Оптические и электрофизические свойства полупроводников системы CdS–CdTe | Статья в журнале «Молодой ученый»

Авторы: ,

Рубрика: Химия

Опубликовано в Молодой учёный №13 (72) август-2 2014 г.

Дата публикации: 12.08.2014

Статья просмотрена: 256 раз

Библиографическое описание:

Кировская И. А., Нор П. Е. Оптические и электрофизические свойства полупроводников системы CdS–CdTe // Молодой ученый. — 2014. — №13. — С. 22-25. — URL https://moluch.ru/archive/72/12303/ (дата обращения: 19.08.2018).

Впервые изучены оптические и электрофизические свойства бинарных и многокомпонентных полупроводников системы CdS–CdTe: на основе ультрафиолетовых (УФ) и комбинационно рассеянных (КР) спектроскопических исследований определены значения частот примесной (характеризующих гексагональную модификацию) и межзонной люминесценций, значения ширины запрещенной зоны.

В работе анализируются результаты исследований объемных физико–химических свойств твердых растворов и бинарных компонентов системы CdS-CdTe. Подобно другим сложным системам на основе алмазоподобных полупроводников [1–3], данная система интересна как перспективная для получения новых адсорбентов, катализаторов, материалов современной отпто–, микроэлектроники, нано–, сенсорной техники, включая сенсоры — датчики экологического назначения [2]. Создание таких материалов основывается на необходимых сведениях об объемных и поверхностных физико-химических свойствах поверхности полупроводников. Целью данной работы явилось получение новых сведений об объемных свойствах полупроводников системы CdS–CdTe.

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Oбъектами исследования служили тонкодисперсные CdS, СdTe, а также их твердые растворы (CdS)х (CdTe)1-х (х = 0.16; 0.24; 0.5; 0.61).

Твердые растворы получали методом изотермической диффузии бинарных соединений (CdS, CdTe) в вакуумированных запаянных кварцевых ампулах при температурах, близких к температуре плавления более легкоплавкого компонента (CdTe) [3]. Об образовании твердых растворов судили по результатам рентгенографических исследований (дифрактометр ДРОН — 3, CuКα,β — излучение).

Оптические и электрофизические свойства изучали методами УФ– и КР–спектроскопии.

УФ–спектры регистрировали на спектрофотометре UV-2501PC фирмы «Shimadzu» c приставкой диффузного отражения ISR–240A в диапазоне 190–900 нм с разрешением 1 нм; спектры комбинационного рассеяния (КРС) — на Рамановском Фурье–спектрометре BRUKER RFS–100/s (длина волны возбуждающего лазера λ = 785 нм, мощность — до 100 мВт, спектральное разрешение — 3 см–1).

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

УФ–спектры твердых растворов с избытком теллурида кадмия (рис. 1) имеют форму, сходную со спектром сульфида кадмия, а также ярко выраженное плечо в интервале длин волн 550–725 нм, обусловленное возникновением экситонного эффекта [1–4].

Рис. 1. УФ–спектры компонентов системы CdS — CdTe: 1 — CdS; 2 — (CdS)0.16(CdTe)0.84; 3 — (CdS)0.24(CdTe)0.76; 4 — (CdS)0.5(CdTe)0.5; 5 — (CdS)0.6(CdTe)0.4; 6 — CdTe

Рассчитанные по полученным УФ–спектрам значения ширины запрещенной зоны (ΔЕ) представлены в табл. 1 и на рис. 2. Анализ этих результатов показывает: значения ширины запрещенной зоны бинарных компонентов практически совпадают с литературными данными. Для сульфида кадмия ΔЕ равна 2.44 эВ (табличное значение — 2.4–2.53 эВ), а для теллурида кадмия — 1.51эВ (табличное значение — 1.49–1.5 эВ).

Зависимость ширины запрещенной зоны компонентов системы CdS–CdTe от состава имеет нелинейный характер, с максимумом при ХCdS = 0.16 и минимумом при ХCdS = 0.61 (табл. 1, рис. 2), что характерно для твердых растворов, образованных полупроводниковыми соединениями [1–4].

Таблица 1

Значения ширины запрещенной зоны компонентов системы CdS — CdTe

Мол. доля CdS (Х CdS)

Ширина запрещенной зоны, ∆Е, эВ.

0

1,51

0,16

2,25

0,24

2,13

0,5

1,63

0,6

1,64

1

2,44

В настоящее время не существует строгой теории, способной объяснить отклонение ∆Е(x) от линейной зависимости. Используют два приближения: диэлектрическую модель Ван–Вехтена и Бергштрессера [3–8] и модель псевдопотенциала Хилла и Ричардсона. Авторы первой модели считают, что определяющую роль в отклонении ∆Е(x) от линейной зависимости для твердых растворов играют флуктуации кристаллического потенциала, вызванные хаотическим расположением замещающих атомов. По мнению авторов второй модели, это отклонение является следствием нелинейных свойств кристаллического поля. Обе модели, хотя и исходят из различных физических предпосылок, удовлетворительно описывают экспериментальные данные для твердых растворов как на основе бинарных, так и на основе тройных соединений.

Рис. 2. Зависимость ширины запрещенной зоны компонентов системы CdS–CdTe от состава

Таблица 2

Значения частот примесной (νp), межзонной люминесценций (νm) и максимума интенсивности излучения (I) компонентов системы CdS-CdTe

Мол. доля CdS (Х CdS)

νm, см-1 / нм

I, отн. ед.

νp см-1/нм

I, отн. ед.

0

3789/658

0,007

106/800

0,008

0,16

3543/618

0,10

6/808

0,015

0,24

3757/610

0,035

8/810

0,01

0,5

3691/690

0,012

9/809

0,018

0,6

3715/694

0,006

5/808

0,004

1

4000/580

0,4

6,9/812

0,01

Конкретный характер зависимости ∆Е(x) во многом определяется типом зонной структуры соединений-партнеров, то есть положением их энергетических долин в пространстве квазиимпульсов (k-пространстве). В частности, излом зависимости ∆Е(x) наблюдается в тех твердых растворах, в которых исходные бинарные соединения имеют зонные структуры различных типов, то есть различное расположение главных энергетических минимумов зоны проводимости в k-пространстве.

В соответствии с этим, минимум и максимум на полученной зависимости ∆Е от состава системы CdS–CdTe ∆Е(x) можно объяснить различием в типах зонных структур и накоплением дефектов при взаимодействии исходных бинарных соединений.

На основе УФ–спектроскопических исследований было также показано УФ — свет, поглощаемый компонентами системы CdS–CdTe преобразуется, в зависимости от состава, в зеленое, голубое, желтое и красное излучение. Такой факт позволяет говорить о возможности их практического применения в качестве материалов для УФ–преобразователей и УФ–детекторов.

На рис. 3представлены спектры комбинационного рассеяния (КР–спектры) компонентов изучаемой системы CdS — CdTe, экспериментально полученные в областях антистоксовского (0–500 см-1) и стоксовского (0–4000 см-1) излучений.

Рис. 3. Спектры комбинационного рассеяния компонентов системы СdS–CdTe: 1 — CdS; 2 — CdTe; 3 — (CdS)0.16(CdTe)0.84; 4 — (CdS)0.24(CdTe)0.76; 5 — (CdS)0.5(CdTe)0.5; 6 — (CdS)0.6(CdTe)0.4

При анализе спектров комбинационного рассеяния выявлено изменение относительной интенсивности, уширение пиков излучения и их смещение с увеличением содержания CdS, что является следствием изменения координационного окружения атомов исходных бинарных компонентов, ширины запрещенной зоны и, в согласии с вышесказанным, свидетельствует об образовании твердых растворов замещения [6].

В КР–спектрах твердых растворов и бинарного компонента сульфида кадмия в антистоксовской области присутствуют узкие пики (характеризующие примесную люминесценцию), соответствующие частотам колебаний кристаллической решетки гексагональной модификации. Это так же является косвенным подтверждением образования твердых растворов [7].

При возбуждении излучением лазера на одной длине волны λ = 745 нмлюминесценция (межзонная) бинарных компонентов и твердых растворов системы CdS–CdTe отличается интенсивностью. С увеличением содержания CdS и ростом ширины пиков люминесценции (рис. 3) а их интенсивность изменяется через максимум, приходящийся на твердый раствор состава (CdS)0.16(CdTe)0.84.

Изменение частот люминесценции компонентов системы CdS–CdTe (табл. 2), характеризуют изменение частот оптических переходов (межзонной люминесценции), говорит об изменении ширины запрещенной зоны при образовании твердых растворов [5–8]. Рассчитанные на основе КР–спектров значения ширины запрещенной зоны для CdTe, (CdS)0.16(CdTe)0.84; (CdS)0.24(CdTe)0.76, CdS составляют 1.5; 2.18; 2.01; 2.49 эВ соответственно и находятся в хорошем согласии с результатами определения ширины запрещенной зоны на основе УФ — спектроскопических исследований.

При изучении КР-спектров исследуемой системы (табл. 2, рис. 3) обнаружено: твердые растворы (CdS)х (CdTe)1-х ибинарные компоненты (CdS, CdTe) испускают спектры люминесценции красного, оранжевого и желтого свечения (580–722 нм). Материалы, обладающие такими свойствами, целесообразно использовать для изготовления приборов в оптоэлектронике и нанотехнике (излучательных лазеров, солнечных батарей и светодиодов).

Таким образом на основе результатов УФ– и КР–спектроскопических исследований удалось

-          подтвердить образование в системе CdS–CdTe твердых растворов замещения гексагональной модификации;

-          определить значения ширины запрещенной зоны и интервалы спектров свечения компонентов системы CdS — CdTe;

-          установить: за интенсивность люминесценции и центры свечения, в свою очередь, ответственны дефекты (вакансионные и структурные), а также избыточные атомы полупроводниковых материалов.

Литература:

1.                  Кировская И. А. Твердые растворы бинарных и многокомпонентных полупроводниковых систем. — Омск, ОмГТУ, 2010–400с.

2.                  Кировская И. А. Поверхностные свойства бинарных алмазоподобных полупроводников. — Омск, ОмГТУ, 2012–416с.

3.                  Кировская И. А. Адсорбционные процессы. — Иркутск, ИГУ, 1995–300с.

4.                  Левшин Л. В.,. Салецкий А. М Оптические методы исследования молекулярных систем. Молекулярная спектроскопия. — М., МГУ, 1994 — ч. I. — 320с.

5.                  Карпов С. В.,. Новиков Б. В, Смирнов М. Б., Давыдов В. Ю. и др. // ФТП, 2011–Т. 53– №.7– с.1359

6.                  Косяченко Л. А., Склярчук В. М., Склярчук О. В., Маслянчук О. Л. // ФТП, 2011– Т.45 № 10 — с. 1323

7.                  Накамото К. ИК- спектры и спектры КР неорганических и координационных соединений –М., Мир, 1991 –536с.

8.                  Валеев Р. Г., Романов Э. А., Воробьев В. Л., Гильмутдинов В. Ф.// ХФМ, 2011–Т. 13 –№ 4 — с. 540

Основные термины (генерируются автоматически): запрещенная зона, УФА, раствор, значение ширины, межзонная люминесценция, гексагональная модификация, запрещенная зона компонентов системы, комбинационное рассеяние, табличное значение, линейная зависимость.


Похожие статьи

Оптические свойства новой полупроводниковой системы CdS–ZnTe

запрещенная зона, УФА, спектр, комбинационное рассеяние, твердый раствор системы, твердый раствор замещения, длина волны, раствор, химический состав поверхности, исходная поверхность.

Определение физических параметров радиационных процессов...

...упругооптический, термооптический эффекты, люминесценция, комбинационное рассеяние, рассеяние Рэлея и Мандельштама-Бриллюэна

Величина нелинейного коэффициента преломления для кварцевых световодов принимает разные значения в зависимости от длины...

Фотокатализ на компонентах полупроводниковой системы...

По полученным УФ–спектрам рассчитаны значения ΔЕ — ширины запрещенной зоны, исходя из которых компоненты системы CdS–ZnTe могут проявлять фотокаталитическую активность при длине волны от 364 до 670 нм.

Получение и исследование тонких проводящих оксидов для...

Комбинационное рассеяние света — неупругое рассеяние света исследуемым веществом

Изменение ширины запрещенной зоны изображено на рисунке 4. Было замечено, что легирование вызвало увеличение оптической ширины запрещенной зоны пленок.

Спектральная зависимость коэффициентов эффективности...

В первом случае рассеяние света наночастицами приводит к падению коэффициента

Рис. 3 Рассчитанная спектральная зависимость максимального значения коэффициента

28. Адуев, Б. П. Модификация свойств взрывчатых материалов добавками нанодисперсных энергоемких...

Закономерности и описание сверхстехиометрической сорбции...

По рассчитанным значениям полной энергии взаимодействия в исследуемой системе построена зависимость в координатах ln(Г) = f(Е), где наблюдается существенная линейная взаимосвязь логарифма величины адсорбции с полной энергией взаимодействия катиона металла с...

Расчет нелинейностей аналого-цифрового преобразователя

У идеального АЦП (у которого нет аппаратных погрешностей) такая зависимость представляет собой кусочно-линейную функцию из «ступеней», где — разрядность АЦП. Каждый горизонтальный отрезок этой функции соответствует одному из значений выходного кода.

Повышение эффективности разделения компонентов природного...

В этом направлении большое значение имеет повышение интенсивности отделения от метана сопутствующих его компонентов.

Повышение эффективности проектирования одношнекового экструдера за счет интеграции внешних компонентов CAD-систем.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle

Похожие статьи

Оптические свойства новой полупроводниковой системы CdS–ZnTe

запрещенная зона, УФА, спектр, комбинационное рассеяние, твердый раствор системы, твердый раствор замещения, длина волны, раствор, химический состав поверхности, исходная поверхность.

Определение физических параметров радиационных процессов...

...упругооптический, термооптический эффекты, люминесценция, комбинационное рассеяние, рассеяние Рэлея и Мандельштама-Бриллюэна

Величина нелинейного коэффициента преломления для кварцевых световодов принимает разные значения в зависимости от длины...

Фотокатализ на компонентах полупроводниковой системы...

По полученным УФ–спектрам рассчитаны значения ΔЕ — ширины запрещенной зоны, исходя из которых компоненты системы CdS–ZnTe могут проявлять фотокаталитическую активность при длине волны от 364 до 670 нм.

Получение и исследование тонких проводящих оксидов для...

Комбинационное рассеяние света — неупругое рассеяние света исследуемым веществом

Изменение ширины запрещенной зоны изображено на рисунке 4. Было замечено, что легирование вызвало увеличение оптической ширины запрещенной зоны пленок.

Спектральная зависимость коэффициентов эффективности...

В первом случае рассеяние света наночастицами приводит к падению коэффициента

Рис. 3 Рассчитанная спектральная зависимость максимального значения коэффициента

28. Адуев, Б. П. Модификация свойств взрывчатых материалов добавками нанодисперсных энергоемких...

Закономерности и описание сверхстехиометрической сорбции...

По рассчитанным значениям полной энергии взаимодействия в исследуемой системе построена зависимость в координатах ln(Г) = f(Е), где наблюдается существенная линейная взаимосвязь логарифма величины адсорбции с полной энергией взаимодействия катиона металла с...

Расчет нелинейностей аналого-цифрового преобразователя

У идеального АЦП (у которого нет аппаратных погрешностей) такая зависимость представляет собой кусочно-линейную функцию из «ступеней», где — разрядность АЦП. Каждый горизонтальный отрезок этой функции соответствует одному из значений выходного кода.

Повышение эффективности разделения компонентов природного...

В этом направлении большое значение имеет повышение интенсивности отделения от метана сопутствующих его компонентов.

Повышение эффективности проектирования одношнекового экструдера за счет интеграции внешних компонентов CAD-систем.

Задать вопрос