Книги по разным темам Pages:     | 1 | 2 | Физика твердого тела, 1999, том 41, вып. 4 Метастабильное оптическое поглощение релаксированных электронных возбуждений в кристаллах BeOЦZn й С.В. Горбунов, К.В. Баутин, В.Ю. Яковлев, А.В. Кружалов Уральский государственный технический университет, 620002 Екатеринбург, Россия Томский политехнический университет, 634034 Томск, Россия E-mail: baut@dpt.ustu.ru (Поступила в Редакцию 9 июля 1998 г.) Методом импульсной абсорбционной спектроскопии с временным разрешением исследованы спектры метастабильного оптического поглощения и кинетика его релаксации в кристаллах BeO, легированных примесью цинка. На основе сравнения обнаруженного наведенного оптического поглощения автолокализованных экситонов и связанных с примесью цинка экситонов малого радиуса сделан вывод о подобии структуры их дырочных компонентов и отличительных особенностях ФзапрещенныхФ оптических переходов в электронных компонентах. Обнаружено метастабильное оптическое поглощение Zn+-центров. Показано, что образование связанных с примесью цинка экситонов малого радиуса происходит на дырочных стадиях рекомбинационных термотуннельных процессов с участием электронных Zn+-центров. Обнаружено, что высокая вероятность рекомбинации электронных и дырочных центров, созданных в кристаллах BeOЦZn электронных пучком, может быть связана с высокой степенью их пространственной корреляции.

Известно, что легирование кристаллов широкозонных электронно-дырочных процессов в настоящей работе оксидов изовалентными примесями существенно влияет исследовано метастабильное оптическое поглощение, нана рекомбинационные и термостимулированные процес- водимое в кристаллах BeOЦZn импульсом электронного сы, а также на каналы релаксации и распада электронных ускорителя. Проведено сравнение спектров переходного возбуждений (ЭВ). Это приводит к возникновению поглощения СВЭ, АЛЭ и электронных центров, связандополнительных центров захвата ЭВ, а также полос ных с примесью цинка.

юминесценции, обусловленных электронно-дырочной рекомбинацией с участием примесных центров [1] и из1. Образцы и аппаратура лучательной аннигиляцией связанных на примеси экситонов большого и малого радиусов [2].

Кристаллы BeOЦZn выращены по методике [8] из Использование комплекса люминесцентных методов раствора в расплаве вольфрамата натрия Масловым.

позволило обнаружить, что введение в кристаллы оксида Легирование осуществлялось путем добавления в шихту бериллия (BeO) изовалентной примеси цинка приводит 2.0 wt.% Zn. Контроль вхождения примеси в решетк появлению в спектрах катодолюминесценции широкой ку BeO проводился методом лазерно-индуцированного полосы при 6.0 eV и линии краевой люминесценции масс-спектрографического анализа. Был достигнут уропри 10.21 eV [3]. Анализ полученных данных привел вень содержания примеси Zn Ч 350 ppm. Это более чем авторов [3] к заключению, что в BeOЦZn наблюдаетна порядок превысило уровни содержания неконтролися сосуществование экситонов большого и малого раруемых примесей Li, Na, B, Mg, Al. Оптические издиусов, связанных с ионами Zn2+, замещающими иомерения в области 1-5 eV проведены при температурах ны бериллия в узлах кристаллической решетки. Кроме 80-500 K на установке импульсной абсорбционной спектого, в спектрах термостимулированной люминесцентроскопии с наносекундным временным разрешением ции (ТСЛ) и электронного парамагнитного резонанса (7ns) [9]. Для возбуждения использовался импульсный (ЭПР) кристаллов BeOЦZn обнаружено образование ускоритель электронов ГИН-600 с параметрами пучка:

как электронных (Zn+-центр), так и дырочных центров E = 0.2MeV, j = 100 A/cm2, timp = 10-8 s. Дополнизахвата [4Ц7]. При термической ионизации дырочных тельные исследования спектров оптического поглощения центров в спектре ТСЛ наблюдаются в основном пов поляризованном свете выполнены с помощью кварцелоса при 6.0 eV связанных с цинком экситонов (СВЭ) вой призмы Рошона.

и свечение при 6.7 eV автолокализованных экситонов (АЛЭ) первой (ФнизкотемпературнойФ) конфигурации.

2. Экспериментальные результаты В то же время термическая делокализация электронов с Zn+-центров приводит к возникновению люминесцени обсуждение ции при 4.9 eV АЛЭ второй (ФвысокотемпературнойФ) конфигурации [5]. Для получения новой информации о В спектрах люминесценции кристаллов BeOЦZn при структуре связанных экситонов и центров локализации возбуждении импульсами электронов наблюдается шиЭВ, а также особенностях термически автивированных рокая полоса свечения с максимумом при 6.0 eV. Люми602 С.В. Горбунов, К.В. Баутин, В.Ю. Яковлев, А.В. Кружалов (Ea = 240 meV) в состояние АЛЭ2 (рис. 2), согласуется с низкотемпературным спектром АЛЭ1 [11]. Отличие заключается в меньшей интенсивности при 300 K коротковолновой полосы при 3.9 eV для E C, возможно связанной с увеличением вероятности термической диссоциации экситона при оптическом возбуждении высокоэнергетических состояний дырочного компонента АЛЭ1.

Вторая стадия кинетики спада переходного поглощения со временем 2 = 2 s обусловлена излучательной релаксацией АЛЭ2 [12]. Спектр АЛЭ2 характеризуется сильным сдвигом дырочной полосы при E C к 3.7 eV относительно максимума 2.9 eV для АЛЭ1, связанным в [12] с термоактивированным переносом дырки между аксиальной и неаксиальной позициями ионов кислорода в гексагональной решетке BeO. При этом вид и спектрально-поляризационные свойства полос при 1.7 eV, обусловленных переходами в электронных компонентах обоих типов АЛЭ [13], подобны.

Третий компонент кинетики затухания метастабильного поглощения при 300 K со временем 3 = 300 40 s обнаружен только в кристаллах BeO, легированных цинРис. 1. Кинетика релаксации оптического поглощения в ком. Параллельное изучение температурных зависимообласти 3.0 eV кристаллов BeOЦZn при 300 K.

стей времен релаксации люминесценции при 6.0 eV и компонента переходного поглощения с 3 при T > 300 K показало, что их температурно-временные свойства сонесценция 6.0 eV затухает по экспоненциальному закону впадают. Таким образом, третий компонент переходного с характерным временем = 310 s, неизменным в диаоптического поглощения кристаллов BeOЦZn обуслопазоне температур 80-400 K, причем она была отнесена влен оптическими переходами в связанных с цинком ранее к излучательной аннигиляции связанных на примеэкситонах малого радиуса.

си цинка экситонов малого радиуса [3]. Обнаруженная При люминесцентных исследованих чистых и легиротемпературная стабильность свечения 6.0 eV позволила ванных цинком кристалов BeO был отмечен ряд черт, провести поиск аналогичных компонент в переходном свидетельствующих о подобии структуры СВЭ и одного оптическом поглощении кристаллов BeOЦZn при 300 K.

из АЛЭ [3]. Так, кинетика затухания люминесценции Во временном интервале от момента окончания импуль6.0 eV с постоянной времени 300 s и люминесценции са электронов до 1 ms кинетика релаксации наведенного 6.7 eV ( = 340 s) АЛЭ1 ФнизкотемпературнойФ конпоглощения (рис. 1) может быть описана суперпозицией фигурации свидетельствует об одинаковом триплетном трех экспонент с 1 = 0.4, 2 = 2 и 3 = 300 s.

характере возбужденных состояний. Кроме того, было Первый и второй компоненты переходного поглощения характерны для номинально чистых кристаллов BeO и обусловлены сосуществованием при 300 K двух типов АЛЭ [10]. При температурах 80-160 K основной вклад в метастабильное оптическое поглощение дают АЛЭ ФнизкотемпературнойФ конфигурации (АЛЭ1) [11]. При этом кинетика релаксации описывается экспонентой с характерным для триплетных состояний временем = 340 s, близким к времени затухания люминесценции 6.0 eV связанных на примеси цинка экситонов малого радиуса.

В области T > 160 K наблюдается укорочение времени спада поглощения АЛЭ1, связанное с безызлучательными переходами из триплетного состояния АЛЭ1 в триплетное состояние второго типа АЛЭ ФвысокотемпературнойФ конфигурации АЛЭ2 [12]. Уменьшение времени жизни АЛЭ1, вызванное термически активированным АЛЭ1 АЛЭ2 превращением, обусловливает наличие Рис. 2. Спектры короткоживущего оптического поглощения при 300 K первого компонента переходного поглощепри 300 K автолокализованных экситонов (1, 2) и связанных с ния со временем 1 = 0.4 s. Спектр поглощения в примесью цинка экситонов малого радиуса (3, 4) при поляризаполяризованном свете АЛЭ1, находящихся в процессе ции зондирующего света: E C (1, 3), E C (2, 4). Пунктиром температурного перехода через активационный барьер показано разложение на гауссовы составляющие.

Физика твердого тела, 1999, том 41, вып. Метастабильное оптическое поглощение релаксированных электронных возбуждений... обнаружено, что состояния АЛЭ1 и СВЭ малого радиуса образуются из состояний свободных экситонов и СВЭ большого радиуса соответственно при переходе через почти одинаковый по величине активационный барьер.

Однако были выявлены также отличительные особенности, заключающиеся в уменьшении степени поляризации и увеличении температурной стабильности свечения 6.0 eV СВЭ в BeOЦZn.

Для установления особенностей структуры СВЭ были измерены при 300 K спектры метастабильного оптического поглощения кристаллов BeOЦZn с временным разрешением в поляризованном свете. Спектр комопнента, обусловленного релаксацией СВЭ (рис. 2), был получен Рис. 4. Спектры ФмедленныхФ компонентов переходного оптикак разность спектров при tdel = 50 s и tdel = 1 s. Как ческого поглощения кристаллов BeOЦZn при T = 80 K (1, 2) и 300 K (3, 4) при поляризации зондирующего света: E C (2, 3) видно из рис. 2, спектр СВЭ при E > 2.5 eV имеет набор и E C (1, 4). Пунктиром и штрих-пунктиром показано характерных черт, близких спектру АЛЭ1. Наблюдаются разложение на гауссовы составляющие.

небольшие отличия, обусловленные сдвигом на 0.2eV полосы при 3.1 eV для E C, а также соотношением интенсивностей и незначительным сдвигом максимумов коротковолновых полос при E C. Поскольку поДля дальнейшего изучения структуры СВЭ в BeOЦZn глощение в УФ-области спектра обусловлено дырочным c применением метода абсорбционной спектроскопии компонентом АЛЭ1 [13], можно сделать вывод о том, что с временным разрешением были получены данные о структуры дырочных ядер АЛЭ1 и СВЭ подобны.

природе и кинетике релаксации центров окраски (ЦО).

В то же время существенные различия обнаружеСопоставление полученных результатов с кривыми и ны в области спектра переходного поглощения при спектрами ТСЛ кристаллов BeOЦZn позволили выделить E < 2.5 eV, где, согласно [13], наблюдаются оптические элементарные каналы образования СВЭ при электроннопереходы в электронном компоненте АЛЭ1. При раздырочных процессах рекомбинации.

ожении на гауссовы составляющие (рис. 2) авторами При изучении кинетики затухания метастабильного было обнаружено, что при E C для АЛЭ1 наблюдапоглощения кристаллов BeOЦZn при 300 K был обются две полосы с максимумами при 1.6 и 1.9 eV. Для наружен ФмедленныйФ экспоненциальный компонент со СВЭ интенсивность поглощения в этой области спектра временем затухания 1 s, сильно зависящим от инзначительно (почти на порядок) снижена, при этом тенсивности зондирующего света и температуры. Изможно выделить слабую полосу около 1.6 eV для E C учение температурно-временных параметров показало (рис. 2). Следует отметить также, что очень слабое (рис. 3), что укорочение времени релаксации центров, поглощение СВЭ наблюдается в таком же интервале отвечающих за этот компонент, подчиняется моттовспектра при E C.

скому закону с энергией активации 0.96 eV. Сравнение температурных данных с результатами по ТСЛ и ЭПР [4,14] позволяет сделать вывод, что данный компонент кинетики затухания переходного поглощения обусловлен термической делокализацией электронов с Zn+-центров. Этот центр был детально изучен методом ЭПР [4], согласно которому Zn+-центр представляет собой электрон, захваченный на s-оболочку иона Zn2+, изоморфно замещающего ион Be2+ в регулярном узле решетки BeO. Установленная температурная область разрушения Zn+-центров согласуется с положением пика ТСЛ при 310 K. Оптические характеристики Zn+-центра установлены из спектров метастабильного оптического поглощения кристаллов BeOЦZn при 300 K, измеренных в поляризованном свете с временной задержкой t > 1ms.

Как видно из рис. 4, спектр поглощения Zn+-центра состоит из двух полос, одна из которых с максимумом при 2.3 eV поляризована перпендикулярно оси C, другая Рис. 3. Кривые ТСЛ кристаллов BeOЦZn (1) и Beo (2) по с максимумом при 3.1 eV является изотропной. Охлаждеданным [6], температурные зависимости времен релаксации ние образцов BeOЦZn до 80 K приводит к существенному поглощения дырочных (3), электронных Zn+-центров (4) и вреувеличению оптической плотности. При этом в интервамени затухания люминесценции 6.0 eV связанных с примесью цинка экситонов малого радиуса (5) в кристаллах BeOЦZn. ле времен более 1 ms хорошо различаются две экспоненФизика твердого тела, 1999, том 41, вып. 604 С.В. Горбунов, К.В. Баутин, В.Ю. Яковлев, А.В. Кружалов циальные стадии кинетики разрушения центров окраски Таким образом, в кристаллах BeOЦZn наблюдаются со временами 1 = 170 ms и 2 3 s. Поляризованный две низкотемпературные области разрушения различных спектр переходного оптического поглощения, обусло- дырочных центров с соответствующими пиками ТСЛ вленный первым ФмедленнымФ компонентом кинетики при 100 и 160 K, обусловленными в основном образоварелаксации ЦО, был получен как разность спектров с нием и излучательной аннигиляцией СВЭ. Установлено, tdel = 125 ms и tdel = 1.5s (рис. 4). В результате что первый пик (100 K) связан с термотуннельными проразложения на гауссовы составляющие были выделены цессами аннигиляции очень близких дырочных (возможполосы при 2.3 и 3.1 eV, присущие Zn+-центрам, а также но, АЛД) и электронных (Zn+-) центров, причем последдополнительные полосы с максимумами при 4.0 eV для них разрушается около 75% от первоначально созданных E C и 4.5 eV для E C. При изменении температуры электронным пучком. Подобные процессы, обусловленв области 80-120 K обнаружено укорочение времени ные высокой вероятностью рекомбинации Tl0 (Na0) и спада первого компонента (рис. 3) с энергией активации Vk-центров, были обнаружены ранее в кристаллах CsIЦTl Ea = 0.15 eV. Нагревание образца сопровождается также и CsIЦNa и объяснены высокой степенью пространственпоявлением пика ТСЛ при 100 K, который наблюдает- ной корреляции создаваемых радиацией электронных и ся как в номинально чистых, так и в легированных дырочных центров [15]. Во втором пике ТСЛпри 160 K цинком кристаллах BeO. Ранее было установлено, что происходит рекомбинация пространственно более раздепик ТСЛ при 100 K обусловлен термическим разру- ленных дырочных ([Zn]+) и электронных (Zn+) пар.

Pages:     | 1 | 2 |    Книги по разным темам