Книги по разным темам Pages:     | 1 | 2 | Физика твердого тела, 2003, том 45, вып. 11 Распространение неравновесных акустических фононов в высокочистом крупнозернистом ZnTe й В.С. Багаев, Т.И. Галкина, А.И. Шарков, А.Ю. Клоков, В.П. Мартовицкий, В.В. Зайцев, Ю.В. Клевков Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук, 119991 Москва, Россия E-mail: shark@lebedev.ru (Поступила в Редакцию 27 марта 2003 г.) Методом тепловых импульсов как при оптической генерации фононов, так и при генерации металлическим нагревателем исследовано распространение неравновесных акустических фононов в крупнозернистом ZnTe, полученном вакуумной сублимацией. Показано, что в исследованных образцах длины свободного пробега фононов составляют 14 m и определяются в основном рассеянием на двойниковых границах.

Данная работа поддержана Российским фондом фундаментальных исследований (проекты № 02-02-17392 и 01-02-16500) и Комиссией РАН по работе с молодыми учеными (грант № 24 6-го конкурса-экспертизы).

Исследование широкозонных полупроводниковых со- импульсов предоставляет возможность получать инфорединений группы IIЦVI стимулируется их возможным мацию о раздельном распространении продольных и попрактическим применением в многочисленных обла- перечных акустических фононов. Так, в работе [4] на стях. Все эти соединения относятся к полупроводни- монокристаллическом ZnTe был зарегистрирован разкам с прямыми переходами, что определяет выскоую дельный приход фононов разных поляризаций.

эффективность рекомбинационного излучения. Кроме Крупнозернистый ZnTe, изготавливаемый методом ватого, они имеют достаточно высокие электрооптиче- куумной сублимации, по измерениям фотолюминесценские коэффициенты и относительно низкие значения ции содержит значительно меньшее число примесей [2];

диэлектрических констант. Все это позволило пред- тем не менее заранее ясно, что акустические фононы буложить и частично реализовать целый ряд устройств дут претерпевать дополнительное рассеяние на границах и приборов на их основе. Это прежде всего светоди- зерен, как это было показано в [5] для CVD алмазных оды и лазеры, работающие в области ближнего ИК пленок, и плоскостях двойникования, как это было и видимого диапазона, оптические фильтры, солнечные получено в [6] для CdTe. Настоящая работа выполнена элементы и счетчики рентгеновского и гамма излучения, с целью получения сведений о длинах пробегов акустиэлектрооптические сенсоры с высокой чувствительно- ческих фононов в крупнозернистом материале (ZnTe).

стью для когерентного детектирования в области частот выше 30 THz [1]. Даже такое не слишком выгодное для 1. Образец упомянутых выше приложений свойство как достаточно низкая теплопроводность может найти применение для Толстые (1.5-2mm) крупнозернистые конденсаты создания теплоизолирующих слоев (тепловых барьеров) ZnTe, близкие к стехиометрическому составу в зерне, в некоторых устройствах, а также для интеркалации осаждались на стенках кварцевой трубы при темпераспециальных керамик.

турах, меньше 650C, в динамическом вакууме. ИсходОднако широкому применению соединений IIЦVI до ный поликристаллический ZnTe был синтезирован из сих пор препятствуют значительные технологические предварительно очищенных компонентов при температрудности получения этих соединений с управляемыми туре 0.5 Tmelt с последующей трехкратной очисткой и контролируемыми электрофизическими параметрами.

Для устранения этих трудностей и создания управляе- соединения от химических примесей с одновременным приведением его состава к стехиометрическому (так мой технологии получения монокристаллов, зернистых и поликристаллических материалов, пленок и много- называемая точка Pmin при 650C). Полный примесный состав был определен методом искровой масс-спектрослойных гетероструктур на их основе в настоящее время метрии в аналитическом центре (Лаборатория масспроводятся детальные исследования сложных процессов спектрометрии и хроматографии, Гиредмет). Суммарное электрон-фононных и межпримесных взаимодействий, содержание примесей в поликристаллическом ZnTe (без роли протяженных дефектов в образовании глубоких учета содержания газообразных примесей H, C, N, O, F, электронных состояний (см., например, [2,3]).

S, Cl) не более 0.0006 wt.%.

Практически не изученной проблемой соединений IIЦVI является исследование длин свободного пробега Исследуемый образец ZnTe (ZT04) был выполнен акустических фононов, необходимых для расчета тепло- в форме пластины размером 10 5mm и толщипереноса при низких температурах. Эти данные в весьма ной 1200 m. На рис. 1 показана фотография его поверхприближенном виде могут быть получены из измерений ности, сделанная с помощью оптического микроскопа теплопроводности. В то же время техника тепловых UNION 6551. Для лучшего выявления границ зерен 1942 В.С. Багаев, Т.И. Галкина, А.И. Шарков, А.Ю. Клоков, В.П. Мартовицкий...

неравновесных фононов производится на противоположной детектору стороне образца. Общая схема эксперимента и основные процессы с неравновесными фононами показаны на рис. 2. Неравновесные акустические фононы генерируются в образце в результате импульсного возбуждения P; в данном случае в качестве генератора фононов использовалось два способа генерации неравновесных фононов: фотовозбуждение поверхности образца импульсами азотного лазера ЛГИ-21 ( = 337 nm, P = 10 ns) G1 либо нагрев этими импульсами золотой пленки толщиной 150 nm, нанесенной на поверхность образца G2. Эти два случая отличаются спектром испускаемых фононов: в первом случае генерируемые фононы имеют большую частоту ( 3.1THz), чем во втором (< 1.5THz). Далее фононы распространяются по Рис. 1. Вид поверхности ZnTe после обработки травителем образцу, испытывая процессы спонтанного ангармони12.5 N NaOH. Видна поликристаллическая структура материа- ческого распада (1), упругого рассеяния на точечных ла с размерами кристаллитов 200 m, а также выходы (изотопы, атомы примесей) дефектах (2) и плоских плоскостей двойникования.

(границы зерен, плоскости двойникования) дефектах (3).

При попадании на границу образца в случае, если она соприкасается с жидким гелием, большая часть фононов выходит из образца (4).

и выходов плоскостей двойникования образец был обраРегистрация прихода неравновесных фононов осущеботан травителем 12.5N NaOH в течение 1 min. Видно, ствлялась тонкопленочным сверхпроводниковым болочто образец состоит из беспорядочно ориентированных метром D из гранулированного алюминия [8] в форме зерен размерами от нескольких десятков до сотен мимостика размером детектирующей части 50 70 m.

крон, имеющих двойниковую структуру с характерным Образец был погружен в жидкий гелий при температурасстоянием между плоскостями двойникования от едире 1.8 K.

ниц до десятков микрон. Кроме того, на одной стороне Система регистрации была построена на основе шипластины имелись отдельные скопления раковин размерокополосного предусилителя РУ3-33 и стробоскопичером до двухсот микрон (рис. 1).

ского преобразователя напряжения B9-5, управляемого Рентгенодифракционное исследование образца провокомпьютером. Временное разрешение системы регистра дилось на стандартном дифрактометре ДРОН-2.0 по ции составляло около 5 ns. Для выявления особенностей специально разработанной методике [7], позволяющей пространственного распространения неравновесных фоопределять ориентацию и структурное совершенство каждого отдельного зерна, а также наличие в нем двойников. Полученные результаты полностью согласуются с приведенной на рис. 1 картиной травления образца.

Профили рефлексов с большими значениями брэгговских углов {531} ( = 48.44) и {620} ( = 53.13) B B состоят из узких, хорошо разделенных пиков K1 и K2.

Это свидетельствует об отсутствии в зернах микронапряжений и больших размерах областей когерентного рассеяния рентгеновских лучей (> 1000 ). Одно из направлений 111 для большинства зерен лежит в плоскости пластины, поэтому преобладающей ориентацией зерен в плоскости пластины является (100). У нескольких зерен практически перпендикулярно к поверхности образца выходит направление [111]. Такие зерна на Рис. 2. Схема эксперимента и основные процессы с неравкартине травления не содержат следов двойниковых новесными фононами. P Ч генерация фононов излучением прослоек.

импульсного лазера с возможностью сканирования по передней поверхности образца, G1 и G2 Ч генерация фононов фотовозбуждением и нагревом золотой пленки соот2. Эксперимент ветственно, D Ч тонкопленочный сверхпроводниковый болометр, 1 Ч спонтанный ангармонический распад фононов, 2 Ч Исследование распространения неравновесных акурассеяние фононов на точечных дефектах, 3 Ч рассеяние на стических фононов проводилось методом тепловых им- плоских дефектах, 4 Ч выход из образца в жидкий гелий, пульсов в геометрии Дна прохождениеУ, когда генерация 5 Ч ДзатенениеУ болометра.

Физика твердого тела, 2003, том 45, вып. Распространение неравновесных акустических фононов в высокочистом крупнозернистом ZnTe нонов в образце осуществлялось сканирование лучом лазера по передней стороне пластины.

Измерения спектров фотолюминесценции проводились при температуре 5 K. Оптическое возбуждение осуществлялось HeЦCd лазером с квантом энергии 2.808 eV (441.6 nm). Спектр анализировался двойным монохроматором с разрешением 0.1 meV. Сигнал с ФЭУ регистрировался методом счета фотонов.

3. Результаты и обсуждение На рис. 3 представлен спектр фотолюминесценции образца ZnTe. Отметим высокую интенсивность излучения в краевой области, в которой помимо наиболее Рис. 4. Отклик болометра на приход излучения фотолюминесяркой линии A0X, обусловленной фотолюминесценцией ценции в исследуемом обрзце (сплошная линия) и в образце экситонов, локализованных на нейтральных акцепторах, монокристаллического ZnTe [4,10] (штриховая линия). Ампливидно также достаточно интенсивное излучение, обутуда откликов нормирована на 1 для возможности сравнения словленное нижней (LP) и верхней (UP) ветвями полявременных зависимостей.

ритонов, а также возбужденным состоянием свободного экситона (n = 2 FE). Заметим, что наличие достаточно интенсивного собственного излучения в экситонной Таким образом, исследуемые нелегированные полиобласти, а также его форма характеризуют высокое кристаллические образцы ZnTe отличаются от монокрисовершенство кристаллитов, и, кроме того, косвенно сталлических образцов, использованных в [10], с одподтверждают наличие малой концентрации акцепторов, ной стороны, меньшим содержанием фоновых примесей средняя величина которой не превышает 1015 cm-3.

(примерно на два порядка) и на несколько порядков Необходимо также отметить, что акцепторные примеси меньшей концентрацией точечных нестехиометрических в образце распределены неоднородно, о чем говорит дефектов, а с другой Ч наличием большого числа тот факт, что линия A0X имеет асимметричную форму, плоских дефектов (границы зерен и плоскости двойнипроявляющуюся в наличии длинноволнового хвоста.

кования). Отсюда можно предположить, что в поликриПомимо основной линии A0X в спектре видны также сталлических образцах рассеяние фононов в основном так называемые двухдырочные переходы (обозначения должно происходить на плоских дефектах, таких как линий приведены в [2]).

плоскости двойникования и границы зерен и, следоваВ длинноволновой части спектра проявляются слабые тельно, иметь иную частотную зависимость.

инии (Y1 и Y2), обусловленные протяженными дефектаНа рис. 4 приведен отклик болометра на времеми. Заметим, наконец, что в наших образцах не проявлянах 50 ns при фотовозбуждении поверхности ZnTe.

ется излучение, обусловленное кислородом, которое наКак указывалось в [10], наблюдаемый пик связан с приблюдается как в монокристаллах, так и в пленках, выраходом излучения фотолюминесценции ZnTe, поскольку щенных методом молекулярно-лучевой эпитаксии [2,9].

прямое прохождение света с длиной волны = 337 nm исключено. Амплитуда этого пика и время спада существенно меньше, чем для образца монокристаллического ZnTe [10], что, очевидно, связано с иными центрами фотолюминесценции (в [10] этими центрами являются, по-видимому, атомы кислорода).

На рис. 5 приведены разрешенные по времени отклики болометра на приход неравновесных фононов для случая фотовозбуждения (темные кружки) и при нагреве золотой пленки (светлые кружки), полученные в случае, когда генерация фононов производилась прямо напротив детектора. Можно видеть, что как в первом, так и во втором случае зарегистрированные отклики практически не отличаются друг от друга и имеют характерный диффузионный вид, т. е. большую длительность ( 10 s) и плавный передний фронт ( 2 s), заметно сдвинуРис. 3. Спектр фотолюминесценции поликристалла ZnTe при 5 K; мощность возбуждения 20 mW, квант возбужде- тый относительно времени баллистического прихода ния 2.808 eV, размер пятна 0.5 mm. фононов.

Физика твердого тела, 2003, том 45, вып. 1944 В.С. Багаев, Т.И. Галкина, А.И. Шарков, А.Ю. Клоков, В.П. Мартовицкий...

точечных дефектах пренебрегалось. На рис. 5 сплошной линией представлен отклик, рассчитанный методом Монте-Карло для случая, когда длина свободного пробега фононов составляет 14 m (наилучшее совпадение). Видно достаточно хорошее совпадение рассчитанного отклика с экспериментальными. То, что длина свободного пробега оказывается существенно меньше характерного размера зерен, из которых состоит образец (рис. 1), определяется дополнительным рассеянием фононов внутри зерен на границах двойникования, подобно процессам рассеяния в крупнозернистом CdTe [6].

На рис. 6 представлена картина пространственного распределения интенсивности сигнала детектора (отклика болометра), полученная при сканировании лучом лазера по поверхности образца для времени регистраРис. 5. Сравнение экспериментального отклика при фотовозции 6 s. Если бы материал был изотропен, интенсивбуждении (темные кружки) и при нагреве золотой пленки ность плавно уменьшалась бы по мере удаления луча от (светлые кружки) с рассчитанными методом Монте-Карло детектора. В противоположность этому на рис. 6 отчетпри длине свободного пробега фононов = 14 m (сплошная линия). ливо видно наличие пространственной неоднородности в приходе фононов с ДпроваламиУ интенсивности сигнала для некоторых направлений. Эта неоднородность, по-видимому, связана с наличием внутри образца либо Подобные отклики обнаружены ранее на образцах пор либо скоплений дефектов в зернах, рассеивающих крупнозернистого CdTe [6]. Для анализа полученных фононы существенно сильнее окружающего материала откликов было выполнено моделирование распростраи ДзатеняющихУ таким образом детектор, как это поканения неравновесных фононов методом Монте-Карло зано цифрой 5 на рис. 2.

Pages:     | 1 | 2 |    Книги по разным темам