CC BY
7ВИСМУТ - НОВОЕ В ЭЛЕКТРОННОЙ СТРУКТУРЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЙ В ВОЛОКОННЫХ ЛАЗЕРАХ
Беловолов М.И.
Институт общей физики им. А.М.Прохорова РАН, Научный центр волоконной оптики им.Е.М.Дианова,
г. Москва
E-mail: bmi@fo.gpi.ru DOI 10.24412/2308-6920-2023-6-243-244
Физические свойства электронов в висмуте исследуются уже больше 60 лет (см., например, [1,2] и ссылки в них). Построена электронная теория полуметаллов типа висмута, предсказаны и обнаружены ряд гальваномагнитных и осцилляционных эффектов в слабых и квантующих магнитных полях (эффект Шубникова - де Гааза и др.). Это позволило подробно изучить топологию поверхности Ферми электронов в висмуте, установить предпочтительный вид законов дисперсии и схему плавной перестройки основных экстремумов в энергетическом спектре при изменении внещнего давления, температуры и концентрации изовалентной примеси сурьмы х в сплавах Bi1-xSbx. Установлено, что в диапазоне концентраций сурьмы х ~ 0,06 - 0,22 сплавы Bii_xSbx являются узкозонными полупроводниками с шириной запрещенной зоны EgL в точке L зоны Бриллюэна, составляющей ~ 5 - 25 мэВ, как показано на рис.1. Большие надежды были связаны с возможностью исследования и создания лазеров и фотоприемников в далекой инфракрасной области спектра, соответствующей длинам волн X ~ 20 - 200 мкм. Кроме того, предсказаны и наблюдались переходы типа полуметалл -полупроводник, «бесщелевое» состояние и связанные с этим аномалии в поведении высокой электронной проводимости и подвижности свободных носителей заряда. Исследования в основном проводились при азотных и гелиевых температурах. Обнаружена фотопроводимость и край собственного поглощения, связанные с прямыми межзонными переходами в точке L зонного спектра [3]. В работе [4] сообщалось о регистрации лазерной генерации на полупроводниковом сплаве Bio^Sboj на длине волны около X ~ 100 мкм при температуре 16 оК. Эта работа оказалась единичной и других не последовало.
При повышении температуры до комнатных ~ 300 оК многие тонкие эффекты исчезают, а резонансы типа минимумов плазменного отражения сохраняются и размываются из-за термической генерации свободных носителей заряда и роста вероятности электрон-электронного, электрон-фононного и электрон-плазмонного рассеяния [1,2]. Кристаллическая структура Bi при повышении температуры сохраняется, электронный спектр носителей заряда также несколько трансформируется, увеличивается тепловое размытие и разброс энергии электронов. Эксперименты показывают, что общая структура зон и их положение по энергиям в спектре висмута сохраняется (рис.2), о чем свидетельствуют и эксперименты по отражению от базисных поверхностей в области вакуумного ультрафиолета (рис.3). Энергии плазмонов и фононов, как видно из рисункрв 4 и 5, сохраняются одного порядка и малыми в области десятков мэВ. Приведенные факты дают основания использовать свойства электронов проводимости в висмуте и сплавах Bi1-xSbx для объяснения эффектов в малоразмерных структурах на этих материалах типа пленки, наноразмерные кластеры (кристаллиты) и нанопорошки. Особенностью рассматриваемых материалов типа висмута является то, что у значительной части электронов, несмотря на температурное распределение по скоростям, сохраняется высокая подвижность, а длина волны де Бройля является аномально большой и может достигать ХБ ~ 50 - 100 нм. Это дает возможность наблюдать квантовые размерные эффекты при комнатных температурах. В частности, предсказывается переход полуметалл - полупроводник при размерах образцов порядка длины волны де Бройля носителей заряда. Следует отметить, что не все теоретические предсказания об обнаружении целого ряда когерентных эффектов нашли надежное экспериментальное подтверждение, несмотря на значительные усилия в этом направлении [5].
В работе [5] обнаружено, что концентрации носителей заряда в тонких пленках висмута растут при уменьшении толщины пленок до 15 - 25 нм, а подвижности носителей заряда падают. Наблюдалась обратная ситуация, которая должна быть при переходе полуметалл - полупроводник. При этом квантовый размерный эффект должен уменьшить концентрацию носителей заряда. То есть предсказанный переход полуметалл полупроводник не получил экспериментального подтверждения. Авторы работы [5] пришли к заключению, что причиной роста концентрации носителей заряда в пленках висмута при уменьшении толщины является дополнительная концентрация, обусловленная наличием свободной поверхности и границами кристаллитов.
В работе [6] исследованы термостимулированные превращения наноразмерных пленок висмута толщиной 3 - 92 нм в зависимости от времени термообработки при температуре 573 оК в условиях абсорбции кислорода, перераспределения носителей заряда в контактном поле В>В^03 и образования оксида висмута. Построена диаграмма энергетических зон гетеросистемы В>В1203 с локализацией объемного заряда на границе раздела кристаллитов. Таким образом показан механизм формирования и удержания дополнительного объемного заряда электронов проводимости, который может играть роль дополнительной концентрации электронов и уменьшения подвижности носителей в связи с рассеянием в приграничном слое с неровным границами кристаллитов.
В работе [7] при изготовлении пористых заготовок волоконных световодов состава В^Ю2 при увеличении общей концентрации висмута до 0,03 ат.% в стекле или при термообработке в восстановительных условиях образуются висмутовые активные центры люминесценции и обнаруживаются наночастицы металлического висмута с размерами ~ 20 нм.
Обсуждаются тенденции и возможности объяснения оптических свойств указанных структур свойствами электронных переходов в энергетическом спектре висмута. Отмечено, что исследование оптического поглощения и люминесценции в протяженных волоконных структурах с висмутом еще не изучены полностью и требуются дополнительные исследования для выявления особенностей образования активных центров эффективной люминесценции и оптимизации технологии при их синтезе и термообработке.
б,нэ*
т„ ¡М ?
Рис.1. Схема перестройки энергетического спектра в сплавах при изменении _концентрации сурьмы х_
Ё ,,мэВ
195 К
Рис.2. Зависимость ширины запрещенной зоны Е^от концентрации сурьмы х и температуры
Рис.3. Спектры отражения от поверхности Bi (а) и сплавов Bi-Sb (б-ж) в области вакуумного УФ. Стабильное положение основных полос от
состава
Рис.4. Энергия плазменных колебаний в Bi от уровня легирования Те ( донор) и Sn
Рис.5. Спектры продольных и поперечных фононов в Bi
Литература
1. Степанов Н.П. Дисс. доктор физ.-мат. наук. Санкт-Петербург, 365 с. (2004)
2. БеловоловМ.И. Дисс. канд .физ.-мат.наук. Москва, 183 с. (1978)
3. Абдуллаев А.А., Алексеева В.Г. и др. Письма вЖЭТФ, т.17, вып.6, 292-295 (1973)
4. А.Г. Алексанян и др., Квантовая электроника, 11, № 3, 492 - 496 (1984)
5. Е.В.Демидов, В.М.Грабов, и др., Физика и техника полупроводниковтом 56, вып.2, 149 - 155 (2022)
6. Л.Н.Бугерко, В.Э.Суровая, Т.Г.Черкасова. Ползуновский вестник № 4-1, с.101-105 (2011)
7. ЗленкоА.С., Машинский и др. Квантовая электроника, том 43, № 7, 656-665 (2013)
