авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 |

Данилевич надежда дмитриевна взаимозависимость оптических свойств, кристаллической структуры и состава кристаллов сds(о) (с привлечением теории непересекающихся з

-- [ Страница 1 ] --


На правах рукописи     

ДАНИЛЕВИЧ НАДЕЖДА ДМИТРИЕВНА

ВЗАИМОЗАВИСИМОСТЬ ОПТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ, КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ И СОСТАВА КРИСТАЛЛОВ СdS(О)

(с привлечением теории непересекающихся зон).


Специальность 01.04.10 - Физика полупроводников


Автореферат

диссертации на соискание ученой степени
кандидата физико-математических наук


  Москва – 2011

Работа выполнена на кафедре “Полупроводниковая электроника”

Московского энергетического института (технического университета)

 

Научный руководитель:     Доктор техн. наук профессор И.Н.МИРОШНИКОВА  
Официальные оппоненты:    доктор физико - математических наук, профессор Никитенко Владимир Александрович доктор физико - математических наук, Мащенко Владислав Евдокимович    
Ведущая организация:    Пензенский государственный университет    

          

Защита состоится «____ » _____ 2011г. в аудитории К-102 в______часов на заседании диссертационного совета Д 212.157.06 при Московском энергетическом институте (техническом университете) по адресу: Москва, Красноказарменная ул., д. 14.

Отзывы (в двух экземплярах, заверенные печатью) просим направлять по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., д. 14, Ученый совет МЭИ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МЭИ (ТУ).

Автореферат разослан «___ » ___ 2011 г. 

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.157.06

д.т.н., профессор Мирошникова И. Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Соединения A2B6 являются перспективными материалами оптоэлектроники, наноэлектроники и ИК-техники. В связи с этим они интенсивно исследуются уже более полстолетия, что определяет все новые области их применения. В последнее десятилетие привлекли значительное внимание системы твердых растворов с резким несоответствием свойств компо­нентов, в которых анионы частично заменены более электроотрицательными атомами. Важным эффектом, наблюдаемым в таких соединениях, является изменение зонной структуры при резком уменьшении ширины запрещенной зоны и сохранении величины параметров решетки с введением малых количеств изоэлектронной примеси.

Неизменное присутствие кислорода в СdS на уровне >1019-20см-3 как электроотрицательной фоновой изоэлектронной примеси хорошо известно. Известно также, что нет достаточного теоретического обоснования природы ряда особенностей оптических свойств этих кристаллов и понимания, сколь существенную роль играет кислород в оптике соединений А2В6. Исследование этих проблем с привлечением вновь создающихся теоретических разработок является весьма актуальным.

Цель диссертационной работы.

Учитывая опыт предшествующих исследований системы ZnS-ZnSe(O) на базе теории “непересекающихся зон”, мы поставили цель– провести исследования с использованием этой теории кристаллов CdS(O). Необходимо было установить следующее.



  1. Доказать возможность выявления присутствия кислорода в кристаллах (с заведомо известной концентрацией этой примеси) по данным исследования спектров люминесценции.
  2. Установить аналогии этих результатов с эффектами, выявляемыми в спектрах отражения и поглощения.
  3. Исследовать взаимосвязь оптических свойств конкретных кристаллов CdS(O), собственных точечных дефектов и кристаллической структуры.
  4. Определить из экспериментальных данных параметры зонной структуры CdS(O), инициированной кислородом.
  5. Рассчитать зонные модели, определяющие излучательные переходы для самоактивированного свечения и поглощения CdS.

Обоснованность и достоверность полученных результатов подтвержда­ется большим числом исследованных образцов с использованием современных общепризнанных методик анализа, комплексным характером независимых измерений, контролем концентрации кислорода и других примесей, хорошим совпадением результатов повторных экспериментов на близких по свойствам образцах. Все экспериментальные результаты, расчеты, выводы и предложенные модели достаточно хорошо согласуются с имеющимися литературными данными и не противоречат друг другу.

Научная новизна.

  1. Впервые проведены исследования оптических свойств кристаллов CdSO с привлечением теории непересекающихся зон – ВАС.
  2. Получены и проверены по экспериментальным данным величины, определяющие зонную модель CdSO. Построена зонная модель с учетом кислорода для кристаллов CdSO.
  3. Расшифрованы спектры импульсной катодолюминесценции (ИКЛ), несущие информацию из объема кристалла, которые выявляют прямую зависимость положения А экситона CdSO от концентрации кислорода.
  4. Показано, что на поверхности происходит разложение твердого раствора CdS·О, поскольку изоэлектронная примесь OS резко не соответствует по свойствам основной решетке.
  5. Изучено изменение ширины запрещенной зоны Еg СdSО, связанное с концентрацией растворенного кислорода. Представлена зависимость Еg (Е–) ~ [OS], определяющая сдвиг края фундаментальной абсорбции сульфида кадмия как ~90мэВ на 1 мол% ИЭП.
  6. Впервые изучено самоактивированное свечение на основе модели ВАС, уточнена классификация полос этого свечения CdS в зависимости от стехиометрии и присутствия кислорода, дано объяснение дублетной структуры SA полосы.
  1. Впервые даны прямые зависимости, связывающие собственно-дефектную структуру CdS с интенсивностью полос люминесценции: свободного и связанных (J1 –J2) экситонов, SA и краевого свечения.
  2. Подтверждена природа комплекса собственных точечных дефектов, определяющих центр ЕЕ. Показано, что кислород не входит в состав центра и не влияет на интенсивность ЕЕ, но изменяет спектральное положение серий ЕЕ в соответствии с зависимостью Еg~[OS]. Выяснено влияние кислорода на комплекс собственных точечных дефектов, определяющий SA люминесценцию CdS.
  3. Впервые идентифицированы экситонные полосы CdO в прикраевой области спектра сульфида кадмия.

Практическая значимость работы. Выяснение роли кислорода в люминесценции и поглощении СdS, может быть положено в основу оптического метода контроля концентрации растворенного кислорода в кристаллах сульфида кадмия– в основном объеме и в скоплениях, обогащенных кислородом. Для контроля концентрации кислорода может быть использовано спектральное положение экситонных полос ИКЛ, отражения и поглощения. Тип самоактивированного свечения определяет отклонение состава кристаллов от стехиометрии. Обнаружение экситонных полос CdO позволяет контролировать его присутствие в сульфиде кадмия. Расчет модели дефектообразования CdS в комплексе с исследованиями кристаллической структуры уточняют оптимальные условия роста стехиометрических и совершенных кристаллов CdS из газовой фазы. Результаты этих исследований необходимы для понимания нестабильности кристаллов CdS р-типа проводимости.

Освоение новых материалов, управляемо легированных ИЭП кислорода, перспективно для создания ряда новых приборов, в частности наноэлектроники. Проведенные исследования носят фундаментальный характер и могут быть обобщены для объяснения аналогичных явлений по всей группе соединений A2B6.

Основные положения, выносимые на защиту:

  1. Экспериментальные результаты, показывающие, что резкий ДВ сдвиг экситонного спектра в ИКЛ и уменьшение ширины запрещенной зоны в поглощении CdSO c введением кислорода объясняются с позиций теории непересекающихся зон.
  2. Предложенная зонная модель кристаллов CdSO и зависимость Eg ~ [O].
  3. Новая интерпретация полос самоактивированного свечения CdSO, как и дублетной структуры полос самоактивированной люминесценции.
  4. Модель самоактивированных центров свечения в соединениях A2B6 Идентификация природы полос краевого свечения и связанных экситонов на акцепторных уровнях ЕЕ центров.
  5. Сопоставление расчетной диаграммы собственных точечных дефектов с изменением элекрофизических свойств конкретных кристаллов, отклонением от стехиометрии и концентрацией кислорода в них.
  6. Нестабильность структур твердых растворов CdS-CdO типа НМАs на поверхности.
  7. Сопоставление результатов измерений спектров импульсной КЛ, катодолюминесценции с малой глубиной проникновения пучка, микрокатодолюминесценции в растровом электронном микроскопе и импульсной рентгено люминесценции на одних и тех же кристаллах.
  8. Выявление полос F+ центров и экситонного спектра CdO в излучении сульфида кадмия.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались

на Международном научно – техническом семинаре “Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах” (Москва. МЭИ. 2008 – 2010 гг.) –6 докладов; Международной научно – технической конференции студентов и аспирантов “Радиоэлектроника, электротехника и энергетика” (Москва. МЭИ. 2009 – 2011 гг.) –3 доклада; Международной конференции “Оптика оптоэлектроника и технологии” (Ульяновск, 25–28 августа 2008 г., 25–29 мая 2009 г.) – 2 доклада; 2-ой междунар. конф. ”Материалы, физика конденсированных сред”. 21-26 сент.2004. Молдавия. Чизинау– 1 доклад; Труды II науч.-техн. конф. Методы создания, исследования микро наносистем...» 26 —29 мая 2009. Пенза– 1 доклад; 14th International Conference II-VI Compounds. 2009. 23-28 VIII. 2009 St. Peterburg – 1 доклад; 25th International Conference on Defects in Semiconductors. July 20-24, 1009.St. Peterburg – 1 доклад

Основные результаты исследований по теме диссертации представлены в 23 печатных работах, в том числе 1 работа в Phys.Stat.Sol. (2010) и 6 – в изданиях, рекомендованных ВАК РФ для публикации основных результатов диссертаций на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 158 наименований, содержит 158 страниц текста, 58 иллюстрации и 7 таблиц.

Краткое содержание работы

Первая глава предлагает обзор работ, составляющих основу для дальнейшего изложения материала. Рассмотрены структурные типы сульфида кадмия, области их устойчивости, точки фазовых переходов, степень ионности связей, температура плавления. Дано описание энергетических зон основных структурных модификаций СdS, включая энергетические диаграммы краев главных зон, величины спин орбитального и кристаллического расщепления, определяющие структуру валентной зоны.

Даны общие представления, характеризующие экситонные состояния и определяющие спектры свободного и связанных экситонов в самоактивированном CdS, их зависимости от температуры и плотности возбуждения. Рассмотрено влияние кислорода на оптические свойства сульфида кадмия. Дан критический анализ результатов эксперимента. Систематизираваны основные сведения, имеющиеся в литературе, по оптике CdO.

В разделе 1.4 существенное внимание уделено отбору литературных данных по собственным точечным дефектам (СТД) сульфида кадмия, поскольку результаты многочисленны и противоречивы. Выделены надежные источники по положению уровней СТД в зоне CdS. В частности, для вакансий серы необоснованные данные связаны с тривиальными представлениями о свободном уходе серы из решетки CdS в виде летучего соединения SO2 с образованием мелких донорных уровней. По данным ЭПР F+- центров в CdS обнаружено не было. При критическом анализе последних литературных данных положение уровня вакансии серы в общей модели дефектообразования глубокое, что согласуется с другими соединениями II-VI.

Последний раздел 1.5 посвящен описанию роли ИЭП кислорода с привлечением теории “непересекающихся зон – ВАС”. Кислород неизбежно присутствует в соединениях II-VI и, несомненно, влияет на свойства халькогенидов, но роль его не ясна. Сравнительно молодая теория ВАС впервые позволила учесть присутствие кислорода, который является изоэлектронным акцептором (ИЭА), замещая серу в узлах решетки CdS. Согласно модели ВАС изоэлектронные акцепторы разделяют зону проводимости на две подзоны: E– (протяженные состояния) и E+ (локализованные состояния), которые ре­зонансно взаимодействуют друг с другом. Энергетический зазор между подзонами меньше, нежели расстояние до вышележащих зон при k = 0, но зависит от концен­трации ИЭА. Незначительное увеличение концентрации примеси приводит к опусканию подзоны Е– и обуславливает резкое уменьшение запрещенной зоны.





Для изоэлектронных доноров (ИЭД) с электроотрицательностью меньшей, чем у замещаемого атома матрицы, уровень примеси формируется вблизи максимума валентной зоны.

Вторая глава закладывает основу собственного дефектообразования в CdS. Поскольку вся работа базируется на исследовании группы кристаллов с заданным при выращивании отклонением от стехиометрии, то проведен расчет равновесия собственных точечных дефектов CdS для тех же условий: 11000С и диапазона давлений паров компонентов. Впервые показано, что реально кристаллы из газовой фазы растут только в центральной части теоретической области гомогенности. Этот диапазон существенно отличается от теоретического и ограничен возрастающей концентрацией дефектов.

Расчет собственно- дефектной структуры определил важнейшие свойства выращенных при контролируемых давлениях паров серы и Cd отдельных кристаллов CdS. Выяснено точное положение точки стехиометрии, которая до этого необоснованно предполагалась в области существенно больших избытков серы. Согласно расчету, область гомогенности, в пределах которой росли кристаллы, охватывает кристаллы CdS всех типов. Это широкая область п-типа проводимости, примыкающая к точке стехиометрии, высокоомная область с точкой п=р, переходящая при максимальном избытке серы с увеличением концентрации собственных глубоких акцепторов в р-тип CdS. Последующее исследование свойств каждого кристалла, выращенного в исследуемом диапазоне и сопоставленого на расчетной диаграмме определенному набору СТД, подтвердило их соответствие. Так, ход зависимости измеренной электропроводности выращенных кристаллов, сопоставленный изменению собственно- дефектной структуры расчетной диаграммы продемонстрировал роль собственных доноров и акцепторов в изменении этих электро-физических свойств. В частности, продемонстрировано, что особенности изменения проводимости CdS n-типа определяются, как и связанного экситона J2, изменением концентрации межузельного кадмия.

На основе схемы Шоттки – Френкеля проведен детальный анализ дефектообразования в СdS с изменением температуры. Показано, что область существования соединения существенно сужается при повышении температуры роста кристаллов. По расчетным данным построена Р-Т-х диаграмма CdS, которая обобщает физико-химические свойства соединения. Р-Т-х диаграмма подтвердила двустороннюю область гомогенности, а также широкую область существования кристаллов п-типа СdS. Согласно Р-Т-х диаграмме определены условия роста кристаллов с заданными свойствами.

В работе продемонстрировано изменение положения уровня Ферми, который обычно закреплен вблизи уровней преобладающих типов дефектов в пределах собственно- дефектной структуры CdS. Обнаружено, что определенный тип собственных дефектов способствует “неконтролируемому” вхождению в кристалл кислорода.

Анализ дефектообразования лег в основу интерпретации в последующих главах особенностей оптических свойств тех же кристаллов в зависимости от типа собственных точечных дефектов.

Третья глава посвящена исследованию экситонной области спектра в зависимости от структурных особенностей и состава кристаллов CdS.

Как оказалось, оптические свойства монокристаллов CdS, выращенных в едином технологическом цикле при одной и той же температуре, зависят не только от состава СТД, но изменения при отклонении от стехиометрии кристаллической структуры. В связи с этим в работе проведены исследования в РЭМ морфологии, микроструктуры и микро состава каждого образца, выращенного в пределах области гомогенности. Изучение структуры кристаллов в РЭМ проводилось при сопоставлении с диаграммой равновесия СТД.

Кристаллы можно разделить на три группы. Первая- это образцы стехиометрического состава наиболее совершенные по структуре и образующие идеально мозаичный монокристалл с блоками до 200 и более мкм. К ним близки кристаллы CdS с небольшим избытком кадмия, выращенные в области: от точки стехиометрии до Рдис. Они очень однородны в объеме с блоками ~100мкм без дефектности на границах срастания. Вторая группа объединяет кристаллы, выращенные с достаточным избытком серы. Для этих кристаллов типична, разориентация блоков разного размера 10-1 мкм, а при больших избытках серы – пористость. И третья группа – кристаллы с большим избытком кадмия. Кристаллы обнаруживают неоднородность в объеме и микро выделения, в основе которых избыточный кадмий.

Для образцов второй и третьей групп с предельным содержанием СТД следует отметить особенности их структуры. Это прежде всего кристаллы р-типа проводимости CdS с большим избытком собственных акцепторов VCd. Изучение структуры таких кристаллов в РЭМ показало, что кристаллы представляют собой хрупкую губку, пористую благодаря коагуляции VCd. Избыточная сера в них при контакте с воздухом удаляется в виде газообразного SO2, что дает дополнительные поры. В результате вторичных превращений состав таких кристаллов может уже не соответствовать р-типу CdS. Это объясняет нестабильность и сложность получения по литературным данным CdS р-типа проводимости.

Следует отметить также кристаллы с большим избытком Сd, особенно после облучения их высокоэнергетическими пучками в период съемки спектров импульсной катодолюминесценции. Избыток Cd при распаде неравновесного твердого раствора выходит на поверхность в виде стержней. На воздухе стержни окисляются с образованием на конце CdO – кристалликов характерной кубической формы. В результате, на поверхности таких образцов имеются множественные нано-образования оксида.

Помимо СТД и кристаллической структуры еще одним из не контролируемых обычно факторов, является кислород. Для исследуемой нами группы кристаллов проведен анализ на кислород. Сопоставление этих данных с диаграммой СТД показало, что максимальное количество кислорода OS входит в кристалл при компенсации Cdi •. Предположение, что кислород за счет объемной и частично зарядовой компенсации стабилизирует SA центры, включающие межузельный кадмий, впервые получило экспериментальное подтверждение.

Изучение концентрации кислорода в кристаллах, выращенных при известных давлениях PS2 (PCd), позволило построить фазовую диаграмму, характеризующую равновесие в cистеме CdS-CdO-CdSO4. Это определило возможную растворимость кислорода в условиях роста наших кристаллов ~1019 – 2·1020см -3. Расчетные данные подтверждены анализами на кислород.



Pages:   || 2 | 3 |
 

Похожие работы:










 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

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.