пластинах с нормалью, совпадающей с фазовых скоростей от направления распространения. Исугловой областью концентрирования сдвиговых волн [7].

пользуя порождающую связь [10,11] между поверхностяВсе это обусловливает необходимость детальной проми медленностей и потоками концентрирования энергии, работки явления. Однако для такого класса материаанализировались меридиальные сечения поверхностей лов как широкозонные пьезополупроводники достаточно рефракции LA-, FTA- и STA-фононов, содержащие ось z.

полные сведения о фокусировке неравновесных фононов Коэффициенты концентрирования Ac для сечений расв литературе отсутствуют. Так, в [8] для соединений считывались на основе метода [12,13]. При анализе типа AIIBVI определены коллинеарные оси и им соотучитывалось как инфинитное (Ac при G 0, ветствующие коэффициенты концентрирования без учета где G — кривизна поверхности медленности), так и пьезоэффекта. В [9] показано влияние пьезоэффекта на неинфинитное концентрирование (Ac > 1) [14]. Критеколлинеарные направления и ширины областей заострерий поперечной изотропии использовался для проверки ний сечений групповых скоростей FTA мод в кристалкорректности вычислений.

лах CdS, ZnO. Очевидно, что ограниченность указанных Поскольку фокусировка может быть чувствительна к сведений затрудняет интерпретацию результатов экспемодификации параметров кристаллов [8,14], тоиз множеримента при изучении соответствующих неравновесных ства справочных данных выбраны материальные констансвойств кристаллов и, как следствие, целенаправленный ты, полные наборы которых измерены на однотипных поиск новых режимов работы акустооптоэлектронных высокоомных образцах. А именно CdSe, выращенный устройств.

из газовой фазы и компенсированный примесью меди Поэтому в настоящей работе для гексагональных кри- ( 10 ppm), для увеличения удельного сопротивления сталлов CdSe, ZnS, ZnO рассчитаны распределения кон- до 109-1010 Ом·см и предотвращения образования прецентрирования продольных LA, быстрых FTA и медлен- ципитатов отжигался при 700C в течение часа и охланых поперечных STA акустических фононов с учетом ждался до комнатной температуры путем закалки [15].

пьезоэлектрического эффекта при комнатной темпера- Данные для ZnS соответствуют кристаллам 100%-ной туре и проанализирована их роль в экспериментах по вюрцитной модификации с темновым удельным сопроакустоэлектронной генерации в пластинах CdSe. тивлением 1012 Ом·см и содержащим 10.3 молярных 60 В.В. Зубрицкий Таблица 1. Материальные параметры кристаллов, использо- Интенсивности сфокусированных LA-фононных пучванные в вычислениях ков в ZnS в зависимости от значений констант модифицируются иначе. Изменение только упругих модулей Кристалл CdSe ZnS ZnO Литература на 1.1–5.1% приводит к уменьшению A на 2.0%, но Упругие модули, [15–17] увеличению Az на 2.8%. Пьезовзаимодействие усиливает 1010 Н/мэту тенденцию на 3.1 и 5.5% соответственно, и результиcE 7.41 12.94 20.рующие интенсивности близки к полученным для CdSe cE 4.52 6.82 11.(табл. 2).

cE 3.93 5.34 10.В ZnO модификация упругих и пьезоконстант влияет cE 8.36 14.24 20.на фокусировку LA-моды более выраженно. Без учета cE 1.317 2.72 4.пьезоэффекта анизотропия концентрирования в оксиде Пьезомодули, Кл/м2 [15–17] цинка схожа с полученными для CdSe, ZnS (рис. 1).

e15 -0.138 -0.118 -0.Варьирование модулей упругости при этом на 0.7–5.5% e31 -0.160 -0.238 -0.приводит к снижению интенсивности фокусировки вдоль e33 0.347 0.265 0.и перпендикулярно к оси z на 6.8 и 7.9% соответственно.

Относительная Наличие же пьезосвязи обусловливает следующие издиэлектрическая проницаемость [15–17] менения: интенсивность концентрирования вдоль оси z s 11 9.33 8.25 8.возрастает на 45%, а в ортогональном направлении s 33 10.20 8.59 8.Таблица 2. Направления и коэффициенты концентрирования для продольных и поперечных быстрых и медленных акустических фононов в меридиальной плоскости гексагональных CdSe, процента MgS [16]. Кристаллы ZnO для повышения ZnS, ZnO при комнатной температуре темнового удельного сопротивления до 109-1010 Ом·см отжигались на воздухе при температуре 800C в расплаLA FTA STA Кристалл ве Li2CO3 до пяти суток [17]. Приведенные погрешности f, град Ac f, град Ac f, град Ac определения упругих, пьезоэлектрических постоянных и диэлектрических проницаемостей (табл. 1) для CdSe, CdSe 0.0 1.78 40.7 6.85 · 102 60.8 0.180.0 319.3 299.ZnS и ZnO равны 0.2–4, 0.3–4 и 1–4% соответственно.

90.0 1.23 49.2 5.35 · 102 78.7 1.270.0 310.8 281.90.0 1.10 101.3 1.Результаты и их обсуждение 270.0 258.130.8 5.35 · 102 119.2 0.Рассмотрим влияние пьезоэффекта на фокусировку 229.2 240.LA-моды в CdSe, где оно менее выражено, для срав139.3 6.85 · нения с имеющимися данными [8,9]. Отличие модулей 220.упругости CdSe, использованных в настоящей работе, на ZnS 0.0 1.80 40.4 4.11 · 102 55.6 0.0.1–1.9% от принятых в [8] приводит к уменьшению Ac 180.0 319.6 304.примерно на 2.3%. Пьезосвязь дополнительно уменьша90.0 1.38 49.9 8.01 · 102 76.9 1.ет A на 3.5%, а вдоль оси z ее влияние обратное — Az 270.0 310.1 283.возрастает на 11.5%. В итоге, как видно из табл. 2, в CdSe 90.0 1.13 103.1 1.270.0 256.превышение потока энергии LA-фононов вдоль оси z 130.1 8.01 · 102 124.4 0.(Az) по сранению с изотропным случаем составляет 229.9 235.78%, что в 2.15 раза меньше Az [8]. В ортогональном 139.6 4.11 · направлении аналогичная величина меньше в 1.4раз 220.по сравнению с [8].

ZnO 0.0 1.66 36.5 6.49 · 102 0.0 1.Указанные изменения в A, обусловленные модифи180.0 323.5 180.кацией упругих свойств образцов и включением в рас68.5 1.12 38.3 1.21 · смотрение пьезосвязи, могут служить оценкой вносимых 291.5 321.погрешностей в анализируемые интенсивности фонон111.5 1.12 90.0 1.ных пучков и указывают на завышенные значения Az, 248.5 270.полученные в [8] без учета пьезоэффекта. Подтверждени141.7 1.21 · ем тому служит тождественное совпадение результатов 218.143.5 6.49 · аналитических вычислений с численными при использо216.вании в качестве исходных параметров [8]. Аналогичная ситуация имеет место и для других кристаллов, поэтому П р и м е ч а н и е. Направления, соответствующие математически ниже анализируются данные численных вычислений.

инфинитному концентрированию, отмечены звездочкой.

Журнал технической физики, 1997, том 67, № Фокусировка фононов в кристаллах CdSe, ZnS, ZnO Рис. 1. Угловое распределение коэффициента концентрирования для продольных акустических фононов в {hk0} CdSe (1) и ZnO (2) (штриховая кривая — отсутствие пьезоэффекта).

Рис. 2. Анизотропия коэффициента концентрирования ZnO для быстрых поперечных фононов без (штриховая кривая) и с учетом пьезосвязи в плоскости, содержащей ось c.

наблюдается расфокусировка A < 1. Кроме того, на- преимущественно вдоль образующих четырех конусов правление концентрирования вдоль оси второго порядка, под углами FTA к оси c (табл. 2). Угловой интервал f имеющее место в отсутствие пьезосвязи, расщепляется между образующими внутренних и внешних конусов для на два (рис. 1). Другими словами, в объеме ZnO у CdSe и ZnS составляет 8.5 и 9.5 соответственно, а LA-моды возникают конусы фокусировки. направления максимального концентрирования в этих кристаллах практически совпадают между собой.

Наиболее мощной фокусировкой в исследованных образцах обладают быстрые поперечные фононы. В кри- Иная ситуация наблюдается в ZnO. Здесь практически сталлических срезах, содержащих ось c, имеется по совпадают образующие внутренних и внешних конувосемь направлений, соответствующих математически сов — угловой интервал, их разделяющий, равен 1.инфинитному концентрированию. Это значит, что энер- (табл. 2). Сами же направления фокусировки ”прижаты” гия FTA-мод в объеме CdSe, ZnS, ZnO распространяется к оси c примерно на 4 и 11 по сравнению с CdSe и Журнал технической физики, 1997, том 67, № 62 В.В. Зубрицкий Рис. 3. Распределение коэффициента концентрирования для медленных поперечных фононов в меридиальной плоскости ZnO.

Штриховая кривая — зависимость, полученная в [8].

ZnS. Как видно из рис. 2, роль пьезоэффекта в данном рис. 3 видно, что распределение ее коэффициента конслучае сводится к расщеплению и угловому смещению центрирования практически соответствует изотропной распределения, мощному возрастанию интенсивностей и среде.

появлению нового пучка фокусировки в ортогональном Как известно [10], STA-мода пьезоэлектрически паск оси c направлении.

сивна. Однако моделирование обнаруживает сильную Анализ, выполненный для STA-моды, показывает, что зависимость анизотропии потока ее энергии от расв CdSe и стопроцентном вюрците имеется по 8 напра- смотренной выше вариации упругих свойств образцов.

влений, отвечающих условию математически инфинит- STA-мода специально не легированного ZnO, как оказыного концентрирования. Соответствующие конуса фоку- вается, обладает инфинитной фокусировкой, в то время сировки как в CdSe, так и в ZnS ”охватывают” конуса как у термообработанных кристаллов она отсутствуконцентрирования FTA-фононов (табл. 2). Однако в ет. Значит, наблюдаемое (рис. 3) столь кардинальное противоположность FTA-моде направления фокусировки изменение анизотропии концентрирования обусловлено STA-фононов в CdSe и ZnS не совпадают между собой.

изменением упругих свойств вследствие сильного легиСообщения других авторов о возможности инфинит- рования образцов.

ного концентрирования STA-фононов в гексагональных Обнаруженное свойство должно быть характерно и полупроводниках в известной автору литературе отсутдля других широкозонных соединений типа AIIBVI и ствуют. Наличие такой фокусировки отмечалось лишь может быть проверено, например, путем сравнения анидля CdS [18] в связи с проблемой неполного электричезотропии фокусировки STA-фононов в CdSe, CdS или ского пробоя кристаллов. Общей чертой при этом являZnS до и после термообработки, аналогичной вышеопиется заметное различие значений численных амплитуд санной для ZnO. После легирования литием в указанных инфинитного концентрирования STA-мод по сравнению с кристаллах должна наблюдаться изотропность конценFTA-фононами, основная причина которого — особеннотрирования энергии STA-мод.

сти соответствующих акустических поверхностей: порождающие фокусировку области поверхности рефракции Применение к экспериментам для быстрых поперечных фононов гораздо протяженнее аналогичных областей для STA-мод. Хотя вопрос по акустоэлектронной генерации о заниженных численных интенсивностях — предмет отдельного рассмотрения, полученные данные являются Отсутствие тождественности фононных распределеподтверждением наличия вышеназванной фокусировки в ний, предположительно вытекающей из принадлежности соединениях AIIBVI. исследуемых материалов к одному классу кристаллов, В исследуемых кристаллах оксида цинка подобной и наблюдаемая ”эластичность” фононной фокусировки фокусировки у медленных поперечных фононов не об- могут быть использованы для получения образцов с наружено. STA-мода ZnO наименее анизотропна и по заданной анизотропией распределения фононных потосравнению с LA-модами исследованных кристаллов. Из ков: например, путем легирования кристаллов литием Журнал технической физики, 1997, том 67, № Фокусировка фононов в кристаллах CdSe, ZnS, ZnO подавлять фокусировку STA-мод и/или управлять вели- дов. При этом вклад STA-моды и роль конусов кончиной углового растра между внутренними и внешними центрирования FTA-фононов могут быть определены и конусами концентрирования FTA-фононов. путем сравнения спектров генерации на пластинах CdSe и ZnO.

В условиях конечных размеров устройств важность последнего, равно как и возможность однозначного выбора кристаллографической ориентации срезов, хорошо Заключение видна, если применить полученные результаты к данным эксперимента [7] по исследованию высокочастотных осВ отличие от имеющихся в литературе данных в цилляций тока при генерации ультразвука в пластинах настоящей работе для гексагональных CdSe, ZnS, ZnO CdSe 15- и 49-ных срезов.

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.