WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. 2 Примесные экситоны никеля и фотоиндуцированная деформация решетки в твердых растворах ZnSe1-ySy : Ni и Zn1-xCdxSe : Ni © В.И. Соколов¶, В.Н. Старовойтова Институт физики металлов Уральского отделения Российской академии наук, 620219 Екатеринбург, Россия (Получена 20 июня 2000 г. Принята к печати 23 июня 2000 г.) Исследована сильная зависимость головной линии донорных экситонов Ni и серии ее колебательных повторений от состава твердых растворов ZnSe1-ySy : Ni и Zn1-xCdxSe : Ni. Детально обсуждается модель безызлучательной рекомбинации примесных экситонов с учетом промежуточного виртуального состояния {d8}. Оно зависит от деформации решетки, индуцированной примесным центром Ni3+, заряженным положительно относительно решетки.

1. Введение [d7e] (d8) была дополнена идеей о промежуточном состоянии {d8}, хотя смысл этого состояния остался Примесные экситоны Ni донорного и акцепторного не совсем ясен. В целом модель туннелирования [2] типов в полупроводниках AIIBVI исследуются давно [1]. не вполне вписывается в рамки адиабатического приВесьма характерным свойством водородоподобных воз- ближения, поскольку приходится предполагать, что в буждений примеси Ni является сильная зависимость туннелировании участвуют ионы ближайшего окружения от различных факторов. Примесные экситоны доволь- примесного центра, т. е. тяжелые частицы. Для правильно просто наблюдаются при температуре жидкого ге- ного понимания модели безызлучательной рекомбинации лия и практически не наблюдаются при температуре важно учесть, что образование примесных экситонов под жидкого азота [2,3]. Для составов твердых растворов влиянием света сопровождается деформацией решетки ZnSySe1-y : Ni с y 0.01 донорные экситоны Ni [d7e] вблизи примесного центра за счет изменения зарядоуверенно регистрируются, в то время как для y 0.1они вого состояния. В последнее время были выполнены не наблюдаются совсем [4]. Такое поведение примесных расчеты релаксации решетки вблизи примесного центра экситонов резко контрастирует со свойствами свободных Ni+ или Ni3+, заряженного относительно решетки [7,8].

экситонов, которые в твердых растворах ZnSySe1-y : Ni Они показывают, что вблизи заряженного примесного наблюдаются в широком диапазоне составов и при центра происходит существенное изменение положений равновесия для ионов первой и второй координационных температуре жидкого азота. Детального теоретического сфер. Эти результаты позволяют лучше понять смысл описания этого свойства примесных экситонов Ni пока нет. Твердые растворы представляют хорошую возмож- промежуточного состояния {d8} и, тем самым, модель ность для дальнейшего экспериментального исследова- безызлучательной рекомбинации становится ясной и нения примесных экситонов. Для них характерны крупно- противоречивой в рамках адиабатического приближения.

масштабные флуктуации потенциала, влияющие на водо- Цель настоящей работы — более детальное описание промежуточного состояния {d8} с учетом как новых родоподобные состояния примесных экситонов. Влияние экспериментальных данных о примесных экситонах в крупномасштабных флуктуаций на свободные экситоны твердых растворах, так и результатов модельных расчехорошо изучено [5]. Однако для твердых растворов тов.

характерны также возмущения локального характера — кластеры, включающие примесный центр, изменение постоянной решетки в соответствии с законом Верде, что 2. Эксперимент влияет на d-электроны примесного центра. По нашему мнению, сравнительное совместное исследование двух Исследовались образцы, изготовленные из типов водородоподобных возбуждений — свободных экмонокристаллов ZnSySe1-y : Ni и Zn1-xCdxSe : Ni ситонов и примесных экситонов Ni в твердых растворах, различного состава — ZnSe, ZnS0.26Se0.74 : Ni, легированных Ni — представляет собой плодотворный ZnS0.13Se0.87 : Ni, ZnS0.0005Se0.9995 : Ni, ZnS0.026Se0.974 : Ni подход для изучения свойств примесных экситонов — и Zn0.99Cd0.01Se : Ni, выращенных из расплава под весьма трудных объектов как для теоретического описадавлением инертного газа. Для определения x ния, так и для экспериментального изучения.

и y твердых растворов мы регистрировали линию В работе [2] была предложена модель безызлучательсвободного экситона в спектрах отражения для всех ной рекомбинации [d7e] (d8) как результат туннельсоставов при температуре жидкого гелия и жидкого ного перехода. Близкая по смыслу идея обсуждалась азота. Состав определялся по зависимости Eg от x (или в [6]. В [4] модель безызлучательной рекомбинации аналогично от y) ¶ E-mail: visokolov@imp.uran.ru Eg(x) =Eg(0) +ax - bx(1 - x). (1) 144 В.И. Соколов, В.Н. Старовойтова Рис. 1. Спектры амплитуды второй гармоники электропоглощения 2. T = 4.2 K. Состав твердого раствора и амплитуда переменного электрического поля: 1 — ZnSe : Ni, 16.6 кВ/см, 2 —Zn0.99Cd0.01Se : Ni, 18.5 кВ/см, 3 —ZnS0.0005Se0.9995 : Ni, 15 кВ/см, 4 —ZnS0.133Se0.867 : Ni, 21.4 кВ/см, 5 —ZnS0.26Se0.74 : Ni, 15 кВ/см.

Константа b, характеризующая степень совершенства требуется, чтобы примесь имела заряд по отношению к твердого раствора [9], принималась равной 0.6 для решетке. Кулоновское поле примесного центра вызывает Zn1-xCdxSe : Ni [9] и 0.67 для ZnSySe1-y : Ni [10] для смещение ближайших ионов и таким образом деформитемператур T = 4.2 и 77 K. Свободные экситоны в спекрует решетку. Ионы Se2- притягиваются к положительно трах отражения наблюдались для всех составов. Спектры заряженному примесному центру Ni3+, а ионы Zn2+ — электропоглощения регистрировались при T = 4.2K в отталкиваются от него. Это обстоятельство должным диапазоне энергий = 2.60-2.90 эВ. Готовые образцы образом не учитывалось при анализе свойств примесного имели удельное сопротивление 109-1011 Ом · см.

экситона. В работе [7] для ZnSe : Ni были приведены Прикладываемые поля достигали 25 кВ/см. Толщины модельные расчеты деформации решетки. Эти расчеты образцов составляли 500 мкм, чтобы оптимизировать показали, что ионы первой конфигурационной сферы пропускание в области бесфононной линии донорного (Se2-) смещаются на 0.24, а ионы второй конфигураэкситона Ni [d7e] и ее колебательных повторений.

ционной сферы (Zn2+) — на 0.017. Для того чтобы более четко представить структуру деформации, на рис. показано сечение кластера NiSe4Zn12 плоскостью (110).

3. Обсуждение результатов На рис. 3 показан адиабатический потенциал E(q) для 3.1. Модель безызлучательной рекомбинации основного состояния T1 примеси Ni, нейтральной отнопримесных экситонов сительно решетки (Ni2+, d8-конфигурация). Возбужденные состояния d8-конфигурации [1,2,4] для простоты не Наиболее значительное изменение в спектре электропоказаны. Также изображен адиабатический потенциал поглощения — это ослабление пика за счет влияния для состояния донорного экситона [d7e]. Адиабатиэлектрического поля на донорный экситон Ni. Это ческий потенциал характеризует зависимость энергии хорошо видно из рис. 1, где представлены спектры электронов d-оболочки от смещения ионов ближайшеэлектропоглощения 2 образцов ZnSe, ZnSySe1-y : Ni го окружения примеси. Для [d7e]-состояния параметры с y = 0.26, 0.13, 0.005 и Zn1-xCdxSe : Ni с x = 0.01, адиабатического потенциала (крутизна ветвей парабоснятые при T = 4.2 K. Мы объясняем это следующим лы, координата qA ее минимума) характеризуют только образом. Донорный экситон Ni [d7e] представляется как d7-конфигурацию, так как носитель на водородоподобной образование, состоящее из примесного центра, положиорбите из-за его удаленности практически не чувствует тельно заряженного относительно решетки, и электрона смещения ионов ближайшего от Ni окружения, т. е. ионов на водородоподобной орбите, причем изменение заряда примеси происходит в момент образования экситона. первой и второй координационных сфер, показанных на Таким образом, для существования примесного экситона рис. 2. Таким образом, адиабатический потенциал для доФизика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. Примесные экситоны никеля и фотоиндуцированная деформация решетки... Рис. 2. Схематическое изображение плоскости (110) кластера NiSe4Zn12 в кристалле ZnSe : Ni. Положение смещенных атомов и связи Ni3+-Se2-, Zn2+-Se2- после изменения зарядового состояния примеси Ni2+ Ni3+ показаны штриховыми линиями.

норного экситона [d7e] характеризует d7-конфигурацию ки Se2- и Zn2+ остаются в смещенных положениях, иона Ni3+, заряженного относительно решетки. соответствующих заряженной примеси, показанных на Общепринятое каноническое описание безызлучатель- рис. 2 штриховой линией. Поэтому понятно, что адианой рекомбинации в рамках адиабатического приближе- батические потенциалы для энергетических термов d8ния состоит в том, что конфигурационные кривые для конфигурации будут отличаться от адиабатических поосновного и возбужденного состояний пересекаются в тенциалов для нейтрального центра до ионизации. Такой точке C. Система в возбужденном состоянии подни- адиабатический потенциал {d8} показан на рис. 3 для мается по конфигурационной кривой до точки C под основного состояния штриховой линией.

влиянием температуры. В точке C происходит переход Теперь высокую эффективность безызлучательной анна конфигурационную кривую основного состояния без нигиляции примесных экситонов и ее усиление с ростом изменения конфигурационной координаты qC в сооттемпературы и изменением состава твердого раствора ветствии с адиабатическим приближением. После этого (увеличением x, y) можно представить следующим обрапроисходит спуск вниз по конфигурационной кривой зом. Возникновение примесного экситона сопровождаосновного состояния с испусканием фононов. В принется изменением конфигурации d-оболочки d8 [d7e] ципе возможен туннельный переход с кривой возбудля донорного экситона (d8 [d9h] для акцепторного жденного состояния на кривую основного состояния экситона) и смещением ионов ближайшего окружения без достижения точки C, и, значит, безызлучательный в соответствии с изменением заряда примесного центра.

переход произойдет при меньшей температуре [11]. Эта Конфигурационные кривые {d8} существуют виртуально идея была использована для описания туннельной ани зависят от степени деформации решетки, определяенигиляции примесных экситонов, чтобы понять принцимой рядом факторов, различных для разных соединений пиальную возможность интенсивной безызлучательной AIIBVI: ионность кристалла, гибридизация d-состояний с рекомбинации примесных экситонов при температурах 30-40 K, как это наблюдалось в CdS : Ni [2] и позднее в ZnS : Ni [3].

Однако наша ситуация сложнее. Система в возбужденном состоянии состоит из локализованной части (d7-конфигурация иона Ni3+, заряженного относительно решетки) и делокализованной части (электрон на водородоподобной орбите). Система в основном состоянии — это d8-конфигурация того же примесного центра с зарядом Ni2+, нейтральным относительно решетки.

Туннелирование [d7e] d8 не имеет смысла, так как это разные зарядовые состояния одного центра. Нужно рассматривать ситуацию, когда электрон может вернуться в d-оболочку без изменения конфигурационной координаты q. Однако для этого решетка должна определенным образом перестроиться, аналогично тому, как это происходит в точке C. Таким образом, возвращение электрона в d-оболочку не должно сопровождаться изменением конфигурационной координаты q. После Рис. 3. Адиабатические потенциалы для основного состоявозвращения электрона d-оболочка оказывается в одном ния d8-конфигурации, промежуточного виртуального состояиз состояний d8-конфигурации. При этом ионы решет- ния {d8} и для состояния донорного экситона Ni [d7e].

2 Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. 146 В.И. Соколов, В.Н. Старовойтова зонными состояниями, упругими константами решетки аннигиляция донорного экситона [d5e] d6 происходит и т. д. Таким образом, все кривые {d8} для основного очень эффективно даже при температуре 4.2 K [12,13].

и возбужденных состояний будут отличаться от соот- Наш опыт показывает, что пока не удалось обнаружить ветствующих кривых d8-конфигурации. Поэтому можно донорные экситоны [d5e] Fe и акцепторные экситоны допустить, что одна или несколько виртуальных кри- [d5h] Cr в ZnSe и ZnS, легированных этими примесявых будут пересекать [d7e]-кривую вблизи минимума ми, хотя полосы фотоионизации Fe2+ Fe3+ + e и (например, в точке B для кривой состояния [d7e] на Cr2+ Cr1+ +h в ZnSe и ZnS наблюдаются очень четко.

рис. 3). В результате флуктуаций, существующих и при температуре жидкого гелия, система [d7e] может 3.2. Зависимость сдвига линии донорного подняться по конфигурационной кривой близко к точке экситона в твердых растворах от состава пересечения. Именно в этот момент полной готовности решетки в области ближайшего окружения примес- Сдвиги линии донорного экситона Ni от состава тверного центра электрон в водородоподобном состоянии дых растворов ZnSySe1-y : Ni и Zn1-xCdxSe : Ni в принци(дырка — для акцепторного случая) возвращается в пе позволяют наблюдать со спектроскопической точноd-оболочку в соответствии с адиабатическим приближе- стью абсолютное смещение дна зоны проводимости твернием. Примесь Ni становится нейтральной, деформация дых растворов от состава. Эти соображения были выскарешетки будет постепенно релаксировать, а {d8}-кривые заны в [14]. В экспериментальных спектрах для твердых будут трансформироваться в обычные адиабатические растворов Zn1-xCdxSe : Ni с x = 0.01 и ZnSySe1-y : Ni с потенциалы для d8-конфигурации. При этом будет про- y = 0.026 наблюдается четкое смещение головной линии исходить спуск вниз по адиабатическому потенциалу донорного экситона Ni в сторону м и больших еньших d8-конфигурации за счет испускания фононов в решетку.

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.