CC BY
4PHYSICAL SCIENCES
EFFECT OF DOPING WITH THE RARE EARTH ELEMENT NEODYMIUM ON THE OPTICAL AND PHOTOELECTRIC PROPERTIES OF TLGASE2 SINGLE CRYSTALS
Ismailova P.,
phd in physics, associate professor, head of laboratory at the Institute of Physics of the Ministry of Science and Education of Azerbaijan
Gasanov N.,
phd in physics, associate professor, leading researcher at the Institute of Physics of the Ministry of Science and Education of Azerbaijan
Velibekov X.,
researcher at the Sheki Regional Scientific Center, Department of Environmental Biophysics, Azerbaijan National Academy of Sciences
Gasanov A.,
phd in physics, senior researcher at the Institute of Physics of the Ministry of Science and Education of Azerbaijan
Hadjiyeva A. researcher at the Institute of Physics of the Ministry of Science and Education of Azerbaijan
ВЛИЯНИЕ ЛЕГИРОВАНИЯ РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫМ ЭЛЕМЕНТОМ НЕОДИМОМ НА ОПТИЧЕСКИЕ И ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МОНОКРИСТАЛЛОВ TLGASE2
Исмаилова П.Г.
кандидат физических наук, доцент, руководитель лаборатории Института Физики МНО Азербайджана
Гасанов Н.З. кандидат физических наук, доцент, ведущий научный сотрудник Института Физики МНО Азербайджана
Велибеков Х.Ш.
научный сотрудник отдела биофизики окружающей среды Шекинского регионального научного центра Национальной Академии Наук Азербайджана
Гасанов А.И.
кандидат физических наук, старший научный сотрудник Института Физики МНО Азербайджана
Гаджиева А.А.
научный сотрудник Института Физики МНО Азербайджана https://doi.org/10.5281/zenodo.7327159
Abstract
The effect of doping with the rare-earth element neodymium of the ternary semiconductor compound TlGaSe2 on its photoelectric and optical properties in the temperature range of 77-300 K has been studied. It has been established that by increasing x in (TlGaSe2)1-x(Nd2Se3)x from 0 to 0.007, the position of the photocurrent maximum in the photoconductivity spectrum shifts toward lower energies, which is related to the appearance of shallow impurity centres. The study of the optical absorption edge made it possible to determine the band gap width Eg of the compound (TlGaSe2)0.997(Nd2Se3)0.003, which turned out, in the temperature range under study, to be on average 75 MeV lower than in TlGaSe2. The effect of doping with neodymium on the temperature dependence of Eg was studied.
Аннотация
Исследовано влияние легирования редкоземельным элементом неодимом тройного полупроводникового соединения TlGaSe2 на его фотоэлектрические и оптические свойства в интервале температур 77-300 К. Установлено, что с увеличением х в соединении (TlGaSe2)1-x(Nd2Se3)x от 0 до 0,007 положение максимума фототока в спектре фотопроводимости смещается в сторону меньших энергий, что связывается с появлением неглубоких примесных центров. Исследование края оптического поглощения позволило определить ширину запрещенной зоны Eg соединения (TlGaSe2)0,997(Nd2Se3)0,003, которая оказалась в изученном температурном интервале в среднем на 75 мэВ меньше, чем в TlGaSe2. Изучено влияние легирования неодимом на температурную зависимость Eg.
Keywords: semiconductors, rare earth element, photoconductivity, optical absorption edge. Ключевые слова: полупроводники, редкоземельный элемент, фотопроводимость, край оптического поглощения.
В последние годы увеличивается количество работ, посвященных исследованию полупроводников, легированных редкоземельными элементами (РЗЭ). Соединения и твердые растворы, содержащие РЗЭ, представляют большой интерес в связи с их необычными физико-химическими свойствами. Легирование полупроводниковых материалов РЗЭ увеличивает фоточувствительность и фотолюминесценцию в примесной области [1-5]. Исследованная нами система (TlGaSe2)l-x(Nd2Seз)x также считается эффективным материалом в этом отношении.
Для определения взаимодействия в системе (ТЮа8е)1-х(Ш28ез)х (0<х<0,007) была изучена диаграмма состояния твердого раствора, сформированного на основе соединения TlGaSe2. По данным физико-химического анализа на фазовой диаграмме (ТЮа8е)ьх(Ш28ез)х наблюдается эвтектика. Эвтектика системы (TlGaSe)l-x(Nd2Seз)x составляет 20
мол% №28ез при 1050 К. При этой температуре растворимость №28ез в TlGaSe2 составляет до 7 мол% [6].
Слоистые монокристаллы (TlGaSe)l-x(Nd2Seз)x (0<х<0,007) были получены методом Бриджмена-Стокбаргера. На полученных образцах проведено измерение стационарной фотопроводимости (ФП) в области энергий падающих фотонов 0,8-3,0 эВ и температур 77-300 К. Электрическое поле было направлено вдоль естественных слоев, а свет перпендикулярно к ним. Омическим контактом являлся 1п, нанесенный на торцы образцов.
В таблице 1 приведены значения некоторых определенных нами фотоэлектрических параметров кристаллов (TlGaSe)l-x(Nd2Seз)x (0<х<0,007), где р - удельное темновое сопротивление, Ит и И -темновое и световое сопротивление образцов.
Таблица 1.
Некоторые фотоэлектрические параметры монокристаллов
х р, Омсм при 300 К Ят / Rc при 100 лк
300 K 77 К
0 5106 2 102
0,003 8-9105 1 - 1,5 1 - 1,5
0,005 2-3105 5 - 10 102 - 103
0,007 3-5103 10 - 20 102 - 103
x
x
Спектральное распределение стационарной ФП кристаллов (TlGaSe)l-x(Nd2Seз)x приведено на рис. 1 и
2 при 77 и 300 К, соответственно.
Рис.1. Спектральное распределение стационарной фотопроводимости монокристаллов (Т10а8е)1-х(Хй28е)хпри 77К: 1- х=0; 2- х=0,005; 3- х=0,007.
При 77 К (рис.1) с увеличением х от 0 до 0,007 Смещение кривых ФП с изменением состава
положение максимума фототока в спектре ФП сме- связано, видимо, с появлением мелких фоточув-щается в сторону меньших энергий. ствительных примесных центров. При росте темпе-
ратуры до 300 К в спектре ФП проявляется длинноволновой хвост, обусловленный примесной ФП
(рис.2). Для кристаллов с х=0,007 при 300 К явно выделяются примесные полосы с красной границей 1,0; 1,2; 1,6 эВ. В кристаллах с х=0,005 наблюдается довольно широкий длинноволновой хвост в спектре ФП с красной границей 1,0 эВ.
В кристаллах ТЮа8е2 присутствуют только примесные уровни с энергиями 1,75 и 1,45 эВ. Отсюда следует, что более глубокие уровни в твердом растворе (TlGaSe)l-x(Nd2Seз)x обусловлены влиянием РЗЭ.
1»\?.еУ
Рис. 2. Спектральное распределение стационарной фотопроводимости монокристаллов (Т10а8е)1-х(Хй28е)хпри 300К; 1- х=0; 2- х=0,005; 3- х=0,007.
С увеличением процентного содержания №28е3 в ТЮа8е2 длинноволновый хвост спектрального распределения примесной ФП смещается в сторону длинных волн. При 77 К фоточувствительность в образцах (TlGaSe)l-x(Nd2Seз)x в примесной области проявляется только при наличии сильного электрического поля (Е=103^104 В/см) и находится в области энергий 0,4^1,7 эВ. Это показывает, что в исследованных кристаллах имеет место примесная ФП, индуцированная электрическим полем.
Спектральное распределение примесной ФП для состава с х=0,007 представлено на рис. 3. Для этого состава примесная ФП линейно увеличивается с повышением приложенного напряжения от 30 до 260 В. При напряжении 280 В величина примесного фототока скачком растет на два порядка (кривая 6).
Кривая спектрального распределения примесной ФП при этом сужается, и красная граница смещается в сторону коротковолновой области спектра.
Рис. 3. Спектральное распределение примесной фотопроводимости монокристаллов (ТЮаБг) 1-х(Мй2$ез}х с х=0,007 при различных значениях приложенного напряжения. Кривые 1, 2, 3, 4, 5, 6 соответствуют значениям напряжения 3, 60, 105, 150, 260 и 280 В.
Вышеизложенные экспериментальные данные обнаруживают особенность примесной ФП монокристаллов с РЗЭ - в них примесные уровни как бы не истощаются с увеличением температуры, а заполняются основными носителями, в результате чего абсолютная величина примесной ФП увеличивается. Примесные центры, образующиеся в кристаллах ТЮа8е2 в результате введения в них РЗЭ, обладают рядом интересных особенностей. В отличие от обычного примесного центра, у уровней, образуемых РЗЭ, существует потенциальный барьер для свободных носителей. При этом свободные носители для заполнения этих центров должны преодолеть этот барьер. При низких температурах и слабых полях энергия носителей меньше высоты барьера, и они не могут их заполнять. По этой причине примесная ФП этих центров отсутствует. При росте температуры высота барьера уменьшается, и тепловая энергия позволяет носителям заполнять эти центры. При наличии сильного электрического поля эти барьеры сужаются, и свободные носители даже при низких температурах могут их заполнять в результате туннельного эффекта.
В диапазоне температур 77^300 К исследован край оптического поглощения монокристаллов
2,2 т
>
ш
м
ш
2,15
2,1
2,05
ТЮа8е2 и (ТЮа8е2)0,97(Ш28ез)0,0з. Образцы скалывались от монокристаллического слитка и имели форму тонких пластинок с толщиной от 20 до 120 мкм. Свет направлялся на образцы параллельно кристаллографической оси с. Исследования спектров оптического пропускания проводились при помощи установки на основе монохроматора МДР-23 и азотного криостата. Разрешение установки было не хуже 2 А.
Для вычисления коэффициента оптического поглощения а в интервале от 1 до 105 см-1 использовались данные измерений интенсивности светового пучка, прошедшего через образцы различных толщин, причем для охвата всего интервала пришлось разбивать его на 3 участка и учитывать измерения пропускания трех пар образцов соответствующих толщин. Для каждого участка а вычислялся по формуле а=Ь/(й2 - й^ххп^Ь/Ь), где й1 и й2 - толщины образцов, а Ь и 12 - интенсивности прошедшего через них света. Поскольку величина ай была больше единицы для каждого образца и соответствующего участка, интерференция световых пучков, проходящего и отраженного от задней поверхности кристаллической пластинки, была очень слабой и нами не наблюдалась.
50 100 150 200 250 300
T, K
1
2
Рис.4. Температурная зависимость ширины запрещенной зоны в TlGaSe2 (1) и (Т1Са8е2)о,97(^й28е3)о,03 (2).
На рис.4 представлена температурная зависимость ширины запрещенной зоны Её(Т) для TlGaSe2 и (ТЮа8е2)0,97(^28ез)0,0з. Ширину запрещенной зоны Её исследуемых кристаллов определяли экстраполяцией прямолинейного участка зависимости (а^)2 от энергии фотона ^ до пересечения с осью абсцисс. Указанные зависимости имели выраженные прямолинейные участки, что (как и рентгеновские данные) свидетельствует о равновесности выращенных кристаллов. Проведенный анализ спектров пропускания позволил проследить температурную зависимость Бё в TlGaSe2 и (ТЮа8е2)0,97(^28ез)0,0з в интервале температур от 77 до 300 К.
Эксперимент показал, что с уменьшением температуры край поглощения сдвигается в сторону высоких энергий. Рассчитан средний температурный коэффициент ширины запрещенной зоны для (ТЮа8е2)0,97(^28ез)0,0з в интервале температур 77^300 К. Он имеет отрицательный знак, как и для ТЮа8е2 [7], но немного больше по модулю: -2,42 10-4 эВ/К для TlGaSe2 и -2,8710-4 эВ/К для (ТЮа8е2)0,97(№28ез)0,0з).
Уменьшение ширины запрещенной зоны у соединения (ТЮа8е2)0,97(^28ез)0,0з по отношению к ТЮа8е2 составляет в среднем 75 мэВ. Надо отметить также, что величина коэффициента поглощения в (ТЮа8е2)0,97(^28ез)0,0з заметно выше, чем в ТЮа8е2.
Список литературы:
1. Физические свойства халькогенидов редкоземельных элементов, под ред. Жузе, Изд-во Л., «Наука», с.304, 1973.
2. Karimova E.M., Hasanov N.Z., Hasanov A.i., Hüseynova K.M., isayeva А.Э. TlInS2 va TlGaSe2 birla§malarinda In va Ga atomlannin Dy atomlarla qisman avaz edilmasinin onlarin fiziki xassalarina tasiri. Fizika, 2012, cild XVIII, №2, section: Az. S.36-38.
3. Пашаев А.М., Мустафаева С.Н., Керимова Э.М., Гасанов Н.З. Диэлектрические и оптические свойства легированных редкоземельными элементами монокристаллов TlInS2 и TlInSe2. Ученые записки Национальной Академии Авиации. 2014. Т. 16. № 3. С. 29-37.
4. Э.М.Керимова, Н.З.Гасанов. Кристаллофизика сложных полупроводников на основе соединений типа TlBIIIC2VI, включающих редкоземельные элементы и переходные металлы. AMEA Xabarlar, Fizika va Astronomiya seriyasi.
2017, №2, С.12-26.
5. E.M.Kerimova, N.Z.Gasanov, F.M.Seidov. Some physical properties of the TlGaSe2-TlTmSe2 system. Milli Aviasiya Akademiyasi. Elmi Macmualar,
2018, c.20, N4, s.51-53.
6. Э.М.Керимова. Кристаллофизика низкоразмерных халькогенидов. Баку, «Елм», 712с., 2012.
7. Н.З.Гасанов, Э.М.Керимова, А.И.Гасанов, Ю.Г.Асадов. Оптические свойства и параметры кристаллической решетки твердых растворов TlGal-xFexSе2. Физика Низких Температур, 2007, т.33, стр. 115-118.
