НЕОРГАНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ, 2004, том 40, № 1, с. 21-24
УДК 621.315
СПЕКТРЫ ПОГЛОЩЕНИЯ КРИСТАЛЛОВ 8Ь8е1 И Б18е1
© 2004 г. В. Вал. Соболев, Е. В. Пестерев, В. В. Соболев
Удмуртский государственный университет, Ижевск Поступила в редакцию 22.04.2003 г.
Рассчитаны спектры поглощения, объединенной плотности состояний и диэлектрической проницаемости е2 кристаллов 8Ъ8е1 и В18е1 в области 0-4.5 эВ при 110 К для Е || с, Е 1 с и 0-13 эВ при 300 К. Спектры е2 разложены на элементарные компоненты и определены основные параметры компонент: энергии максимумов и полуширин полос, их площади и силы осцилляторов. Установлены большое сходство оптических спектров по положению максимумов переходов и их существенные различия по поляризации и интенсивности для обоих соединений.
ВВЕДЕНИЕ
С развитием опто-, акусто- и микроэлектроники все большее внимание уделяется полупровод-никам-сегнетоэлектрикам сложного состава. Среди них особое место занимают материалы группы АУВУ1СУП с ярко выраженными нелинейными диэлектрическими свойствами, сильным пьезоэф-фектом, фазовыми переходами [1-3]. В параэле-ктрической фазе они кристаллизуются в ромбической сингонии о\6к с четырьмя формульными единицами в элементарной ячейке. Для этих тройных соединений характерны сложная слоисто-цепочечная структура кристаллической решетки, сильная анизотропия межатомных взаимодействий, громадное количество валентных электронов в элементарной ячейке (72!), большие релятивистские эффекты компонент [2-9]. Все это существенно затрудняет теоретические расчеты ожидаемой весьма сложной электронной структуры кристаллов типа 8Ъ8е1.
В таких случаях большую помощь могут оказать спектральные оптические исследования. Даже для наиболее исследованных соединений 8Ъ8е1 и В18е1 их известно мало. В [4, 9] длинноволновое краевое поглощение измерено только для ц < < 300 см-1 и приведены оценки энергии запрещенной зоны: Е = 1.68 (Е || с), 1.66 эВ (Е 1 с) [4], 1.61 (Е || с), 1.59 эВ (Е 1 с) [9] (8Ъ8е1); 1.32 (Е || с), 1.30 эВ (Е 1 с) [4], 1.33 (Е || с), 1.30 эВ (Е 1 с) [9] (В18е1). В [10-12] в широкой области энергий измерены только спектры отражения при Е || с, Е 1 с - в области 1.5-4.5 эВ при 110 К и в области 1.5-12 эВ при 300 К. Теоретически рассчитаны верхние валентные зоны и нижние зоны проводимости [13, 14]. Поэтому особую актуальность приобретают исследования спектров других оптических функций и их тонкой структуры.
Цель настоящей работы - получение спектров полного комплекса фундаментальных оптических
характеристик и основных параметров компонент полос междузонных переходов двух родственных соединений (8Ъ8е1 и В18е1) и их теоретический анализ.
МЕТОДЫ РАСЧЕТОВ
Наиболее полную информацию об электронной структуре предоставляет обширный комплекс фундаментальных оптических характеристик [1517]: это - спектры коэффициентов отражения (В) и поглощения (ц), показателей преломления (п) и поглощения (к), функции Е2£2, действительной (ех) и мнимой (е2) частей диэлектрической проницаемости, функций объемных (-1т е-1) и поверхностных (-1т(1 + е)-1) характеристических потерь электронов и др. Наиболее распространенный и общепринятый метод его получения состоит в расчетах по специальным программам на основе известного экспериментального спектра отражения в широкой области энергий. Программы расчетов составляют с помощью интегральных соотношений Крамерса-Кронига и формул, связывающих оптические функции между собой.
Определение наиболее интенсивных компонент переходов и их основных параметров можно выполнить методом объединенных диаграмм Ар-ганда. В этом методе одновременно используется пара функций е2(Е), ех(Е) и -1т е-1, Яе е-1 для разложения интегральных спектров е2(Е) и -1т е-1 на поперечные и продольные компоненты и определения их основных параметров: энергии максимумов (Е) и полуширин (Н;), высот (1;) и площадей (5;), сил осцилляторов (/■) полос переходов.
Использованные в работе методы расчетов оптических спектров и определения параметров поперечных и продольных компонент переходов подробно изложены в [16, 18] и неоднократно применялись в [19-21].
|| х 10-5, см-1
0
Е 2е2
150
75
0
(б)
1
2
1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 Е, эВ 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 Е, эВ
Рис. 1. Спектры ||(Е (а) и Е2е2(Е (б) кристалла 8Ь8е1 (1, 1') и Б18е1 (2, 2') для поляризаций Е || с (1, 2) и Е 1 с (1', 2') е области 1-4.5 эВ при 110 К.
8.00 г
4.00
(а)
0.04
0.08_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1
6.00 г (в)
3.00
(б)
м
_|_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I
(г)
х 10
л
•••
0.03
0 06 _1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1 _1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1
1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 Е, эВ 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 Е, эВ
Рис. 2. Спектры площадей S¡(E) разложения (верх) и -1т е-1 (низ) на поперечные (е2) и продольные (е-1) компоненты кристаллов 8Ь8е1 (а, б) и Б1Йе1 (в, г) для Е || с (а, в) и Е ± с (б, г).
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Спектры отражения сколов монокристаллов снимали в области 1.5-4.5 эВ при 110 К для Е || с,
на их основе рассчитали спектры комплексов оптических функций обоих соединений.
Для краткости на рис. 1 приведены данные
Е 1 с и в области 1-12 эВ при 300 К в неполяризо- только для |(Е) и Е^Е). Спектры коэффициен-ванном свете для БЬБеТ [11] и Б18еТ [12]. Сначала та поглощения содержат максимумы и ступеньки
0
0
СПЕКТРЫ ПОГЛОЩЕНИЯ КРИСТАЛЛОВ SbSel И BiSel
23
при 1.90, 2.05, 2.40, 2.60, 2.90, 3.50, 5.6 и 10.5 эВ (БЬБеХ); 1.86, 2.07, 2.35, 2.53, 2.90, 3.45, 3.60, 3.80, 4.13, 4.7, 5.0, 6.2, 9.0 и 10.3 эВ (Б18е1). В спектрах других оптических характеристик имеются их аналоги с небольшими смещениями по энергии. Их интегральные кривые в основном различаются по спектральному распределению. С ростом энергии значения одних параметров сильно уменьшаются (е1, е2), а других (|, Я, Е2е2) - сохраняют большие величины. Поэтому в области больших энергий Е > 5 эВ максимумы лучше наблюдаются в спектрах Я, Е2е2. Наибольшие значения оптических характеристик получены при 2.30 (0.51, Е || с) и 2.25 эВ (0.37, Е 1 с) для Я, 2.00 (5.7, Е || с) и 1.95 эВ (3.8, Е 1 с) для п, 2.00 (31.4, Е || с) и 1.90 эВ (13.8, Е 1 с) для е1, 2.30 (22.4, Е || с) и 2.25 эВ (10.1, Е 1 с) для е2, 2.85 (2.7, Е || с) и 3.05 эВ (1.7, Е 1 с) для к, 3.50 (9 х 105 см-1, Е || с) и 3.90 эВ (6 х 105 см-1, Е 1 с) для
Все структуры оптических спектров обоих родственных сегнетоэлектриков-полупроводников расположены при энергии Е > Е^. Поэтому они обусловлены прямыми междузонными переходами или метастабильными экситонами. Общепринято, что самые интенсивные максимумы поглощения (|, е2, к, Е2е2) образуют переходы между теми парами зон, которые параллельны на наиболее протяженных участках зоны Бриллюэна. На основе этой полуколичественной модели с помощью теоретических расчетов зон БЬБеТ [13] определили энергии (2.0, 2.2, 2.4, 2.6, 2.8, 3.0, 3.3 и 3.6 эВ) и локализацию (Г-2) наиболее интенсивных возможных междузонных переходов БЬБе! По энергии эти оценочные значения близки к энергиям максимумов переходов расчетных спектров оптических функций. К сожалению, в [13, 14] зоны рассчитаны только для переходов с Е < 4 эВ.
В случае сильно анизотропных цепочечных тройных соединений БЬБеТ и Б18е1 многие полосы переходов очень сильно перекрываются, а их количество неизвестно. Рассчитанные интегральные спектры е2 и -1т е-1 обоих кристаллов разложили на элементарные компоненты и определили их основные параметры: Е, Н , ^. Для краткости на рис. 2 приведены спектры S¡ (Е) поперечных (е2) и продольных (е-1) компонент переходов для Е || с и Е 1 с. Всего установлено 16 (БЬБеТ) и 32 (Б18е1) компоненты переходов вместо 10 и 16 максимумов экспериментальных спектров отражения. Большинство из них сильно поляризовано по положению или интенсивности.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Для цепочечных сегнетоэлектриков-полупро-водников БЬБеТ и Б18е1 получены спектры комплекса оптических характеристик в области 1-12 эВ. Установлено большое сходство сильно анизот-
ропных спектров по структуре в каждой поляризации. Интегральные спектры диэлектрической проницаемости и характеристических потерь электронов разложены на элементарные 16 (SbSel) и 32 (BiSel) компоненты.
Структуры теоретических зон обоих родственных соединений весьма близки, поэтому существенно большая сложность оптических спектров кристалла BiSel по сравнению со спектром SbSel, возможно, обусловлена большим совершенством структуры и меньшей конкуренцией носителей тока в BiSel. Определены основные параметры спектров.
Полученные результаты содержат новую информацию для рассмотрения оптических свойств и электронной структуры материалов группы AVBVICVI1.
Работа выполнена при финансовой поддержке Конкурсного центра фундаментального естествознания (Санкт-Петербургский государственный университет).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Лайнс М., Гласс А. Сегнетоэлектрики. М.: Мир, 1981. 736 с.
2. Герзанич Е.И., Фридкин В.М. Сегнетоэлектрики типа A5B6C7. М.: Наука, 1982. 227 с.
3. Берча Д.М., Ворошилов Ю.В, Сливка В.Ю., Туря-ница И.Д. Сложные халькогениды и халькогалоге-ниды. Львов: Вища шк., 1983. 184 с.
4. Chepur D.V., BerchaD.M., TuryanitsaI.D., Slivka V.Yu. Peculiarities of the Energy Spectrum and Edge Absorption in the Chain Compounds A5B6C7 // Phys. Status So-lidi. 1968. V. 30. № 2. P. 461-468.
5. Борец А Н., Штилиха М.В., Пуга П.П. Эффекты слоистости и край поглощения BiOI // ФТТ. 1973. Т. 15. № 1. С. 42-46.
6. Борец А Н., Пуга П.П., Чепур Д.В. Эффекты цепо-чечности стекол SbSBr, AsSel // Укр. физ. журн. 1975. Т. 20. № 2. С. 296-303.
7. Берча Д.М., Небола И.И., Берча И В. Межцепочечные корреляции и энергетический спектр в цепочечных кристаллах // ФТТ. 1978. Т. 20. № 5. С. 1320-1325.
8. Соболев В В., Туръшев М.В., Ляховицкая В.А. Аномальная температурная зависимость оптических переходов в SbSI // ФТТ. 1981. Т. 23. № 8. С. 2463-2465.
9. Zickus K., Andzijonis A. The Absorption Edge of SbSeI and BiSeI // Phys. Status Solidi B. 1984. V. 121. № 1. P. K51-K53.
10. Берча Д.М., Сливка В.Ю, Соболев В В. Зонная структура кристаллов типа SbSI // Полупроводниковая электроника / Под ред. Чепура Д.В. Ужгород: Закарпат. обл. типогр., 1971. С. 66-70.
11. Жичк
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.