CC BY
3УДК 53:37.016
ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МОНОКРИСТАЛЛОВ (SnS)i-x-(LnS)x
АДГЕЗАЛОВА ХАТЫРЯ АГАКАРИМ КЫЗЫ,
доктор философии по физике, доцент кафедры «Общая физика» АГПУ,
Баку, Азербайджан
ГУСЕЙНОВ ДЖАХАНГИР ИСЛАМ ОГЛЫ,
доктор физических наук, профессор кафедры «Общая физика» АГПУ,
Баку, Азербайджан
ГАСАНОВ ОКТАЙ МАИЛОВИЧ,
доктор философии по физике, доцент кафедры «Общая физика» АГПУ,
Баку, Азербайджан
Аннотация. Полупроводник — материал, который по своей удельной проводимости занимает промежуточное место между проводниками и диэлектриками отличается от проводников сильной зависимостью удельной проводимости от концентрации примесей, температуры и воздействия различных видов излучения. Интерес к полупроводниковому соединению типа А4В6 обусловлен перспективностью использование их в полупроводниковым приборостроение. Так, например, SnS и SnSe используется в качестве базового материала для создания активных элементов, которые работают в инфракрасной области оптического спектра, в термодинамических преобразователях, поглощающего слоя в тонкопленочных преобразователях солнечной энергии, а также в качестве фотопроводников, полупроводниковых датчиков микро-батарей.
Ключевые слова: полупроводник, фотопроводник, редкоземельные металлы, спектр фотопроводимости, монокристаллы, кристаллические структуры.
В последние годы большие усилия направлены на создание фотовольтаических приборов из экономически выгодных малотоксичных материалов низкой стоимости с простой технологией получения. В этом отношении весьма перспективными оказались полупроводниковые соединения SnSe благодаря низкой стоимости материала, которая обусловлена широким распространением олова и селена в природе. В последние годы интенсивно изучаются также полупроводниковые соединение легированными различными легирующими добавками и в том числе с участием редкоземельных металлов (РЗМ) (SnS)1-x (LnS)x (Ln - РЗМ, в частности, Nd, Gd).
В настоящем работе приведены результаты изучения анизотропии спектров фотопроводимости пластинчатых кристаллов SnS и (SnS)1-x-(LnS)x полученных методом Бриджмена.
Спектры фотопроводимости кристаллов (SnS)1-x-(LnS)x измерены в широком температурном интервале (100^350К). В области края собственного поглощения в спектрах фотопроводимости монокристаллов (SnS)1-x -(LnS)x в неполяризованном свете наблюдались два максимума. Для идентификация этих максимумов провели поляризованные измерения спектров фотопроводимости. В поляризации Е У а в области края собственного поглощения в спектрах фотопроводимости проявляется только максимум hv2 = 1.68 эВ и слабое плечо hv1 = 1.37 эВ (Т=300К). В поляризации Е У в доминирующими являются максимум hv1 = 1.37 эВ и слабое плечо hv1 = 1.68 эВ. С увеличением концентрация легированных атомов РЗМ наблюдается смещение обоих пиков в сторону меньших энергий.
Следует отметить, что во время фотопроводимости, при температурах Т > 320 К, монокристаллы (SnS)1-x-(LnS)x переходили в более низкоомное состояние, в результате этого образцы теряли фоточувствительность.
ОФ "Международный научно-исследовательский центр "Endless Light in Science"
В отличие от монокристаллов SnS и (SnS)1-x-(GdS)x в спектре фотопроводимости монокристаллов (SnS)1-x (NdS)x и (SnS)1-x (SmS)x наряду с вышеуказанными максимумами, при температурах Т > 200 К, появились длинноволновые максимум, соответственно hv1 = 1.3 эВ и hv1 = 1.2 эВ. По нашим убеждениям, эти максимумы обязаны своим происхождением примесям Nd и Sm. Так как, в пользу этого свидетельствует тот факт, что в спектрах фотопроводимости специально нелегированных кристаллов SnS примесных полос не наблюдалось.
Накопленный к настоящему времени экспериментальный материал по оптике РЗМ позволяет выявить существенные отличия их оптических характеристик при сравнении с благородными, поливалентными и переходными d металлами. При анализе оптических свойств РЗМ необходимо учитывать сложную форму их поверхности Ферми, роль гибридизации s-, p-, d- электронных состояний в процессах переноса заряда и существование незаполненных 4f- уровней.
Большинство РЗМ в чистом виде обладают гексагональной кристаллической структурой. Межатомная связь в них осуществляется коллективизированными электронами проводимости, которые происходят от 5d- и 6 s- электронов изолированных атомов РЗМ. Атомные 4f- электроны остаются локализованными, их волновые функции для соседних атомов не перекрываются. Полностью укомплектованы 5d- и 6s- оболочки экранируют 4^слой от внешних влияний. Поэтому внутриатомное спин-орбитальное взаимодействие в РЗМ значительно сильнее, чем в атомах-металлах. Следует отметить, что приближение свободных электронов с привлечением теории псевдопотенциала не оправдало себя в оптике РЗМ. Поэтому в случае РЗМ этим приближением и вытекающими оптических и электронных характеристик приходится пользоваться с большой осторожностью, рассчитывая лишь на присутствие в РЗМ электронов проводимости, относящихся к сверхподобным участкам поверхности Ферми.
Их числа трехвалентных РЗМ в видимой области наиболее подробно изучены оптические свойства гадолиния. Интерпретация экспериментальной кривой зависимости световой проводимости гадолиния от энергии оптического кванта основана на детальном анализе диаграмм Е(к), по которым определена энергия межполосных переходов.
Опытные данные показывает, что энергия межполосных переходов для самарий 1,25 и 2,3 эВ и для гадолиния 2,6 эВ. Вычислив, на основании измерений в длинноволновом спектральном интервале, вклад фотопроводимости от внутриполостного ускорительного механизма, выделяют вклад межполосных квантовых переходов.
По нашему мнению, благодаря вкладу 4f-5d переходов в спектре фотопроводимости монокристаллов (SnS)1-x-(NdS)x и (SnS)1-x-(SmS)x наблюдается длинноволновые максимум. Этот факт объясняется, что энергия связи 4f- электронов трехвалентных РЗМ (в нашем случае Nd, Gd) больше, чем двухвалентных, имеющих один дополнительный f- электрон. Добавочное кулоновское отталкивание между 4f- электронами в последнем случае резко уменьшает энергию связи. Видимо, поэтому длинноволновой максимум не наблюдался в спектре фотопроводимости монокристаллов (SnS)1-x-(GdS)x.
Еще одна причина -отсутствие длинноволнового максимума в спектре фотопроводимости монокристаллов (SnS)1-x-(GdS)x объясняется следующим: электронная структура 4^слоя в гадолиний является более стабильной, чем в элементах периодической системы, расположенной поблизости от нее. Стабильной электронной структурой обладают также лантан и лютеций, стоящие на концах редкоземельного ряда. Элементы лантан, лютеций и гадолиний представляют собой своеобразные структуры "инертного газа" внутри редкоземельного ряда.
Таким образом, в результате исследований спектров фотопроводимости монокристаллов (SnS)1-x -(LnS)x установлено:
1. В этих материалах некоторые дефекты анизотропны и проявляются в не идентичности спектров фотопроводимости
ОФ "Международный научно-исследовательский центр "Endless Light in Science"
2. Существуют несколько уровней, обусловленных дефектами акцепторного типа, расположенных в нижней половине запрещенной зоны;
3. С ростом температуры имеет место смещение максимумов и строну меньших энергий квантов и его размытие при высоких температурах в поляризации Е У а;
4. Во время фотопроводимости, при температурах Т > 320 К монокристаллы (БиБ^-х (Ьи8)х переходили в более низкоомное состояние теряя фоточувствительность.
и н со
10 8
J_l_l_L
Д---А-А— 3
J_I_L
7 8 9 102
4 5 6 7 8
lgT (K)
2
2
6
2
3
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. P.D. Antunez, J.J. Buckley, R.L. Brutchey. Tin and Germanium Monochalcogenide IV-VI Semiconductor Nanocrystals for Use in Solar Cells. Nanoscale, Vol 3, No 6, 2011, pp 2399-2411.
2. M. M. Nassary The electrical conduction mechanisms and thermoelectric power of SnSe single crystals. Turk J Phys , Vol 33, No 4, 2009, pp 201-208.
3. M.A. Franzman, C.W. Schlenker, M.E. Thompson, R.L. Brutchey. Solution-phase synthesis of SnSe nanocrystals for use in solar cells. J. Am. Chem. Soc.Vol, 2010, pp 4060-4061.
4. M. Gunasekaran, M. Ichimura. Photovoltaic cells based on pulsed electrochemically deposited SnS and photochemically deposited CdS and Cd1-xZnxS. Solar Energy Mater. Solar. Cells, Vol 91, No 9, 2007, pp 774778.
5. Х. А. Адгезалова "Фотопроводимость монокристаллов (SnS)0.999 (LnS)c.001", ж. Физика, , Баку, 1998, c.4, №3, стр.19-20
6. О.М. Гасанов, Х.А.Адгeзaлова, Д.И. Гусейнов Исследование спектров фотопроводимости монокристаллов (SnS)1-x(GdS)x (X=0,001;0,002) International Conference MODERN TRENDS IN PHYSICS 20-22 april 2017, Baku.
7. О.М. Гасанов, Дж. И. Гусейнов, Х. А. Адгезалова, А. О. Дашдемиров Влияние атомов Gd на фоточувствительность монокристалла SnS Прикладная физика, научно-технический журнал, 2017, №4, Москва ст. 42-45
8. О.М. Гасанов, Х.А. Адгезалова, Дж.И. Гусейнов, А.С. Алекперов Особенности и перспективы слоистого полупроводника GeS с участием редкоземельных элементов Материалы VII Международной научно-практической конференции «Наука и образование в современном мире», 20-22 октября, 2020, Нур-Султан, Казахстан, ст. 111-113.
9. О.М. Гасанов, Х.А. Адгезалова, Дж.И. Гусейнов Применение фоточувствительных полупроводников Международный научно-практический журнал ENDLESS LIGHT in SCIENCE 30 Ноября 2023 Алматы, Казахстан, ст. 369-372.
