WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 ||

Jr = enf vf, где vf = a(tf - f ) — скорость, которую Согласно формулам (1)–(3) и (7)–(9), в условиях приобретает левитирующий электрон под действием сил эксперимента ReD f и ReL c, так что произкулоновского притяжения к поверхности за время его ведениями f tf и cn определяются величины вкладов возврата из левитирующего состояния tf -f (считается, в СВЧ ФП от внутреннего и внешнего фотоэффекта сочто после одного упругого столкновения с молекулой ответственно. Можно ожидать, что левитирующие элеквоздуха электрон теряет скорость, направленную от троны могут вносить определяющий вклад в СВЧ ФП в поверхности алмаза [21]).

диапазоне Np < 6 · 107 cm-2 (формула (16)).

В результате хаотического движения к поверхности Модель ”двойного электрического слоя”, образованнодвижутся и могут покинуть кристалл 1/6 часть элекго электронами и положительными дырками, применима, тронов, находящихся в слое толщиной Ld = Dnn, если расстояние Lf, на которое электроны покидают кригде Dn = kBT µn/e — коэффициент диффузии, n — сталл, значительно меньше линейных размеров образцов среднее время жизни электронов в c-зоне алмаза до A 0.5 cm. Время релаксации импульса левитирующерекомбинации с локализованными на границе кристалго электрона слабо зависит от интенсивности подсветки литов дырками. Вероятность, с которой неравновесный и примерно равно f 10-11 s (рис. 1, кривая 2).

электрон может дойти до поверхности алмаза, определяПроекция средней скорости электрона на направление ется расстоянием x до поверхности и длиной диффузии нормали к плоскости поверхности образца через время Ld в виде exp(-x/Ld). Область генерации электроf после вылета из алмаза равна vx = v0 - af /2. Тогда нов и дырок в глубь образца простирается на глубину толщина двойного электрического слоя определяется 1/(). В слое образца толщиной dx поглощавыражением ется dI(, x) = ()I(, x)dx фотонов [21]. Тогда в стационарных условиях выражение для суммарного Lf = vxf =(v0 - af /2)f числа электронов Nf, покидающих в единицу времени и возвращающихся в алмаз, при толщине образца H Ld;

= a(tf - f )2/2 0.5 µm, (10) 1/() принимает вид т. е. L много меньше размеров исследуемых образH f цов A.

Nf (1 - r)pe()I()A exp[-(() +1/Ld)x]dx После нахождения f и Lf с учетом того, что ReD f и ReL c, полная мощность, поглощаемая в резонаторе, есть (формула (3)) 1 ()Ld (1 - r)I()pe A, (13) 6 [1 + ()Ld] A c Qf + Qc = E0 f Lf +. (11) где r — коэффициент отражения света от поверх2 r () ности алмаза; в области собственного поглощения (1 - r) 0.7 [15]; — квантовый выход внутреннеВыражение (6) для коэффициента участия левитируго фотоэффекта при подсветке с интенсивностью I();

ющих электронов в СВЧ фотоотклике Kf с учетом (11) () — коэффициент поглощения света с длиной волны принимает вид ; pe — средняя вероятность, с которой электроны проводимости могут выходить из образца, не отражаясь cc -Kf 1 +, (12) от поверхности во внутрь и не рекомбинируя с дырками 15.6f f на границах кристаллитов в приповерхностной области;

где f = nf ALf и = ncA/() — число левитирующих A — освещенная площадь поверхности образца алмаза электронов и число неравновесных электронов в c-зоне толщиной H.

Журнал технической физики, 2000, том 70, вып. Сверхвысокочастотная фотопроводимость левитирующих над природным алмазом электронов (примерное значение квантового выхода фотоэмиссии по [14] для случая когда глубина проникновения света в алмаз 1/() меньше или равна диффузионной длине Ld). Для нахождения () при = 220, 225, 230 nm использовались экспериментальные данные [22].

Уменьшение Kf, т. е. вклада левитирующих электронов в СВЧ ФП, с ростом интенсивности подсветки I() обусловлено уменьшением времени нахождения электронов в левитирующем состоянии tf.

Из расчетов Kf по формуле (16) следует, что при любой модификации поверхности алмаза, сопровождающейся изменением ее сродства к электрону (загрязнение, реконструкция, окисление и т. д.), но не вносящей ”заметных” изменений в спектры оптического поглощения Рис. 2. Коэффициент ”участия” левитирующих электронов в будет наблюдаться следующее:

СВЧ фотопроводимости Kf по формуле (16) алмаза с харак- 1) В области межзонного возбуждения терным временем жизни электронов в c-зоне n = 10-10 s при ( = 200-236 nm) меньше всего будет изменяться засветке фотонами, nm: 1 — 220, 2 — 225, 3 — 230. Интендлинноволновая часть СВЧ ФП, а больше всего сивность I(). В нашем эксперименте диапазон интенсивности коротковолновая, поскольку с ростом величина Kf возбуждающего излучения I() =1013-6 · 1013 quant/(cm2 · s) уменьшается. Уменьшение Kf означает уменьшение для = 220-230 nm при максимально открытых щелях вклада внешнего фотоэффекта в СВЧ ФП, зависящего монохроматора МДР-12 (4mm) показан вертикальными черот сродства поверхности алмаза к электрону.

тами. Верхний диапазон I() на оси абсцисс не превышает 2) При засветке образца светом с длиной волны верхний диапазон f (рис. 1); соответствие между I() и f /A = 220 nm на порядок и более должна уменьшаться устанавливается по формуле (14).

величина сигнала СВЧ ФП, поскольку Kf = 0.88-0.при = 220-230 nm. Расчет проводился исходя из измеренной интенсивности светового потока I() на Число левитирующих электронов f равно произведлине волны = 220 nm I(220) 5·1013 quant/(cm2 ·s) и дению числа электронов, покидающих алмаз в единицу ”среднего” времени жизни электрона в c-зоне природных времени Nf, на среднее время tf нахождения электрона кристаллов алмаза n = 150 ps [14].

в левитирующем состоянии Отметим, что если исходить из модели СВЧ фотопроводимости, учитывающей вклад только от внутреннего f = Nf tf. (14) фотоэффекта [9–13], то изменений спектрального распределения СВЧ ФП, обусловленных изменениями скоУравнение (14) с учетом (7)–(9), (13) определяет рости поверхностной рекомбинации при засветке образзависимость поверхностной плотности левитирующих цов алмаза с длинами волн >220 nm, быть не должно над алмазом электронов Np = f /A от интенсивной (по меньшей мере для большинства кристаллов природподсветки I().

ного алмаза типа II). Действительно, влияние поверхЗависимость количества неравновесных электронов в ности ”простирается” в глубь кристалла на величину c-зоне алмаза c от интенсивности сильнопоглощаемого Ld (диффузионную длину), которая для наиболее сосвета I() описывается по аналогии с (14) следующим вершенных образцов (n 10-8 s, µn 2400 cm2/(V·s)) выражением [11,12]:

составляет Ld 7 µm, в то время как для ”среднего” кристалла типа II (n = 1.5 · 10-10 s, µn 2000 cm2/(V · s)) c =(1 - r)I()nA. (15) Ld 1 µm [14]. Глубина же проникновения света в алмаз с длиной волны = 220 nm есть 1/(220) 8 µm, Как следует из формул (6), (7), (12)–(15), коэффици1/(225) 20 µm, 1/(230) 100 µm [22].

ент участия левитирующих электронов в СВЧ фотопроводимости равен Экспериментальные результаты -nc(1 + () Dnn) и их обсуждение Kf = 1 +, (16) 2.6petf f () Dnn Полученные в [1,6,8] экспериментальные факты опи где Dnn = Ld — диффузионная длина электронов сываются в рамках представленной модели СВЧ фотоc-зоны в алмазе.

проводимости, учитываяющей вклад внешнего фотоэфНа рис. 2 приведены расчеты зависимости Kf от фекта из алмаза.

интенсивности I() для длин волн возбуждающего света Из рис. 3, a видно, что в результате термообработки = 220, 225 и 230 nm в алмазе со временем жизни образцов при температурах более 1000C в вакууме неравновесных электронов n = 10-10 s при p = 0.1 (температура, при которой происходит реконструкция 7 Журнал технической физики, 2000, том 70, вып. 100 А.Г. Захаров, Н.А. Поклонский, В.С. Вариченко обработка при 900-1000C, так и химическая обработка алмазов в хромовой смеси приводят при последующих изменениях к значительному уменьшению СВЧ ФП и в ”примесной” области подсветки. При этом в спектрах оптического поглощения в пределах погрешности измерений () никаких изменений зафиксировать не удалось. Восстановить исходные характеристики СВЧ ФП удается лишь шлифовкой и полировкой образцов алмазной пастой с удалением приповерхностного слоя толщиной порядка 10 µm. Отметим, что подобным образом изменяются спектральные характеристики СВЧ ФП и в результате обработки поверхности алмаза ионами Ar+.

Предложенную модель СВЧ ФП подтверждают также проведенные нами исследования фотоэмиссии из тех же образцов алмаза. В результате измерений было установлено (как и в [2,23]), что после химической ”очистки” поверхности фотоэмиссии на уровне 1 pA (предел Рис. 3. a — спектральное распределение СВЧ фотопроводичувствительности по току фотоэмиссии) в спектральной мости алмаза при различных температурах изохронного отжига области длин волн 280 > > 200 nm зафиксировать в течение 30 min: 1 — 100, 2 — 900, 3 — 1200C. Спектральная ширина щели, nm: 1 — 0.48, 2 — 0.36, 3 — 2.4. Ширина не удается. Фотоэмиссия в указанном спектральном диащели подбиралась таким образом, что при максимальном ко- пазоне регистрируется лишь в тех случаях, когда перед эффициенте усиления шумы не превышали 5% максимального измерениями образцы обрабатывались либо корундовым полезного сигнала. b — спектры СВЧ ФП алмаза типа IIa после порошком, либо алмазной пастой (рис. 4). Как уже химической ”очистки” в K2Cr2O7 + H2SO4 + H2O (1, 3) ипосле указывалось (рис. 3), после обработки корундовым помеханической обработки корундовым порошком (2), а также рошком СВЧ ФП алмаза типа IIa возрастает примерно детальное представление кривой 1 (3).

на порядок [1].

Заключение Впервые получены и обобщены экспериментальные данные исследования бесконтактным методом СВЧ фотопроводимости природного алмаза типа IIa. Проведено сравнение результатов исследования алмаза методом СВЧ ФП и методами фотопроводимости на постоянном токе, оптического поглощения при нормальных условиях и фотоэмиссии в вакууме. Разработана модель СВЧ ФП, учитывающая как образование при подсветке неравновесных электронов и локализованных на границе кристаллитов дырок внутри алмаза, так и электронов, левитирующих над его освещенной поверхностью с отрицательным электронным сродством.

Рис. 4. Спектральное распределение тока фотоэмиссии Iem из Список литературы алмаза типа IIa размером 5 7 0.15 mm: 1 —исходный образец, 2 — после механической обработки поверхности [1] Захаров А.Г., Поклонский Н.А., Вариченко В.С., Гонкорундовым порошком (размер зерна 14 µm). Спектральная тарь А.Г. // ФТТ. 2000. Т. 42. Вып. 4. С. 647–651.

ширина щели 10 nm.

[2] Himpsel F.J., Knapp J.A., van Vechten, Eastman D.E. // Phys. Rev. B, 1979. Vol. 20. N 2. P. 624–627.

[3] Моряков О.С., Квасков В.Б., Горбачев В.В. и др. // Обзоры по электронной технике. Сер. 2. Полупроводниковые алмазной поверхности (111), равна 950C [17]) меньше приборы. Вып. 4 (1342). М.: ЦНИИ ”Электроника”, 1988.

всего изменяется величина СВЧ ФП в длинноволновой 37 с.

части спектра, а уменьшение СВЧ ФП в спектральной [4] Van der Weide J., Zang Z., Baumann P.K. et al. // Phys.

области длин волн вблизи края собственного поглощеRev. B. 1994. Vol. 50. N 8. P. 5803–5806.

ния ( < 225 nm) составляет один порядок. К таким [5] Risten J., Stein W., Ley L. // Phys. Rev. Lett. 1997. Vol. 78.

же изменениям СВЧ ФП алмаза приводит и химическая N 9. P. 1803–1811.

”очистка” образцов [1], использующаяся для подготовки [6] Кулаков В.М., Татьянина Н.А., Зезин Р.Б. идр. // Сборник образцов алмаза к измерениям фотопроводимости коннаучных трудов Гиналмаззолото ”Благородные металлы и тактными методами (рис. 3, b). Кроме того, как термо- алмазы в новых областях техники”. М., 1991. С. 181–188.

Журнал технической физики, 2000, том 70, вып. Сверхвысокочастотная фотопроводимость левитирующих над природным алмазом электронов [7] Миляев В.А., Санина В.А. // Изв. вузов. Радиофизика. 1980.

Т. 23. № 4. С. 407–418.

[8] Захаров А.Г., Вариченко В.С., Гонтарь А.Г. // Сверхтвердые материалы. 1997. № 2. С. 7–12.

[9] Васильев А.Н., Михайлов В.В. Введение в спектроскопию твердого тела. М.: МГУ, 1987. 192 с.

[10] Рывкин С.М. Фотоэлектрические явления в полупроводниках. М.: Физматгиз, 1963. 496 с.

[11] Бьюб Р. Фотопроводимость твердых тел. М.: ИЛ, 1962.

558 с.

[12] Бонч Бруевич В.Л., Калашников С.Г. Физика полупроводников. М.: Наука, 1990. 688 с.

[13] Yu P.Y., Cardona M. Fundamentals of Semiconductors. Berlin:

Springer, 1999. 620 p.

[14] Природные алмазы России / Под ред. В.Б. Кваскова, М.:

Полярон, 1997. 304 с.

[15] Бокий Г.Б., Безруков Г.Н., Клюев Ю.А. и др. Природные и синтетические алмазы. М.: Наука, 1986. 224 с.

[16] Гроссе П. Свободные электроны в твердых телах. М.:

Мир, 1982. 180 с.

[17] Физические свойства алмаза: Справочник / Под ред.

Н.В. Новикова. Киев: Наукова думка, 1987. 192 с.

[18] CRC Handbook of Chemistry and Physics. Berlin: Springer, 1999. 2464 p.

[19] Калашников С.Г. Электричество. М.: Наука, 1977. 592 с.

[20] Физические величины. Справочник / Под ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова. М.: Энергоатомиздат, 1991. 1235 с.

[21] Киреев П.С. Физика полупроводников. М.: Высшая школа, 1975. 584 с.

[22] Kania D.R., Pan L.S., Bell P. et al. // J. Appl. Phys. 1990.

Vol. 68. N 1. P. 124–130.

[23] Pate B.B. // Surf. Sci. 1986. Vol. 165. P. 83–142.

Pages:     | 1 ||



© 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.