Книги по разным темам Физика твердого тела, 1999, том 41, вып. 7 Новая полоса излучения связанных экситонов в кристаллах ZnSe и многоплазмонные оптические переходы й В.С. Вавилов, А.А. Клюканов, К.Д. Сушкевич, М.В. Чукичев, А.З. Ававдех, Р.Р. Резванов Молдавский государственный университет, 277009 Кишинев, Молдавия Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, 119899 Москва, Россия E-mail: klukanov@cinf.usm.md (Поступила в Редакцию 13 октября 1998 г.) Проведены исследования катодолюминесценции в кристаллах ZnSe, исходных и отожженных в расплаве Bi при температуре 1200 K в течение 120 h с последующей закалкой. В области длин волн 450-480 nm обнаружена новая серия Iis-nLO-mPl, состоящая из линии излучения связанных экситонов Iis с длиной волны = 455.9 nm и ее плазмонных и LO-фононных повторений Iis-LO (1 = 461.3nm), Iis-2LO (2 = 466.8nm), Iis-3LO (3 = 472.4nm) и Iis-4LO (4 = 478.3nm). Определено среднее число испущенных LO-фононов NLO = 2.2 0.1 на фотон. Показано, что наблюдаемая более тонкая структура полосы может быть обусловлена многоплазмонными оптическими переходами. При низких концентрациях плазмы (p LO) кулоновское взаимодействие вызывает уширение серии Iis-nLO. В образцах с более плотной плазмой, у которых выполняется соотношение p LO, наблюдаются многоплазмонные сателлиты серии Iis-nLO-mPl. Теоретические расчеты формы полосы излучения согласуются с экспериментом.

Многоквантовые оптические переходы с участием доказательством участия в оптических переходах плазнизкочастотных плазмонов, обусловленных колебаниями монов, энергия p которых зависит от концентрации плазмы зонных носителей заряда, исследовались при плазмы и потому меняется с уровнем возбуждения и от излучательной рекомбинации электронов и дырок в пря- образца к образцу [6].

мозонных полупроводниковых соединениях ZnSe, CdS и Ярким проявлением многоплазмонных излучательных ZnTe авторами работ [1Ц8]. Фото и катодолюминесцент- переходов при рекомбинации связанных экситонов являные (КЛ) спектроскопические исследования свободно- ется красная полоса КЛ в ZnTe [7].

свободных, свободно-связанных и связанно-связанных Данная работа посвящена исследованию многоплазрекомбинационных переходов с излучением фотонов, фо- монных переходов, обнаруженных в спектрах КЛ кринонов и плазмонов были выполнены в широком темпера- сталлов ZnSe, исходных и отожженных в расплаве Bi с турном интервале (4.2-355 K) при различных уровнях последующей закалкой. В качестве исходного материала возбуждения ( j = 0.01-10 A/cm2) и временах задержки использовались кристаллы ZnSe, выращенные из паро(0.1-10 ms) [1Ц8]. Новые широкие составные поло- вой фазы. Отжиг образцов в расплаве Bi проводился сы излучения, включающие порядка десяти плазмон- при температуре 1200 K в течение 120 h. Охлаждение ных повторений, были обнаружены при высоких уров- (закалка) до комнатной температуры осуществлялось нях возбуждения в интервале решеточных температур вне печи погружением ампулы в воду.

40-70 K (ZnSe) и 30-120 K (ZnTe) [2Ц4], соответствую- КЛ возбуждалась при температуре образца 4.2 K элекщих максимальному времени жизни плазмонов и макси- тронным пучком с энергией 40 keV, длительностью иммуму подвижности носителей заряда. Было показано, что пульсов 0.4 s и частотой их следования 200 Hz. Излучетонкая многоплазмонная структура полос обусловлена ние анализировалось с помощью монохроматора ДФС-рекомбинацией свободных зонных электронов и дырок, в области 0.4-0.8 m.

сильно взаимодействующих с плазмонами.

Краевая КЛ как исходного, так и отожженного образМногоплазмонные оптические переходы, проявляю- цов состоит из серии линий в экситонной области щиеся в тонкой структуре и уширении полос, позволяют спектра. Наиболее интенсивной является линия ЭПК Iid объяснить многие ключевые особенности спектров излу- (445.8 nm) Ч экситона, локализованного на нейтральном чения полупроводниковых соединений IIЦVI. Было пока- акцепторе Ч вакансии цинка (VZn). В работах [9Ц12] зано, что не только высокотемпературная серия зеленой предполагается, что Iid линия обусловлена двумя акцеплюминесценции CdS, которая обусловлена свободно- торами различной природы Ч VZn и/или медью, засвязанными переходами, но и рекомбинация электронов мещающей цинк (CuZn). Для нелегированных образи дырок на донорно-акцепторных парах (ДАП) может цов Iid связана с вакансиями цинка. При легировании сопровождаться излучением и поглощением нескольких образцов медью за линию Iid ответственны дефекты на плазмонов [6]. Измеренные расстояния между линия- основе CuZn.

ми многоплазмонной низкотемпературной серии изме- В области длин волн 450-480 nm при низких уровнях нялись от 2 до 10 meV, что является экспериментальным возбуждения нами обнаружена новая полоса излучения Новая полоса излучения связанных экситонов в кристаллах ZnSe... Рис. 1. Спектры катодолюминесценции кристаллов ZnSe при T = 4.2K: 1 Ч образец, отожженный в расплаве Bi с последующей закалкой; 2 Чисходный образец.

Iis-nLO-mPl (рис. 1), состоящая из линии излучения плаве Zn и медленно охлажденных (в режиме высвязанного экситона Iis с длиной волны = 455.9nm ключенной печи), полоса Iis-nLO-mPl не наблюдаи ее плазмонных и LO-фононных повторений Iis-LO лась [13] (здесь n Ч число излученных продоль(1 = 461.3nm), Iis-2LO (2 = 466.8nm), Iis-3LO ных оптических фононов, m-плазмонов). Это указыва(3 = 472.4nm) и Iis-4LO (4 = 478.3nm). Поми- ет на существенную роль вакансий цинка в формимо LO-фононных повторений наблюдается более тонкая ровании центров, ответственных за излучение серии структура полосы, обусловленная многоплазмонными Iis-nLO-mPl.

переходами (кривые 1 и 2 на рис. 1, а также кривая 1 Анализ спектров излучения начнем с рассмотрения на рис. 2). серии излучения связанных экситонов, включающей лиСледует отметить, что в образцах, отожженных в нию Iid и ее LO-фононные повторения, для которой расплаве Bi, расплаве Bi с добавкой цинка, рас- скорость излучательной рекомбинации R может быть 4 Физика твердого тела, 1999, том 41, вып. 1178 В.С. Вавилов, А.А. Клюканов, К.Д. Сушкевич, М.В. Чукичев, А.З. Ававдех, Р.Р. Резванов Рис. 2. Спектры КЛ образцов с различной концентрацией равновесной плазмы: 1 Ч плотная плазма p LO, в которой наблюдаются плазмонные повторения; 2 Ч плазма низкой плотности p LO.

представлена в виде соответствует распределению Пуассона для R в максимумах LO-фононных повторений Iid-nLO. Согласно n R = R0 (NLO/n!)n/ (x + n)2 + n. (1) полученным нами результатам, NLO = 0.20 0.01, n если NLO определять как отношение интенсивностей Rn в максимумах бесфононного пика и однофононного Здесь R0 Чконстанта, x =( -0)/LO, Ч частота повторения (Rmax/Rmax = NLO0/1). Если же NLO опрефонона, 0 Ч частота, соответствующая максимуму 1 делять как отношение (Rmax/Rmax) = (1/2)NLO(1/2), линии Iid, LO Ч частота LO-фононов, NLO Ччисло 2 LO-фононов, испущенных на один фотон, 2n Ч по- то оказывается, что NLO > 0.2 и меняется от образца к луширина n-го фононного повторения в единицах LO. образцу в пределах 0.2-0.5. Еще более разительные реДля серии линий одинаковой полуширины формула (1) зультаты получаются, если определять NLO по третьему и Физика твердого тела, 1999, том 41, вып. Новая полоса излучения связанных экситонов в кристаллах ZnSe... второму фононным повторениям. Согласно спектрам КЛ на рис. 1, NLO 4 для образца 1 и NLO 1 для второго = = образца. Кроме того, для первого образца полуширина Iid-2LO больше полуширины Iid-3LO (если линию с длиной волны в максимуме = 461.3 nm считать Iid-3LO). Как видно из рис. 1 (кривая 1), на контуре линии Iid-2LO имеется плечо со стороны коротких длин волн. Все эти особенности легко разъясняются, если заметить, что в области второго LO-фононного повторения линии Iid имеются (накладываются) две линии Iid-2LO и бесфононная новая линия Iis. Для образца при = 456.0 nm это в основном линия Iid-2LO, тогда как для первого образца интенсивность Iid-2LO лишь в 2 раза больше интенсивности Iis. При этом для серии Iis взаимодействие связанного экситона с фононами оказывается более сильным, чем для серии Iid. Согласно результатам, представленным на рис. 1, для серии новой линии Iis и ее LO-фононных повторений находим, что NLO = 2.2 0.1.

Скорость излучательной рекомбинации R [8] определяется производящей функцией, которая в двухуровневом приближении для связанного экситона имеет вид I(t) = exp (v/ ) h() - e() k Im /(, ) f (t, )/2d.. (2) Здесь обозначения те же, что и в работе [8]. Частоты элементарных возбуждений, с которыми взаимодействуют рекомбинирующие электрон и дырка, определяются нулями диэлектрической функции (, ). При низРис. 3. Форма полосы Iis-nLO-mPl R (a = p/LO, b, 1, 2, ких концентрациях плазмы зонных носителей заряда NLO, Np, x) при различных концентрациях плазмы и различных (p LO) этими возбуждениями являются плазмоны полуширинах сателлитов n,0 = 1, n,m = 2(1 + mb) ( <1/0, где 0 Ч длина экранировки) и LO-фононы.

(m = 1, 2,... ): 1 Ч R(0.3, 0, 0.03, 0.1, 2, 2, x); 2 Ч R Для водородоподобных центров (0.3, 0, 0.05, 0.2, 2, 2, x); 3 Ч R (0.1, 0, 0.1, 0.1, 2, 2, x);

4 Ч R (0.3, 0.35, 0.03, 0.1, 2, 3, x); 5 Ч R (0.3, 0.35, 0.03, 0.1, e,h() = e, h| exp(ire,h)|e, h 2, 1, x).

-= 1 +(ae,h/2)2. (3) симировать выражением Из формулы (2) видно, что в случае, когда радиусы состояний электрона и дырки ae и ah Ч одного порядка n (ae ah, h() e()), взаимодействие с плазмонами = = R = (NLO/n!) и фононами слабое. Таким образом, по спектрам КЛ можn,m но судить о структуре центра. Сильное взаимодействие m (Np /m!)n,m/ ( + n + am)2 + n,m. (4) с LO-фононами и плазмонами характерно для центров, которые сильно связывают один из носителей из пары e-h, локализуя его в пределах элементарной ячейки, Здесь a = p/LO. На рис. 3 представлены результаты и создают для второго носителя заряда кулоновское расчетов спектров КЛ при различных значениях средних поле. При этом область движения второго носителя в чисел излученных при рекомбинации LO-фононов NLO и этом поле охватывает сотни постоянных решетки. С плазмонов Np, различных соотношениях между p и LO центром такого типа связана линия Iis и ее LO-фононные и различных полуширинах линий, составляющих полосу и плазмонные сателлиты, форму которых можно аппрок- излучения.

4 Физика твердого тела, 1999, том 41, вып. 1180 В.С. Вавилов, А.А. Клюканов, К.Д. Сушкевич, М.В. Чукичев, А.З. Ававдех, Р.Р. Резванов Численные расчеты однофононного и одноплазмонно- [10] H. Roppiseher, J. Jacob, B.V. Novikov. Phys. Stat. Sol. (a) 27, 1, 123 (1975).

го сателлита можно выполнить, используя результаты [11] P.J. Dean, A.D. Ditt, M.S. Skolnick, P.J. Wrigt, J. Blockayne. J.

работ [1Ц8] и производящую функцию I(t) (2) с (, ) Crystal Growth. 59, 1, 301 (1982).

в приближении случайных фаз. При этом оказывается, [12] P.J. Dean, D.C. Herbert, C.J. Werkhoven, B.J. Fitzpatrick, что полуширина одноплазмонного сателлита как правиR.N. Bhorgava. Phys. Rev. B23, 12, 4888 (1981).

о больше полуширины однофононного. Это связано с [13] А.В. Симашкевич, К.Д. Сушкевич. Изв. АН Республики большой дисперсией плазмонов и затуханием Ландау.

Молдавия. Сер. Физика и Техника, 2(8), 28 (1992).

Таким образом, необходимо считать, что выполняется [14] P.J. Dean. Phys. Stat. Sol. (a) 81, 2, 625 (1984).

неравенство n,m > n,0 (m = 1, 2,... ) и с ростом числа m излученных плазмонов величина n,m растет.

При малых концентрациях плазмы (p LO) многоплазмонная структура не разрешается. Процессы с излучением нескольких плазмонов приводят к уширению линии Iis и ее LO-фононных повторений (кривая 3 на рис. 3), что согласуется с экспериментом (кривая 2 на рис. 2). Если же p LO, то плазмонная структура может наблюдаться (кривые 1 и 2 на рис. 1, а также кривая 1 на рис. 2). Численные расчеты (рис. 3) и экспериментальные спектры КЛ находятся в удовлетворительном согласии, что позволяет сделать вывод об участии плазмонов в излучении новой серии связанных экситонов Iis-nLO-mPl в кристаллах ZnSe наряду с излучением ДАП [14] в этой области спектра.

Учитывая, что LO-фононные повторения наблюдаются обычно при рекомбинации экситонов, связанных на акцепторах, то естественно предположить, что центром, ответственным за появление линии Iis, является акцептор на основе вакансии цинка. Линия Iis наблюдается только в образцах, подвергнутых закалке, поэтому можно заключить, что данный акцепторный центр существует при высоких температурах и при закалке замораживается.

При медленном же охлаждении образцов рассматриваемый центр разрушается и на его основе образуются новые ассоциаты. Таким акцепторным центром, возможно, является комплекс, включающий две вакансии цинка и одну вакансию селена.

Список литературы [1] А.А. Клюканов. ФТТ 29, 5, 1529 (1987).

[2] В.С. Вавилов, А.А. Клюканов, Э.А. Сенокосов, Л.Э. Чиботару, М.В. Чукичев. ФТТ 30, 2, 614 (1988).

[3] A.A. Klyukanov, E.A. Senokosov, L.E. Chibotaru. Phys. Stat.

Sol. (b) 155, 1, 295 (1989).

[4] В.С. Вавилов, А.А. Клюканов, Н.М. Павленко, Сабри Джасин Мухаммед, Э.А. Сенокосов, В.Г. Стойкова, М.В. Чукичев. ФТТ 31, 10, 132 (1989).

[5] В.С. Вавилов, А.А. Клюканов, Э.А. Сенокосов, Л.Э. Чиботару, М.В. Чукичев. ФТТ 33, 1, 63 (1991).

[6] В.С. Вавилов, А.А. Клюканов, М.В. Чукичев, О.М. Шаповал, А.З. Ававдех, Р.Р. Резванов. ФТП 28, 12, 2113 (1994).

[7] В.С. Вавилов, А.А. Клюканов, К.Д. Сушкевич, М.В. Чукичев, А.З. Ававдех, Р.Р. Резванов. ФТТ 37, 2, 312 (1995).

[8] В.С. Вавилов, А.А. Клюканов, К.Д. Сушкевич, М.В. Чукичев, Р.Р. Резванов, С.К. Сушкевич. ФТТ 39, 9, 1526 (1997).

[9] Shi Min Huang, J. Nozne, J.C. Igaki. Jap. J. Appl. Phys. 22, 7, 1420 (1983).

   Книги по разным темам

Service Unavailable

The server is temporarily unable to service your request due to maintenance downtime or capacity problems. Please try again later.