Книги по разным темам Pages:     | 1 | 2 | Журнал технической физики, 2000, том 70, вып. 10 05;07;09;11;12 Сверхвысокочастотная фотопроводимость левитирующих над природным алмазом электронов й А.Г. Захаров, Н.А. Поклонский, В.С. Вариченко Белорусский государственный университет, 220050 Минск, Белоруссия E-mail: heii@phys.bsu.unibel.by (Поступило в Редакцию 13 июля 1999 г.) Природные алмазы типа IIa исследовались методами фотопроводимости на сверхвысоких частотах и постоянном токе, оптического поглощения при нормальных условиях, а также тока фотоэмиссии в вакуум ( 10-5 Pa). Предложена модель СВЧ фотопроводимости алмаза (материала с отрицательным электронным сродством поверхности к электрону), учитывающая как внутренний, так и внешний фотоэффект.

Введение Использовались методы СВЧ фотопроводимости (СВЧ ФП), оптического поглощения (ОП) и Применение бесконтактного метода измерения СВЧ фотоэмиссии (ФЭ). Измерения СВЧ ФП и ОП фотопроводимости (СВЧ ФП) алмаза имеет ряд осо- проводились при T 300 K и атмосферном давлении бенностей и преимуществ по сравнению с контактным ( 105 Pa). При СВЧ измерениях образцы помещались способом регистрации фотоотклика на постоянном то- внутрь прямоугольного СВЧ резонатора типа H101 в ке [1]. Особенностью метода СВЧ ФП является то, пучность электрической компоненты поля [7] (частота что величина фотоотклика определяется поглощением fe = 9.6GHz; амплитуда E0 113 V/cm) [6,8].

СВЧ мощности ФсвободнымиФ носителями заряда неза- Неравновесные носители заряда возбуждались излучением ксеноновой лампы высокого давления висимо от того, находятся они внутри образца или вне его. Экспериментально установлено [2Ц4], что поверх- мощностью 1 kW, прошедшим через монохроматор МДР-12 ( = 1-2.4nm). Регистрация СВЧ ФП ность (111) алмаза, насыщенная водородом, обладает проводилась в режиме синхронного детектирования отрицательным электронным сродством. Таким образом, на частоте модуляции фотовозбуждения 300 Hz.

на алмазе возможно создание фотоприемных устройств Спектры оптического поглощения регистрировались на с СВЧ смещением на основе явлений внутреннего и спектрофотометре SPECORD-M40 ( 0.3nm).

внешнего фотоэффекта одновременно. В частности, как Для возбуждения тока фотоэмиссии использовалась показывают исследования фотоэмиссии из алмаза [5], оптическая система установки СВЧ фотопроводимости, создание таких устройств может позволить регистрирооднако в этом случае свет не модулировался. Напрявать излучения с энергией квантов более 2 eV.

женность ФвытягивающегоФ из алмаза электроны постоЦель работы Ч измерение СВЧ фотопроводиянного электрического поля составляла 400 V/cm. Алмости природного алмаза в диапазоне длин волн мазные пластины площадью 0.25-0.3cm2 и толщиной = 200-400 nm и построение ее модели, учитывающей 0.5 mm помещались в вакуумной камере ( 10-5 Pa) как внутренний, так и внешний фотоэффект. Основпод углом 45 к падающему свету.

ной экспериментальный материал представлен в данной Для природных алмазов типа IIa нами эксперименработе впервые; часть опубликована в [1,6]. Модель тально установлено следующее.

СВЧ ФП разработана для измерений алмаза типа IIa при 1) Величина СВЧ ФП в спектральной области атмосферном давлении и комнатной температуре.

= 200-700 nm сильно зависит от способа обработки поверхности в том случае, когда глубина проникновения Техника и результаты эксперимента света значительно (на 1Ц3 порядка) превышает диффузионную длину носителей заряда Ld в алмазе. В то Исследовались природные (типа IIa) и близкие к же время спектры оптического поглощения от вида ним алмазы в виде полированных пластин толщиной обработки поверхности образцов практически не зависят.

от 10 до 1000 m и плоскостью (111). Концентрация 2) После термообработки в вакууме при 950C в примесного азота в A-форме не превышала 5 1019 cm-3.

течение 30 min, когда происходит реконструкция поПеред измерениями образцы подвергались химической верхности (111), наблюдается уменьшение более чем обработке в хромовой смеси (K2Cr2O7 + H2SO4 + H2O) на порядок величины СВЧ ФП в области собственного с последующей обязательной механической обработкой поглощения ( 220 nm) и значительное ее уменьшекорундовым порошком (диаметр зерна 14 m) [1].

ние в примесной области (236Ц700 nm). При этом в Изохронный (30 min) отжиг образцов при температуре спектрах оптического поглощения и фотопроводимости 70-600C проводился в графитовом контейнере в ваку- на постоянном токе изменений не происходит. Исходные уме ( 10-4 Pa). характеристики СВЧ ФП восстанавливаются лишь после 96 А.Г. Захаров, Н.А. Поклонский, В.С. Вариченко механической полировки поверхности образцов алмаз- В алмазе амплитуда напряженности электрической ной пастой. компоненты СВЧ поля E0 ослабляется в r раз, где 3) После механической обработки поверхности ал- r 5.7 Ч относительная диэлектрическая проницаемаза корундовым порошком (диаметр зерна 14 m) мость.

или алмазной пастой (диаметр зерна 0.5-5 m) всегда При измерениях СВЧ фотопроводимости резонаторпроисходит возрастание примерно на порядок сигна- ным методом за нуль сигнала принимается СВЧ мощность, поглощаемая в резонаторе без подсветки. Тогда ла СВЧ ФП при подсветке вблизи края собственного поглощаемая в резонаторе мощность при регистрации поглощения. Только при таком же способе обработки СВЧ ФП может быть записана в виде поверхности удается зарегистрировать ток фотоэмиссии из тех же образцов алмаза.

Существующие модели фотопроводимости [9Ц13] не Qf + Qc = Wf dv + Wcdv, (2) в состоянии объяснить эти экспериментальные факты.

Vf Vc Ниже развита новая модель СВЧ ФП алмаза (материгде Wf Ч объемная плотность мощности Qf, поглощенала с отрицательным электронным сродством поверхноной в объеме Vf, в котором сосредоточены левитирусти [2]).

ющие электроны; Wc Ч объемная плотность мощности Qc, поглощенной в объеме Vc, в котором сосредоточены Модель СВЧ фотопроводимости алмаза неравновесные фотогенерированные электроны c-зоны с левитирующими электронами алмаза.

Поскольку СВЧ поле распределено в образце равноВ соответствии с экспериментальной обстановкой померно, то для случая сильнопоглощаемого света, когда лагаем, что 1) сумма числа левитирующих электронов глубина проникновения света много меньше толщины f (т. е. электронов, выходящих из алмаза в результате образца, имеем межзонной подсветки) и электронов в c-зоне c равна Qf + Qc Wf ALf + WcA/(), (3) числу дырок в v-зоне: f +c = p; 2) из-за отрицательного электронного сродства поверхности алмаза электроны где A Ч освещаемая площадь образца; Lf Чтолщина эмиттируются ФхолоднымиФ (т. е. при T = 300 K); 3) дифслоя, в котором сосредоточены левитирующие элекфузионная длина электронов проводимости в алмазе троны; 1/() Ч глубина возбуждения неравновесных Ld намного больше толщины слоя пространственного носителей заряда светом с длиной волны и интензаряда (длины экранирования электростатического поля сивностью I,x = I exp[-x()] на расстоянии x от в приповерхностной области) [14]; 4) электрическая поверхности образца.

компонента СВЧ поля в образце и в его окрестноДля нахождения действительной части электропрости (10 m) распределена равномерно (толщина скинводности левитирующих электронов применима модель слоя 1.6 103 m для алмаза с фотопроводимостью Друде [1,16], по которой 10-10 -1 cm-1); 5) 0 Ч темновая СВЧ проводимость алмаза при T 300 K; 6) в алма- f ReD =, (4) зах типа IIa, имеющих поликристаллическое (блочное) 1 +(f )строение [15]), неравновесные дырки захватываются где f = e2nf f /m0 Ч электропроводность на постоянна межкристаллитные границы и не вносят вклад в ном токе левитирующих электронов, e Чмодуль заряда СВЧ ФП; время жизни электронов внутри кристаллита электрона, m0 Ч масса электрона, f Ч время релаксаn 1/(2 fe) 1.6 10-11 s [1].

ции импульса левитирующих электронов, = 2 fe Ч При допущениях 1Ц6 вклад внешнего фотоэффекта в частота СВЧ поля.

поглощение СВЧ мощности будет определяться числом Для нахождения действительной части электропролевитирующих над алмазом электронов f и неравноводности электронов c-зоны применима модель Лоренвесных электронов в c-зоне c, а также соотношением ца [16], поскольку практически все природные кристалмежду временем релаксации импульса левитирующих лы типа IIa имеют блочное, фрагментационное строеэлектронов f вне образца и временем релаксации квание [15] с размером кристаллита d от 1 до 100 m. По зиимпульса электронов проводимости c внутри образца модели Лоренца действительная часть электропроводно(см. ниже).

сти неравновесных электронов ReL имеет вид [1,16] Объемная плотность поглощаемой образцом мощности СВЧ поля W определяется выражением [7,16] (/c)ReL = c 2, (5) (0 - 2)2 +(/c)1EW =, (1) где c = e2ncc/mc Ч электропроводность на постогде 1 = Reac Ч действительная часть электропро- янном токе неравновесных электронов в c-зоне алмаза, водности ac = 1 + i2 в СВЧ поле с электрической c = nmc/e 5 10-13 s Ч время релаксации квакомпонентой E = E0 exp(i2 fet). зиимпульса неравновесных электронов внутри алмаза, Журнал технической физики, 2000, том 70, вып. Сверхвысокочастотная фотопроводимость левитирующих над природным алмазом электронов n 2000 cm2/(V s) Ч подвижность электронов cзоны при T 300 K в алмазе [17], mc = 0.48m0 [12], 0 =(2/d) 3kBT/mc Ч частота ФосцилляцийФ неравновесного электрона в кристаллите размером d [1,16] до рекомбинации с локализованной на межкристаллитной границе дыркой, kB Ч постоянная Больцмана.

В [1] было показано, что при частоте поля fe = 9.6 GHz и размере кристаллитов d > 7 m действительная часть электропроводности ReL c. Все дальнейшие вычисления по модели СВЧ фотопроводимости левитирующих электронов проведены для случая d > 7 m.

Как видно из формул (3)Ц(5), для нахождения явного вида объемных плотностей мощности поглощаемых в Рис. 1. Расчетные времена жизни tf (1) и релаксации импульса объеме, где сосредоточены левитирующие электроны и f (2) левитирующих электронов в зависимости от плотности электроны c-зоны алмаза Wf и Wc, необходимо опреденескомпенсированных дырок в образце природного алмаза лить: 1) время релаксации импульса левитирующих элек- типа IIa.

тронов f и время релаксации квазиимпульса электронов c-зоны c, 2) расстояние, на которое электрон выходит из алмаза Lf и глубину проникновения света 1/() в где Np = p/A Ч плотность положительно заряженных образец.

ФдырокФ на границе кристаллита в плоскости (111) аРассчитаем отношение энергии СВЧ поля, поглощаемаза (см. ниже), A Ч площадь освещенной поверхности мой левитирующими электронами Qf, к полной энергии, образца.

поглощаемой образцом в СВЧ резонаторе Qf + Qc при Отметим, что при расчетах времени релаксации имподсветке. Это позволит затем оценить, какой вклад пульса f по формуле (7) пренебрегалось разогрев СВЧ ФП будут давать левитирующие электроны с вом левитирующих электронов СВЧ полем, поскольконцентрацией nf по сравнению с электронами в c-зоне ку в условиях эксперимента при T = 300 K имеем:

алмаза с концентрацией nc в зависимости от интенсивноm0v(f )2 = 3/2kBT +(eEf )2 3/2kBT.

сти возбуждающего света I(). Определим коэффициент Согласно [20], зависимость сечения рассеяния леучастия Kf левитирующих электронов в СВЧ ФП в виде витирующего электрона молекулой азота SN от скорости электрона v аппроксимируется линейной функQf Kf. (6) цией SN = k1v + k2, где k1 2.77 10-23 cm s;

Qf + Qc k2 5.76 10-17 cm2 [20]. Для электрона с энергией в диапазоне 10-60 meV сечение рассеяния молеВремя между столкновениями (время релаксации кулой кислорода практически постоянно [20] и равно импульса) f левитирующих над алмазом электронов SO = 3 10-16 cm-2. Таким образом, сечение расс молекулами воздуха при атмосферном давлении и сеяния левитирующего электрона молекулой воздуха:

T 300 K определяется выражением [18] S(f ) =0.21SO + 0.79[k1v(f ) +k2].

Расчет по формуле (7) с учетом (8) показывает, f =, (7) что до значения Np 6 107 cm-2 время релаксации NLv(f )S(f ) f 8 10-12 s слабо изменяется с ростом положительного заряда в образце Np (рис. 1). Для f 8 10-12 s где NL 2.7 1019 cm-3 Ч постоянная Лошмидта;

действительная часть полной электропроводности левиS(f ) Ч эффективное сечение рассеяния левитирующих тирующих электронов ReD по формуле (4) в условиях электронов молекулами воздуха; v(f ) = v0 - af Ч эксперимента ( fe = 9.6GHz) равна ReD f.

скорость левитирующего электрона до его рассеяния, Оценим зависимость времени нахождения электрона в v0 = (8kBT /m0)1/2 Ч средняя тепловая скорость, с левитирующем состоянии tf от плотности нескомпенсикоторой электроны покидают алмаз; kBT Ч тепловая рованных дырок в образце Np = p/A, где p Чколичество энергия; a Ч ускорение электрона под действием сил дырок в образце площадью A.

кулоновского притяжения, возвращающих в алмаз эмитИзвестно [21], что в среднем за одно упругое столкнотированные электроны.

вение проекция скорости левитирующего электрона на Согласно [19], ускорение электрона в электростатиченаправление нормали к плоскости кристалла vx теряется ском поле Фдвойного электрического слояФ по нормали полностью. Тогда время нахождения электрона в левик плоской поверхности образца есть тирующем состоянии tf в поле двойного электрического слоя толщиной Lf = vxf, где vx = v0 - af /2, находим e2Np a =, (8) из равенства путей движения электрона из алмаза до 0m7 Журнал технической физики, 2000, том 70, вып. 98 А.Г. Захаров, Н.А. Поклонский, В.С. Вариченко рассеяния на молекуле воздуха и обратно в алмаз алмаза соответственно; r mc/m0 15.6; A Ч площадь освещаемой поверхности образца; Lf Ч среднее расстоaf a(tf - f )яние, на которое электроны выходят из алмаза; () Ч v0f - =, (9) коэффициент поглощения света с длиной волны.

2 Для оценки вклада в СВЧ фотопроводимость левигде время tf равно сумме времени отлета левитирующего тирующих электронов найдем зависимость Np, f и c электрона от поверхности алмаза f с начальной скороот интенсивности падающего на образец света I().

стью v0 до столкновения с молекулой воздуха и времени Считаем, что интенсивность света I(, x) с длиной волны tf - f возврата в алмаз.

на расстоянии x от освещаемой поверхности в глубь Результаты расчетов tf по формуле (9) и f по (7) алмаза есть I(, x) = I() exp[-()x]. Полагаем, представлены на рис. 1. Видно, что примерно до Np = 6 107 cm-2 произведение времени релаксации f что плотность тока эмиттирующих из поверхности алмаза электронов Je равна диффузионной компоненте импульса на время нахождения электрона в левитируплотности тока Jd (приближение плоских c- и v-зон):

ющем состоянии tf будет больше аналогичного произJe Jd = eDndnc/dx. В условиях стационарной засветки ведения внутри алмаза cn даже при времени жизни поверхности алмаза плотность тока эмиссии Je равна электрона в c-зоне n 10-8 s и времени релаксации плотности тока электронов, возвращающихся в алмаз, квазиимпульса c 5 10-13 s.

Pages:     | 1 | 2 |    Книги по разным темам