Електропровідність та оптичне поглинання стекол системи ZnSe-Ga2Se3-SnSe2, Детальна інформація

Egt, eV 0,44 0,4 0,44 0,5 0,59 0,39



На малюнку 2 подано графічну залежність енергії оптичної іонізації та термічної енергії активації від компонентного складу зразків.



На рисунку 3, 4 показано спектральний розподіл коефіцієнта поглинання стекол системи ZnSe-Ga2Se3-SnSe2 при Т=77К та Т=300К. Як видно з отриманих залежностей, при обох температурах оптична енергія іонізації залежить від компонентного складу. З наведених залежностей видно, що край фундаментального поглинання зміщується в короткохвильову область при пониженні температури від кімнатної до температури рідкого азоту приблизно на 0,15 еВ.

На рисунку 5 подано температурні залежності питомої електропровідності для стекол системи ZnSe-Ga2Se3-SnSe2 в інтервалі температур 0-150 0С. Для потрійної системи ZnSe-Ga2Se3-SnSe2 (рис. 5) добре розділяються два нахили температурної залежності, причому при Т>355 К електропровідність значно швидше зростає з підвищенням температури і термічна енергія активації становить 0,5 еВ для стекол 1 % ZnSe – 75 % SnSe2 – 24 % Ga2Se3 та 0,59 еВ для 1 % ZnSe – 77 % SnSe2 – 22 % Ga2Se3.







Обговорення результатів експерименту

Для густини станів в аморфних напівпровідниках діють такі механізми провідності, які можна виявити у відповідних інтервалах температур [1].

І. Для високих температур провідність зумовлена носіями заряду, збуджених за край рухливості в нелокалізовані стани з енергією, більшою Ес. Провідність тоді має вигляд:

,

де (мін – мінімальна металічна провідність при нульовій температурі (Е=ЕС). Величина (ЕC-ЕF) – лінійна функція від Т для високих температур, тому графіком залежності ln( від 1/Т повинна бути пряма лінія.

II. Провідність пов’язана з носіями, збудженими в локалізовані стани біля країв зон. Ця провідність має стрибковий характер з енергіями поблизу ЕА. Для такого процесу маємо:

,

де (1 – енергія активації стрибка, ЕА – енергія носіїв у “хвості” локалізованих станів, ЕF – енергія Фермі. Енергія (1 при пониженні температури зменшується, тому що при цьому змінюється довжина стрибка. Але оскільки основний вклад у провідність вносить член, який відповідає за активацію носіїв у нелокалізованих станах, ми маємо знову лінійну залежність ln( від 1/Т, тільки з іншим нахилом. Величина (1 менша ніж (мін через меншу густину станів поблизу енергії ЕА (“хвоста” локалізованих станів носіїв зарядів) та через меншу рухливість носіїв заряду.

III. Якщо густина станів на рівні Фермі ЕF скінченна, то у провідність будуть вносити вклад носії заряду з енергією поблизу ЕF. Ці носії можуть здійснювати стрибки між локалізованими станами. Цей вклад у провідність можна записати так:

,

де - (2 < (1 та (2 – енергія активації стрибка, значення якої дорівнює приблизно половині ширини зони локалізованих станів.

Повна провідність, з урахуванням усіх перерахованих процесів, визначається як інтеграл за всіма можливими енергетичними станами.

Для зразків ZnSe-Ga2Se3-SnSe2 з різним компонентним складом спостерігаємо меншу питому провідність, ніж у зразків Ga2Se3-SnSe2 (без компоненти ZnSe). Причому в стеклах ZnSe-Ga2Se3-SnSe2 при вищій температурі провідність зумовлена носіями заряду, збудженими в нелокалізовані стани (І випадок). З пониженням температури настає провідність за рахунок носіїв, які збуджені в локалізовані стани, тому наявний менший нахил провідності (ІІ випадок). Для зразків Ga2Se3-SnSe2, як видно з графіка, провідність описується законом І.

Зменшення провідності при введенні в систему Ga2Se3-SnSe2 компоненти ZnSe можна пояснити зміною хімічної будови стекол цієї системи. Елемент Se як склоутворювач займає виняткове становище серед усіх елементів Періодичної системи. Він сам існує у вигляді стабільного скла і легко утворює як бінарні, так і складні стекла в широкій області сполук. Стекла створюються в тому випадку, коли в розплавах початкових речовин існують зв’язки, які допускають зміну валентних кутів і довжин [2]. При введенні в скло Ga2Se3-SnSe2 сполуки ZnSe відбувається варіація ковалентних радіусів і кутів, що в свою чергу змінює вигляд енергетичних зон. Атоми Zn, внаслідок меншого ковалентного радіуса ніж Sn та Se, заповнюють різного роду вакантні місця і незавершені ковалентні зв’язки, що, у свою чергу, веде до вирівнювання флуктуацій потенціалу поблизу країв зон стекол системи ZnSe-Ga2Se3-SnSe2. У зв’язку з цим енергія активації носіїв заряду в нелокалізовані стани з енергією ЕС збільшується, а провідність зменшується. При нижчих температурах, домінуючим стає провідність, пов’язана з активацією носіїв у локалізовані стани з енергією ЕА, тому на графіку ми спостерігаємо зміну нахилу прямої провідності (зразок № 13, 14).

Із аналізу результатів за дослідженням коефіцієнта поглинання було встановлено, що край поглинання описується експонентою, яка відповідає емпіричному правилу Урбаха. Було досліджено край поглинання у довгохвильовій частині оптичного “хвоста”, який сильно залежить від чистоти і досконалості структури, та експоненціальний оптичний “хвіст”. Ділянка, де коефіцієнт поглинання описується законом (~(h(-Eg), не досліджена у зв’язку з тим, що неможливо було виготовити зразки достатньо тонкими. Слід відмітити, що край зміщується в короткохвильову область при переході до температури азоту приблизно на 0,15 еВ (для всіх зразків). Зсув краю поглинання стекол ZnSe-Ga2Se3-SnSe3 при зміні компонентного складу, в межах похибки експерименту, не спостерігався.

Висновки

Таким чином, у цій статті було досліджено питому електропровідність у діапазоні температур 0-150 0С та спектральний розподіл коефіцієнта поглинання в області довжин хвиль 500-2500 нм. Дано пояснення зміни провідності зразків на основі зміни хімічної будови стекол залежно від компонентного складу. Тому для пояснення природи оптичних і електричних властивостей необхідно проводити подальші пошуки як експериментального, так і теоретичного плану.

Література

Мотт Н., Девис Э. Электронные процессы в некристалических веществах: Т.1. Пер. с англ.– М.: Мир, 1974.

Кокорина В.Ф. О необходимых и достаточных условиях стеклообразования // Физ. и хим. стек-ла.– 1999.– Т.25.– №2.

Рис 1. Область склоутворення халькогенідних стекол