ОПТИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ И УСТРОЙСТВА
OPTICAL PHENOMENA AND FACILITIES
ОПТИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ И УСТРОЙСТВА
OPTICAL PHENOMENA AND FACILITIES
Статья поступила в редакцию 28.04.15. Ред. per. № 2246
The article has entered in publishing office 28.04.15. Ed. reg. No. 2246
УДК 538.915
ИССЛЕДОВАНИЕ СПЕКТРАЛЬНО-ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ИК (1,5-3ц) ЛАЗЕРОВ НА ОСНОВЕ
ПОЛУПРОВОДНИКОВ AnBVI, ЛЕГИРОВАННЫХ ИОНАМИ
Fe2+, Co2+ и Ni2+
1 2 Е.Ф. Кустов , И. С. Курчатов
Национальный исследовательский университет «МЭИ» РФ 111250, Москва, ул. Красноказарменная, д. 14 тел.: 7 (495)-362-75-60; e-mail: universe@mpei.ac.ru Научно-исследовательский институт технического стекла РФ 117218, Москва, ул. Кржижановского, д. 29, корп. 5 тел.: 7(499)-129-16-36; e-mail: info@intg.org
doi: 10.15518/isjaee. 2015.10-11.014
Заключение совета рецензентов: 06.05.15 Заключение совета экспертов: 20.05.15 Принято к публикации: 03.06.15
Исследованы спектрально-люминесцентные характеристики ионов Бе2+, Со2+ и № в полупроводниковых материалах типа АПВУ1 ( 2иО, 2и8, 2и8е, 2иТе, СёО, Сё8, Сё8е, СёТе) и соотношение энергии полос поглощения и люминесценции с шириной запрещенной зоны полупроводников АПВУТ. Оценивается возможность получения лазерного эффекта на этих материалах в окне прозрачности волоконно-оптических линий связи в диапазоне 1,5-3 микрон. Полученные результаты актуальны для других применений перенастраиваемых по длине волны полупроводниковых лазеров.
2+ .
•2+
Ключевые слова: полупроводниковые лазеры, ионы группы железа, энергетическая структура, интенсивность переходов.
RESEARCH OF SPECTRAL CHARACTERISTICS OF IR LASERS OF SEMICONDUCTORS AIIBVI DOPED WITH Fe2+ , Co2+ AND Ni2+ IONS
1 2 E.F. Kustov , I.S. Kurchatov
National Research University "Moscow Power Engineering Institute" 14 Krasnokazarmennaya Str., Moscow, 111250 Russian Federation ph.: 7 (495)-362-75-60; e-mail: universe@mpei.ac.ru 2JSC «Institute of Technical Glass» 5 build, 29 Krzhizhanovsky Str., Moscow, Russian Federation ph.: 7(499)-129-16-36; e-mail: info@intg.org
Referred 6 May 2015 Received in revised form 20 May 2015 Accepted 3 June 2015
The article presents the research of spectral properties of Fe, Co and Ni2+ ion energy structure in semiconductor materials AIIBVI ( ZnO, ZnS, ZnSe, ZnTe, CdO, CdS, CdSe, CdTe) and the ratio of these spectral structures of absorption and luminescence transitions with band gap of materials AIIBVI. This article evaluates the possibility of obtaining laser action on these materials in 1.5-3 microns range, as optic fiber data lines have a transparency window in that range. The results are valuable for various other applications of tunable semiconductor lasers.
Keywords: semiconductor lasers, ions of the iron group, the energy structure, the intensity of transitions.
Сведения об авторе: д-р физ.-мат. наук, профессор ФТЭМК, НИУ «МЭИ». Образование: МЭИ. Область научных интересов: полупроводники.
Публикации: более 100.
Information about the author: DSc
(physics and mathematics), professor of FTEMK, MPEI.
Education: MPEI. Research area: semiconductors. Publications: more than 100.
Кустов Евгений Федорович Evgenij F. Kustov
Сведения об авторе: аспирант МЭИ, инженер-технолог ОАО «НИТС». Образование: МГУ. Область научных интересов: полупроводники.
Публикации: 6.
Information about the author: postgraduate of MPEI, engineer of NITG. Education: MSU. Research area: semiconductors. Publications: 6.
Курчатов Иван Сергеевич Ivan S. Kurchatov
Введение
В полупроводниковых оптоэлектронных устройствах альтернативной энергетики имеется проблема преобразования светового излучения в излучение ближнего и среднего ИК диапазона. Созданные к настоящему времени преобразующие системы являются громоздкими, что ограничивает область их применения. А созданные полупроводниковые лазеры имеют ограниченное количество полос излучения в области прозрачности оптических волокон. Одним из вариантов решения проблемы является создание новых материалов путём введения в полупроводниковые материалы ионов группы железа, преобразующих спектральный диапазон излучения полупроводников в ИК область. Кроме того, введе-
ние этих ионов создает широкие полосы поглощения в запрещенной зоне полупроводников, что может увеличить спектральный диапазон и чувствительность солнечных преобразователей энергии на полупроводниках.
Полупроводниковые лазеры применяются в волоконно-оптических линиях связи (ВОЛС), технологиях формообразования, резки и сварки различных материалов, медицине для диагностики и лечения различных заболеваний, системах военного назначения, научных исследованиях, измерительной технике и др [1]. Лазеры этого типа имеют большой диапазон генерируемой мощности в непрерывном и импульсном режимах, высокое быстродействие при импульсной модуляции, а частота их излучения может перестраиваться в пределах области люминесценции. По
сравнению с другими типами лазеров они имеют меньшие вес и габариты и наибольший коэффициент полезного действия. Наиболее широко полупроводниковые лазеры применяются в волоконно-оптических линиях связи.
Известно, что полоса прозрачности ВОЛС в диапазоне длин волн (1,5-3) мкм значительно шире спектров передаваемых сигналов, поэтому для повышения экономической эффективности ВОЛС перспективна передача сигналов на новых, ещё не используемых частотах. Вероятно, по этой причине в последние годы возник интерес к исследованиям по созданию лазеров на полупроводниках АпВу: и
AIIIBV, легированных ионами Cr2+,
редкоземельных элементов. Теоретические и экспериментальные исследования в этом направлении выполнялись на отдельном типе полупроводника, легированного одним из ионов [2, 3]. После создания
общей теории лигандной структуры окружения ионов группы железа (Со2+, №2+ и Бе2+) [4-7] появилась возможность рассчитать весь набор параметров областей люминесценции ионов группы железа в полупроводниках АПВ^. В настоящей статье опубликованы результаты расчёта параметров массива областей люминесценции для Бе2
никах AnBVI.
Co^ Ni2+ в полупровод-
Co2+, Ni2+ и Fe2+ и
Матрицы и диаграммы энергетических уровней электронных конфигураций ¿7 ), ^ (¿) Матрицы и энергия состояний конфигурации
¿V)
В таблице 1 представлены матрицы состояний конфигурации d1 в кластерах и комплексах кубических групп симметрии.
Матрицы состояний конфигурации d7 в кластерах и комплексах октаэдрической симметрии Matrix of d7 configuration states in clusters and complexes of octahedral symmetry
Таблица 1
Table 1
12Dq+105F4 -3W3(F2-5F4) -5W3(F2-5F4) 4F2+50F4 2F2-10F4
2Dq-6F2+135F4 3(F2-5F4) -3W3(F2-5F4) -3W3(F2-5F4)
2Dq+4F2+85F4 W3(F2-5F4) -W3(F2-5F4)
-8Dq+бF2+145F4 10(F2-5F4)
-8Dq-2F2+115F4
2F1
12Dq-бF2+135F4 -3(F2-5F4) 3(F2-5F4) 0 -2V3(F2-5F4)
2Dq+103F2 -3(F2-5F4) 3(F2-5 F4) 3V3(F2-5F4)
2Dq-6F2+135F4 -3(F2-5F4) -W3(F2-5F4)
-8Dq-бF2+135F4 2V3(F2-5F4)
-8Dq-2F2+115F4
2E
12Dq-бF2+135F4 -6V2(F2-5F4) -3V2(F2-5F4) 0
2Dq+8F2+170F4 10(F2-5F4) V3(2F2+25F4)
2Dq-F2+110F4 2V3(F2-5F4)
-18Dq-8F2+180F4
4F1
2Dq-3F2+15F4 6(F2-5F4)
-8Dq-1 2F2+60F4
4A2 12Dq-15F2+75F4
4F2 2Dq-15F2+75F4
2AJ 2Dq-11F2+160F4
2A2 2Dq+9F2+60F4
Энергии уровней состояний конфигурации d зависят от двух параметров электростатического взаимодействия между электронами F2 и F4 и параметра взаимодействия с окружением Dq. При Dq = 0 со-
ют с состояниями электронной конфигурации d, представленные на рис. 1.
Здесь также для всех соотношений параметров F2/F4 состояние ^ является основным; в октаэдриче-
стояния свободного атома конфигурации d совпада- ских структурах оно расщепляется на три уровня:
2F
2
# '"¿r
152
4 л 4г^
A2, F2 и F1, - имеющих одинаковую энергию при Dq = 0. Это состояние остается преобладающим в большом интервале соотношений параметров Однако при >10 имеется тенденция смены основного состояния на 2G с уровнями уровня 2F2,
2F1, и 2Е, что будет проявляться в магнитных свойствах элементов с конфигурацией d1.
На рисунке 1 представлена зависимость энергии E/F2 уровней конфигурации d1 от значений относительного параметра Dq/F2 при F2/F4 =14.
ч ' 1 ' 1 ' 1 ' 1 ' 1 ' 1 ' 1 ' 1 ' 1 2E(t6e)
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0
Dq/F2
Рис. 1. Зависимость энергии E/F2 уровней конфигурации d7 от значений относительного параметра Dq/F2 при F2/F4 =14 Fig. 1. The relation of E/F2 energy levels for d7 configuration to relative parameter Dq/F2 for F2/F4 =14
На рисунках 2 и 3 даны диаграммы энергетиче- внутримолекулярного поля -2 < Dq/F2 <2 и соотно-
ских уровней электронной конфигурации d1 для по- шении параметров межэлектронного взаимодействия
ложительно и отрицательно координированных F2/F4 =14. структур при значении относительного параметра
г
-2,0
-1,5
-1,0
т
-0,5
0,0
Г
0,5
1,0
1,5
п
2,0
Dq/F2
Рис. 2. Зависимость энергии E/F2 уровней конфигурации d7 от значений относительного параметра
-2 < Dq/F2 <2 при F2/F4 = 14 Fig. 2. The relation of E/F2 energy levels for d7 configuration to relative parameter -2 < Dq/F2 < 2 for F2/F4 = 14
2
20 ЕЛ-
2E(t6e)
2E(t6e)
4F1(t5e2)
. ,,r1(l.e) y 2E(t6e) ■ i 111 i 111 i111111 1 i11 v '
1 ■ 1 1 1 ■ 1 11 ■ 111 ■ 1 11 ■ 10
-2,0-1,8-1,6-1,4-1,2-1,0-0,8-0,6-0,4-0,20,0 0,2 0,4 0,6 0,81,01,21,41,61,8 2,0
Dq/F2
Рис. 3. Зависимость нижних уровней энергии E/F2 конфигурации d от значений относительного параметра
-2 < Dq/F2 <2 при F2/F4 = 14 Fig. 3. The relation of E/F2 energy low level for d7 configuration to relative parameter -2 < Dq/F2 < 2 for F2/F4 = 14
На рисунке 3 показана идентификация нижних уровней с обозначением спина и орбитального состояния и конфигурации внутримолекулярного поля. Идентификация остальных уровней приведена в таблице 2.
Таблица 2
Идентификация состояний электронной конфигурации d1 для положительно и отрицательно координированных структур
Table 2
Identification of d7 states for positive and negative coordinated structures
Dq/F2 = -1,5 Dq/F2 =1,5
E S Терм E S Teрм
0 1,5 4a2 0 0,5 2E
12,078 0,5 2e 2,886 1,5 4F1
12,687 0,5 2F\ 13,408 0,5 2F1
15 1,5 F 13,825 0,5 2F2
18,002 0,5 2F2 16,6
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.