Книги по разным темам Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 1 Диэлектрические свойства поликристаллического ZnS й Д.Н. Шеваренков, А.Ф. Щуров Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского, 603950 Нижний Новгород, Россия (Получена 23 марта 2005 г. Принята к печати 8 апреля 2005 г.) Представлены результаты исследований температурных и частотных зависимостей диэлектрической проницаемости поликристаллического сульфида цинка. Произведен теоретический расчет диэлектрической проницаемости по параметрам электронной структуры. Показано, что увеличение диэлектрической проницаемости в области частот ниже 10 кГц происходит из-за объемнозарядовой поляризации, которая обусловлена наличием заряженных дислокаций в межслоевых и межзеренных границах.

PACS: 78.20.Ci, 77.22.Ej, 77.22.Gm Поликристаллический сульфид цинка нашел широкое в дополнение к электронному [2]. В итоге статическая распространение в оптическом приборостроении благо- диэлектрическая проницаемость может быть выражена даря удачному сочетанию оптических и механических как свойств. Исследование влияния внешних воздействий 2 N(ed)2 3 2(1 + c ) p на свойства ZnS представляют интерес для понимания 0 = 1 + 4 c 1 +, (3) 4 происходящих при этом процессов. Знание механизмов 12V2 2c протекающих явлений, их природы позволяет осознанно где p Ч степень ионности кристалла.

управлять свойствами материала как в процессе получеПолученные теоретические результаты и литературния, так и с помощью различных видов обработок.

ные данные приведены в таблице.

Так как сульфид цинка используется в качестве опИз таблицы видно, что теоретические значения дитического материала, изучение диэлектрических свойств электрической проницаемости не совпадают с эксперипредставляет значительный интерес.

ментальными. Расхождение можно объяснить тем, что Нами был произведен теоретический расчет диэлекрасчет производился для идеального монокристалла, без трической проницаемости (для структуры сфалерита) учета границ зерен, дефектов и пр.

в рамках метода связывающих орбиталей, описанного Как показали рентгеноструктурные исследования, в Харрисоном [1].

процессе получения образуется дефектная разупоряДля вычисления статической (0) и высокочастотдоченная структура Ч исследованные образцы ZnS, ной () диэлектрической проницаемости идеального полученные методом химического газофазного осаждемонокристалла достаточно знать атомные термы Zn и S, ния (CVD), являются нестехиометричными [4], с микропараметр решетки и плотность валентных электронов.

напряжениями II рода. Данные факты не могут не влиять Оптическая диэлектрическая проницаемость ( = n2, на электронную подсистему.

где n Ч показатель преломления) определяется отклиНесовершенство геометрии связей, наличие незаверком электронной подсистемы кристалла на высокочашенных связей мы учли через изменение ковалентной стотное электрическое поле [2]:

связи кристалла. В формуле (2) коэффициент, опреN(ed)2 3 деляющий значение матричных элементов межатомного = 1 + 4 c. (1) взаимодействия, принимает значения от 2.16 (взаимо12Vдействие p-орбиталей) до 4.37 для матричного элемента Здесь N Ч плотность валентных электронов, d Чравпо двум гибридизированным орбиталям, направленным новесная длина связи, Ч масштабный множитель друг на друга, (перекрытие s- и p-орбиталей) и отвечает (для ZnS = 1.5 [1]), c Ч степень ковалентности криза длину, ориентацию и перекрытие (гибридизацию) сталла, e Ч заряд электрона, V2 Ч энергия ковалентной связей. Чем больше число разорванных и неправильно связи, которая определяется как 2 Теоретические и экспериментальные значения диэлектричеV2 =, (2) ской проницаемости ZnS mdДиэлектрическая где Ч постоянная Планка, m Ч масса электрона, Теория Эксперимент Эксперимент [3] проницаемость Ч безразмерный коэффициент, определяющий значение матричных элементов межатомного взаимодействия. 0 14.6 12 8. 4.6 6 5.При вычислении статической диэлектрической проницаемости следует учесть решеточный (ионный) вклад Примечание. Значения 0 и приведены для CVD-ZnS на часто E-mail: Shevarenkov@phys.unn.ru тах 0.1 кГц и 30 МГц соответственно.

3 36 Д.Н. Шеваренков, А.Ф. Щуров установлено, что широкие межкристаллитные и межзеренные границы содержат высокую плотность неравновесных дефектов: точечные дефекты и их комплексы, дислокации, нанопоры в тройных стыках и др. В результате межкристаллитные границы имеют разупорядоченную структуру и повышенную энергию [4].

Из литературы известно [6], что в соединениях AIIBVI существуют дислокации с ненасыщенными оборванными связями в ядре. Эти оборванные связи и являются основной причиной электрической активности дислокаций и наличия на них заряда.

Таким образом, в сульфиде цинка поверхностными зарядами являются заряды на оборванных связях в ядрах дислокаций и дефектах упаковки, которые находятся в межкристаллитных неравновесных границах. Логично Рис. 1. Частотные зависимости диэлектрической проницаемо- предположить, что такие области обладают повышенсти CVD-ZnS (1) и CVD-ZnS + HIP (2).

ной диэлектрической проницаемостью по отношению к ДвнутризереннойУ диэлектрической проницаемости.

В образцах CVD-ZnS после HIP-обработки не наблюдалось увеличения диэлектрической проницаемоориентированных связей, тем меньше значение коэффисти в низкочастотной области [7], а величина 9.циента. Теоретический расчет диэлектрической пропри 1 кГц, очевидно, обусловлена упругими механизманицаемости показал, что для CVD-ZnS значение парами поляризации.

метра для хорошего согласования с экспериментом Подобный характер частотной зависимости диэлекследует брать 2.8.

трической проницаемости ZnS авторы [8] связывают с Для экспериментальных исследований использованаличием заряженных точечных дефектов на поверхнолись поликристаллические пластины, полученные CVDстях пор.

методом, а также образцы, прошедшие высокотемпературную обработку давлением (HIP-обработку). Иссле- После HIP-обработки вырастают крупные зерна, раздованные образцы имели форму диска толщиной 1 мм, мером от 40 до 200 мкм, без слоев и широких междиаметром 20 мм с напыленным слоем Pd. Частотные слоевых границ. Зерна состоят из двойников и крупзависимости электрической емкости, из которых рас- ных блоков размером более 100 мкм [4]. В результате считывались значения диэлектрической проницаемости, рекристаллизации в таком материале объемная плотизмерялись при комнатной температуре на 2 прибо- ность дефектов значительно ниже, чем в CVD-ZnS, что рах: в области частот f = 50-30000 кГц на измерителе сказывается не только на диэлектрических, но и на добротности Tesla BM 560 и с помощью измерителя механических свойствах [7].

RCL 5030 на частотах f = 0.1 и 1 кГц. Температурная зависимость диэлектрической проницаемости и тангенса диэлектрических потерь tg регистрировалась на термосканирующем спектрометре дипольной релаксации с помощью цифрового измерителя Е7-8 при частоте 1 кГц, скорость нагрева составляла 2 град/мин.

На рис. 1 приведены результаты измерений частотной зависимости диэлектрической проницаемости до и после HIP-обработки CVD-ZnS. Для образцов CVD-ZnS до HIP-обработки в области частот f = 10-1000 кГц 8.5-9.5. Ниже 10 кГц увеличивается, достигая 11.0 при частоте 1 кГц. Такое поведение диэлектрической проницаемости связано с низкочастотной поляризацией, которая обусловлена смещением связанных поверхностных зарядов Ч объемнозарядовая (миграционная) поляризация, характерная для неоднородных диэлектриков [5].

Как показали микроструктурные исследования, при Рис. 2. Температурные зависимости диэлектрической проCVD-процессе в ZnS образуется слоистая структура с ницаемости (1, 2) и тангенса угла диэлектрических поширокими межзеренными границами. По данным рент- терь tg (1, 2 ) CVD-ZnS до (1, 1 ) и после (2, 2 ) газостагеноструктурного анализа и кинетики травления было тической обработки.

Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. Диэлектрические свойства поликристаллического ZnS Особый интерес представляют температурные зави- [6] Ю.А. Осипьян, В.Ф. Петренко. Физика соединений A2B6, под ред. А.Н. Георгобиани, М.К. Шейнкмана (М., Наука, симости диэлектрической проницаемости и тангенса 1986).

диэлектрических потерь CVD-ZnS и CVD-ZnS + HIP, [7] А.Ф. Щуров, Е.М. Гаврищук, В.Б. Иконников, Э.В. Яшина, которые представлены на рис. 2. Известно, что диэлекА.Н. Сысоев, Д.Н. Шеваренков. Неорг. матер., 40 (4), трические потери связаны с концентрацией дефектов (2004).

структуры кристаллов [5]. Из рисунка видно, что в обла[8] Y. Drezner, S. Berger, M. Hefetz. J. Mater. Sci., B87, 59 (2001).

сти 70C наблюдается максимум, который мы связываем [9] А.И. Колюбакин, Ю.А. Осипьян, С.А. Шевченко. ФТТ, с переходом электронов с дислокационных уровней, 25 (7), 2146 (1983).

находящихся в запрещенной зоне, в зону проводимости.

Редактор Л.В. Шаронова Характерно, что после HIP-обработки этот максимум не наблюдается.

Аналогичный вид температурной зависимости коэф- Dielectric properties фициента заполнения дислокаций электронами наблюда- of polycrystalline ZnS ли в германии [9]. Максимум коэффициента заполнения D.N. Shevarenkov, A.F. Shchurov (заряд на дислокации) авторы связывают с переходом электронов с дислокаций в зону проводимости, так как Lobachevski State University, дислокация оказывается ДпересыщеннойУ электронами.

603950 Nizhni Novgorod, Russia Итак, проведен теоретический расчет диэлектрической проницаемости с использованием метода связыва

Abstract

The results of studying the temperature and frequency ющих орбиталей. Несоответствие между полученными dependences of the permittivity of polycrystalline zinc sulfide are теоретическими и экспериментальными данными можно reported. Theoretical calculation of the permittivity on parameters объяснить, если учесть, что в CVD-ZnS формируется of electronic structure has been made. It is shown, that the increase дефектная разупорядоченная структура, в которой проin permittivity in the range of frequencies lower than 10 kHz исходит неполное перекрытие атомных орбиталей.

occurs because of an interfacial polarization which is caused by Исследованы диэлектрические свойства сульфида цинthe presence of charged dislocations in the interlayer and intergrain ка, полученного методом CVD, а также образцов, подboundaries.

вергнутых высокотемпературной обработке давлением.

Из совокупности экспериментальных фактов следует, что в CVD-ZnS есть заряженные дислокации, локализованные в межслоевых и межзеренных границах, которые в свою очередь обусловливают низкочастотную поляризацию.

В образцах, прошедших газостатическую обработку, не наблюдается миграционной поляризации в результате уменьшения объемной доли заряженных дислокаций.

В таком материале показатель преломления остается постоянным по всем объему материала, в котором не происходит многократного рассеяния. Это является одной из причин увеличения оптической прозрачности CVD-ZnS после HIP-обработки [7].

Авторы выражают благодарность сотрудникам лаборатории оптических материалов ИХВВ РАН Е.М. Гаврищуку, Э.В. Яшиной и В.Б. Иконникову за предоставленные образцы и полезные дискуссии.

Список литературы [1] У. Харрисон. Электронная структура и свойства твердых тел (М., Мир, 1983) т. 1. с. 381.

[2] С.Ю. Давыдов, С.К. Тихонов. ФТТ, 37 (1), 3044 (1995).

[3] Дж. Рейсленд. Физика фононов (М., Мир, 1975) с. 365.

[4] А.Ф. Щуров, В.А. Перевощиков, Т.А. Грачева, Н.Д. Малыгин, Д.Н. Шеваренков, Е.М. Гаврищук, В.Б. Иконников, Э.В. Яшина. Неорг. матер., 40 (2), 138 (2004).

[5] Н.П. Богородицкий, Ю.М. Волокобинский, А.А. Воробьев, Б.М. Тареев. Теория диэлектриков (М.ЦЛ., Энергия, 1965) с. 344.

Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып.    Книги по разным темам