Оптическая спектроскопия легированных хромом полупроводниковых шпинелей CdIn2┤S4 и ZnAl2┤S4

• Автор: Попов, Сергей Михайлович
• Шифр специальности: 01.04.10
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 1994
• Место защиты: Кишинэу
• Количество страниц: 154 с. : ил.

Глава 1 ОСНОВНЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СЕРНЫХ ШПИНЕЛЕЙ И ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ ЛАЗЕРНЫХ СРЕД С ПРИМЕСЬЮ ХРОМА ( ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ ).

1. 1 Получение и кристаллическая структура СсИп234 и гпА12Б4

1. 2 Электронные состояния с! -ионов в октаэдрическом окружении.

1.2.1 Диаграммы Танабе-Сугано

1.2.2 Диаграмма адиабатических потенциалов в конфигурационных

координатах. Несовершенство полуклассического

приближения

1.2.3 Оптические переходы с участием ионов Сг в различных материалах

Глава 2 ВНУТРИЦЕНТРОВАЯ ЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ ИОНОВ Сг3+ В МОНОКРИСТАЛЛАХ

полупроводниковой шпинели саіп2Б4:сг.

2.1 Измерительный комплекс для исследования излучателъных характеристик. Образцы и условия эксперимента
2.2 Стационарная фотолюминесценция монокристаллов С61п2Б4:Сг
2.3 Тонкая структура И-компоненты спектра в СсІІп^^Сг
2.4 Кинетические зависимости внутрицентрового излучения
34ИОНОВ Сг в С61п284:Сг
Глава 3 ОПТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МОНОКРИСТАЛЛОВ ШПИНЕЛИ
3.1 Оптическое поглощение нелегированных и легированных хромом монокристаллов а-2пА12Б4
3.2 Комбинационное рассеяние света в монокристаллах
гпА1234 кубической структуры
3.3 Стационарная фотолюминесценция серной шпинели
2пА12Б4:Сг
Ф 3.4 Разрешённые во времени спектры фотолюминесценции
монокристаллов а-гпА1234:Сг
Глава 4 ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ОПТИЧЕСКИХ ПЕРЕХОДОВ ИОНОВ Сг3+ В МОНОКРИСТАЛЛАХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ШПИНЕЛЕЙ СсИп^^Сг И
гпА12Э4:Сг ( ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ).
4. 1 Полуклассическое приближение.
4.1.1 Стационарное излучение
4.1.2 Кинетические характеристики фотолюминесценции

4.2 Природа и -компоненты спектра в СбІг^Б^Сг
4.3 Квантово-механический подход
4. 4 Конфигурационная диаграмма ионов Сг в монокристаллах
полупроводниковой шпинели С<іІп234:Сг и 2пА12Б4:Сг
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА
ПРИЛОЖЕНИЕ
П.1 Спин-орбитальное взаимодействие
П,2 Электронно-колебательное взаимодействие
П. 3 Матрица оператора электрон-фотонного взаимодействия
П. 4 Решение динамической вибронной задачи
П.5 Расчёт форм-функций полос люминесценции
П. 6 Программа расчёта спектров люминесценции для Сс11п234:Сг

В последнее десятилетие отмечается интенсивное развитие ® исследований в области поиска и спектроскопии новых твёрдотельных
сред - кристаллов, керамик и стёкол - активированных примесью хрома, что обусловленно возможностью создания на их основе лазеров с перестраиваемой длиной волны генерации, работающих при комнатных температурах на электрон-фононных переходах ионов Сг3+.
Оптические спектры трёхвалентных ионов хрома, в особенности излучательные характеристики, определяющие возможность использования материала в качестве активной лазерной среды, зависят от кристаллического поля матрицы, сформированного ионами ближайшего окружения атома примеси и меняются от материала к материалу. Высокая ® чувствительность основных характеристик люминесценции ИОНОВ СГ3+ к внутрикристаллическому полю при малой концентрации парамагнитной примеси, позволяет осуществить селективную спектроскопию ( зондирование ) некоторых особенностей кристаллической структуры самой матрицы. Это относится, например, к материалам со структурой шпинели, которым присущ ряд собственных структурных дефектов,
влияющих на оптические спектры трёхвалентных ионов хрома.
В типичном представителе серных шпинелей Сс11п234 дефектность вызвана, главным образом, частичной обращённостью шпинельной
структуры ( т. е. позиционным разупорядочением катионной подрешётки ) ф степенью которой можно управлять путём дополнительных технологических обработок кристалла. Помимо обращённости в халькогенидных
шпинелях вероятны собственные дефекты, связанные с образованием
Ш . . .
^ вакансии в анионной подрешетке. По этим причинам легированное хромом соединение СсИп2Б4 представляется удобным объектом для исследования

На рис.15 представлены спектральные зависимости коэффициента поглощения а от энергии фотонов Ьн при температурах 300 и 80 К специально не легированных образцов гпА12Б4> расчитанные по формуле:

1п ( 1х / 12 ) й2 - <*1
(3.1)
где I и 1^ - интенсивности прошедшего света для двух образцов с
толщинами и Как видно из рисунка в области энергий 1п> < 3,5
еВ коэффициент поглощения а относительно слабо зависит от энергии
фотонов, в то время как при больших энергиях наблюдается рост
-1 3
поглощения от а “ 30 см до 10 см На вставке к рис.15 показаны
1 /2
эти же данные, построенные в масштабе а от Ън. Наличие на графике двух прямолинейных участков для каждой температуры позволяет сделать ® вывод о том, что поглощение обусловлено непрямыми переходами. Первый ф линейный участок связан с оптическими переходами, сопровождающимися поглощением фонона, а второй, более крутой - с испусканием фонона. Коэффициент поглощения в этом случае имеет вид [80]:

- Е^ПСЇ- Е )2 (1п> - Е^ПЙ+ Е )2
2 Е_+
_ 1-ехр(-Ер / кТ)
ехр( Ер / кТ )
,Ь.і? > Е + Е (3.2а) Я Р
где Е - ширина непрямой запрещённой зоны, Е - энергия фонона, А -2 Р
функция слабо меняющаяся с частотой 1п>. Первое слагаемое описывает процесс поглощения света с испусканием фонона, а второе - с поглощением фонона. В диапазоне энергий Ер< Ън < ЕдПа+ Ер
выражение (3.2а) приобретает вид [80]:

(Ьн - Е*па+ Ер)2 ехр( Ер / кТ )
(3.26)