Электронные и колебательные состояния, индуцированные примесями 3d-металлов в нанопорошках и тонких плёнках оксида и халькогенидов цинка

• Автор: Груздев, Никита Борисович
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Екатеринбург
• Количество страниц: 157 с. : ил.

ВВЕДЕНИЕ
1. ЭКСИТОННЫЕ СОСТОЯНИЯ В МОНОКРИСТАЛЛАХ И НАНОМАТЕРИАЛАХ ОКСИДОВ И ХАЛЬКОГЕНИДОВ ЭЛЕМЕНТОВ II ГРУППЫ С ПРИМЕСЯМИ 3 сГПЕРЕХОДНЫХ МЕТАЛЛОВ.
1.1 Свободные экситоны. Примеры наблюдения экситонных
состояний в кристаллах
1.2 Примесные экситоны как способ исследования кристаллов оксида цинка и халькогенидов цинка и кадмия
с примесями переходных элементов
1.3 Теоретические основы метода электропоглощения
2. ОБРАЗЦЫ И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ
2.1 Методы приготовления образцов для исследований
2.2 Методы исследования материалов. Блок-схема установки для исследования образцов методом электропоглощения
2.3 Обработка экспериментальных данных. Достоверность полученных результатов
3. ОПТИЧЕСКИЕ СПЕКТРЫ НАНОПОРОШКОВ И ТОНКИХ ПЛЁНОК
3.1 Наблюдение экситонных состояний в нанопорошках и тонких плёнках СщО, ZnO и Zn0.99Mn0.01O
3.2 Люминесценция нанопорошков ЪпО и Zn0.99Mn0.01O
3.3 Выводы по главе
4. ЭКСИТОННО-КОЛЕБАТЕЛЬНАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ ОКСИДА И ХАЛЬКОГЕНИДОВ ЦИНКА С ПРИМЕСЯМИ ПЕРЕХОДНЫХ МЕТАЛЛОВ (гп|.хМіхБ, Zn|_xNixTe, Zn1.xC0.4O, Znl.xNixSe)
4.1 Спектры электропоглощения
4.2 Донорный уровень иона кобальта в соединении Zn|_xCoxO
4.3 Локальное колебание в теллуриде цинка, Обусловленное заряженной примесью никеля
4.4 Колебательные состояния в структурно искажённых кристаллах (комбинационное рассеяние света)

4.5. Выводы по главе ,
ЗАКЛЮЧЕНИЕ. ВЫВОДЫ
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ
ОТ АВТОРА
СПИСОК ОСНОВНЫХ ПУБЛИКАЦИЙ АВТОРА
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 14

ВВЕДЕНИЕ
В последнее время возрос интерес к оксиду и халькогенидам цинка с
примесями Зб-металлов. Многоэлектронные примесные центры Зс1-металлов в
конденсированных средах имеют свои собственные атомные уровни и спин, что
существенно изменяет физические свойства материалов, обуславливая их
возможные практические приложения. Так,! соединение 2п1_хСгх8е является
перспективным материалом для создания инжекционных лазеров в области длин
волн 2 - 3 мкм на внутрицентровых переходах ионов Сг2+ [1,2]. При оптическом
возбуждении лазеры на 7пЬхСгх8е работают при комнатной температуре в
импульсном и непрерывном режиме [2]. В соединениях 2п1_хСохО, 2п|_хМпхО
проявляется ферромагнитное упорядочение с температурой Кюри выше
комнатной температуры. Поэтому данные материалы являются перспективными
для создания приборов спинтроники [3,4], что является амбициозной прикладной
задачей нашего времени. В последние годы выявилось существенное различие
оптических свойств оксидов Zn1_xMnxO по сравнению, например, с сульфидами
Zni.xMnj.S- В монокристаллах Zn|.xMnxS внутрицентровые переходы ионов Мп2т
наблюдаются в виде чёткой структуры узких слабых линий в области 2 - 3,5 эВ в
спектре оптического поглощения и одной линии 2,1 эВ в спектре
фотолюминесценции. В монокристаллах же Zn1_xMnxO наблюдается широкая
интенсивная бесструктурная полоса в области 2 - 3 эВ в спектре поглощения [5] и
нет узкого пика 2,1 эВ в спектре фотолюминесценции [6]. В работах [7,8]
наблюдалось заметное уменьшение ширины запрещенной зоны Её Zn|.sMnxO для
малых значений х, в то время как теория предсказывает её рост [9]. Возможно,
что причина различия оптических свойств оксида и халькогенидов цинка состоит
в том, что в соединении ZnI_xMnxO из-за меньшего катион - анионного расстояния
(1.99 А против 2.343 А в Zn|.xMnxS) сильнее проявляется гибридизация б-

состояний ионов Мп2+ с р-состояниями ионов О2". В связи с этим автор [9] отнёс

энергию связи одного экситона: 2тп =-^-, а за единицу длины- соответствующий
боровский радиус ав = —, то уравнение (1.3) запишется в виде:
(1у2_;;+1Жг)=0 (1.4)

Приведённое поле е направлено вдоль оси ъ и измеряется в приведённых единицах:
е = Мйж (1-5)
2 йл.
Это поле составляет примерно 1/4 отношения потенциальной энергии локализованного носителя на расстоянии экситонной орбиты к энергии связи экситона. Если это отношение имеет величину порядка единицы (е = У) ,то поле
разрушает водородоподобное состояние, уменьшая его время жизни, что приводит к уширению бесфононной линии поглощения. В этом случае в спектре электропоглощения (ЭП) наблюдаются два положительных пика, а между ними-глубокий отрицательный, совпадающий по своему положению с центром линии поглощения. Но если поле слабо для ионизации примесного экситона, то наблюдается квадратичный эффект Штарка, т.е. сдвиг линии поглощения в сторону меньших энергий. Тогда в спектре ЭП наблюдаются примерно равные по величине положительный и отрицательный пики [66].
Так как протяжённость волновой функции водородоподобного носителя на порядок больше, чем ё-электрона, то можно считать, что электрические поля 10-40 кВ/см влияют на линии внутрицетрового поглощения Зё-примесей значительно слабее, чем на линии примесных экситонов. Практика подтверждает правильность такого предположения. Таким образом, метод ЭП обладает избирательным действием.
В настоящей работе к исследуемым образцам прикладывается переменное электрическое поле Р = Рт сон О;. Для выделения квадратичного по полю эффекта Штарка регистрировался переменный сигнал на частоте 20. На данной установке