CC BY
20
УДК 538.915
ИССЛЕДОВАНИЕ СПЕКТРАЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ИК ЛАЗЕРОВ НА ОСНОВЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВ AIIBVI, ЛЕГИРОВАННЫХ ИОНАМИ
ГРУППЫ ЖЕЛЕЗА
И. С. Курчатов1, Н.А. Булычев2, А. В. Бундюк1, М. А. Казарян2, Д.М. Кустов1
Исследованы спектральные закономерности энергетической структуры ионов Co2+, Ni2+ и Fe2+ в полупроводниковых материалах ZnO, ZnS, ZnSe, ZnTe, CdO, CdS, CdSe, CdTe и соотношение этих структур с шириной запрещенной зоны. Оцениваются возможности получения лазерного эффекта на этих материалах в диапазоне 1.5-3 микрона.
Ключевые слова: полупроводниковые лазеры, ионы группы железа, энергетическая структура, интенсивности переходов.
Исследование спектральных закономерностей ионов группы железа Со2+, Fe2+, Ni2+ приобретает большое значение в связи с тем, что молекулярные структуры с этими ионами имеют ИК люминесценцию и могут позволить получить лазерную генерацию в диапазоне прозрачности оптических волокон 1.5-3 микрона. Кроме этого, перенастраиваемые в широком диапазоне твердотельные лазеры востребованы для научных, технологических и медицинских целей.
Нами были рассчитаны значения энергетических уровней и положение полос люминесценции для массива кристаллов A11 BVI (конкретно, для CdO, CdS, CdSe, CdTe, ZnO, ZnS, ZnSe, ZnTe), легированных ионами группы железа Co2+, Ni2+ и Fe2+. Общая теория лигандной структуры окружения ионов группы железа разработана в работах [1, 2].
При расчете мы использовали матрицу всех взаимодействий электронной конфигурации d7 120x120 для соединений иона кобальта, d6 210x210 для - иона железа и d8
1 Национальный исследовательский университет "МЭИ".
2 ФИАН, 119991 Россия, Москва, Ленинский пр-т, 53; e-mail: nbulychev@mail.ru.
40x40 для - иона никеля, с параметризацией значений параметров кристаллического поля В, С, Дд и 13 параметров кристаллического поля низкой симметрии [3, 4]. В упомянутых расчетах симметрия окружения ионов в кристаллах Л11 ВУ1 тетраэдрическая, поэтому можно ограничиться одним параметром кристаллического поля Дд.
Каждый из исследованных материалов, легированных Со2+ , имеет по четыре полосы люминесценции в диапазоне от 1500 до 2250 нм на нижнем краю окна прозрачности. Также легированные Со2+ ZnO и ZnS имеют по четыре полосы в диапазоне от 2500 до 3000 нм, а легированный Со2+ CdO имеет две полосы в границах 2750-3000 нм диапазона. На рис. 1 приведены данные по нижним (коротковолновым) полосам иона Со2+ в кристаллах полупроводников Л11 В У1.
Рис. 1: Длины волн переходов иона Ов2+ в кристаллах ZnO, ZnS, 2п8с, ZnTe, Ойй, ОйБ, CdSe, CdTe.
На рис. 2 приведены данные по нижним (коротковолновым) полосам иона №2+ в кристаллах полупроводников Л11 В У1.
Каждое соединение, легированное №2+, имеет по четыре полосы люминесценции в диапазоне от 1750 до 2500 нм, в центре окна прозрачности оптических волокон. Кроме того, в окно прозрачности на нижнем его краю попадает одна из коротковолновых полос люминесценции CdTe, легированного
На рис. 3 приведены данные по нижним (коротковолновым) полосам иона Ре2+ в кристаллах полупроводников
Л11 В У1.
500-,
1000
1500
й
2000
2500
3000
Ъх Ю Ъ. 18 Ъх\ 8е Ъъ Те Сс 10 С< 18 Сс1 8е Сс 1 1 Те
Рис. 2: Длины волн переходов иона М2+ в кристаллах ZnS, 2п8с, ZnTe, Ойй,
ОйБ, CdSe, CdTe.
5001000 1500 2000-
е
й 250030003500 40004500-
Ъх [О Ъх 18 Ъп Бе Ъх\ Те Сс Ю С( 18 Сс 8е Сс 1 1 [Те
Рис. 3: Длины волн переходов Fe2+ в кристаллах ZnO, ZnS, ZnSe, ZnTe, CdO, CdS, CdSe, CdTe.
По сравнению с материалами, легированными кобальтом и никелем, легированные железом полупроводники имеют гораздо меньше полос люминесценции в окне прозрачности оптических волокон 1.5-3 мкм. Только ZnO, ZnS и CdO, легированные име-
ют полосы на краю окна прозрачности 2500-3000 нм. Полосы люминесценции остальных материалов имеют слишком большую длину волны, чтобы попасть в пределы окна.
зЗаключение. С использованием нового способа аппроксимационной параметризации матриц, нами были определены длины волн переходов ионов Co2+, Ni2+ и Fe2+ в полупроводниковых материалах ZnO, ZnS, ZnSe, ZnTe, CdO, CdS, CdSe, CdTe. Полученные расчетные значения спектральных областей люминесценции совпадают со значениями, полученными в ранее выполненных экспериментальных исследованиях, что подтверждает правильность выбранного метода расчета.
Полученные результаты позволяют целенаправленно выбирать из всего рассчитанного массива переходов в материалах
AIIBVI
, легированных Ni2+, наиболее подходящие для создания ИК лазеров с требуемыми значениями длины волны и спектральными характеристиками излучения, перестраиваемых в широком диапазоне длин волн.
Показано, что применяемый метод расчета энергетических уровней и полос люминесценции позволяет исследовать и другие аналогичные системы.
Работа выполнена при частичной поддержке грантов РФФИ 15-02-03559-а, 14-02-00602-а, 14-02-31515 мол-а, 14-02-92019 ННС-а.
ЛИТЕРАТУРА
[1] Е. Ф. Кустов, Известия академии Инженерных Наук им. А.М. Прохорова, № 1, 92 (2013).
[2] E. F. Kustov, V. M. Novotortsev, M. E. Kustov, Russian Journal of Inorganic Chemistry 58(14), 1624 (2013).
[3] Е. Ф. Кустов, И. Т. Басиева, Матрицы энергии и сил осцилляторов электро-дипольных переходов в ионах 3dn (n = 2, 3, 4, 6, 7,8) конфигураций (Cr2+, Co2+, Fe2+, Ni2+) в кристаллических полях любой симметрии: Реестр базы данных № 2012621086 от 19.10.2012.
[4] Е. Ф. Кустов, И. Т. Басиева, Расчет оптических спектров ионов Cr2+, Cr3+, Cr4+, Co2+, Co3+, Fe2+, Ni2+ в полупроводниках A11 BVI, A111 BV: Реестр программ для ЭВМ № 2012619507 от 19.10.2012.
Поступила в редакцию 3 декабря 2014 г.
