Влияние кристаллографической ориентации на процесс фотогенерации свободных носителей заряда в монокристаллах С60 в магнитном поле Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 548.571; 548.4

ВЛИЯНИЕ КРИСТАЛЛОГРАФИЧЕСКОЙ ОРИЕНТАЦИИ НА ПРОЦЕСС ФОТОГЕНЕРАЦИИ СВОБОДНЫХ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА В МОНОКРИСТАЛЛАХ См В МАГНИТНОМ ПОЛЕ

© Ю.И. Головнії, Д.В. Лопатин, Р.К. Николаев, А.В. Умрихин, М.А. Иванова

Golovin Yu.l.. Lopatin D.V., Nikolaev R.K., Umrikhin A.V., Ivanova M.A. Influence of crystallographic orientation on the process of photogcncration of free carrier charges in CM single crystals placed into a magnetic Held. Influence of crystallographic orientation on the process of photogcncration of free carrier chargcs in Сад single crystals placed into a weak magnetic field is studied in this work. There have been found several different ways of increasing photoconductivity up to 13 % in a magnetic field with II = 0,4 T. Connection of these ways influencing greatly electron-optical characteristics of C«> single crystals with cxiton conditions and transfer of charge has been viewed here.

В последнее время фуллерены н их производные находят все большее применение в нанотехнологиях (наноэлектроника, нанолнтография [1], ориентирующие покрытия для жидкокристаллических технологий [2], наносенсоры [3] и т. д.). В связи с этим большой интерес представляет изучение процессов взаимодействия нано-объектов в них в присутствии магнитных и электрических полей, при облучении светом и малыми дозами радиации и т. д. В молекулярных кристаллах электронно-оптические свойства, в основном, формируются экентоннымн состояниями. При фотовозбуждении фуллеренов образуются экситоны Френкеля (электрон и дырка расположены на одной молекуле) и экситоны с переносом заряда (пара зарядов противоположного знака расположена на разных, чаще всего соседних, молекулах с расстоянием между электроном и дыркой 1,001 или 1,415 нм [4]). Роль кристаллического поля в формировании электронно-оптических свойств фуллеритов и его влияние на взаимодействие нано-объектов в кристаллах фуллеритов мало изучена. В работах [5, 6] показана возможность управления при помощи магнитного поля (МП) электронно-оптическими свойствами монокристаллов Сю путем изменения спинового состояния экентонов с переносом заряда. Таким образом, представляет определенный интерес изучение наномасштабных экентонных процессов при возбуждении электронной подсистемы фуллеритов внешними полями, которые могут существенно повлиять и изменять их физические и технологические свойства.

Выявление роли кристаллографической ориентации в процессе фотогенерацин свободных носителей заряда в монокристаллах С(,о в МП составляло основную цель данной работы.

В работе исследовали монокристаллы Сю высокой чистоты (99,95 %), выращенные в ИФТТ РАН. Для исследований использовали образцы правильной огранки, что позволяло однозначно определить кристаллографические плоскости кристаллов в fcc-фазе. Для возбуждения фотопроводимости использовали свет от ксеноновой лампы ДКСШ 200, которая имеет почти непрерывный спектр испускания в видимой и ультрафиолетовой областях. Для возбуждения фотопроводи-

мости в экситонной полосе свет от лампы пропускали через светосильный монохроматор с дисперсией 0,6 нм/мм. Характеристикой фотопроводимости служил ток /, протекающий через индиевые контакты, которые крепились на одной грани образца при помощи серебряной пасты. К контактам прикладывали постоянное напряжение 20-40 В. Для предотвращения фотоокисления образец помещали в герметичную кварцевую ампулу. Постоянное МП с индукцией 0,4 Тл создавали при помощи электромагнита.

При освещении монокристаллов Сы> светом с энергией квантов 2,75-3,3 эВ были получены следующие результаты. В процессе вращения вектора индукции МП вокруг оси [I 1 0] в диапазоне от -90° до 90° обнаружено 8 резонансных направлений увеличения фотопроводимости на 8-13 % (рис. 1). При этом наблюдалась зеркальная симметрия относительно направления [001]. В силу симметрии направлений плоскости {110) можно предполагать, что всего в ней существуют 16 резонансных направлений. При вращении вектора индукции МП вокруг оси [001 ] в диапазоне от -45° до 45° было обнаружено 6 резонансных направлений увеличения фотопроводимости на 9-13 %. При этом наблюдалась симметрия относительно направления [100], что дает нам право предполагать, что всего в плоскости {100} существуют 24 резонансных направлений. Заметим, что независимо от направления МП создает прибавку фототока 4-5 %.

Особенности оптических спектров фуллерита формируются внутримолекулярными и межмолекулярны-ми электронными процессами [4]. Так как фотовозбуждение производилось в экситонной полосе [6, 7], то при обсуждении механизма анизотропии влияния МП на фотопроводимость Сбо будем предполагать, что МП влияет на эксигонные механизмы генерации свободных носителей заряда. Из работы [4] известно, по крайней мере, два экситонных состояния с переносом заряда, существенно влияющих на электронно-оптические свойства фуллеренов. Обнаружение более двух направлений увеличения фотопроводимости позволяет предположить наличие большего числа состояний с переносом заряда. Предположительно, каждому межмолекулярному возбуждению соответствует

Рис. 1. Зависимость изменения прибавки фототека Д/ от угла вращения вектора индукции В относительно кристаллографических направлений обрата а. Кривая I - при В = 0, кривая 2 - при В = 0.4 Тл. На врезках показаны условия эксперимента I - лля плоскости {110}. II - для плоскости {100)

Таблица 1

Расположение электрона и дырки в кристаллической решетке для различных состояний с переносом заряда. Позиция 1 - позиция центра молекулы, на которой локализована дырка. Позиция 2 - позиция центра молекулы, на которой локализован электрон

Плос- кость Позиция 1 Позиция 2 Угол а, ° г. к £ст> эВ

{ПО) (0,0,0) (0.0.1) 0 14,15 2,80

(0,0,0) (1/2,1/2,2) 20 29,88 2,93

(0,0,0) (1/2,1/2,I) 38 18,47 2,85

(0,0,0) (МЛ) 60 28,30 2,91

(0,0,0) (1/2.1/2,0) 90 10,01 2,71

{100) (1/2,0,1/2) (2,1/2,1/2) 18 22,37 2,89

(0,0,0) (2,1.0) 26 31,64 2,93

резонансное направление. Анализ взаимного положения кристаллографического направления и вектора индукции МП, при котором происходит увеличение фотопроводимости, показывает, что резонансы наблюдались при совпадении вектора индукции МГ1 с отрезком, соединяющим центры двух близлежащих молекул в (сс-решетке. Таким образом, можно говорить о существовании семи различных состояний с переносом заряда, существенно влияющих на электроннооптические свойства фуллеритов. Все остальные переходы кристаллографически эквивалентны приведенным выше. В таблице I приведены кристаллографические характеристики различных состояний с переносом

заряда, а также их энергии. Энергия экситона с переносом заряда оценивалась следующим образом:

Ест = /-А-2Р+С(г),

С(г) = -е2/ег.

где / = 7,62 эВ - энергия ионизации, А = 2,65 эВ -сродство к электрону, Р - 0,97 эВ - энергия поляриза-

ции одиночного заряда, С(г) - кулоновская энергия, Б = 4,4 - диэлектрическая проницаемость среды (все данные взяты из [4]).

Одной из причин анизотропии магнитного эффекта в монокристаллах Сы, может быть зависимость величины зеемаиовского расщепления от направления магнитного поля относительно осей дипольного тензора (или кристаллографических осей). Для молекулярных кристаллов известно [8], что при этом для некоторых направлений уровни различных состояний, обладающих синглетной компонентой, будут пересекаться, что вызовет дипольное вырождение и соответствующее снижение скорости рекомбинации экентонов и тем самым увеличение их диссоциации на свободные носители заряда.

В работе установлено, что фотопроводимость монокристаллов С(,о чувствительна к положению кристаллографической ориентации по отношению к МП. Показано существование новых состояний экситонов с переносом заряда, существенно влияющих на электронно-оптические свойства монокристаллов Сад.

ЛИТЕРАТУРА

1. Осипьян /О.A., Кведер В. В. // Материаловедение. 1997. № I. С. 2-6.

2. Ракчсева Л.П., Каманина Н.В. И Письма в ЖТФ. 2002. Т. 28. №11. С. 28-36.

3. Т/кч/пиов В.И., Щур Д.В.. Та/мсов К.П. и др. Фуллерены - основы материалов будущего. Киев, 2001. С. 147.

4. Kazaoul S.. Minami N.. Tanabe Y. et al II Phys. Rev В. 1998. V. 58. X« 12. P. 7689-7700.

5. Ossipyan Yu.A., Golovin Yu.i. Lopatin O.V. et al. II Phys. Stat. Sol. (b). 2001. V. 223. M" 3. RI4-R15.

6. Головин Ю.И., Лопатин Д.В.. Николаев Р. К. и др. II ДЛН. 2002. Т. 387. №6. С. 1-3.

7. Макарова Т.Д.. Захарова И.Б. И ФТТ. 2002. Т. 44. Вып. 3. С. 478-480.

8. Соколик И.А., Фрамкевич F..JI. II УФН. 1973. T. 111. № 2. С. 261-288.

БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена при поддержке РФФИ (грант № 02-02-17571 и № 03-02-06181), ФЦП «Фуллерены и атомные кластеры» (проект № 541-02) и программы «Университеты России» (грант № УР.01.01.013).