ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЧЕТЫРЕХКОМПОНЕНТНЫХ ХАЛ Ь КО ГЕН ИДО В МЕДИ
Л. А. Сайпулаева"*, Ф. С. Габибов", Н. В. Мельниковаь**, А. Г. Алибеков", О. Л. Хейфець, А. Н. Бабушкинь, К. В. Курочкаь
" Институт физики Дагестанского научного центра им. X. И. Алшрханова Российской академии наук
367025, Махачкала, Россия
ь Уральский федеральный университет, Институт естественных наук 620000, Екатеринбург, Россия
Поступила в редакцию 2 апреля 2012 г.
Представлены результаты исследований и анализа электрофизических и фотоэлектрических свойств сложных халькогенидов меди, а именно, СиЗиАвБоз, проявляющего сегнетоэлектрические свойства, и СиШАвБз, обладающего ионной проводимостью. Установлены спектральные и температурные области фоточувствительности кристаллов. Из анализа кривых термостимулированной проводимости в СтПпАвБз оценены величины глубины залегания центров захвата носителей, проявляющихся в условиях термической активации.
1. ВВЕДЕНИЕ
Халькогониды меди ABCD3 (А Си; В Sil, Iii; С As; D S, So) являются новыми объектами исследования. Соединения обладают интересными физическими свойствами: сегнетоэлектрически-ми, пироэлектрическими, фотоэлектрическими, оптическими [1 4] и являются па данный момент малоизученными. В частности, остаются неразрешенными такие аспекты свойств этих материалов, как спектральные области фоточувствитолыгости, особенности проявления реализуемых в них дефектных состояний на спектрах в условиях оптического и термического возбуждения, природа и энергетические параметры уровней соответствующих локальных центров. Поэтому задачи, связанные с установлением причин проявления перечисленных выше особенностей, в комплексе с изучением электрических свойств, являются актуальными.
В данной работе представлены результаты первых исследований фото- и тормоактивационных явлений (спектров фотопроводимости (ФП)), термостимулированной проводимости (ТСП), оптичо-
* E-mail: l.saypulaevaö'gmail.com
E-mail: nvm.melnikovaö'gmail.com
ского гашения фототока (ОГФ) в CuSnAsSe3 и Cuín AsSs. Приведен также ряд результатов исследований температурных зависимостей электропроводности и диэлектрической проницаемости.
2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Синтез материалов осуществлялся сплавлением исходных (не ниже ОСЧ) компонент в кварцевых контейнерах с остаточным давлением Ю-4 Па, заполненных сверхчистым аргоном до 0.5 • 105 Па, из которых кислород удален с помощью отжига с титановой губкой в режиме ступенчатого нагрева. Максимальная температура синтеза составляла 1323 К. Для получения однородных по составу кристаллов проводился гомогонозирующий отжиг слитков при Т = 1163 К. Рентгенографическая аттестация синтезированных соединений проводилась на рентгеновских дифрактомотрах ДРОН-3 и Sliimadzu XRD 6000 (монохроматическое излучение Ка на Си). На днфрактограммо CuInAsSs присутствует серия линий структуры халькопирита, соединенно CuSnAsScs проиндицировано в моноклинной сингонии. Параметры решеток исследованных соединений представлены в таблице.
Таблица. Параметры решетки, электропроводность и диэлектрическая проницаемость CuSiiAsSos и CuInAsSs
Соединение Сингония и параметры решетки, им <7, Ом 1 • М 1 (Г = 300 К, / = 10 кГц) £ (■т = 300 к, / = 10 кГц)
CuInAsSs тетрагональная, а = 0.55184, с= 1.10845 ю-5 40
CuSriAsSo3 моноклинная, а = 0.5098, Ь = 0.8617, с = 0.7139, в = 94.130° 1.6 • Ю-2 300
Исследуемые в экспериментах образцы изготавливались из отдельных участков слитков. Контакты к образцам были получены нанесением индия на свежие сколы от моноблока, подвергнутого предварительно механической шлифовке и полировке.
Электрические свойства в области температур 78 400 К исследовались методом импедансной спектроскопии с помощью установки Зокйгоп И1А 1174 и измерителя-анализатора импеданса Т1СГ-2000 в области частот 10 200 кГц. Оценка электронной и ионной компонент проводимости в соединении СпХпАбЗз проводилась с помощью поляризационного метода Вагнера.
Исследования проводились в интервале температур 78 400 К с помощью автономного криостата замкнутого цикла с двухступенчатым криогенным рефрижератором ВЕ-2048Г, основанным на цикле Гиффорда МакМагона, с использованием гелиевого водоохлаждаемого компрессора. Для предохранения исследуемого образца от окисления и уменьшения выхода летучих компонентов из объема образцов осуществлялась вакуумная откачка полости криостата до давления Ю-2 Па и для улучшения теплообмена и повышения однородности температурного поля рабочая зона заполнялась гелием. Система контроля температуры включала датчики температуры криоохладителя и образца. Точность измерения температур 0.2 К.
Низкотемпературные (Т = 90 К) измерения спектров ФП в диапазоне Ьу = 0.4 1.8 эВ выполня-
лись методом модуляции падающего на образец излучения при напряжениях из области линейности вольт-амперной характеристики темпового тока. Отдельные измерения спектров ФП были выполнены в условиях комбинированного возбуждения образцов последовательным примесным светом и стационарным светом от галогенной лампы (ГЛ).
Спектр ОГФ в CuInAsSs при Т = 90 К измерялся в режиме постоянного тока и уровне фототока I/t = 1.5 • Ю-8 А, возбуждаемого излучением от ГЛ.
При изучении уровней локальных центров, реализуемых в исследуемых соединениях, использовался метод термостимулпрованной проводимости (ТСП) [5,6]. Образец при низкой температуре (Г = 90 К) возбуждался светом от Г Л или лампы накаливания, под влиянием которого «ловушечные» центры переходили в неравновесное состояние. Затем образец нагревался с постоянной скоростью и регистрировалось изменение его проводимости. Сравнение результатов таких измерений и измерений без предварительного возбуждения образца позволяет обнаружить на кривой проводимости h.sp ~ ,f(T) пики, а при наложении нескольких пиков широкие полосы, связанные с опустошением ловушечиых центров.
Для выделения отдельных элементарных полос па кривой ТСП применялся метод термоочистки [7].
Энергетические глубины Ei залегания уровней определялись по начальному наклону кривых зависимостей 11йр = const • cxp(—Ei/kT) [7], полученных при анализе исходной кривой ТСП.
3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
3.1. Электрические свойства CuSnAsSe3 и CuInAsS3
Удельиое сопротивление материалов, оцененное из измерений на постоянном токе при комнатной температуре, составило р « 101 102 Ом-м для CuSriAsSo3, р « 102 Ом-м для CuIriAsSs. При исследовании электрических свойств высокоомных материалов существенное влияние на экспериментальные результаты оказывают процессы, связанные с блокированием носителей заряда на электродах, образованием и релаксацией объемных зарядов и приводящие к искажению величины измеряемых электрических характеристик. Метод импедансной спектроскопии позволяет выделить вклад электродных процессов в электропроводность. Анализ полученных результатов позволил выявить области частот, характеризующие объемные свойства образцов. Ча-
hi <т[Ом-1- м-1]
Рис. 1. Температурные зависимости удельной электропроводности CuSnAsSo3 (1) и CuInAsSs (2)
стотныо зависимости импеданса и адмиттанса характеризуются присутствием двух хорошо разделяющихся частей: высокочастотной и низкочастотной. Высокочастотные части годографов импеданса аппроксимируются дугами полуокружностей, проходящих через начало координат, и характеризуют свойства образца, низкочастотные характеризуют влияние электродного импеданса. Граничные частоты (fgr), в окрестности которых наблюдается переход от низкочастотной ветви к высокочастотной, с уменьшением температуры уменьшаются, а радиусы окружностей растут. При фиксированных частотах / переменного напряжения, принадлежащих области частот / > fgr, где отсутствует дисперсия диэлектрической проницаемости и тангенса угла потерь, где влиянием электродных процессов можно пренебречь, изучены температурные зависимости импеданса, электропроводности и диэлектрической проницаемости.
Температурные зависимости удельиой электропроводности и диэлектрической проницаемости соединений CuSriAsSos и CuInAsSs, измеренные в области / > fgr, представлены на рис. 1,2. На температурной зависимости диэлектрической проницаемости CuSriAsSo3 наблюдался максимум (emar = 330) при Т = 220 К (рис. 2). Анализ температурных зависимостей электропроводности и диэлектрической проницаемости, а также большие значения ди-
е
100 200 300 400
Г, К
Рис.2. Температурная зависимость диэлектрической проницаемости CuSiiAsSos
t, с
Рис.3. Зависимость электросопротивления СЬПпАвБз от времени при постоянной разности потенциалов на ячейке
электрической проницаемости позволяют говорить о проявлении в СивпАяЗоз согнотоэлоктричоских свойств. Быстрый рост диэлектрической проницаемости при увеличении температуры свыше 250 К в соединении СпХпАбБз, изменение значения энергии активации электропроводности свыше 250 К (рис. 1, кривая 2), а также наблюдаемая зависимость электросопротивления от времени при приложении постоянной разности потенциалов к ячейке с двумя блокирующими ионный компонент электродами (рис. 3) являются типичными для ионных и электронно-ионных проводников.
J_I_I_I_I_I_I_I_I_
0.4 0.6 0.8 1.0 1.2
Ну, эВ
Рис.4. Спектральное распределение ФП при Т = = 90 К в СиЗиАвБоз (образец Охлаждение в темноте
Фотопроводимость, отн. ед.
Л.г/, эВ
Рис. 5. Спектральное распределение ФП при Т = = 90 К в СиЗиАвБоз (образец Л'2). Охлаждение в темноте
3.2. Фотоэлектрические свойства соединений СивпАввез и СиХпАяЗз
Соединение СиЗпАбБоз
На рпс. 4 и 5 представлены спектры ФП при Т = 90 К в двух образцах, изготовленных из одного и того же моноблока кристалла СпЗпАбЗоз. На рисунках видно, что в области энергий возбуждающего излучения Нр « 0.4 1.4 эВ спектральное распределение ФП носит сложный характер. На спектре образца Л* 1 наблюдались ряд полос с максимумами Н,ут « 0.53, 0.69, 0.84 эВ и структура вблизи Ну « 0.98 эВ (рис. 4). На спектре образца Л* 2 полосы ФП менее разрешены (рис. 5), что указывает на неравномерность распределения соотвот-
1п иfp [мкВ]
103/Т, КГ1
Рис.6. Температурная зависимость ФП, возбуждаемой энергиями фотонов Ни = 0.649 эВ (кривая 1) и Ни =
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.