НЕОРГАНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ, 2004, том 40, № 9, с. 1054-1059
УДК 621.315.592.541.65
СИНТЕЗ, ВЫРАЩИВАНИЕ МОНОКРИСТАЛЛОВ И ИССЛЕДОВАНИЕ АКУСТОФОТОВОЛЬТАИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА В ТИщ _ хРгх8е2
И ТИп - хРгхТе2
© 2004 г. Э. М. Годжаев, Э. А. Аллахяров, В. Д. Рустамов, А. М. Назаров, Г. С. Джафарова
Азербайджанский технический университет, Баку Поступила в редакцию 27.12.2002 г.
Разработаны методики синтеза и выращивания совершенных монокристаллов твердых растворов Т11п1 _хРгх8е2 и Т11п1 _хРгхТе2 (0 < х < 0.08). Установлено, что более эффективным методом является синтез с частичным охлаждением наклонно вращающейся ампулы. Методами зонной перекристаллизации выращены монокристаллы, раскалывающиеся по двум взаимно-перпендикулярным зеркальным плоскостям и имеющие форму параллелепипедов. В полученных кристаллах впервые обнаружен акустофотовольтаический эффект - при одновременном воздействии световых и звуковых волн на электродах появляется существенная э.д.с. или же постоянный ток при их замыкании.
ВВЕДЕНИЕ
В [1, 2] с помощью дифференциального термического и рентгенофазового методов анализа построена диаграмма состояния систем Т11п8е2-Т1Рг8е2 и Т11пТе2-Т1РгТе2. Установлено, что в этих системах наблюдается растворимость на основе исходных соединений Т11п8е2 и Т11пТе2.
Цель настоящей работы - изучение условий синтеза и методики выращивания монокристаллов Т11п1 - хРгхБе2 и Т11п1 - хРгхТе2, а также исследования акустофотовольтаического эффекта в них.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА И ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Кристаллы Т11п1 - хРгхБе2 и Т11п1 - хРгхТе2 синтезировали сплавлением исходных компонентов, взятых по стехиометрии, в откачанных и запаянных кварцевых ампулах. В качестве исходных компонентов использовали таллий марки Тл-00, индий Ин-00 и селен-ОСЧ 16-4, Рг с примесями (мас. %) РЗЭ - 0.5, Са - 0.01, Си - 0.04, Бе - 0.03. Синтез стехиометрического состава Т11п8е2 и твердых растворов на его основе состоял из следующих этапов: ампулы с веществом медленно (со скоростью 20-30 К/ч) нагревали сначала до 750-800 К, выдерживали при этой температуре 2-3 ч, а затем нагревали до 1170-1200 К и дополнительно выдерживали еще 3-4 ч в зависимости от состава. После завершения реакции ампулы постепенно (10 К/ч) охлаждались до комнатной температуры.
Полученные таким образом слитки, согласно РФА, оказались однофазными. Рентгенограммы монокристаллов Т11п1 - хРгхБе2 (рис. 1) соответствуют полученным в [1, 2].
При синтезе твердых растворов с целью равномерного распределения атомов высокотемпературную выдержку и процесс охлаждения осуществляли под действием электровибраций.
Более эффективным методом синтеза Т11п8е2 и твердых растворов на его основе оказался способ с частичным охлаждением наклонно-вращающейся ампулы. Ампулу с веществом медленно (40-60 К/ч) нагревали до 960 К и выдерживали 4-6 ч, затем в течение 2 ч температуру повышали до 1270 К и далее на протяжении всей последующей выдержки (~48-50 ч) ампулу с веществом вращали и постепенно (по мере уменьшения количества селена) вводили в глубь нагревателя. После завершения синтеза температура всей системы медленно понижалась до 870 К. При этой температуре полученные слитки подвергали длительному (120-140 ч) отжигу с целью окончательной гомогенизации, после чего температура понижалась до комнатной.
Полученные слитки оказались совершенно однородными. Однородность образцов по длине подтверждается данными рентгенограмм различных частей кристалла. Образцы твердых растворов являются низкоомными и обладают исключительно р-типом проводимости.
Монокристаллы Т11п1 - хРгхБе2 и Т11п1 - хРгхТе2 также выращивали методом зонной перекристаллизации. Ее эффективность обеспечивалась тем, что эти кристаллы, термически достаточно стойкие, обладают сравнительно малой упругостью паров в точке плавления, содержат хорошо растворимые примеси в жидкой фазе, имеют положительный коэффициент теплового расширения и плавятся при средних температурах. Кристаллы больших размеров выращивали как при горизонтальном, так и при вертикальном перемещении
расплавленной зоны без затравки. Расплавленные зоны (длиной от 5 до 15 мм) перемещали со скоростью 6-20 мм/ч. Число проходов зоны варьировали от 4 до 30.
Полученные таким способом кристаллы раскалывали по двум взаимно-перпендикулярным зеркальным плоскостям, в результате чего они приобретали формы прямоугольных параллелепипедов. Однако дальнейший анализ показал, что плоскости внешней огранки указанных прямоугольных параллелепипедов не соответствуют
основным боковым плоскостям элементарных ячеек тетрагональных решеток данного соединения. Оказалось, что кристаллы при этом скалываются по диагональным плоскостям тетрагональных элементарных ячеек. Следовательно, параллельно расположенные к тетрагональной оси с естественные сколы соответствовали [110] и являлись плоскостями роста, а ориентация самой оси с в слитке зависела от конкретных условий роста: при аксиальной симметрии теплового потока ось с принимала направление параллель-
[001] 1
ЕII [001] II ех (Фх = 0)
Рис. 2. Распространение продольных акустических колебаний вдоль тетрагональной оси [001] монокристалла Т11п096Рг0.048е2.
ного перемещения зоны при горизонтальной зонной перекристаллизации и перпендикулярного -при вертикальной.
Однако в случае горизонтально направленной кристаллизации (со скоростью 5 мм/ч) соединения Т11п8е2 методом медленного охлаждения (~3 К/ч) при постоянном градиенте температур (~6 К/см) наблюдалась несколько иная ориентация. Кристаллографическая ось с была направлена по диаметру слитка, а одна из указанных выше двух плоскостей скалывания сохраняла свое неизменное горизонтальное положение и в данном случае. Таким образом, во всех трех вариантах кристаллизации данных фаз была замечена следующая тенденция в ориентациях плоскостей скола: нормаль к одной из плоскостей скалывания оказалась направленной параллельно силе тяжести, а нормаль к другой плоскости - в направлении максимального градиента температуры.
К указанной ориентации может привести следующая ситуация. Видимо, на начальной стадии кристаллизации образующийся первоначальный зародыш в расплаве вследствие сравнительно меньшей удельной массы легче расплава и поднимается на его поверхность; дальнейший рост происходит от этого центра кристаллизации главным
образом в направлении максимального градиента температур. В результате сначала образуется тонкая кристаллическая пластинка, "плавающая" на поверхности расплава в горизонтальном положении, которая постепенно "углубляется" в него по гравитационному полю. Следует отметить, что использование данного метода позволило управлять направлением роста. Таким образом, впоследствии удалось вырастить монокристаллы с желаемыми геометрическими конфигурациями заданного размера. Совершенные тонкие пластинки этих кристаллов оказались достаточно гибкими и выдерживали изгиб с радиусом кривизны порядка 3 мм.
С помощью изложенной методики удалось вырастить монокристаллы Т11пх _ хРгх8е2 (0 < х < 0.08), которые использовали для изучения пьезоэлектрических свойств.
Исследовали акустофотовольтаичекий (АФВ) эффект, возникающий в результате одновременного воздействия электромагнитного излучения и звуковых волн на кристалл Т11п0.96Рг0.048е2 (рис. 2). Величина, полярность и область спектральной чувствительности выявленного эффекта четко зависела от частоты звука (рис. 3).
Исследуемые монокристаллические пластинки толщиной 0.2-0.5 и шириной 1-1.5 мм с двумя симметричными омическими электродами, расположенными на расстоянии 3-8 мм, помещали непосредственно на излучатель звуковых волн (короткий жесткий акустический контакт) или с использованием смазочного масла. Как при облучении светом без воздействия звуковых волн, так и в темноте при воздействии звука заметная электродвижущая сила на электродах отсутствовала. Однако при одновременном воздействии света и звука (от 100 до 107 Гц) на электродах появлялась существенная э.д.с. или же постоянный ток при их замыкании. Величина возникшей АФВ-э.д.с. зависит от интенсивности и спектрального состава света, а также от частоты и амплитуды звука. Для различных образцов при амплитуде напряжения питания излучателя 10 В и освещенности 1000 лк максимальная величина возникшей АФВ-э.д.с. варьировалась в пределах 1-15 В.
При возрастании интенсивности "белого" света (>1000 лк) наблюдалось полное насыщение зависимости напряжения от освещенности и последующий ее спад.
Наблюдаемая при этом АФВ-э.д.с. проявляет и другие специфические особенности, отличающие ее от остальных известных фотовольтаичес-ких явлений. Например, при постоянном освещении "белым" светом с увеличением частоты акустических волн происходит периодическая инверсия знака суммарной АФВ-э.д.с. Уникальной особенностью обладает спектральная зависимость данного эффекта. В отличие от широко известных фото-
X, мкм
I
АФВ
х 108 А о >о ^
' ^ч'^-ч'^ч' О О О 0.6
I М I I I I I I I I—г
С+ с+
!афв х 108, А 1.8
1.6
1.4
1.2
1.0
0.8 0.6 0.4 0.2 0 -0.2 -0.4 -0.6
<
80 х
В
о
А
X, мкм
.5.3.0 О «О ^ 0. 0. 0.
1 1 1 1 1 1 1 1 11 1 1 1 С - Со -
- - ^61.2 кГц
1АФВ
_ С1
Т \ __60.7 кГц
- ,
1 - с+ - I1 ■ 1 ! а ^60.5 кГц т
_[1 \г \\
- А\ ЙШ02 йтт
1 1 60.0 кГц -
1 - ! 1 -
С2 -
....... ................
0.4 0.2 0
10 кГц
16 кГц 20 кГц I
50 кГц
I !с2- = 1.36 эв
1.01.5 2.5 Е, эВ
8, А
1.5 1.0 0.5 X, мкм
1.0
0.8 0.6 0.4 0.2
С1
АФВ
0.4 0.2 0 -0.2 -0.4
х 108, А X, мкм ■-ото о >о
^ч'^ч'^ч" О О О
М I I I II I 11 I I I С+
С+
п 25 кГц
йтт 30 кГц
- 40 кГц
|С2-
...... .................
Сз
62.0 кГц
62.1 кГц
90.0 кГц
1.0 1.5 2.5 Е, эВ 1афв х 108, А
1.5 1.0 0.5 X, мкм
ЙШ02
102.5 кГц
.8.0.2.5.0.5.0
Е, эВ
-0.8 -1.0 -1.2 -1.4 -1.6 -1.8
0.4 0.2
-0.2 -0.4 -0.6 -0.8
1111111111
С1
сз 11 \
ЙШп-
V
150 кГц
168 кГц
| С2
........................
-143.0 кГц
.8.0.2.5.0.5.0
Е, эВ
Е, эВ
Рис. 3. Спектральное распределение тока короткого замыкания АФВ-эффекта при различных частотах.
2
вольтаических эффектов на форму и характер спектральной зависимости тока короткого замыкания влияют мощность и частота акустичес
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.