КОМБИНАЦИОННОЕ РАССЕЯНИЕ СВЕТА И ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТВЕРДЫХ РАСТВОРОВ TlxCU1-xGaSe2 Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

УДК 535.375.54

КОМБИНАЦИОННОЕ РАССЕЯНИЕ СВЕТА И ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТВЕРДЫХ РАСТВОРОВ Т1хСи1_хСа8е2

А. Н. Георгобиани1, А. М. Евлоев1

Представлены результаты исследования комбинационного рассеяния света и фотоЭДС в монокристаллах Т1хСщ^хОаЗе2. Целью работы являлось выявление некоторых особенностей оптических и фононных спектров, изучение закономерностей их изменения с составом и создание на этой основе предпосылок расширения возможностей их практического применения. Ключевые слова; широкозонные полупроводники, электрон, дырка, донор, акцептор, комбинационное рассеяние света.

Получение твердых растворов Т^Сиа-хСаБег дало возможность детального исследования и интерпретации их свойств. Возможности получения новых материалов существенно расширяются при использовании твердых растворов. Проблема создания твердых растворов является одной из центральных в физике полупроводников, что подтверждается неослабевающим потоком информации, посвященной как уже хорошо себя зарекомендовавшим на практике твердым растворам на основе соединений А3В5, так и твердым растворам на основе сравнительно недавно открытого нового перспективного класса соединений А3В3С2- Эти соединения являются изоэлектронными аналогами известных полупроводников групп А3В3. Определенную перспективу в этом плане, с нашей точки зрения, имеют твердые растворы на основе ТЮа8е2 и СиСаЗе2.

Эти соединения являются перспективными материалами для разработки на их основе приемников излучения для видимой, ближней ИК и рентгеновской областей спектра,

^-таП^ео^йзсьlebedev.ru, [email protected]

а также для солнечных элементов. Твердые растворы ТЦСих-хСаЗег обладают уникальными свойствами. Они прозрачны в широком спектральном диапазоне, обладают слабой чувствительностью электрических свойств к вводимым примесям, низкой подвижностью и концентрацией свободных носителей заряда по сравнению с исходным ТЮа8е2. Это обстоятельство делает твердые растворы на основе соединения типа Т1В3С2 особенно интересными как с точки зрения выяснения фундаментальных особенностей кристаллического строения слоистых полупроводников, так и с точки зрения технического применения.

Твердые растворы Т11Си1_1СаЗе2 (0 < X < 0.02) кристаллизуются в моноклинной решетке ТЮа8е2 и являются твердыми растворами [1-4]. Так как исследуемые кристаллы являются слоистыми, то с большой долей вероятности можно считать, что они обладают анизотропными оптическими свойствами. Образцы для измерения, имеющие хорошее оптическое качество и одинаковую толщину, получались скалыванием плоскопараллельных пластинок от монокристаллического слитка.

В настоящей работе приведены результаты исследования спектров комбинационного рассеяния света (КРС), фотоЭДС и вольт-амперной характеристики (ВАХ) твердых растворов Т1гСи1_хСаЗе2.

Методика эксперимента. Твердые растворы выращивались методом Бриджмена-Стокбаргера. Исходные образцы ТЮаЗе2 помещались в вакуумированный сосуд вместе с образцом Си, и при Т = 1040 К происходило частичное замещение Т1 на Си. Монокристаллы твердых растворов имеют слоистую структуру типа ТЮа8е2 и легко скалываются на пластинки. Удельное сопротивление кристаллов при 300 К составляет 10' — 109 Ом-см. Образцы, приготовленные скалыванием кристаллов по плоскостям спайности, имеют естественные зеркальные поверхности и для исследований оптических свойств не требуют дополнительной механической обработки. Толщина пластинок была 20 50 мкм.

С помощью электронного микроскопа получены электронные микрофотографии образцов, где видны зеркальная поверхность и слоистая структура, и в дополнительной полировке не было необходимости (рис. 1).

Спектры комбинационного рассеяния регистрировались на оптической установке Берега. Спектр возбуждался линией 532 пш алюмоиттриевого лазера мощностью 20 тШ. Длина волны возбуждения выбиралась так, чтобы уменьшить глубину проникновения света и предотвратить регистрацию спектра подложки, а небольшая мощность - для избежания кристаллизации образца под действием света. Измерения были

(а)

-.-.■у-;:••• .j^-v.:• . • ' - " •" . . • - ■•< ■• "

•••< ' 1 . • ' ' - ■ .. >-*■ " V. ' V •■•.■" ■ •"; -5*

2 u.m

hH

EHT = 15.00 kV

2цш EHT = 15.00 kV

Рис. 1. Электронная микрофотография поверхности кристаллов Т1хСи1_хСаЯе2: (а) вид сбоку, (б) вид сверху.

Raman shift, cm 1

Рис. 2. Спектр комбинационного рассеяния света TlxCu\_xGaSe2 при Т — 300 К х = 0.015.

выполнены при комнатной температуре. Образец помещался в фокальной плоскости объектива микроскопа. Диаметр лазерного пучка на поверхности образца 10-12 ¿¿т. Угол рассеяния 180°. Спектры пленок регистрировались с разрешением 3-5 cm-1.

Для измерения ВАХ в качестве контактного материала к образцам монокристаллов TlxCuj_;EGaSe2 служила серебряная паста.

Результаты и их обсуждение. Спектр КРС был получен при температуре 300 К (рис. 2) в интервале частот 10-1500 см-1. Из спектра видно, что при комнатной температуре наблюдаются 12 линий. Была обнаружена интенсивная узкая линия на частоте 200 см"1 и ряд более широких полос 80, 110, 150, 320, 340, 420, 470, 630, 650, 780 и 1480 см-1. Присутствие резкой интенсивной полосы было объяснено проявлением плос-ковых мод.

Кристалл ТЮаЭег имеет вторую из возможных по рентгеноструктурным данным группу симметрии C%h. Кроме того, симметрия С^н подтверждается отсутствием пьезоэлектричества в ТЮаЭег [5-7] и тем, что кристалл не способен генерировать вторую гармонику. Известные спектры КРС кристаллов Т1 [8] и GaSe [9] позволяют сделать вывод, что частоты внутренних колебаний слоя должны быть выше 50 см-1. В структуре типа TISe имеются как ковалентные, так и ионные связи [10-12]. Причем интенсивность колебаний, относящихся к ионным связям, обычно мала, и соответствующие частоты, скорее всего не проявляются в спектрах КРС. Частоты межслоевого колебания являются определенной характеристикой силы связи между слоями. В спектре КРС монокристалла Т1гСиг_хСа8е2 наблюдаются частоты большие 50 см-1. Отсюда можно заключить, что слои в данном кристалле связаны между собой силами не меньшими, чем в кристаллах типа GaSe. Частичное замещение атомов таллия атомами меди приводит к возникновению новых узких частот колебаний в указанном спектре 420, 470, 630, 650, 780 и 1480 см-1. Некоторые линии - 80, 110 см-1 в Tl^Cui-xGaSea обнаружены нами впервые.

На рис. 3 приведена снятая при Т = 300 К темновая ВАХ твердых растворов TlrCui_TGaSe2. Из этого рисунка видно, что ВАХ имеет явно выраженный диодный характер. ВАХ исследуемой структуры характеризуется тем, что при относительно низких напряжениях она хорошо подчиняется экспоненциальному закону / ~ exp(eU/ßkT), где ß ~ 4, а при более высоких напряжениях наблюдается линейный участок.

Данная структура обладает довольно заметной фоточувствительностью. Кривая распределения спектральной чувствительности Т^Сих-^СаЗег в фотовольтаическом режиме при комнатной температуре представлена на рис. 4. Как видно из рисунка, спектр фотоЭДС охватывает широкий диапазон длин волн (380-780 нм). При этом наблюдается ярко выраженный максимум при А = 610 нм, который связан с поглощением света в TlICui_2;GaSe2. Наблюдаемый резкий спад фотоЭДС в области спектра

1x10 7 8х10~~8 I 6x10 8 4x10 8 2x10 8 0

Рис.

Рис. 4. Спектр фотоЭДС в TlxCui-.xGaSe2 х = 0.015.

Л = 540 — 580 нм объясняется тем, что в исследованных образцах диффузионная длина неравновесных носителей в направлении, перпендикулярном поверхности перехода, меньше, чем толщина слоя исходного TlGaSe2. Проявляющаяся заметная фоточувствительность в более длинноволновой области спектра связана, по-видимому, с поглощением света глубокими ловушками в TlxCui_xGaSe2.

Добавлением Си в спектре КРС получены новые узкие линии. В спектре фотоЭДС наблюдается ярко выраженный максимум при Л = 610 нм, который связан с поглощением света в TlxCui_xGaSe2.

Авторы благодарят сотрудников Дагестанского научного центра РАН за помощь при получении спектров KP, а проф. В. С. Горелика и к.ф.-м.н. Я. J1. Чайкова за обсуждение полученных результатов КРС.

ЛИТЕРАТУРА

[1] A. Matiyev Kh. R. Z. Ismailov, in: Proceedings of the 9-th international on ternary and multinary compounds (Baku, Azerbaijan, August, 1993).

[2] Г. Б. Абдуллаев, Г. Д. Гусейнов, В. Д. Рустамов, Доклады АН Азерб. ССР 32(1), 20 (1976).

0.6 -

0.4

QJ

00

3

1 0.2

2 о Л

Он

0.0 -

0 10 20 30 40

U.V

-0.2

i—<—i—1—г 650

350 ' ' 4$0 ' ' ' 51>0 3. Вольт-амперная характеристика T^Cui-^GaSe^ при комнатной температуре.

7^0 ' ' 8$0 X, нм

[3] I. L. Shay, В. Tell, Н. М. Kasper, and L. М. Schiavone, Phys. Rev. (В). Solid State 7(10) part. 1, 4485 (1973).

[4] П. И. Баранский, В. П. Клочков, И. В. Потыкеевич, Полупроводниковая электроника (Издательство "Наукова Думка", Киев, 1970).

[5] Т. J. Isaacs, J. Appl. Cryst. 6, 413 (1973).

[6] Б. С. Кульбужев, Л. М. Рабкин, В. И. Торгашев, Ю. И. Юзук, ФТТ 30(1), 195 (1988).

[7] Г. И. Абуталыбов, В. Ф. Агекян, С. В. Погарев, Э. Ю. Салаев, ФТТ 29(5), 1436 (1987).

[8] J. Zirke, G. Frahm, A. Tausend, and D. Wobig, Phys. Stat. Sol. (b) 75(2), 149 (1976).

[9] M. Hayek, 0. Brafman, and R. V. Lieth, Phys. Rev. В 8(6), 2772 (1973).

[10] Л. И. Ман, Р. М. Имамов, С. М. Семилетов, Кристаллография 21, 628 (1976).

[11] М. В. Белоусов, Р. М. Сардарлы, ФТТ 27(3), 662 (1985).

[12] Г. Д. Гусейнов, И. С. Горбань, В. А. Губанов, ФТТ 30(8), 2551 (1988).

Поступила в редакцию 20 августа 2009 г.