ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СИНХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2015, № 4, с. 104-108
УДК 621.315.592
МОРФОЛОГИЯ И СОСТАВ ПОВЕРХНОСТИ КРИСТАЛЛОВ СЕЛЕНИДОВ ИНДИЯ И РТУТИ, ЛЕГИРОВАННЫХ 3^-МЕТАЛЛАМИ
© 2015 г. И. П. Козярский1, *, С. Л. Абашин2, **, Э. В. Майструк1, П. Д. Марьянчук1,
Д. П. Козярский1, Ю. А. Яцына2
1Черновицкий национальный университет им. Ю. Федьковича, 58012 Черновцы, Украина 2Национальный аэрокосмический университет им. Н.Е. Жуковского "Харьковский авиационный институт",
61070Харьков, Украина *Е-таП: ivan_cancer@mail.ru; **Е-шаИ: lem@khai.edu Поступила в редакцию 15.07.2014 г.
С помощью растрового электронного микроскопа были получены изображения поверхности кристаллов (3Н§$е)0.5(1п2$е3)0.5 (нелегированных и легированных 3d-элементами) в отраженных и вторичных электронах. Определен их элементный состав методом энергодисперсионного анализа.
Ключевые слова: селениды индия и ртути, метод Бриджмена, энергодисперсионный анализ, морфология поверхности.
Б01: 10.7868/80207352815040125
ВВЕДЕНИЕ
Развитие технологии полупроводниковых материалов создало возможность получения твердых растворов замещения, в состав которых входят обычные полупроводники и магнитные полупроводниковые соединения. Полумагнитные твердые растворы на основе халькогенидов элементов II и III групп, обладающие весьма специфическими свойствами [1—6], интересны как с точки зрения фундаментальных исследований, так и благодаря возможности их практического использования. Особенности магнитной восприимчивости таких кристаллов обусловлены кластерами, в которых между атомами с незаполненной 3^-подоболоч-кой осуществляется косвенное обменное взаимодействие антиферромагнитного характера через атом халькогена или возникает прямое обменное взаимодействие ферромагнитного характера [1]. Термообработка полумагнитных полупроводников в парах компонентов приводит к образованию новых кластеров или изменению размеров уже существующих в кристалле. Это ведет к изменению эффективных магнитных моментов атомов 3^-элементов и температуры Кюри, характеризующих состояние магнитной подсистемы. Изменение состава твердого раствора позволяет плавно управлять его зонной структурой [2].
Твердые растворы (3HgSe)1 _ x(In2Se3)x, легированные 3äf-элементами, являются полумагнитными полупроводниками, в которых HgSе представляет собой узкозонный или бесщелевой полупроводник, а In2Se3 — дефектный широкозонный полупроводник. Твердые растворы в системе
3Н§8е—1п28е3 существуют до концентрации 50 мол. % 3Щ8е [7]. Такой диапазон существования твердых растворов позволяет менять ширину запрещенной зоны в широких пределах. Наличие стехиометрических вакансий в (3Н§8е)1 _ х(1п28е3)х позволяет предположить, что данные кристаллы должны обладать радиационной стойкостью. Хотя Мп и Бе отличаются от элементов II группы тем, что их 3d-оболочка только частично заполнена, они способны замещать элементы II группы в кристаллах А11ВУТ.
Близость ширины запрещенной зоны (Её) кристаллов (3HgSe)0.5(In2Se3)0.5, легированных 3d-эле-ментами, к значению Eg кремния указывает на перспективность использования данных материалов в приборах электроники и спинтроники.
Целью данной работы было определение элементного состава кристаллов селенида индия и ртути, выращенных методом Бриджмена.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Установленные опытным путем условия выращивания легированных кристаллов (3HgSe)o.5(In2Se3)o. 5 позволили нам получить методом Бриджмена крупноблочные образцы длиной ~5 см и диаметром ~1 см. Образцы для исследования оптических свойств вырезали в виде шайб перпендикулярно оси роста кристалла, шлифовали при последовательном уменьшении размера зерна порошка от 28 до 5 мкм, полировали на шелковой ткани и фетре с помощью алмазных паст, после чего промывали в органических
Рис. 1. Изображение поверхности кристалла (3Щ8е)о 5(1^863)0 5: а — в отраженных электронах; б — во вторичных электронах.
Е, отн. ед.
Рис. 2. EDX-спектр кристалла (3Щ8е)о 5(1^863)0 5.
растворителях. Образцы для исследования кинетических и магнитных свойств вырезали в виде паралелепипеда из шайб, расположенных рядом с шайбами, на которых проводились оптические исследования.
Исследования элементного состава кристаллов (3И§8е)05(1п28е3)а 5, нелегированных и легированных Мп и Бе, проводились в растровом электронном микроскопе, оборудованном камерой низкого вакуума и системой энергодисперсионного микроанализа, РЭМ-106 [8]. Микроскоп предназначен для исследования рельефа поверхности различных объектов в твердой фазе [9, 10] и определения элементного состава объектов методом рентгеновского микроанализа по энергиям
квантов характеристического рентгеновского излучения в режимах высокого и низкого вакуума.
Относительная погрешность измерения массовой доли (С, мол. %) элемента не превышает 4% для компонентов с массовой долей более 10%, 20% для компонентов с массовой долей 1—10% и 50% для компонентов с массовой долей 0.1—1%.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Изображения поверхности и ЕЭХ-спектры исследуемых кристаллов, полученные с помощью РЭМ-106, представлены на рис. 1—6. Изображения поверхности кристаллов (3И§8е)05(1п28е3)05, нелегированных и легированных Мп и Бе, были по-
106
КОЗЯРСКИЙ и др.
Рис. 3. Изображения поверхности кристалла (3HgSe)o 5(In2Seз)o 5:(Мп): а — в отраженных электронах; б — во вторичных электронах.
Е, отн. ед.
Рис. 4. EDX-спектр кристалла (3HgSe)o.5(In2Seз)o.5:(Mn).
лучены в отраженных электронах (рис. 1а, 3а, 5а) и во вторичных электронах (рис. 1б, 3б, 5б). Все электроны, обладающие энергией более 50 эВ, условно называются обратно рассеянными (или отраженными) электронами. Они создаются в результате многократных упругих и неупругих отражений в более глубокой части области взаимодействия, чем вторичные электроны. Поскольку коэффициент обратного рассеяния очень сильно зависит от атомного номера элемента, то детектирование обратно рассеянных электронов позволя-
ет с высокой эффективностью различать материал образцов, а изображение, полученное в отраженных электронах, обладает высоким фазовым контрастом. На рис. 1а, 3а и 5а видно, что химические элементы почти однородно распределены по поверхности образца.
В противоположность этому, изображение во вторичных электронах, получаемых с менее глубоких слоев, позволяет более эффективно выявлять особенности рельефа (морфологии) поверхности. Этому также способствует расположение
Рис. 5. Изображения поверхности кристалла (3HgSe)o 5(In2Seз)o 5:(Бе): а — в отраженных электронах; б — во вторичных электронах.
Е, отн. ед.
Рис. 6. EDX-спектр кристалла (3HgSe)o 5(In2Seз)o 5:(Бе).
детектора вторичных электронов под некоторым углом относительно оптической оси микроскопа. При этом выступающая часть исследуемого объекта заслоняет электронам путь к детектору таким образом, что ближняя к детектору вторичных электронов сторона выступа выглядит светлее, а дальняя — темнее. Для углубленных участков ситуация оказывается прямо противоположной. То есть, по взаимному расположению светлых и темных участков при детектировании вторичных электронов можно судить о выступах и впадинах на поверхности исследуемого объекта. Заметим, что детектор обратно рассеянных электронов рас-
положен симметрично относительно оптической оси микроскопа [11].
Пучок электронов, попадая на кристалл (3HgSe)0.5(In2Se3)0.5, приводит к образованию вторичных и отраженных электронов, а также вызывает появление характеристического рентгеновского излучения, регистрируемого детектором спектрометра. После обработки полученного спектра (рис. 2, 4 и 6) был рассчитан элементный состав исследуемых полупроводниковых твердых растворов. Зная молекулярный вес твердого раствора, соответствующий химической формуле, вычислили массовую составляющую каждого хи-
108
КОЗЯРСКИИ и др.
Таблица 1. Элементный (3HgSe)o.5(In2Se3)o.5
кристалла
Химический элемент Содержание химического элемента, мас. %
Загружено Эксперимент (U = 20 кВ)
Hg 46.11 48.33
Se 36.34 32.2
In 17.59 19.47
Таблица 2. Элементный (3HgSe)o.5(In2Se3)o.5:(Mn)
кристалла
Химический элемент Содержание химического элемента, мас. %
Загружено Эксперимент (U = 20 кВ)
Hg 46 48.54
Se 36.27 30.78
In 17.6 20.38
Mn 0.13 0.3
Таблица 3. Элементный (3HgSe)o.5(In2Se3)o.5:(Fe)
кристалла
Химический элемент Содержание химического элемента, мас. %
Загружено Эксперимент (U = 20 кВ)
Hg 46 48.64
Se 36.27 31.13
In 17.6 19.81
Fe 0.13 0.42
мического элемента. Полученные результаты представлены в табл. 1—3. Расхождение экспериментальных и расчетных данных объясняется тем, что образцы представляют собой твердые растворы, при этом наблюдается некоторое отклонение состава от стехиометрии в объеме кристалла вдоль оси роста.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Данные о содержании химических элементов, которые входят в состав исследуемых кристаллов, хорошо коррелируют с полученными экспериментально значениями путем измерения энергии и интенсивности характеристического рентгеновского излучения элементов на РЭМ-106. Полученные численные значения массовых долей подтверждают получение твердых растворов с составом х = 0.5.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Марьянчук П.Д., Козярский И.П. // Неорган. материалы. 2012. Т. 48. № 7. С. 755.
2. Марьянчук П.Д., Козярский И.П. // Изв. вузов. Физика. 2010. Т. 53. № 1. С. 55.
3. KoziarskyiI.P., MarianchukP.D., MaistrukE.V. // Ukr. J. Phys. Opt. 2011. V. 12. P. 137.
4. Koziarskyi I.P., Marianchuk P.D., Maistruk E.V., Koziarskyi D.P. // Proc. SPIE. 2011. V. 8338. P. 833814.
5. Марьянчук П.Д., Козярский Д.П. // Изв. вузов. Физика. 2009. Т. 52. № 12. С. 93.
6. Марьянчук П.Д., Козярский Д.П. // Неорган. материалы. 2010. Т. 46. № 5. С. 528.
7. Твердые растворы в полупроводниковых системах. Справочник / Ред. Земсков В.С. М.: Наука, 1978. 118 с.
8. Новиков Ю.А. // Поверхность. Рентген., синхротр. и нейтрон. исслед. 2013. № 5. С. 105.
9. Васильева В.И., Голева Е.А. // Поверхность. Рентген., синхротр. и нейтрон. исслед. 2013. № 6. С. 45.
10. Васильева В.И., Кранина Н.А., Малыхин М.Д. и др. // Поверхность. Рентген., синхротр. и нейтрон. исслед. 2013. № 2. С. 51.
11. Скан
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.