Библиографическое описание:

Реховская Е. О., Нагибина И. Ю., Макарова А. С. Оптические свойства новой полупроводниковой системы CdS–ZnTe // Молодой ученый. — 2014. — №2. — С. 248-252. — URL https://moluch.ru/archive/61/9082/ (дата обращения: 23.05.2018).

В работе проведены исследования оптических свойств твердых растворов и бинарных компонентов системы CdS–ZnTe. Методом ИК–спектроскопии выявлен химический состав поверхности исследуемых полупроводников и подтверждено образование твердых растворов замещения. По полученным УФ–спектрам рассчитана одна их важнейших характеристик полупроводников — ширина запрещенной зоны. КР–спектроскопические исследования позволили выявить частоты наибольшей люминесценции, максимум излучения и дополнительно идентифицировать полученные твердые растворы.

Ключевые слова: оптические свойства,спектроскопия, полупроводники, химический состав поверхности, люминесценция.

1. Введение

Исследование природы и свойств поверхности сопряжено с большими экспериментальными трудностями. Поскольку традиционные методы изучения дефектов — электрофизические и методы с использованием радиоактивных индикаторов — неприменимы к полидисперсным материалам, становится очевидным, что развитие современных представлений о механизме молекулярных процессов, протекающих на поверхности твердого тела, требующие знаний о природе возникающей при этом связи, структуре поверхности, характере движения молекул на поверхности, невозможно без использования спектральных методов исследования, дающих прямую информацию о процессах взаимодействия на молекулярном уровне [1, 2]. Особое место здесь должно принадлежать ИК–, УФ– и КР–спектроскопии.

Эти методы позволяют судить о составе и строении поверхностных соединений, природе связей адсорбированных молекул с поверхностью, существовании различных типов поверхностных соединений, об активных центрах поверхности твердого тела.

2. Методика эксперимента

В качестве объектов исследования служили CdS, ZnTe, а также ряд твердых растворов системы CdS–ZnTe. Исследуемые объекты были представлены в виде мелкодисперсных порошков.

ИК–спектры компонентов системы CdS–ZnTe снимали на Фурье–спектрометре инфракрасном ИнфраЛюм ФТ–02 с приставкой МНПВО (материал кристалла — германий, The PIKE Tecnologies HATR) в спектральном диапазоне 830–4000 см–1 [3, 4].

Электронные УФ–спектры — на спектрофотометре UV-2501PC фирмы «Shimadzu» c приставкой диффузного отражения ISR-240A в диапазоне 190–900 нм с разрешением 1 нм.

УФ–спектроскопические исследования проводили для получения информации о значениях ширины запрещенной зоны изучаемых полупроводников.

Ширину запрещенной зоны определяли по формуле:

ΔE = h · c / l                                                                                                                  (1),

где h — постоянная Планка (6.626 · 1034 Дж · с), с — скорость света (3 · 108 м/с), l — длина волны.

Спектры комбинационного рассеяния света (КРС) — на рамановском Фурье–спектрометре BRUKER RFS-100/s. Длина волны возбуждающего лазера l = 785 нм, мощность — до 100 мВт, спектральное разрешение — 3 см1.

КР–спектроскопические исследования использовали для изучения оптических, физико-химических свойств компонентов системы CdS–ZnTe и для идентификации образования в ней твердых растворов замещения.

3. Экспериментальные результаты

3.1. ИК–спектроскопические исследования

Метод ИКС использовали для изучения кислотно-основных и адсорбционных свойств поверхности, выяснения природы адсорбционных комплексов, а так же для дополнительного подтверждение образования в системе CdS–ZnTe твердых растворов [5].

Результаты ИК–спектроскопических исследований представлены на рис. 1.

Как видно из ИК–спектров, исходная поверхность бинарных компонентов и твердых растворов системы CdS — ZnTe содержит:

-          полосы поглощения в области 3520–3690 см-1, принадлежащие валентным колебаниям молекул воды;

-          полосу поглощения 3750 см-1 принадлежащую валентным колебаниям структурных гидроксильных групп;

-          полосы в области 2220–2400 см-1, относящиеся к молекулярно-адсорбированному CO2;

-          полосы в и интервале 1170–1600 см-1, обусловлены адсорбцией Н2О и СО2 из воздуха или иными загрязнениями поверхности органическими веществами.

Рис. 1. ИК–спектры пропускания компонентов системы, хранившихся на воздухе: 1 — CdS, 2 — (CdS)0,9(ZnTe)0,1, 3 — (CdS)0,75(ZnTe)0,25, 4 — (CdS)0,5(ZnTe)0,5, 5 — (CdS)0,25(ZnTe)0,75, 6 — (CdS)0,1(ZnTe)0,9, 7 — ZnTe

При расположении ИК–спектров образцов в ряд CdS → (CdS)х(ZnTe)1–х → ZnTe прослеживается закономерность: с изменением состава наблюдается смещение пиков, отвечающих колебаниям молекулярно-адсорбированного СO2, а также изменение их интенсивности. Данный факт является дополнительным подтверждением образования твердых растворов в системе CdS–ZnTe.

3.2. УФ– спектроскопические исследования

Результаты УФ–спектроскопических исследований представлены на рис. 2 и в табл. 1.

Рис. 2. УФ–спектры компонентов системы CdS−ZnTe: 1 — CdS; 2 — (CdS)0.9(ZnTe)0.1; 3 — (CdS)0.75(ZnTe)0.25;4 — (CdS)0.5(ZnTe)0.5; 5 — (CdS)0.25(ZnTe)0.75; 6 — (CdS)0.1(ZnTe)0.9; 7 — ZnTe

При образовании твердых растворов из исходных бинарных компонентов ∆Е должна изменяться с составом. Исходя из этого, по изменению ширины запрещенной зоны компонентов системы можно судить об образовании твердых растворов.

По полученным УФ–спектрам рассчитаны значения ΔЕ — ширины запрещенной зоны. Край полосы отражения для исследованных компонентов лежит в области от 569 нм до 858 нм.

Таблица 1

Значения ширины запрещенной зоны компонентов системы CdS−ZnTe

Состав

∆Е, эВ

CdS

2.44

(CdS)0.9(ZnTe)0.1

2.16

(CdS)0.75(ZnTe)0.25

2.66

(CdS)0.5(ZnTe)0.5

1.56

(CdS)0.25(ZnTe)0.75

2.02

(CdS)0.1(ZnTe)0/9

2.23

ZnTe

2.24

Анализ полученных зависимостей показывает, что рассчитанная ширина запрещенной зоны для бинарных компонентов практически совпадает с литературными данными [6]. Для сульфида кадмия она равна 2.44 эВ (2.53 эВ — табличное значение), а для теллурида цинка — 2.24 эВ (2.23 эВ — табличное значение).

3.3. КР– спектроскопические исследования

Результаты исследования комбинационного рассеяния компонентов системы CdS–ZnTe представлены на рис. 3, 4 и в табл. 1.

Рис. 3. Спектры комбинационного рассеяния твердых растворов системы CdS−ZnTe: 1 — (CdS)0,9(ZnTe)0,1; 2 — CdS

Рис. 4. Спектры комбинационного рассеяния бинарных соединений и твердых растворов системы CdS−ZnTe: 1 — (CdS)0,75(ZnTe)0,25; 2 — (CdS)0,1(ZnTe)0,9; 3 — ZnTe

Экспериментально получены спектры комбинационного рассеяния в областях стоксовского (0–4500 см-1) излучения. Люминесценция всех образцов при возбуждении излучением лазера при длине волны λ = 785 нм имеет разную интенсивность.

Значения частоты максимальной люминесценции для бинарных соединений и твердых растворов представлены в табл. 1. Они характеризуют изменение частоты оптических переходов в зависимости от концентрации ZnTe в системе CdS−ZnTe и свидетельствуют об изменении ширины запрещенной зоны при образовании твердого раствора.

Таблица 2

Значения частоты наибольшей люминесценции (νm) и максимума интенсивности излучения (I) кристаллической решетки компонентов системы CdS−ZnTe

Компонент

νm, см-1

I, отн. ед.

CdS

2709

0.0598

(CdS)0.9(ZnTe)0.1

2991

0.1373

 CdS)0.75(ZnTe)0.25

2908

0.0126

 (CdS)0.1(ZnTe)0.9

1629

0.0043

ZnTe

2991

0.0006

В КР–спектрах в стоксовской области присутствуют узкие пики, соответствующие частотам ωLO и ωTO колебаний кристаллической решетки исходных бинарных соединений с частотами ωLO = 305 см-1, ωTO = 234 и 243 см-1 [7] для CdS; ωLO = 206 см-1 и ωTO = 177 см-1 для ZnTe. Все перечисленные колебания наблюдаются в КР–спектрах исследуемых бинарных соединений CdS, ZnTe и их твердых растворов. Это позволяет идентифицировать исходные вещества и согласуется с данными рентгеноструктурного анализа.

В КР–спектрах твердых растворов, кроме линий, соответствующих колебаниям решеток CdS и ZnTe, присутствуют пики, относящиеся к межзонным переходам электронов и переходам электронов на примесные уровни внутри запрещенной зоны. Изменение интенсивности и частоты примесного излучения в зависимости от состава твердого раствора, а также смещение в зависимости от состава интенсивного пика, относящегося к межзонной рекомбинации, подтверждают образование твердых растворов замещения в изучаемой системе. Интенсивность пиков примесного излучения зависит от содержания сульфида кадмия и уменьшается с увеличением его концентрации.

Заключение

В работе проведено исследование оптических свойств компонентов полупроводниковой системы CdS–ZnTe. По результатам ИК–спектроскопических исследований химический состав исходной поверхности бинарных компонентов и твердых растворов в целом не отличается от химического состава поверхности других алмазоподобных полупроводников. Он представлен преимущественно адсорбированными молекулами воды (3520–3690 см–1), группами ОН (3750 см–1), молекулярно-адсорбированным CO2 (2220–2400 см-1), адсорбированными Н2О и СО2 из воздуха (1170–1600 см-1), связями С–Н

(2820 см-1, 2900 см-1 и 2950 см-1). По результатам УФ–спектроскопических исследований рассчитаны значения ΔЕ — ширины запрещенной зоны. По результатам КР–спектроскопических исследований получены спектры комбинационного рассеяния в области стоксовского (0–4500 см-1) излучения, согласующиеся с данными рентгеноструктурного анализа, позволившие идентифицировать изучаемые объекты и рассчитать частоты наибольшей люминесценции и максимум интенсивности излучения.

Литература:

1.         Антипьева, В. А. Физика полупроводников. Издание ВВИА им. проф. Н. Е. Жуковского, 1960–55с.

2.         Кировская, И. А. Исследование свежеобразованных поверхностей соединений типа АIIBVI / И. А. Кировская, В. В. Даньшина, Е. М. Емельянова // Неорг. материалы. — 1989. — Т. 25. — № 3. — с. 379–381.

3.         Киселев, А. В. Инфракрасные спектры поверхностных соединений / А. В. Киселев, В. И. Лынгин. — М.: Наука, 1972. — С. 395–397.

4.         Литтл, Л. Инфракрасные спектры адсорбированных молекул. — М.: Мир, 1969. — 515 с

5.         Давыдов, А. А. ИК–спектроскопия в химии поверхности окислов. — Новосибирск: Наука, 1984. — 245 с.

6.         Горелик, С. С., Расторгуев, Л. Н., Скаков Ю. А. Рентгенографический и электрооптический анализ. — М.: Металлургия, 1970. — 107с.

7.         Nakomoto, K. IR and Raman Spectra of Inorganic and Coordination Compounds. — New York: Willey, 1978. — 448 p

Основные термины (генерируются автоматически): запрещенная зона, УФА, комбинационное рассеяние, твердый раствор системы, спектр, раствор, длина волны, химический состав поверхности, твердый раствор замещения, исходная поверхность.


Ключевые слова

оптические свойства, спектроскопия, полупроводники, химический состав поверхности, люминесценция.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle
Задать вопрос