Научная статья на тему 'ЭКСИТОННЫЙ СПЕКТР И ВЫНУЖДЕННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ КРИСТАЛЛОВ CDS С ДЕФЕКТАМИ УПАКОВКИ В СВЕТЕ ТЕОРИИ АНТИПЕРЕСЕКАЮЩИХСЯ ЗОН'

ЭКСИТОННЫЙ СПЕКТР И ВЫНУЖДЕННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ КРИСТАЛЛОВ CDS С ДЕФЕКТАМИ УПАКОВКИ В СВЕТЕ ТЕОРИИ АНТИПЕРЕСЕКАЮЩИХСЯ ЗОН Текст научной статьи по специальности «Физика»

CC BY
84
17
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Журнал
Sciences of Europe
Область наук
Ключевые слова
СВЯЗАННЫЙ ЭКСИТОН / ГЕНЕРАЦИЯ / ИМПУЛЬСНАЯ КАТОДОЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ / ИЗОЭЛЕКТРОННАЯ ПРИМЕСЬ / КИСЛОРОДСОДЕРЖАЩИЕ КОМПЛЕКСЫ / ДЕФЕКТЫ УПАКОВКИ / ЗОННАЯ МОДЕЛЬ / BOUND EXCITON / GENERATION / PULSED CATHODOLUMINESCENCE / ISOELECTRONIC IMPURITY / OXYGEN-CONTAINING COMPLEXES / STACKING FAULTS / BAND MODEL

Аннотация научной статьи по физике, автор научной работы — Морозова Н.К.

Работа опирается на предшествующие статьи этого цикла, опубликованные в № 51-56 журнала Sciences of Europe, и является последующим шагом в этом направлении. С учетом опыта изучения систем ZnS (O) - ZnSe (O) на основе «bandanticrossingtheory» показано, что кислород, неизбежно присутствующий в CdS, входит в решетку в составе SA комплексов или в сочетании с SAL центрами. Впервые показано, что появление полос краевого излучения CdS обязано экситонам, связанным на кислородсодержащих комплексах SA в слоях дефектов упаковки, которые возникают для компенсации упругих напряжений изоэлектронных Os-центров. Представлена модель зонной структуры, которая определяет излучательные переходы. Изучены спектры связанных с SA центрами экситонов для кристаллов разного состава. Проведено сопоставление данных катодолюминесценции, микро катодолюминесценции в растровом электронном микроскопе и импульсной катодолюминесценции при разной интенсивности возбуждения. Рассмотрена возможность возникновения вынужденного излучения в таких кристаллах с увеличением плотности накачки.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

EXCITON SPECTRUM AND FORCED RADIATION OF CDS CRYSTALS WITH STACKING FAULTS IN THE LIGHT OF BAND ANTICROSSING THEORY

The work builds on previous articles in this series, published in Sciences of Europe № 51-56, and is a further step in this direction. Taking into account the experience of studying ZnS (O) - ZnSe (O) systems based on «bandanticrossingtheory», it was shown that oxygen, which is inevitably present in CdS, enters the lattice as part of SA complexes or in combination with SAL centers. It is shown for the first time that the appearance of CdS edge emission bands is due to excitons bound on oxygen-containing SA complexes in layers of stacking faults, which arise to compensate for the elastic stresses of isoelectronic Os centers. A model of the band structure is presented, which determines the radiative transitions. The spectra of excitons associated with SA centers are studied for crystals of different compositions. A comparison of the data of cathodoluminescence, micro cathodoluminescence in a scanning electron microscope and pulsed cathodoluminescence at different intensities of excitation is carried out. The possibility of the appearance of stimulated emission in such crystals with an increase in the pump density is considered.

Текст научной работы на тему «ЭКСИТОННЫЙ СПЕКТР И ВЫНУЖДЕННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ КРИСТАЛЛОВ CDS С ДЕФЕКТАМИ УПАКОВКИ В СВЕТЕ ТЕОРИИ АНТИПЕРЕСЕКАЮЩИХСЯ ЗОН»

ЭКСИТОННЫЙ СПЕКТР И ВЫНУЖДЕННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ КРИСТАЛЛОВ CDS С ДЕФЕКТАМИ УПАКОВКИ В СВЕТЕ ТЕОРИИ АНТИПЕРЕСЕКАЮЩИХСЯ ЗОН

Морозова Н.К.

Национальный исследовательский университет Московский энергетический институт

EXCITON SPECTRUM AND FORCED RADIATION OF CDS CRYSTALS WITH STACKING FAULTS IN THE LIGHT OF BAND ANTICROSSING THEORY

Morozova N.

National Research University "Moscow Power Engineering Institute " Moscow, Russia

АННОТАЦИЯ

Работа опирается на предшествующие статьи этого цикла, опубликованные в № 51-56 журнала Sciences of Europe, и является последующим шагом в этом направлении. С учетом опыта изучения систем ZnS (O) - ZnSe (O) на основе «bandanticrossingtheory» показано, что кислород, неизбежно присутствующий в CdS, входит в решетку в составе SA комплексов или в сочетании с SAL центрами. Впервые показано, что появление полос краевого излучения CdS обязано экситонам, связанным на кислородсодержащих комплексах SA в слоях дефектов упаковки, которые возникают для компенсации упругих напряжений изо-электронных Os-центров. Представлена модель зонной структуры, которая определяет излучательные переходы. Изучены спектры связанных с SA центрами экситонов для кристаллов разного состава. Проведено сопоставление данных катодолюминесценции, микро катодолюминесценции в растровом электронном микроскопе и импульсной катодолюминесценции при разной интенсивности возбуждения. Рассмотрена возможность возникновения вынужденного излучения в таких кристаллах с увеличением плотности накачки.

ABSTRACT

The work builds on previous articles in this series, published in Sciences of Europe № 51-56, and is a further step in this direction. Taking into account the experience of studying ZnS (O) - ZnSe (O) systems based on «bandanticrossingtheory», it was shown that oxygen, which is inevitably present in CdS, enters the lattice as part of SA complexes or in combination with SAL centers. It is shown for the first time that the appearance of CdS edge emission bands is due to excitons bound on oxygen-containing SA complexes in layers of stacking faults, which arise to compensate for the elastic stresses of isoelectronic Os centers. A model of the band structure is presented, which determines the radiative transitions. The spectra of excitons associated with SA centers are studied for crystals of different compositions. A comparison of the data of cathodoluminescence, micro cathodoluminescence in a scanning electron microscope and pulsed cathodoluminescence at different intensities of excitation is carried out. The possibility of the appearance of stimulated emission in such crystals with an increase in the pump density is considered.

Ключевые слова: связанный экситон, генерация, импульсная катодолюминесценция, изоэлектрон-ная примесь, кислородсодержащие комплексы, дефекты упаковки, зонная модель.

Keywords: bound exciton, generation, pulsed cathodoluminescence, isoelectronic impurity, oxygen-containing complexes, stacking faults, band model.

1. Введение.

Исследование зеленого краевого свечения СdS начато значительно раньше других соединений А2В6. В работе [1] описаны уже основные особенности этого спектра и сделаны выводы, возможные при существовавшем уровне развития физики твердого тела. Все исследователи отмечали зависимость свечения от состава кристаллов [1-15]. Впервые именно для СdS рассчитано равновесие собственных точечных дефектов (СТД) в решетке [3]. Тем не менее до настоящего времени вопрос остается открытым.

Ориентируясь на влияние СТД и неизбежное присутствие кислорода, мы исследовали реальные монокристаллы СdS в плане сравнительно недавно утвердившейся теории антипересекающихся зон.

Исследования СdS(О) проведены на кристаллах, выращенных специально с заданным отклонением от стехиометрии. В [5,16] описаны условия роста кристаллов CdS при 11000С из паровой фазы при контролируемом давлении паров серы (Cd). Рис.1, Ь представляет основную группу полученных для исследования кристаллов в виде штрих-диаграммы. Расположение на рисунке штриха с номером образца определяет состав кристаллов как набоp собственных точечных дефектов (СТД). Кристаллы растут с участием кислорода. На штрих -диаграммеpис.1,b концентрация кислорода охарактеризована длиной штрихов.

Рис.1. Исследованная группа кристаллов СёБ с указанием условий роста при 1100 0С [16] и содержанием в них кислорода по данным ХГХ анализа [17] - (Ь) в сопоставлении с расчетной диаграммой равновесия СТД- (а). Зарядовые состояния дефектов 0, + , ++, --, - соответствуют обозначениям: х, •, ••, //, /[1].

Анализ дефектообразования лег в основу интерпретации особенностей оптических свойств тех же кристаллов в зависимости от типа собственных точечных дефектов.Кроме того, при исследованиях учитывались особенности кристаллической структуры образцов с отклонениями от стехиометрии [5,9].

2. Эксперимент.

Спектры катодолюминесценции. На рис.2 представлены спектры катодолюминесценции (КЛ) кристаллов, описанных выше (рис.1,Ь): с разным отклонением от стехиометрии, набором СТД и Спектры измерены по методике КЛ М1 в широком пучке при плотности возбуждения 1022 см-3-с-1 и возможности получения информации от отдельных участков облучаемого кристалла 0,5-1мм [5].

Рис. 2. Спектры КЛ при 80К (пунктир - 300К). 0=1022 см'3-с'1. Сняты по методике М1[5].

Как видно из рисунка 2, различие в КЛ кристаллов всех кристаллов наблюдается только для краевого свечения, но не основной экситонной полосы 489-490нм.

Серии полос краевого свечения 514-516 нм при увеличении концентрации кислорода обнаруживают смещение в длинноволновую сторону (рис.2).

Для образца №7 CdS•S с избытком серы при съемке отдельных участков промерялась серия полос с головной линией 507нм. Это свечение наблюдалось как самостоятельное только для образца №»7, который по данным ХГХ анализа содержит минимальное количество кислорода 8,7-1018см -3.

Что касается экситонной полосы 489(490)нм, то она для всей группы кристаллов не обнаруживает зависимости от (рис. 2). Такая стабильность может быть связана со сравнительно постоянным составом чистых слоев в кристаллах с ДУ.

Дефекты упаковки, которые образуются для компенсации Os центров, предельно насыщаясь, удерживают почти весь кислород. При этом состав светлых слоев также поддерживается постоянным1.

С целью уточнения природы основных экси-тонных полос КЛ CdS 489-490 нм были предприняты съемки по методике М2 при температурах ниже азотных и при большем разрешении.

- На рис.3 приведены типичные спектры КЛ М2 монокристаллов CdS, выращенных при различных давлениях паров компонентов. Как видно, в эк-ситонной области спектра могут наблюдаются две полосы 489 и 487нм.

Изучение спектров всей группы кристаллов показало, что каждая из полос 489 и 487нм сопровождается различным краевым свечением и различно зависит от состава кристаллов и содержания кислорода.

Рис. 3. Спектры КЛ, снятые по методике М2 при 47 К и плотности возбуждения 1021см'3-с'1. На вставке приведена серия краевого свечения локальной области неоднородного кристалла №7.

Полоса 487нм наблюдается в спектрах чистых по кислороду образцов, выращенных при избыточных давлениях паров серы. В краевой области спектра таких кристаллов при 47К мы наблюдали единственную серию полос с головной линией 507нм и LO повторами (см. вставку на рис.3). Как SAL свечение, возникающее при [0s]~0.1мол% с участием мелких комплексов собственных дефектов {Ai"-

в этой области составов, оно типично для ZnS и ZnSe и описано в ряде работ, в том числе [9,18].

Что касается экситонной полосы 489нм (рис. 3), то в спектрах чистых по кислороду кристаллов она не наблюдается. Во всех случаях полоса 489нм сопровождается сериями краевого свечения с головными линиями 514, 515, 516 нм, описанными на рис. 2. Поскольку мы эти полосы связываем с дефектами упаковки, то можно считать, что присут-

1 Положение экситонной А-полосы бескислородного CdS по данным [1, 21] - 487нм (80К). Поэтому, судя по спектральному положению полосы 489нм, светлые слои также достаточно чистые по кислороду (2-1019см-3). При

таком составе дефекты Cd^■ , компенсирующие Os центры в решетке, почти отсутствуют, и кислород удерживается только дефектами упаковки.

ствие экситонной полосы 489нм является признаком ДУ. Обозначим в связи с этим полосу 489 нм как экситон светлых слоев Еехсс. 2

Исследование всей группы кристаллов с использований локальной съемки КЛМ1 обнаруживает изменение со сдвигом полосы в пределах

489^-491нм при небольшом увеличении концентрации кислорода. Для отдельных участков неоднородных кристаллов, например №10, наряду с Еехсс усиливается полоса 497нм, а компоненты краевого свечения уменьшаются почти до уровня фона.

Рис. 4. Микрофотограммы спектров отражения кристаллов Сй$(0) с общим содержанием кислорода [0] порядка 1019см -3 (кривая 1) и 10 20см ~3 (кривая 2), а также спектр КЛ (М1) кристалла №18 из области кислородных скоплений (кривая 3).

При вскрытии объема кристаллов травлением или на свежих сколах иногда полоса 497нм выделяется как самостоятельная (рис.4). Ей в спектрах отражения сопутствует резко выраженный край дополнительного поглощения 496нм (рис. 4, кривая 2 ), ограниченный с длинноволновой стороны селективной полосой 495-497нм полушириной 9-20мэВ. С коротковолновой стороны он перекрывается с областью экситонного спектра чистого CdS (кривая1), а с ДВ распространяется до ~500нм.

Такой спектр свидетельствует о повышенном содержании растворенного кислорода 1-102°см-3 в объеме кристалла, состав которого приближается к уровню легирования ДУ. Кислород 08 компенсирован собственными точечными дефктами решетки. Эти данные для однородных в объеме образцов соответствуют результатам ХГХ анализа. Расчет положения и ширины относящихся к этой полосе ком-

понент краевого свечения 511, 514, 516 нм и др. показывает, что почти все они перекрываются с полосой 497нм, Разрешается только наиболее ДВ из них - 518нм для образца №18 на рис.4. Таким образом, экситонные полосы 487 и 497нм определяют диапазон растворимости кислорода в решетке CdS3, а Еехсс соответствует промежуточным [08], когда кислород сосредоточен на ДУ.

Спектры микрокатодолюминесценции. Чтобы исключить влияние неоднородностей структуры при исследовании зависимости оптических свойств кристаллов СdS от состава, были предприняты исследования спектров микрокатодолюми-несценции (МКЛ) в растровом электронном микроскопе (РЭМ) при большей интенсивности возбуждения. Спектры МКЛ снимались от отдельных моноблоков при увеличении х 10000, и размере растра чаще всего 10х10 мкм (диаметр пучка 1000 А).

2 В спектрах КЛ М2 обнаруживаются также ДВ слабые

полосы 493, 497, 501-503нм (рис. 3), которые сопоставлялись фононным ЬО повторам полос 487 и 489нм.

3 Максимальная концентрация кислорода в решетке CdS определяется точкой А на диаграмме равновесия дефектов (рис1, а), при этом кислород полностью компенсирован собственными точечными дефектами.

Рис. 5.

Спектры МКЛ сняты в РЭМ при 100 К, энергии пучка 25 кэВ и плотности возбуждения 1024 .

Спектры приведены на рис.5 выборочно для всех кристаллов, выращенных в пределах области гомогенности CdS (рис.1,Ь). Длина волны полос 513, 514, 515, 516 нм на рис.4 взята при съемке центральной части моноблоков4.

Основные полосы на разных участках образцов могут смещаться так, что на одном блоке иногда можно получить 2 разных спектра, напр. 514 и 511нм. Это свидетельствует о неоднородности образца.

В целом наблюдается высокоэнергетический сдвиг максимума полос с составом кристаллов - увеличением Ps2 при росте (рис. 1). Диапазон смещения по всем образцам в пределах от 511 до 518 нм.

3. Модель.

В работе [22], выполненной на ZnS•О с ДУ было показано, что полосы в области краевого свечения при 80К и высокой интенсивности возбуждения являются экситонными компонентами спектра ВЕду на SA центрах, возникающих при значительных ~10 20 см-3 концентрациях кислорода [Os] на ДУ. По нашим данным в таком же интервале длин смещаются головные линии серий краевого свечения КЛМ1 кристаллов исследуемой группы образцов при 80К (рис.2). С плотностью возбуждения в РЭМ эти полосы усиливаются (рис. 6), что подтверждает их экситонную природу.

Особенности «зеленого краевого свечения CdS» при температуре ~20К, соответствующие нашим результатам, описаны в основополагающей работе [1]. Хотя присутствие кислорода не учитывалось, отмечалось что диапазон длин волн для серий этого свечения соответствует 513-516 нм и нет значительного смещения с температурой. При отжиге в парах Cd полосы смещались в ДВ сторону от 513 нм до 516 нм. Как вариант возможной природы полос, не установленной окончательно до настоящего времени, рассматривались Д-А пары.

Согласно принятой нами в [18,22,25,26] методике анализа спектров на основе теории ВАС на рис. 6 построена модель мультизоны с учетом ДУ для описания спектра связанных экситонов ВЕду на ДУ в СИЗО.

Левая часть диаграммы соответствует чистым кристаллам с порядка 0,1мол % (рис.1,а левее точки 5=0). Положение дна зоны проводимости -уровня Е-сс в светлых слоях построено по известному из спектров КЛ положению экситонной полосы 489нм (80К). Для этих составов уменьшается до нуля концентрация Zn1 и, следовательно, невозможно образование SA центров (рис.1,а).

4 Полоса 537нм, обязанная экситонному свечению CdO в неоднородных кристаллах [23,24], и 730 нм - SA(H) компонента самоактивированного излучения CdS [5] не рассматриваются в этой статье.

Рис. 6. Зонные модели кристаллов СёБО: (а) -с концентрацией кислорода 0,1мол % (210 19 см-3), (Ъ) - фрагмент модели мультизоны для исследованной группы кристаллов с [0&] ~1мол % (2^1020см-3) и построением уровней Е.ду, определяющих полосы ВЕдУ для локальных участков слоев ДУ при 0=80 мэВ, а также экситон-ные полосы Еехсс (светлых слоев). Пунктиром намечены глубокие уровни рекомбинации Е$а, самоактивированного 8Л излучения, которое мы не рассматриваем в этой статье.

Для слоев ДУ дно зоны проводимости - Е-ду в соответствии с длиной волны экситонной полосы ВЕду при известной энергии связи ВЕду экситона описано локальными участками.

Энергии связи для полос связанного на ДУ экситона вэята по полученной в работе [27] G=80 мэВ гексагонального ZnS. Модель (рис.6) позволяет вычислить соответствующую каждой конкретной полосе связанного на ДУ экситона Еехсс концентрацию кислорода. Расчеты дают концентрации = (1,5 -

1,8) -1020 см -3. Эти значения завышены по отношению к данным ХГХ анализа которые (при точности ХГХ ±1 • 10- 4 мол %) усредняют по объему кристалла. Для сравнения результаты приведены в таблице 1. Правильность расчетов [Os] подтверждается соответствием рис.6 и данных таблицы величине смещения (120 - 140мэВ) экситон-ных полос Еехду по отношению к Еехсс - экситону светлых слоев в спектрах КЛ М2.

Таблица 1

Сравнение расчетных ^ при G=80мэВ и данные ХГХ анализов [О] в исследованных кристаллах СdS.

№ кристалла Полоса ВЕду, нм (эВ) см -3 Е сс — е ду [О], данные ХГХ, см -3

9,13, 8,17, 19, 20 516 (2,413) 1,8-102° 1,2-102°

18,7 515 (2,407) 1,7-102° 1,2-102°

14,22,5 514 (2,412) 1,6-102° 1-1020

22, 5 513 (2,417) 1,49 1020 Ы019

Рассчитанные по спектрам величины концентраций кислорода на ДУ, соответствующие зеленому краевому свечению СdS, выявляют сравнительно не широкий диапазон составов кристаллов. Эта область, как показано в работе [28], выделяется максимальной интенсивностью SA свечения (точка А на диаграмме рис.1,а).

Если рассмотреть изменение зонной модели рис.6,Ь с повышением температуры, то несложно представить, что при постоянстве положения уровней Е-ду они могут оказаться выше дна зоны светлых слоев Е-сс. Это означает, что с повышением температуры и уменьшением ширины запрещенной зоны CdS•O в светлых слоях вся поглощенная при возбуждении кристалла энергия будет излучаться через более низкое положение Е-ос основной решетки, что обусловлено аннигиляцией свободных экситонов с испусканием оптических фононов.

В литературе отмечалось [29], что минимальные пороги генерации и максимальная эффективность CdS - лазеров с электронной накачкой при 80 - 300 К достигаются на образцах с концентрацией мелких центров ~ Ш^Ш^м-3, в частности, собственных дефектов решетки, которые возникают в кристаллах CdS после отжига в парах Cd или S. Очевидно, что это имеет прямое отношение к нашим образцам. Модель рис.6,Ь позволяет рассчитать температуры, когда Е-ду лежит ниже Е-ос, т.е. превалирует излучение с анигиляцией ВЕду, Эти расчеты показывают, что излучение ВЕду возможно при температурах ниже 200К, а при комнатной температуре вынужденное излучение определяется излучением основы кристаллов с ДУ. Это соответствует выводам работы [30 ] при 300К.

4. Импульсная катодолюминесценция. Вынужденное излучение.

Рассмотрим изменение спектров наших кристаллов с ДУ при возбуждении сильноточным электронным пучком - спектры импульсной катодолю-минесценции (ИКЛ). Измерения ИКЛ проводились при знергии электронного пучка 0,1-0,02 Дж/см2, соответствующей уровням возбуждения 1026-27см-3-с-1 на установке ТПУ [31]. Глубина проникновения пучка электронов в объем образца составляла 125- 200 мкм, диаметр пучка 5-10мм [30].

На рис.7 рассмотрены спектры ИКЛ кристалла №18 стехиометрического состава с содержанием

кислорода [0]=5•1019cм-3 (рис.Ш). Спектры ИКЛ (кривые 1—>3, №18) представлены в сравнении со спектром спонтанного (экситонного) излучения этого же кристалла (КЛ №18), чтобы установить связь между ними.

В экситонной области спектра КЛ М2 кристалл имеет полосу 489нм I , описанную выше, как Еехсс светлых слоев с сопутствующими ей полосами LO повторов. В ИКЛ с увеличением уровня возбуждения происходит перестройка экситонного спектра спонтанного излучения. Интенсивность свечения и полуширина полосы Еехсс увеличиваются.5

487

КЛ №18 [О] = 0,25мол&6

Л.1ИП

ИКЛ №18

[0] = 0,25 МОЛ%

500 510

503 505

А-Ю

6-

4-

2-

485

ИКЛ №1 1 [0]= 1Дмол%

490 495 500

505

510 а.пт

Рис. 7. Спектры люминесценции СйЩО) сняты при использовании методик: М2 (47К) и ИКЛ (30К). Содержание кислорода для образцов № 18 и № 1, а также Аэкс бескислородного СёБ при температуре съемки указаны на рисунках. Плотность возбуждения составляла: КЛМ2 -1021 см -3 • с-1; ИКЛ - 1,56 10

26 (1); 6,52 10 26(2) и 7 1 026 (3) см-3 • с-1.

При плотности возбуждения ИКЛ порядка 1 1026см-3 с-1 (кривая2) в спектрах ИКЛ образца №18 присутствует единственная узкая полоса стимулированного излучения 493нм. Согласно [30] уже при G < 1,56 • 1026 см-3 • с-1 для таких кристал-

лов достигается режим генерации на свободных эк-ситонах, взаимодействующих с оптическими фоно-нами и наблюдалось лазерное излучение. Свечение возникает в области первого фононного повтора эк-ситонной полосы светлых слоев Еехсс 489нм, существующих только в кристаллах с ДУ.

5 Имеющиеся в настоящее время данные позволяют дать интерпретацию этим результатам в противовес работе

[13].

С увеличением уровня возбуждения до 6,52 1026см-3 с-1 полоса усиливается, уширяется и смещается до 501нм в длинноволновую область второго фононного повтора Еехсс (№18, кривая 2). Увеличение полуширины линии и сдвиг максимума в длинноволновую область спектра с ростом уровня возбуждения объясняется взаимодействием между экситонами вследствие перекрытия их волновых функций при концентрации >1017 см-3 и образования электронно - дырочной плазмы.

Полосы ВЕду в спектре ИКЛ не показаны. Однако, как отмечалось выше для того же кристалла №18, при пониженных температурах наблюдаются наиболее ДВ компоненты спектра ВЕдУ — 518нм (рис. 4) .

Для выяснения связи полос ИКЛ с концентрацией на рис. 6 приведен спектр кристалла CdS №1 стехиометрического состава, выращенного из расплава, когда кислород мог быть введен в большей концентрации (2 1020см-3) по сравнению с рассмотренным выше кристаллом №18.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Для кристалла №1 при той же плотности возбуждения 1,56 1026см-3с-1, что и для образца №18, наблюдалась генерация. Возникает полоса стимулированного излучения, но более ДВ —503нм. Полагая, что это А-ЬО повтор исходного состояния, определяем основную экситонную полосу как 497нм. Эту полосу мы рассматривали выше. Спектральное положение ее соответствует концентрации кислорода в кристалле .№1 [О^ = 1-102°см-3, что совпадает с результатами ХГХ анализа и приближает уровень легирования кислородом основного объема кристалла №1 к уровню легирования слоев

ДУ.

С увеличением возбуждения кристалла №1 до 6,52 10 26см-3 • с-1 полоса 503нм сдвигается до 505 нм. В максимуме 505 нм наблюдалось усиление (суперлюминесценция). Это подтверждается резким увеличением интенсивности свечения и появлением направленности [13,30]. Усиление происходит на уровнях тех дефектов, которые ответственны за полосу спонтанной люминесценции, т.е. в образце CdS № 1, т.е. определяется излучением свободного экситона твердого раствора CdS(О) в объеме, предельно насыщенном кислородом.

При низкой температуре исследования и высокой плотности возбуждения в спектрах ИКЛ согласно модели рис.6 должны наблюдаться полосы ВЕду. Спектры ИКЛ образца №1 были отсняты при 15К и приводятся в работе [32]. Как и для кристалла № 18, в спектре кристалла №1 выявляются при 15К самые ДВ компоненты краевого свечения CdS 517 и 519нм. Надо полагать, что в обоих случаях уровни Е- основного кристалла (или светлых слоев) и уровни Е-ду почти совпадают.

При этом, если для более чистого по кислороду в объеме образца №18 стабилизация спектрального положения, интенсивности и формы полосы стимулированного излучения происходит при 6,5 1026см-3с-1, то при увеличении в объеме образца CdS № 1 этот процесс наблюдается при более высоких уровнях возбуждения.

На основании рассмотренных выше результатов можно предполагать, что минимальные пороги генерации и максимальная эффективность CdS -лазеров с электронной накачкой при 80 - 300 К [29] достигаются на образцах сульфида кадмия состава «области стехиометрии» с ДУ.

5. Выводы

Основные результаты работы можно представить кратко в виде выводов.

1. Впервые предложена интерпретация природы зеленого краевого свечения сульфида кадмия с позиций набора полос экситонов, связанных на SA центрах в решетке CdS •O c дефектами упаковки.

2. Представлена модель мультизоны кристалла CdS •О, определяющая спектр краевого свечения.

3. Показано, что полосы ВЕду проявляются в кристаллах с ДУ при достаточно большой [Os] и температурах, когда Е-сс расположено выше Е.ду-.

4. Представлена расчетная модель равновесия собственных точечных дефектов в самоактивированном сульфиде кадмия, определяющая состав CdS в пределах области гомогенности.

5. Предложенный метод изучения спектров излучения кристаллов A2B6 с учетом неизбежного присутствия кислорода, состава и структурных особенностей кристаллов на основе теории антипере-секающихся зон позволяет получать более глубокую информацию, не выявленную до настоящего времени.

Литература

1. Авен М., Пренер Д.С. Физика и химия соединений А2В6: пер. с англ./под. ред. С. А. Медведева. М.: Мир, 1970.

2. Ермолович И. Б., Любченко А. В., Шейнк-ман М. К. / Механизм зеленой краевой люминесценции в CdS монокристаллах и параметры центров свечения // ФТП 1968. №2 (11). С. 1639 - 1643.

3. Крегер Ф. Химия несовершенных кристаллов. М.: Мир, 1969.

4. Morozova N. K, Danilevich N. D., Kanakhin A. A. / S-A luminescence spectra CdS of in the context of the BAC theory // Physica Status Solidi (c). 2010. Vol. 7. № 6. C.1501 - 1503.

5. Данилевич Н. Д. / Взаимозависимость оптических свойств, кристаллической структуры и состава кристаллов CdSO (c привлечением теории антипересекающихся зон - ВАС): Дис... канд. физ.-мат. наук. М.: МЭИ, 2011.

6. Экситонный спектр монокристаллов сульфида кадмия с контролируемым изменением отклонения от стехиометрии и концентрации кислорода/ Морозова Н.К., Назарова Л.Д., Морозов А.В., Каретников И. А., Крыса А.Б., Данилевич Н.Д. // ЖПС.1994. 60 (3-4). С. 341-346.

7. Влияние контролируемого изменения собственных точечных дефектов и кислорода на оптические свойства CdS / Морозова Н.К., Морозов А.В., Каретников И.А., Данилевич Н.Д. // ФТП. 1994. 28 (10). С.1699 - 1713.

8. Власенко Н.А., Гринь В.Ф., Денисова З.Л./ О краевой люминесценции пленок CdS, сильно легированного донорами// Украин. Физ. Журнал. 1971. 16 (1). С.159-161.

9. Кислород в оптике соединений II-VI в свете теории антипересекающихся зон / Н.К. Морозова, Д. А. Мидерос, Н. Д. Данилевич // 2013. LAP, Saarbrucken Germany, 205 с. [in Russian].

10. Назарова Л. Д. Влияние сложного легирования изоэлектронными примесями кислорода и теллура на оптические свойства сульфида кадмия и селенида цинка. Дис... канд. физ.-мат. наук. М.: МЭИ, 1995.

11. Морозова Н.К., Данилевич Н.Д. / Особенности спектров SA люминесценции CdS(O) / Физика и техника полупроводников. 2010. 44 (4). С. 458-462.

12. Три типа центров самоактивированного свечения CdS(O)/ Н.К. Морозова, Н.Д. Данилевич, С.С. Вильчинская // Известия вузов. Электроника. 2012. № 3 (95). С. 3 - 10.

13. Специфика экситонных спектров монокристаллов CdS, содержащих растворенный кислород / Н.К. Морозова, В.И. Олешко, Н.Д. Данилевич, С.С. Вильчинская // Известия Вузов. Электроника. 2012. №1 (93). С.14 - 21.

14. Гурский А.Л., Луценко Е.В., Морозова Н.К., Яблонский Г.П. / Примесная люминесценция монокристаллов CdS-О при высоких уровнях электро- и фотовозбуждения / ФТТ. 1992. 34(9). С. 3530-3536.

15. Растворимость кислорода в монокристаллах CdS и их физико-химические свойства / Н.К. Морозова, Канахин А.А., Шнитников А.С.// ФТП. 2016, 50 (7). С. 865-868.

16. Марков Е. В., Давыдов А. А. / Выращивание ориентированных кристаллов CdS из паровой фазы // Неорганические Материалы. 1975. № 11 (10). C. 1755 - 1757.

17. Kinetic's Method Determination Oxigen Concentrations with Using Gas Chromatography in A2B6 / V.S. Zimogorsky, N.A. Yashtulov, V.V. Blinov, N.K. Morozova// 30 1ST Conf. Russia M. MEI. C.211 (2000).

18. Собственно-дефектная структура и самоактивированная SA и SAL люминесценции ZnS / Н.К. Морозова // Sciences of Europe. 2020. 1 (52). Р-28-37.

19. Morozova N.K., Miroshnikova I.N., Galstyan V.G. / Analysis of the Optical Properties of Plastically

Deformed ZnS(O) Using Band-Anticrossing Theory// Semiconductors, 2019, 53 (6). Р. 784-788.

20. Morozova N. K., Miroshnikova I. N./ Anomalous Edge Emission from Zinc Selenide Heavily Doped with Oxygen // Semiconductors. 2020. Vol. 54 (1). Р.102-107. Pleiades Publishing, Ltd., 2020.

21 Физика соединений А2В6.1986. М. Наука. Под. ред. Георгобиани А.Н.

22. Спектры поглощения, возбуждения и излучения кристаллов ZnS •О в свете теории антипересекающихся зон / Морозова Н.К. // Sciences of Europe. 2020. VOL 1 (56). Р. 21-27.

23. Morozova N. K., Galstyan V. G., Shnitnikov A. S. /Anomalous series of band in edge emission spectra of CdS(O) // Russian Physics Journal. 2015. 57(10). Р.1436-1441 // Semiconductors. Russian Physics Journal, 2015. 57,( 10). Р.1436-1441

24. Three Types of Self_Activated Luminescence Centers in CdS-O / Semiconductors. 2013, №13, Vol. 47. P.1661-1666/ Morozova N.K., Danilevich N.D., Oleshko V.I., and Vil'chinskaya S.S.

25. Самоактивированное свечение О с дефектами упаковки / Н.К. Морозова // Sciences of Europe. 2020. 1 (53). Р. 27-37.

26. Влияние меди на спектры самоактивированного свечения ZnSe и ZnS / Н.К. Морозова// Sciences of Europe.2020. 2(54). Р. 28-37.

27. Специфика спектров катодолюминесцен-ции ZnS-О с дефектами упаковки / Н.К. Морозова // Sciences of Europe. 2020. 1 (51). Р. 37-43.

28. Растворимость кислорода в монокристаллах CdS и их физико-химические свойства / Н.К. Морозова, А.А. Канахин, А.С. Шнитников // ФТП. 2016, 50 (7). С. 865-868.

29. Крюкова И.В. и др. / О механизме генерации в неохлаждаемых лазерах на легированном сульфиде кадмия // Письма в ЖТФ. 1979. 5 (9). С. 525-531.

30. Олешко В. И. Пороговые процессы в твердых телах при взаимодействии с сильноточными электронными пучками: Дис... докт. физ - мат. наук. Томск: ТПУ, 2009.

31. Эволюция первичной радиационной дефектности в ионных материалах/ В. М. Лисицин, В. И. Корепанов, В. И. Олешко, В. Ю. Яковлев // Известия вузов. Физика. 1996. №11. С. 5 - 29.

32. Oleshko V. I., Vilchinskaya S.S., Lisisyn V.M. / Emission characteristics of D-A pairs ZnSe and CdS crystals // Funct. Mater. 2011. 18.(4). P. 457-461

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.