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 | 4 | 5 |   ...   | 7 |

Тепловые и акустические свойства соединений ii-vi с примесями 3d – переходных металлов

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

ЛОНЧАКОВ Александр Трофимович

ТЕПЛОВЫЕ И АКУСТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СОЕДИНЕНИЙ

II-VI С ПРИМЕСЯМИ 3d ПЕРЕХОДНЫХ МЕТАЛЛОВ

01.04.07 – физика конденсированного состояния

01.04.10 – физика полупроводников

А в т о р е ф е р а т

диссертации на соискание ученой степени

доктора физико-математических наук

Екатеринбург – 2010

Работа выполнена в Ордена Трудового Красного Знамени

Институте физики металлов УрО РАН

Научный консультант: доктор физико-математических наук

Соколов Виктор Иванович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор

Мазуренко Владимир Гаврилович

доктор физико-математических наук, профессор

Раданцев Виктор Федорович

доктор физико-математических наук

Митрофанов Валентин Яковлевич

Ведущая организация: Институт физики полупроводников им. А.В. Ржанова СО РАН,

г. Новосибирск

Защита состоится « 8 » октября 2010 года в 15.00 на заседании диссертационного совета Д 212.285.02 по защите докторских диссертаций при ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н.Ельцина» в аудитории I главного учебного корпуса.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н.Ельцина».

Ваш отзыв на автореферат в одном экземпляре, заверенный гербовой печатью, просьба высылать по адресу: 620002, г.Екатеринбург, ул.Мира, 19, ФГАОУ ВПО УрФУ, ученому секретарю университета.

Автореферат разослан « » ___________ 2010 года.

Ученый секретарь диссертационного совета,

доктор физико-математических наук,

профессор Г.И.Пилипенко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Полупроводниковые соединения элементов второй и шестой групп таблицы Менделеева уже на протяжении полувека занимают видное место в физике и технике полупроводников, являясь одними из наиболее важных и перспективных материалов для ряда быстро развивающихся областей науки и техники, в особенности оптоэлектроники, квантовой радиофизики, акустоэлектроники. Это связано главным образом с тем, что соединения этого класса обладают различными значениями ширины запрещенной зоны (от нулевых до нескольких электрон-вольт), что позволяет в весьма широких пределах варьировать их электрические, фотоэлектрические и оптические свойства. Значения проводимости веществ такого класса могут меняться от проводимости, соответствующей полуметаллу, до проводимости изолятора. Спектральная область фоточувствительности, люминесценции и лазерного излучения может изменяться от инфракрасного до ультрафиолетового участков спектров, а наличие прямозонных переходов делает возможным получение эффективного лазерного и люминесцентного излучения.

В последние годы в связи с развитием нанотехнологий, широкое распространение получили наноразмерные структуры на основе соединений AIIBVI – квантовые ямы и квантовые точки. Сейчас уже ясно, что применение подобных структур в оптоэлектронике позволит значительно улучшить качество приборов, например, снизить порог генерации инжекционных лазеров, что в конечном итоге приведет к повышению их эффективности.



Существуют, однако, нерешенные проблемы, которые в настоящее время мешают совершить прорыв в области создания оптоэлектронных устройств на основе соединений AIIBVI. К ним прежде всего относится проблема создания качественного p-n перехода в этих материалах, связанная с проблемой легирования кристаллов AIIBVI мелкими примесями. Например, до сих пор не решена задача получения проводимости р-типа в таких востребованных полупроводниковых матрицах, как селенид и оксид цинка. Другая, не менее важная проблема связана с природной дефектностью соединений AIIBVI. Под дефектами понимается наличие вакансий, остаточных примесей, образующих как мелкие, так и глубокие примесные уровни, различного вида дислокации и т.д.. Известно, что дефекты служат центрами разного рода безызлучательной рекомбинации, приводящей к размытию пика люминесценции, температурной и временной деградации прибора.

Кроме легирования полупроводников AIIBVI мелкими примесями (донорами и акцепторами) практическое и фундаментальное значение имеет легирование их примесями 3d- элементов. Эти примеси, образующие в полупроводниках AIIBVI и AIIIBV с ионно-ковалентными связями глубокие уровни, за счет своих энергетических состояний и спинов существенно изменяют оптические и магнитные свойства исходных материалов, приводя к новым возможностям их практического применения. Например, соединения ZnSe:Cr2+ и ZnSe:Fe2+ являются перспективными лазерными средами для разработки перестраиваемых твердотельных лазеров среднего (2-5мкм) ИК-диапазона [1,2], пригодных для дистанционного зондирования атмосферы.

Нельзя не отметить, что в последние годы появилось и сформировалось новое оригинальное направление исследования магнитных свойств соединений AIIBVI и AIIIBV, легированных 3d- примесями. Оно связано с интенсивным поиском в этих системах ферромагнитного упорядочения с температурой Кюри выше комнатной. Весьма обнадеживающим в этом отношении является, например, оксид цинка, легированный марганцем или кобальтом [3], арсенид галлия с примесью марганца. В связи с этим уже сейчас можно говорить о развитии целого направления в полупроводниковой электронике – спиновой электроники (спинтроники) [3,4]. Суть ее заключается в объединении функций зарядовой и спиновой степеней свободы. Такая комбинация должна привести к повышению функциональных возможностей существующих устройств. Основной задачей спинтроники является электрическое или оптическое управление магнитными состояниями, а также магнитное управление электрическими сигналами, что позволяет, в принципе, комбинировать операции обработки и получения информации в одном устройстве.

Отражением неослабевающего интереса к исследованию материалов II-VI в самых разнообразных аспектах является регулярное (раз в два года) проведение международных конференций по свойствам соединений II-VI. Последняя, 14-я по счету, состоялась в августе 2009г. в Санкт-Петербурге и собрала около трехсот участников из 26 стран.

Задачи практического применения соединений AIIBVI:3d в области спинтроники и лазерных технологий требуют всестороннего исследования их физических свойств. Важнейшими из них являются тепловые (решеточная и электронная теплопроводность, теплоёмкость) и акустические свойства. К последним относятся поглощение ультразвука и фазовая скорость распространения акустических колебаний, изменение которой связано с изменением соответствующих динамических модулей упругости. Упомянутые свойства будут проявляться в конкретных эффектах, которые можно разделить на три группы: кинетические (электронная и решеточная теплопроводность), термодинамические (теплоемкость, модули упругости) и акустические (поглощение ультразвука) эффекты. К моменту начала выполнения диссертационной работы ситуация в области физики соединений AIIBVI:3d сложилась таким образом, что сведения о перечисленных эффектах носили либо разрозненный (несистематический) характер (решеточная теплопроводность и теплоёмкость), либо вовсе отсутствовали (модули упругости, акустическое поглощение, электронная теплопроводность). Между тем известно, что исследования кинетических, термодинамических и акустических эффектов кристаллов дают ценную информацию о механизмах влияния примесей на динамику решетки, электронном энергетическом спектре примесных ионов, способствуют более глубокому пониманию роли и свойств дефектов решетки. Например, общепризнанно [5], что одним из эффективных методов исследования свойств дефектов является решеточная теплопроводность, которой посвящено две из пяти оригинальных глав настоящей диссертации.

Поэтому тема исследования является несомненно актуальной как с точки зрения выбранных объектов исследования – соединений II-VI, содержащих примеси переходных металлов, так и в плане предмета исследования – кинетических, термодинамических и акустических явлений в этих системах.

Как уже отмечалось, соединения II-VI, кристаллическая решетка которых образована за счет ионно-ковалентных связей атомов, являются представителями широкого круга полупроводниковых материалов. Поэтому в диссертации мы продолжаем пользоваться полупроводниковой терминологией и для соединений II-VI, содержащих примеси 3d- переходных металлов, называя их, как это принято в литературе [4,6], полумагнитными (или разбавленными магнитными) полупроводниками, а также используя уточняющие электронный энергетический спектр матриц термины “широкозонные” или “бесщелевые” полумагнитные полупроводники [6]. Однако, во-первых, следует иметь ввиду, что широкозонные полумагнитные полупроводники на самом деле являются диэлектриками (имеют равную нулю электропроводность). Во-вторых, необходимо подчеркнуть и другую специфику настоящей диссертации: исследованные в широкозонных полумагнитных полупроводниках при низких температурах физические эффекты (решеточная теплопроводность, теплоёмкость, изменение модулей упругости, акустическое поглощение) характеризуют типично диэлектрические свойства этих соединений, другими словами, свойства кристаллической решетки и влияние на них примесей переходных металлов. А это является согласно Номенклатуре специальностей ВАК предметом физики конденсированного состояния. C другой стороны, рассматриваемые в настоящей диссертации примеси и дефекты в полупроводниках, вопросы динамики кристаллической решетки и электрон-фононное взаимодействие, а также электронная теплопроводность бесщелевых полумагнитных полупроводников являются частью области исследования для специальности «Физика полупроводников». Таким образом, анализируя диссертацию на имеющее место ее отношение к двум специальностям, можно констатировать, что она выполнена на стыке специальностей «Физика конденсированного состояния» и «Физика полупроводников» при соответствии основного ее содержания первой из них.

Главная цель диссертационной работы состояла в исследовании электронных свойств 3d- примесей, особенностей динамики решетки и механизмов их взаимного влияния в соединениях II-VI кубической модификации.

Для достижения этой цели в работе была поставлена задача комплексного исследования кинетических, термодинамических и акустических эффектов в соединениях II-VI со структурой сфалерита, содержащих примеси 3d- переходных металлов.

Методы исследования. Для решения поставленной задачи в работе использовались следующие экспериментальные методы: метод решеточной и электронной теплопроводности, теплоёмкостной метод, ультразвуковые методы: исследование поглощения и фазовой скорости распространения акустических колебаний, термомагнитный метод: продольный эффект Нернста-Эттингсгаузена для выделения электронной компоненты теплопроводности.

Научная новизна диссертации заключается в использовании в ней комплексного подхода, объединившего экспериментальное исследование кинетических, термодинамических и акустических эффектов на одних и тех же объектах – полумагнитных полупроводниках на основе соединений AIIBVI кубической модификации.

– В рамках такого подхода для широкозонных полумагнитных полупроводников ZnX:M (X = Se, S, Te; M = Ni2+, V2+, Cu2+, Fe2+, Cr2+, Co2+) впервые проведено систематическое исследование теплопроводности при температурах ниже температуры Дебая.

– В этих же системах впервые исследованы симметрийные модули упругости и коэффициент поглощения ультразвука для продольных и обеих поперечных ультразвуковых волн.

– С помощью теплоёмкостного метода впервые выявлены низкоэнергетические возбужденные состояния для иона Ni2+ в ZnSe (с энергией 24см-1) и ZnTe (4.5 см-1), иона V2+

в ZnSe (6 см-1) и иона Fe2+ в HgSe (10.5 см-1).

– Предложен новый способ определения симметрии устойчивой ян-теллеровской конфигурации в кубических кристаллах AIIBVI:3d – по наличию пика в поглощении поперечной ультразвуковой волны определенной поляризации. Он основан на фундаментальном механизме орбитально-решеточного взаимодействия поперечной акустической волны с 3d- ионом, вызывающей напряжения (деформации) такой симметрии, которая совпадает с симметрией активных ян-теллеровских фононов.





– Впервые обнаружен и выделен парамагнитный вклад в модули упругости широкозонных полумагнитных полупроводников. По аналогии с парамагнитным вкладом в магнитную восприимчивость парамагнетиков для него введено понятие парамагнитной упругой (параупругой) восприимчивости.

– Для бесщелевых полумагнитных полупроводников впервые из эксперимента определена электронная составляющая теплопроводности (объект – селенид ртути, легированный железом), температурная аномалия которой получила количественную интерпретацию на основе теории резонансного рассеяния электронов в гибридизированных состояниях.

– В бесщелевых полумагнитных полупроводниках на примере селенида ртути с примесями железа и кобальта впервые исследована решеточная теплопроводность. Обнаружены и объяснены ее резонансно-подобные низкотемпературные аномалии.

– В перечисленных выше эффектах впервые обнаружен ряд аномалий, из которых наиболее значимыми являются следующие:

1. Гигантское тепловое сопротивление в кристаллах ZnSe:Ni2+ в окрестности 15К: увеличение теплосопротивления более чем в 200 раз по сравнению с чистым ZnSe;

2. Наличие при определенной температуре пика в поглощении поперечных ультразвуковых волн определенной поляризации, зависящей только от сорта 3d- иона;

3. Аномально сильное поглощение медленной поперечной ультразвуковой волны в кристаллах селенида цинка, легированного хромом, в десятки и сотни раз превышающее поглощение ультразвука в матрицах AIIBVI, содержащих другие 3d- ионы;

4. Уменьшение в широком интервале температур модулей упругости чистых полупроводников семейства AIIBVI при легировании их ян-теллеровскими 3d- ионами.

Практическая и научная значимость диссертационной работы состоит в следующем:

1. На примере полумагнитных полупроводников – соединений AIIBVI:3d показано, что низкотемпературную решеточную теплопроводность можно использовать как эффективный метод исследования расщепления основного орбитального состояния примесных 3d- ионов в структуре сфалерита. Этот метод допускает распространение и на другие ионы с частично заполненными внутренними оболочками в структуре сфалерита, а также вюрцита.

2. Найден простой способ оценки по температуре минимума теплопроводности энергетических зазоров в структуре расщепления основного орбитального состояния иона 3d- переходного металла в кубических кристаллах AIIBVI, основанный на установленной для соединений AIIBVI:3d корреляции в температурной локализации аномалий двух тепловых эффектов – термодинамического (максимума теплоёмкости от вклада Шоттки) и кинетического (резонансного минимума решеточной теплопроводности).

3. Предложен новый способ определения симметрии локальной ян-теллеровской

деформации в кубических кристаллах AIIBVI:3d – по наличию пика в поглощении поперечной ультразвуковой волны определенной поляризации. Этот способ, основанный на фундаментальном эффекте орбитально-решеточного взаимодействия такой акустической волны с 3d-ионами, можно использовать и в других ян-теллеровских системах.

4. Селенид цинка, легированный хромом, предложен в качестве главного элемента устройства поляризатора и анализатора поперечных акустических колебаний – аналога поляроида для световых колебаний.

5. Выявленное строгое соответствие температуры максимума поглощения ультразвука определенному 3d- иону и поляризации поперечной акустической волны можно применять на практике для идентификации того или иного 3d- иона в кубических матрицах AIIBVI.

6. Эффект аномально сильного поглощения ультразвука, обнаруженный в кристалле ZnSe:Cr2+, может быть использован на практике для обнаружения и измерения малых (до ~ 1015см-3) концентраций хрома в этом соединении.

7. Предложена согласованная количественная интерпретация температурной аномалии электронной теплопроводности и электропроводности для HgFeSe на основе теории резонансного рассеяния электронов в гибридизированных состояниях, позволяющая из подгонки теоретических зависимостей кинетических коэффициентов к экспериментальным надежно получать значения основных параметров таких состояний.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Эффект гигантского теплосопротивления в кристаллах ZnSe:Ni2+ обусловлен резонансным рассеянием акустических фононов на низкоэнергетических внутрицентровых состояниях иона Ni2+ в условиях сильного статического эффекта Яна-Теллера тригонального типа для основного орбитального триплета.

2. Низкотемпературная решеточная теплопроводность соединений AIIBVI:3d, благодаря своим резонансным аномалиям, является эффективным методом изучения структуры расщепления основного орбитально вырожденного электронного терма 3d-иона в тетраэдрическом окружении под действием спин-орбитального и ян-теллеровского взаимодействия.

3. Впервые выявленные с помощью теплоёмкостного метода ближайшие к основному возбужденные низкоэнергетические состояния ионов Ni2+ и Fe2+ в соединениях AIIBVI имеют следующие энергии: для иона Ni2+ в ZnSe – 24см-1, в ZnTe – 4.5см-1; для иона Fe2+ в HgSe – 10.5см-1.

4. Максимумы поглощения продольной и одной из поперечных ультразвуковых волн, обнаруженные в кристаллах AIIBVI c примесями 3d- металлов, имеют релаксационную природу. Полученная из эксперимента активационная температурная зависимость времени релаксации в этих соединениях является следствием спин-решеточной релаксации посредством механизма Орбаха-Аминова, в котором энергия активации имеет смысл энергии промежуточного состояния 3d-иона, расположенного над релаксирующими состояниями.

5. Максимум в поглощении медленной поперечной ультразвуковой волны, распространяющейся в кубических соединениях II-VI с примесями 3d- переходных металлов, является индикатором тетрагональных ян-теллеровских искажений вблизи 3d- иона (деформаций Е- типа), а максимум в поглощении быстрой поперечной волны – тригональных искажений (деформаций Т2 - типа).

6. Энергии внутрицентровых состояний для иона Ni2+ в ZnSe (65см-1) и ZnТe (20см-1), полученные из ультразвуковых экспериментов, дополняют энергии соответственно 24см-1 и 4.5см-1, полученные из анализа вклада Шоттки. В совокупности эти энергии определяют положения двух ближайших к основному спиновому синглету низкоэнергетических уровней иона Ni2+ в данных матрицах.

7. Обнаруженная в соединениях AIIBVI:3d общая температурная аномалия динамических модулей упругости находит качественное объяснение в рамках концепции парамагнитной упругой (параупругой) восприимчивости: уменьшение обратной параупругой восприимчивости с убыванием температуры для крамерсовских 3d-ионов и ее насыщение для некрамерсовских ионов может быть объяснено вкладом соответственно от диагональных (низкокочастотных) и недиагональных (высококочастотных) матричных элементов операторов, описывающих взаимодействие ультразвуковых колебаний с парамагнитным ионом.



Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 7 |
 

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.