CC BY
14
Восточно-Европейский журнал передовым технологий ISSN 1729-3774
Abstract
The analysis of electrical properties of anisotype heterojunctions Ti02/p-CdTe, prepared by TO2 thin film deposition onto freshly cleaved CdTe single crystal substrates using the spray pyrolysis technique, was carried out. The determined height of the potential barrier of the heterojunction under investigation efK are equal to 1.36 and 2.94 eV at T=295 K and T=0 K. Since the electrical junction is formed in CdTe (Eg=1,5 eV), the obtained values of eq>K were explained by the formation of a thin high-resistance layer on the semiconductor's surface as well as by the presence of surface states at the heterojunction interface. The established features of the C-V characteristics well correlate with the mentioned assumptions
Keywords: CdTe, TO2, heterostructures, spray-pirolise method
-□ □-
Представлет спектри ЯКР 1151п в кристалах 1нБе вирощених з розплаву, записан неперервним методом для чотирьох резонансних переходiв 1151п зi сптом 9/2. Виявлена мультиплеттсть спектрiв ЯКРз л^ями, як в1дпов1дають заборо-неним переходам. Вважаеться, що така анома-лiя викликана наявтстю гексадекапольног взаемоди ядер 1151п з градiентом електричного поля в
Ключовi слова: мультиплеттсть спектрiв, структурн дефекти, полтипи, ЯКР, гексадека-
польш взаемоди
□-□
Представлены спектры ЯКР 1151п в кристаллах выращенных с расплава, записанные непрерывным методом для четырех резонансных переходов 1151п со спином 9/2. Обнаружена муль-типлетность спектров ЯКР с линиями, которые отвечают запрещенным переходам. Считается, что такая аномалия вызвана наличием гексаде-капольного взаимодействия ядер 1151п с градиентом электрического поля в
Ключевые слова: мультиплетность спектров, структурные дефекты, политипы, ЯКР, гекса-
декапольное взаимодействие -□ □-
1. Вступ
За результатами дослщжень у«х фундаменталь-них електростатичних взаемодш звичайних речовин встановлено, що ядерний гексадекапольний зв'язок е найб^ьш невизначеним. Починаючи з перших спо-стережень за взаемодiею ядра з його оточенням через електричний момент, багато експерименпв було проведено для дослщження, як статичних, так i часових залежностей цього явища.
2. Аналiз лкературних даних i постановка проблеми
Припущення про шнування ядерно! гексадека-польно! взаемоди було висунуто дослщниками ще до вщкриття ядерного квадрупольного резонансу, проте експериментальне дослвдження цього явища проводи-лися значно тзтше i продовжуються до тепершнього
УДК 539.1
ПРО 1СНУВАННЯ ГЕКСАДЕКАПОЛЬНО1
взАемодпв
СПЕКТРАХ ЯКР1151п
В InSe
Г. I. Л ас т i в к а
Кандидат техычних наук, доцент* Контактний тел.: (03722) 4-24-36 E-mail: [email protected] О. Г. Хан дожко
Доктор фiзико-математичних наук, професор* Контактний тел.: (03722) 4-24-36 E-mail: [email protected]
*Кафедра радютехшки та шформацтноТ безпеки Чершвецький нацюнальний уыверситет iM.Ю.Федьковича вул. Коцюбинського, 2, м. Черывф, УкраТна, 58012
часу, i, нажаль, немае однозначност в отриманих результатах.
Ще в 1948 р. Паунд [1] продемонстрував часову за-лежшсть квадрупольно! взаемоди, яка вщповщала за релаксащю ядер Br79 i Br81 у розчинах. Автор спосте-риав статичний ефект по розщепленню лшш ядерного резонансу в кристалi з симетрiею нижче за кубiчну. Група дослщниюв у 1956 р. спостер^ала зовшшньо шдуковаш квадрупольт переходи Cl35, як вщбува-лися мiж виродженими квадрупольними рiвнями в NaC103.
Особливо! уваги заслуговуе робота Ванга [2], який вперше експериментально виявив змшу в квадруполь-них спектрах Sb121 i Sb123, що вщбулася за рахунок статично! ядерно-електрично! гексадекапольно! вза-емоди.
Махлер i Джеймс [3] в 1966 р. спостериали ядерно-електричнi гексадекапольнi переходи мiж магштно-розщепленими рiвнями 115In в InAs, а також авторами
© П. Ласпвка, О.Г. Хандожко, 2012
[4] показано, що для стна ядер 9/2 гексадекапольш взаeмодii дозволяють переходи Дт = ± 1, 2, 3, i 4. Ними спостер^ався максимум насиченостi спектра переходу Дт = ±3 при кристалiчнiй орieнтацii, при якому ств-вiдношення сигнал ЯМР до шуму було максимальним, i зменшувалася при вiдхиленi вщ цього кута.
Проте, при аналiзi можливих причин Дт = ±3 переходiв необхiдно враховувати забороненi переходи за рахунок перемшування спшових станiв. В рядi кристалiв ймовiрнiсть заборонених i дозволених квадрупольних переходiв е спiврозмiрною. Загалом, iдентифiкацiя гексадекапольних переходiв у кубiч-них кристалах супроводжуеться експериментальними складностями, а б^ьш зручними для таких дослвд-жень е некубiчнi кристали, в яких розщеплений зеема-нiвський спектр ядер дозволяе збуджувати переходи мiж кожною парою рiвнiв в окремосп, а тривалий час спiн-гратковоi релаксацп дае можливiсть проводити дослiдження при юмнатних температурах [5].
3. Елементи теори
В загальному виглядi, ядерш квадрупольнi i гек-садекапольнi взаемодп в кристалах можна описати гам^ьтошаном [6]
Н= Нм
Н
а =
e2Qq
41(21 -1)
(312 -1 ■ I) + П (1++1-)
ввдхилення qzz вiд акаального розподiлу буде визнача-тися як
П =
qxx- qy
qZ!
(5)
(1)
де На - гам^ьтошан, який описуе ядерш квадру-польнi взаемодii i Нм - гамiльтонiан, який описуе ядерш гексадекапольш взаемодп.
Для ядер iз зовшшшм нульовим магнiтним полем, гам^ьтошан, який описуе ядернi квадрупольнi взаемодп, може бути записаний у виглядi [7]
(2)
де I - сшн ядра, I - оператор ядерного стна ( 1± = 1х ±iIy), еЦ - квадрупольний момент ядра, eq -друга похщна електричного потенцiалу у мшщ роз-ташування ядра, п - параметр асиметрп, i e2Qq -константа квадрупольного зв'язку. В загальному випадку гам^ьтошан, що описуе ядерш гексадекапольш взаемодп мае наступний вигляд
Нм =
1281(1 -1)(21 -1)(21 - 3)
[3514 - 3012(1 ■ I)+3(1 ■ I)2 + 251:
де еН - гексадекапольний момент ядра, еЬ - чет-верта похщна електричного потенщалу у мшщ розта-шування ядра, е2НЬ - константа гексадекапольного зв'язку.
При акаально-несиметричному оточеннi ядра частота для ЯКР буде визначатися з врахуванням параметра асиметрп i для iзотопiв зi спином 1=9/2 частота переходiв дорiвнюе [8]
eQqZ!
п2 г2
1+
3
(4)
де qzz - градiент електричного поля в мшщ розта-шування ядра, а параметр асиметрii, що вказуе стутнь
де напрям вкей вибрано таким чином, що qxx<qyy< <qzz i 0<п<1. Сумiсне виршення секулярних рiвнянь в аксiальному наближеш для ядерних гексадекапольних взаемодiй для стна ядра 1= 9/2 отримаемо наступш
значення частот ЯКР [8]
1
V = 24eQqzz(1+9,0333п2 - 45,691п4),
2
V 2 = 24eQqzz(1 - 1,3381п2 + 11,724Л4),
3
V3 = 24eQqzz(1 - 0,1857п2 - 0,1233п4), (6)
V4 = ¿е^а - 0,0809п2 - 0,0043п4).
Оскiльки, найбiльший внесок в ядерш квадру-польнi взаемодii вносять валентш р-електрони резо-нуючого атома, а в ядерш гексадекапольш взаемодп -валентш d - або f -електрони [6], тодi найбiльше зна-чення гексадекапольного моменту мають мати ядра з максимально спотвореною фiгурою зарядового розпо-дiлу, а саме - для ядер з максимальним квадруполь-ним моментом.
4. Результати та ¡х обговорення
З метою штерпретацп природи виникнення муль-типлетносп спектрiв ЯКР у шаруватому кристалi InSe нами були проведен дослiдження спектрiв ЯКР 1151п.
В шаруватих кристалах InSe, за рахунок малоi енергii утворення структурних дефекпв, при '¿х виро-щенi виникають модифiкацii кристалiчноi структури -полггипи. Останнi, в свою чергу впливають на зонну структуру шаруватоi сполуки, а фазовi перетворення в системi полiтипiв можуть призводити до нестшкосп фiзичних властивостей кристалу при змж температу-ри. Як вiдомо з лиературних джерел для InSe шнують розбiжностi в трактуваннi структурних дефекив, а деякi фiзичнi вимiрювання були штерпретоваш на основi неадекватного структурного ана-- 6(I ■ I)] ,(3) лiзу. Причиною цьому е слабо зв'язанi шари в таких сполуках, що обумовлюе, в залежностi вiд процесу вирощення, рiзне упакування шарiв, а особливо наявшстю структурних дефекпв, якi суттево впливають на штенсившсть рентгенiвського спектру i затрудняють точшсть структурного аналiзу [9].
Для атомних ядер з великим масовим числом ха-рактерний нерiвномiрний розподiл електричних заря-дiв в '¿х об'емi. При значнш величинi квадрупольного моменту це призводить до додаткових збуджень ква-друпольних енергетичних рiвнiв завдяки наявностi гексадекапольного моменту ядра та його взаемодп з ашзотропним електричним полем кристалу. Мож-лившть появи додаткових лiнiй в InSe, викликаних гексадекпольним розщепленням резонансних лшш в спектрi ЯКР була ще зауважена в роботi [10].
2НЬ
е
2
Для експерименту використаш монокристали InSe вирощеш методом Брiджмена. Спектри ЯКР отримаш на заздалегiдь вiдпалених зразках об'емом 0,25 см3 на спектрометрi ЯКР з неперервним скануванням ча-стоти i3 застосовуванням Зееман-модуляцп. Спектри записан за температури Т=290 К. В данш роботi ми спостерiгали складш мультиплетнi спектри ЯКР, якi за формою суттево вiдрiзняються для чотирьох спшових переходiв ±1/2 ^ ±3/2, ±3/2 ^ ± 5/2, ± 5/2 ^ ± 7/2, ± 7/2 ^ ± 9/2. Радючастотне поле (Н1) у цьому випадку було спрямоване вздовж шарiв кристалу, а поле магшт-toï модуляцп - за напрямком оптичноï вiсi с.
В отриманих спектрах спостер^аються три муль-типлетнi групи, що вказують на наявнiсть у кристалi сумiшi полiтипiв [10]. Особливштю мультиплетних груп е наявнiсть тон^ структури з постiйною ве-
личиною розщеплення, яка спостерiгаеться для уах чотирьох переходiв й складае 10,3 ± 0,3 кГц.
Кристалiчна структура InSe володiе осьовою симе-трiею градiента електричного поля, а тому у формулах (6) п = 0 i вiдношення частот переходiв мае ствввдно-ситися, як v1:v2:v3:v4=1:2:3:4. Таке спiввiдношення ви-конуеться лише наближено. Експериментально вимь рянi частоти для характерних лшш спектра чотирьох резонансних переходiв показали, що це стввщношен-ня справедливе тшьки для частот v1 i v2, в той час коли для вищих частот (v3, v4) спостерiгаеться вщхилення: 10,25; 20,5; 30,76; 41,05.
Таку рiзницю в спектрах неможна пов'язати iз змь ною полiтипною структурою або параметру асиметрп П iз збiльшенням частоти енергетичних переходiв [11]. Це також важко пов'язати iз появою хвиль зарядовоï
Рис. 1. Форма спектру 115In в InSe для переходу ±1/2 ^±3/2
20500 20550 20600 20650 20700
Частота, кГц
Рис. 2. Форма спектру 1151п в ^е для переходу ±3/2 ^±5/2
Рис. 3. Форма спекав 115In в InSe для переходу ±5/2-^ ± 7/2
41000
41100
41200
Частота, кГц
41300
Рис. 4. Форма спекав 115In в InSe для переходу ± 7/2 ^ ± 9/2
густини в кристал^ що швидше можливо для б^ьш низьких температур, ашж для кiмнатних.
Як вже зазначалося рашше, для атомних ядер з великим масовим числом при значнш величин ква-друпольного моменту характерний гексадекапольний момент, який сприятиме додатковому збудженню ква-друпольних енергетичних рiвнiв [3, 10].
Саме тому, враховуючи вище наведенi мiркування i докази експериментальних дослщжень, ми припускаемо, що дослвджувана вiдмiннiсть в спектрах ЯКР 1151п в InSe для резонансних переходiв вищих порядкiв обумовлена додатковою модуляцiею квадрупольних рiвнiв гексадекапольною взаемодiею ядер iндiю з гра-дiентом аксiального електричного поля кристалу.
5. Висновки
Дослщжено спектри ЯКР 115In в шаруватих моно-кристалах InSe для чотирьох спiнових переходiв, се-реднi значення яких лише приблизно задовольнили
стввщношенню =1:2:3:4. Встановлено, що
для вищих переходiв спостерiгаеться вiдхилення. Зо-крема показано, що в мультиплетних групах для пере-ходiв вищих порядюв спостерiгаються додатковi лiнii, що за нашою думкою пов'язано iз наявнiстю гексаде-капольноi взаемодii з градiентом електричного поля кристалу.
Таким чином, складна структура спектрiв ЯКР -мультиплетш групи в InSe для резонансних переходiв вищих порядкiв (± 5/2 ^ ± 7/2; ± 7/2 ^ ± 9/2), харак-теризуе не тiльки наявнiсть полггитв, але i вказуе на присутшсть гексадекапольноi взаемодii, що забезпе-чуеться р-, d- i f-електронами в шаруватому кристалi i сильно спотвореною фiгурою розподiлу заряду ядер 1151п. По аналогii з дослiдженнями ядер лютецiю про-веденими в робоп [6], ми вважаемо, що в нашому випадку вiдбуваеться збудження електрошв d- або оболонки атома шдш координацiйними взаемодiями може проявитися додатковий внесок в ядерно-гекса-декапольну взаемодт у виглядi додаткових лiнiй в мультиплетних спектрах ЯКР.
Литература
1. Proctor W.G. and Robinson W. Phys. Rev, 1956, Vol 104, р. 1344.
2. Wang T.C. Phys. Rev, 1955, Vol 99, р. 566.
3. Mahler R.J., James L.W., Tanttila W.H. Possible Observation of In115 Nuclear Electric Hexadecapole Transitions. Phys. Rev. Lett. , 1966, Vol 16, р.р. 259-261.
4. Mahler R.J. Nuclear hexadecapole interactions. Phys. Rev, 1966, Vol 152, Р.Р. 325-330.
5. Анисимов, В.В. Наблюдение гексадекапольных переходов ядер Al27 в корунде [Текст] / В.В. Анисимов, В.Л Комашня // Письма в ЖЭТФ, 1980, том 31, вып. 2, С. 81-84.
6. Семин, Г.К. Ядерные квадрупольные и гексадекапольные взаимодействия в кристаллах соединения лютеция [Текст] / Г.К. Семин, А.М. Раевский // Письма в ЖЭТФ, 1986, том 44, вып. 10, С.461-464.
7. Ming-Yuan Liao Gerard S. Harbison The nuclear hexadecapole interaction of iodine-127 in cadmium iodide measured using zero-field two dimensional nuclear magnetic resonance. J. Chem. Phys., 1994, Vol. 100, No. 3, р.р. 1895-1901.
8. Гречишкин, В.С. Ядерные квадрупольные взаимодействия в твердых телах [Текст] / В.С. Гречишкин. - М.: Наука, 1973. -263 с.
9. Terhell J.C.J.M. Polytypism in the III-VI layer compounds// Progr. Cryst. Growth and Characterization of Polytype Structures, 1983, No.7, pp. 55-110.
10. Bastow T.J., Cambell I.D., Whitfeld H.J. A 69Ga, 115In NQR study of polytypes of GaS, GaSe and InSe. Sol. St. Com., 1981, Vol. 39, р.р. 307-311.
11. Ластивка, Г.И. Мультиплетная структура спектров ЯКР в InSe ФТТ-2009. "Актуальные проблемы физики твердого тела" [Текст] / Г.И. Ластивка, А.Г. Хандожко, Е.И. Слынько // Cборник докладов международной научной конференции. Минск, 2009, Т. 2. С. 107-109.
Abstract
Researchers assumed the existence of nuclear hexadecapole interaction of nuclei with a significant quadrupo-le moment long ago, but, unfortunately, there is no definiteness in the results. The scientific literature presents the direct experimental evidence only in some cases for the nuclei with large mass number, such as 127I, 121Sb, 123Sb or 175Lu. The problem of detection of this effect is that it is vanishingly small and, according to the researches, it is on the border of detectability of measuring equipment. Moreover, the situation is aggravated by the fact that this effect exists along with the high value of the quadrupole moment of the nuclei, which masks the occurrence of the hexadecapole interaction of small value. The purpose of the article is to prove the occurrence of the hexadecapole interaction in layered crystals with the strong anisotropy of the chemical bond, such as InSe. The presence of two-dimensional electronic structure of these crystals leads to the unusual physical properties, and the hexagonal crystal structure with axial symmetry makes these compounds perfect for studying the electronic distribution by the NQR method. The spectra NQR 115In in InSe crystals, grown from the melt, and recorded by continuous method for four resonance transitions of 115In with spin 9/2, were suggested. The multiplicity of spectra NQR with additional lines, which meet the forbidden transitions, was detected. It is believed, that this anomaly is caused by the presence of the hexadecapole interaction of nuclei 115In with the electric field gradient in InSe
Keywords: spectra multiplicity, structural defects, polytypes, NQR, hexadecapole interaction
