ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СИНХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2015, № 5, с. 90-99
УДК 621.382
ЭФФЕКТ ХЕМОИНДУЦИРОВАННОЙ ЭДС В ПЛЕНКАХ ТЕЛЛУРИДА КАДМИЯ ПРИ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ С АТОМАРНЫМ ВОДОРОДОМ © 2015 г. В. В. Стыров*, С. В. Симченко
Бердянский государственный педагогический университет, Институт нанотехнологий и физической инженерии, 71100 Бердянск, Украина
*Е-таИ: v2styrov@gmail.com Поступила в редакцию 23.09.2014 г.
Исследованы эффекты возбуждения поперечного хемонапряжения (хемоэдс) и неравновесной хе-мопроводимости в пленке СёТе, полученной методом "косого напыления", при ее взаимодействии с атомарным водородом. Оба эффекта связаны с нетепловой генерацией электронно-дырочных пар в полупроводниковой пленке за счет энергии, освобождающейся в химических актах взаимодействия атомов Н с поверхностью СёТе (адсорбция атомов, образование молекул Н2). Исследована кинетика хемонапряжения и хемопроводимости, а также зависимость стационарных величин эффектов от плотности потока атомов и температуры образца. Установлено, что в процессе генерации (е—Н) пар участвуют как акты адсорбции атомов, так и акты их рекомбинации. Получены аналитические выражения для хемонапряжения и хемопроводимости. Проведена оценка численных значений параметров взаимодействия атомов Н с поверхностью СёТе и эффективности генерации (е—Н) пар.
Ключевые слова: теллурид кадмия, хемовозбужденная эдс, хемопроводимость в пленках СёТе, атомарный водород, узкозонные полупроводники.
Б01: 10.7868/80207352815050121
ВВЕДЕНИЕ
Генерация неравновесных электронно-дырочных пар в полупроводниках в ходе экзотермических поверхностных химических реакций и соответствующие неравновесные электрофизические эффекты привлекают внимание исследователей. Такое внимание связано с перспективой создания устройств для прямого преобразования химической энергии в электрическую и для использования в химических сенсорах [1].
С точки зрения физики поверхности твердых тел "химическое" возбуждение электронов интересно тем, что первичный акт поглощения энергии разыгрывается в первом атомном слое, или слое нанометровой толщины (где электроны еще "чувствуют" события на поверхности). Следовательно, рассматриваемая область естественным образом принадлежит нанофизике и наноэлек-тронике, что делает ее дополнительным источником информации о наноразмерных объектах.
В настоящее время надежно установлена нетепловая генерация электронно-дырочных пар в ходе поверхностной химической реакции в Ое [2—5], 8е [6], Сё8 [7], 1пР [8]. Появление неравновесных носителей регистрируется по возникновению разности потенциалов при разделении компонентов пары в неоднородной полупроводнико-
вой системе. Неоднородность системы создается, например, приведением в контакт двух полупроводников с разным типом проводимости, т.е. путем образования ^—«-перехода. В этом случае компоненты пары разделяются электрическим полем перехода, и химическая реакция генерирует в системе продольную эдс, называемую часто хемовентильной по аналогии с фотовентильной эдс, когда пары генерируются светом. Другой способ создания неоднородности — привнесение последней извне, например, наложением на внутренне однородную систему внешнего магнитного поля. В этом случае компоненты пары разделяются силой Лоренца при диффузионном движении неравновесных носителей от поверхности в объем полупроводника [9]. При этом генерируется поперечная эдс, называемая хемомагни-тоэлектрической по аналогии с фотомагнитоэлектрической эдс в эффекте Кикоина—Носкова [8, 10].
С концептуальной и прикладной точек зрения важно расширить круг объектов, в которых генерируются электронно-дырочные пары в химических реакциях, с целью поиска систем, где этот эффект проявляется наиболее заметно. В настоящей работе исследуется система "СёТе—атомарный водород". Для обнаружения электронно-дырочных пар при взаимодействии атомов водорода
Рис. 1. Схема измерения токов и напряжений, генерируемых в пленке: 1 —измерительный мост, 2 — прецизионный источник напряжения и температурной стабилизации, 3 — инструментальный усилитель, 4 — активный фильтр с регулируемыми частотами среза, 5 — аналогово-цифровой преобразователь, 6 — компьютер, 7 — образец.
с поверхностью теллурида кадмия (адсорбция, рекомбинация атомов) использовался малоизученный эффект возбуждения атомарным водородом поперечного напряжения (по отношению к направлению налетающего потока атомов) в пленке СёТе, полученной методом "косого напыления" в вакууме. При этом образуется неоднородная структура вдоль пленки, представляющая собой как бы множество последовательно включенных р—п—р-переходов, что позволяет получать большие значения поперечного (по отношению к направлению потока света) фотонапряжения. Имеется только одна работа [11], в которой генерация поперечного хемонапряжения наблюдалась при "химическом" нетепловом возбуждении электронной подсистемы кристалла, но сам эффект детально не исследовался. Целью нашей работы было систематическое исследование эффекта генерации поперечного хемонапряжения и определение его количественных характеристик.
ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Пленка СёТе на подложке из кварцевого стекла была снабжена алюминиевыми невыпрямляю-щими контактами и имела размеры 3 х 17 мм. Не-выпрямляющий характер напыленных контактов проверялся по вольт-амперным характеристикам. Толщина пленки в среднем равнялась 70 мкм. Сопротивление пленки составляло около 1010 Ом (при Т~ 293 К). Измерение слабых токов, особенно их быстрых изменений при кинетических исследованиях на столь высокоомном образце, представляет определенную сложность. На рис. 1
показана схема измерения токов и напряжений, генерируемых в пленке при ее освещении или взаимодействии с атомарным водородом, а также схема измерения проводимости образца вследствие генерации неравновесных носителей (хемопрово-димость как аналог фотопроводимости). Быстрота измерений обеспечивалась быстродействующей платой аналогово-цифрового преобразователя (АЦП). Хемонапряжение измерялось практически безынерционно, а хемопроводимость — с небольшим временным запаздыванием (~1 с).
Атомарный водород получали с помощью высокочастотного разряда в молекулярном водороде (40 МГц). Использовался особочистый водород (99.99%). Рассеянный свет разряда поглощался с помощью зачерненного рога Вуда. Концентрация атомов водорода в газовой фазе и, соответственно, поток атомов на образец измерялись с помощью прецизионного платинового изотермического проволочного микрокалориметра. Поток атомов варьировался в интервале 10201022 м-2 • с-1 регулированием мощности разряда и/или скоростью напуска газа в разрядную трубку. Рабочее давление водорода в камере составляло 5-100 Па.
Образец перед измерением подвергался вакуумной тренировке при температуре 340-370 К для приготовления чистой поверхности (остаточное давление ~10-4 Па). Окончательную очистку поверхности от адсорбированных примесей производили обработкой образца в атмосфере атомарного водорода. Атомарный водород, благодаря своей высокой реакционной способности, зарекомендовал себя как признанный химически ак-
Рис. 2. Совместные кинетические кривые хемоэдс и хемопроводимости в пленке С(!Те при взаимодействии с атомами водорода (/' ~ 3 х 1021 м-2 • с-1, Т = 350 К). Для удобства восприятия кривые смещены друг относительно друга по оси времени.
тивный агент для приготовления чистых поверхностей полупроводников [12]. В случае CdTe поверхность получается не только чистой и упорядоченной, но и сохраняет свою стехиометрию [13], при этом вся процедура проходит in situ. О чистоте поверхности мы могли судить по форме кинетических кривых, величине наблюдаемых неравновесных хемоэффектов, а также масс-спектрометрически (масс-спектрометр МХ-7304) по составу десорбирующихся с поверхности газов при нагреве образца в вакууме или в водородной атмосфере при низком давлении.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
На хорошо очищенном образце, свободном от адсорбированных атомов, при взаимодействии с потоком атомов водорода наблюдается характерная кинетика хемоиндуцированного напряжения (хемоэдс) U, показанная на рис. 2 для температуры образца T = 350 K и плотности потока атомов j = 3 х м-2 • с-1. Хемонапряжение холостого хода (хемоэдс) резко нарастает с включением потока атомов H, достигая максимума в виде пика, и затем стремится к стационарному значению, проходя через минимум. Минимум тем более ярко выражен, чем меньше поток атомов и выше температура. При прерывании потока атомов (выключении разряда) хемонапряжение обращается в нуль.
Оказалось, что одновременно с появлением хемонапряжения наблюдается увеличение электропроводности образца (хемопроводимость). Префикс "хемо", аналогичный префиксу "фото"
в случае соответствующих оптических эффектов, указывает здесь не только на способ возбуждения, но и на неравновесный характер эффекта. Измеренная одновременно с хемонапряжением при тех же экспериментальных условиях кинетика хемопроводимости АХ (разность значений электропроводности в присутствии и в отсутствие атомов водорода над образцом) представлена на рис. 2. Хемопроводимость изменяется во времени синхронно с хемонапряжением и во всех своих чертах повторяет кинетику хемонапряжения, так что отношение хемонапряжения к хемопроводимости не зависит от времени в ходе измерений (рис. 3). Это отношение не зависит также от потока атомов ] (на вставке к рис. 3 данное отношение показано для стационарных величин и и АХ).
При прерывании потока атомов хемопроводи-мость, как и хемонапряжение, исчезает, что подтверждает неравновесный характер обеих величин. Равновесная добавка к проводимости, обусловленная слабым разогревом пленки за счет химической реакции (АТ~ 4 К), контролировалась в ходе опытов и была пренебрежимо малой.
Величина стационарного хемонапряжения и стационарной хемопроводимости в исследованном интервале потоков] линейно зависят от] (рис. 4). Эти величины возрастают с температурой в интервале температур 290-360 К с энергией активации ~0.17 эВ (рис. 5).
В исследованном образце наблюдались также фотонапряжение и фотопроводимость, которые, однако, не были предмето
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.