ДОСЛІДЖЕННЯ ОПТИЧНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ МОНОКРИСТАЛІВ Tl_1-xIn_1-xGe_xSe₂

Монокристали Tl_1-xIn_1-xGe_xSe₂ є новим напівпровідниковим матеріалом з шаруватою кристалічною структурою. Ці кристали перспективні для створення на їх основі детекторів і приймачів випромінювання, а також функціональних пристроїв, керованих електричним полем, що працюють в умовах жорсткої радіації. Збільшений за останні роки інтерес дослідників до твердих розчинів на основі монокристалів Tl_1-xIn_1-xGe_xSe₂  обумовлений сильною анізотропією їх фізичних властивостей. Ці кристали прозорі в широкому спектральному діапазоні; мають слабку чутливість електричних властивостей до введених домішок, а також високу фотопровідність [3]. Все це робить дані матеріали особливо цікавими, як з точки зору з’ясування фундаментальних особливостей кристалічної будови шаруватих напівпровідників, так і з точки зору технічного застосування.

            Ось чому збільшення класу саме шаруватих напівпровідників, отримання досконалих монокристалів і подальше вивчення комплексу їх фізичних властивостей – актуальні завдання в галузі сучасної фізики твердого тіла.

Метою даного дослідження є вивчення оптичних властивостей напівпровідникового матеріалу Tl_1-xIn_1-xGe_xSe₂ .

Монокристали Tl_1-xIn_1-xGe_xSe₂  були вирощені методом Бріджмена-Стокбаргера [1].

            Спектри поглинання монокристалів Tl_1-xIn_1-xGe_xSe₂ використовуються для вивчення енергетичної щілини і міжзонного переходу з’єднання. Коефіцієнт поглинання був отриманий з експериментальних значень абсорбції при різних температурах зразка. Типові спектри отримані при 100, 150, 200, 250 і 300 К для Tl_1-xIn_1-xGe_xSe₂.

Коефіцієнт поглинання розраховувався з співвідношення [4. с.456]:

Де T=I/I₀ - коефіцієнт пропускання; d – товщина зразка; R – коефіцієнт відбивання. Коефіцієнти оптичного поглинання, визначені для всіх температур з використанням значення R при кімнатній температурі. Зроблене припущення, що зміна температури від 10 до 320 К призводить до незначної зміни в R [5].

Аналіз оптичних спектрів поглинання в досліджуваних об’єктах виявив три області спектральної залежності коефіцієнта поглинання: - експоненційну область в інтервалі 0 – 100 см^-1 і області непрямих і прямих оптичних переходів вище експоненційної області.

Результати проведеної оцінки при температурах 100 – 300 К представлені в табл.1.

Таблиця 1

Пряма (E_gd) і непряма (E_gi) заборонена зона, енергія Урбаха та параметр крутизни монокристалів Tl_1-xIn_1-xGe_xSe₂ при різних температурах

 Як слідує із табл.1 із збільшенням вмісту GeSe₂ в твердому розчині зростає ширина енергетичної щілини як при непрямих так і при прямих дозволених переходах. Таке зростання E_g  можна пов’язати із механізмом утворення твердого розчину, згідно з яким відбувається статистичне заміщення атомів In атомами Ge та збільшення концентрацій вакансій талію V_Tl. Внаслідок статистичного заміщення атомів In (In⁺³) атомами Ge (Ge⁺⁴)  утворюються донорні центри, концентрація яких збільшується із збільшенням х. Утворення позитивно заряджених іонів (донорів) та негативно заряджених іонів (V_Tl  - акцепторів) веде до зростання іонного зв’язку між ними. Збільшення енергії зв’язку між атомами кристалу веде до зростання E_g. Крім того, додатковий внесок в зміну E_g можуть робити вакансії кристалографічної гратки, які створюють деформаційний потенціал, що відповідає розтягу гратки [4, с.456]. Більшість експериментальних результатів різних авторів свідчить, що зменшення параметрів кристалічної гратки веде до зростання E_g, це добре проявляється в експериментах по гідростатичному стиску кристалів [4, с.456].

Із збільшенням температури ширина енергетичної щілини досліджуваних сполук як при прямих так і при непрямих дозволених переходах зменшується (табл. 1.), що може бути зумовлено: а) взаємним відштовхуванням рівнів в зонах при збільшенні електрон-фононної взаємодії; б) тепловим розширенням решітки (ангармонізм коливань) і відповідною залежністю енергетичної щілини від сталої решітки; в) згладжуванням періодичного потенціалу, що описується фактором Дебая-Уоллера; г) взаємодією міжзонних станів [5, 6].

Розраховані температурні коефіцієнти зміни ширини забороненої зони при прямих (dEgd / dT) і непрямих (dEgi / dT) дозволених переходах (табл. 1). Як видно, всі температурні коефіцієнти мають від’ємні знаки, що дозволяє припустити, що внесок електрон-фононної взаємодії при збільшенні температури більший ніж внесок від теплового розширення решітки. Ширина забороненої зони для непрямих оптичних переходів в монокристалах

Tl_1-xIn_1-xGe_xSe₂ (х=0.1; 0.2) менша, ніж для прямих оптичних переходів. Ця зміна є типовою для кристалів що мають шарувату структуру [6, с.93].

Робота виконана за підтримки Міністерства освіти та науки України (Договір М/106 – 2014 від 23.06.2014).

Список літератури

1. M.Yu. Mozolyuk, L.V. Piskach, A.O. Fedorchuk, I.V. Kityk, I.D. Olekseyuk, O.V. Parasyuk Journal of Alloys and Compounds 509 (2011) 2693
2. F. Urbach, Phys. Rev. 92 (1953) 1324
3. G. Myronchuk, S. Danylchuk, O. V. Parasyuk, L. V. Piskach, and A. O. Fedorchuk Cryst. Res. Technol., 1–12 (2013) /DOI 10.1002/crat.201300126]
4. G. L. Myronchuk  G. E. Davydyuk  O. V. Parasyuk O. Y. Khyzhun  R. A. Andrievski  A. O. Fedorchuk S. P. Danylchuk  L. V. Piskach  M. Y. Mozolyuk / J Mater Sci: Mater Electron DOI 10.1007/s10854-013-1285-0
5. I. V. Kityk, J. Eboth´e, A. El Hichou, B. El Idrissi, and M. Addou, Journ. of Optics A: Pure and Applied Optics, 5, 61(2003).
6. B. Gurbulak, S. Duman, A. Ates Czechoslovak Journal of Physics  Vol. 55 (2005) 93.