Впервые изучены оптические и электрофизические свойства бинарных и многокомпонентных полупроводников системы CdS–CdTe: на основе ультрафиолетовых (УФ) и комбинационно рассеянных (КР) спектроскопических исследований определены значения частот примесной (характеризующих гексагональную модификацию) и межзонной люминесценций, значения ширины запрещенной зоны.
В работе анализируются результаты исследований объемных физико–химических свойств твердых растворов и бинарных компонентов системы CdS-CdTe. Подобно другим сложным системам на основе алмазоподобных полупроводников [1–3], данная система интересна как перспективная для получения новых адсорбентов, катализаторов, материалов современной отпто–, микроэлектроники, нано–, сенсорной техники, включая сенсоры — датчики экологического назначения [2]. Создание таких материалов основывается на необходимых сведениях об объемных и поверхностных физико-химических свойствах поверхности полупроводников. Целью данной работы явилось получение новых сведений об объемных свойствах полупроводников системы CdS–CdTe.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Oбъектами исследования служили тонкодисперсные CdS, СdTe, а также их твердые растворы (CdS)х (CdTe)1-х (х = 0.16; 0.24; 0.5; 0.61).
Твердые растворы получали методом изотермической диффузии бинарных соединений (CdS, CdTe) в вакуумированных запаянных кварцевых ампулах при температурах, близких к температуре плавления более легкоплавкого компонента (CdTe) [3]. Об образовании твердых растворов судили по результатам рентгенографических исследований (дифрактометр ДРОН — 3, CuКα,β — излучение).
Оптические и электрофизические свойства изучали методами УФ– и КР–спектроскопии.
УФ–спектры регистрировали на спектрофотометре UV-2501PC фирмы «Shimadzu» c приставкой диффузного отражения ISR–240A в диапазоне 190–900 нм с разрешением 1 нм; спектры комбинационного рассеяния (КРС) — на Рамановском Фурье–спектрометре BRUKER RFS–100/s (длина волны возбуждающего лазера λ = 785 нм, мощность — до 100 мВт, спектральное разрешение — 3 см–1).
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
УФ–спектры твердых растворов с избытком теллурида кадмия (рис. 1) имеют форму, сходную со спектром сульфида кадмия, а также ярко выраженное плечо в интервале длин волн 550–725 нм, обусловленное возникновением экситонного эффекта [1–4].
Рис. 1. УФ–спектры компонентов системы CdS — CdTe: 1 — CdS; 2 — (CdS)0.16(CdTe)0.84; 3 — (CdS)0.24(CdTe)0.76; 4 — (CdS)0.5(CdTe)0.5; 5 — (CdS)0.6(CdTe)0.4; 6 — CdTe
Рассчитанные по полученным УФ–спектрам значения ширины запрещенной зоны (ΔЕ) представлены в табл. 1 и на рис. 2. Анализ этих результатов показывает: значения ширины запрещенной зоны бинарных компонентов практически совпадают с литературными данными. Для сульфида кадмия ΔЕ равна 2.44 эВ (табличное значение — 2.4–2.53 эВ), а для теллурида кадмия — 1.51эВ (табличное значение — 1.49–1.5 эВ).
Зависимость ширины запрещенной зоны компонентов системы CdS–CdTe от состава имеет нелинейный характер, с максимумом при ХCdS = 0.16 и минимумом при ХCdS = 0.61 (табл. 1, рис. 2), что характерно для твердых растворов, образованных полупроводниковыми соединениями [1–4].
Таблица 1
Значения ширины запрещенной зоны компонентов системы CdS — CdTe
|
Мол. доля CdS (Х CdS) |
Ширина запрещенной зоны, ∆Е, эВ. |
|
0 |
1,51 |
|
0,16 |
2,25 |
|
0,24 |
2,13 |
|
0,5 |
1,63 |
|
0,6 |
1,64 |
|
1 |
2,44 |
В настоящее время не существует строгой теории, способной объяснить отклонение ∆Е(x) от линейной зависимости. Используют два приближения: диэлектрическую модель Ван–Вехтена и Бергштрессера [3–8] и модель псевдопотенциала Хилла и Ричардсона. Авторы первой модели считают, что определяющую роль в отклонении ∆Е(x) от линейной зависимости для твердых растворов играют флуктуации кристаллического потенциала, вызванные хаотическим расположением замещающих атомов. По мнению авторов второй модели, это отклонение является следствием нелинейных свойств кристаллического поля. Обе модели, хотя и исходят из различных физических предпосылок, удовлетворительно описывают экспериментальные данные для твердых растворов как на основе бинарных, так и на основе тройных соединений.
Рис. 2. Зависимость ширины запрещенной зоны компонентов системы CdS–CdTe от состава
Таблица 2
Значения частот примесной (νp), межзонной люминесценций (νm) и максимума интенсивности излучения (I) компонентов системы CdS-CdTe
|
Мол. доля CdS (Х CdS) |
νm, см-1 / нм |
I, отн. ед. |
νp см-1/нм |
I, отн. ед. |
|
0 |
3789/658 |
0,007 |
106/800 |
0,008 |
|
0,16 |
3543/618 |
0,10 |
6/808 |
0,015 |
|
0,24 |
3757/610 |
0,035 |
8/810 |
0,01 |
|
0,5 |
3691/690 |
0,012 |
9/809 |
0,018 |
|
0,6 |
3715/694 |
0,006 |
5/808 |
0,004 |
|
1 |
4000/580 |
0,4 |
6,9/812 |
0,01 |
Конкретный характер зависимости ∆Е(x) во многом определяется типом зонной структуры соединений-партнеров, то есть положением их энергетических долин в пространстве квазиимпульсов (k-пространстве). В частности, излом зависимости ∆Е(x) наблюдается в тех твердых растворах, в которых исходные бинарные соединения имеют зонные структуры различных типов, то есть различное расположение главных энергетических минимумов зоны проводимости в k-пространстве.
В соответствии с этим, минимум и максимум на полученной зависимости ∆Е от состава системы CdS–CdTe ∆Е(x) можно объяснить различием в типах зонных структур и накоплением дефектов при взаимодействии исходных бинарных соединений.
На основе УФ–спектроскопических исследований было также показано УФ — свет, поглощаемый компонентами системы CdS–CdTe преобразуется, в зависимости от состава, в зеленое, голубое, желтое и красное излучение. Такой факт позволяет говорить о возможности их практического применения в качестве материалов для УФ–преобразователей и УФ–детекторов.
На рис. 3представлены спектры комбинационного рассеяния (КР–спектры) компонентов изучаемой системы CdS — CdTe, экспериментально полученные в областях антистоксовского (0–500 см-1) и стоксовского (0–4000 см-1) излучений.
Рис. 3. Спектры комбинационного рассеяния компонентов системы СdS–CdTe: 1 — CdS; 2 — CdTe; 3 — (CdS)0.16(CdTe)0.84; 4 — (CdS)0.24(CdTe)0.76; 5 — (CdS)0.5(CdTe)0.5; 6 — (CdS)0.6(CdTe)0.4
При анализе спектров комбинационного рассеяния выявлено изменение относительной интенсивности, уширение пиков излучения и их смещение с увеличением содержания CdS, что является следствием изменения координационного окружения атомов исходных бинарных компонентов, ширины запрещенной зоны и, в согласии с вышесказанным, свидетельствует об образовании твердых растворов замещения [6].
В КР–спектрах твердых растворов и бинарного компонента сульфида кадмия в антистоксовской области присутствуют узкие пики (характеризующие примесную люминесценцию), соответствующие частотам колебаний кристаллической решетки гексагональной модификации. Это так же является косвенным подтверждением образования твердых растворов [7].
При возбуждении излучением лазера на одной длине волны λ = 745 нмлюминесценция (межзонная) бинарных компонентов и твердых растворов системы CdS–CdTe отличается интенсивностью. С увеличением содержания CdS и ростом ширины пиков люминесценции (рис. 3) а их интенсивность изменяется через максимум, приходящийся на твердый раствор состава (CdS)0.16(CdTe)0.84.
Изменение частот люминесценции компонентов системы CdS–CdTe (табл. 2), характеризуют изменение частот оптических переходов (межзонной люминесценции), говорит об изменении ширины запрещенной зоны при образовании твердых растворов [5–8]. Рассчитанные на основе КР–спектров значения ширины запрещенной зоны для CdTe, (CdS)0.16(CdTe)0.84; (CdS)0.24(CdTe)0.76, CdS составляют 1.5; 2.18; 2.01; 2.49 эВ соответственно и находятся в хорошем согласии с результатами определения ширины запрещенной зоны на основе УФ — спектроскопических исследований.
При изучении КР-спектров исследуемой системы (табл. 2, рис. 3) обнаружено: твердые растворы (CdS)х (CdTe)1-х ибинарные компоненты (CdS, CdTe) испускают спектры люминесценции красного, оранжевого и желтого свечения (580–722 нм). Материалы, обладающие такими свойствами, целесообразно использовать для изготовления приборов в оптоэлектронике и нанотехнике (излучательных лазеров, солнечных батарей и светодиодов).
Таким образом на основе результатов УФ– и КР–спектроскопических исследований удалось
- подтвердить образование в системе CdS–CdTe твердых растворов замещения гексагональной модификации;
- определить значения ширины запрещенной зоны и интервалы спектров свечения компонентов системы CdS — CdTe;
- установить: за интенсивность люминесценции и центры свечения, в свою очередь, ответственны дефекты (вакансионные и структурные), а также избыточные атомы полупроводниковых материалов.
Литература:
1. Кировская И. А. Твердые растворы бинарных и многокомпонентных полупроводниковых систем. — Омск, ОмГТУ, 2010–400с.
2. Кировская И. А. Поверхностные свойства бинарных алмазоподобных полупроводников. — Омск, ОмГТУ, 2012–416с.
3. Кировская И. А. Адсорбционные процессы. — Иркутск, ИГУ, 1995–300с.
4. Левшин Л. В.,. Салецкий А. М Оптические методы исследования молекулярных систем. Молекулярная спектроскопия. — М., МГУ, 1994 — ч. I. — 320с.
5. Карпов С. В.,. Новиков Б. В, Смирнов М. Б., Давыдов В. Ю. и др. // ФТП, 2011–Т. 53– №.7– с.1359
6. Косяченко Л. А., Склярчук В. М., Склярчук О. В., Маслянчук О. Л. // ФТП, 2011– Т.45 № 10 — с. 1323
7. Накамото К. ИК- спектры и спектры КР неорганических и координационных соединений –М., Мир, 1991 –536с.
8. Валеев Р. Г., Романов Э. А., Воробьев В. Л., Гильмутдинов В. Ф.// ХФМ, 2011–Т. 13 –№ 4 — с. 540
