 |
|
Получение кристаллов селенида цинка, легированных переходными металлами
Влияние примеси Ni на оптические свойства кристаллов ZnSe
Допускается к защите
Заведующий кафедрой
экспериментальной физики
академик ________В.А.Смынтына
Квалификационная работа
студентки 5 курса
заочного отделения
физического факультета
Мичоогуллары Светланы Сергеевны
Научный руководитель
доцент Ницук Ю.А.
Одесса – 2008
СОДЕРЖАНИЕ
Введение. 3
1.Получение и оптические свойства кристаллов ZnSe, легированных переходными элементами. 4
1.1.Получение кристаллов селенида цинка, легированных переходными элементами 4
1.2.Оптические свойства кристаллов ZnSe:Cr..............................................7
1.3. Поглощение кристаллов ZnSe:Co в сине-голубой области спектра. 10
2. Исследование оптических свойств кристаллов Zn Se: Ni 15
2.1.Методика легирования кристаллов Zn Se никелем ………………….15
2.2.Методика оптических измерений……………………………………...16
2.3.Исследование оптического поглощения кристаллов Zn Se: Ni в сине-зеленой области спектра……………………………………………………17
2.4.Исследование поглощения кристаллов Zn Se: Ni в инфракрасной области спектра 21
Выводы.. 26
Литература. 27
Введение
Кристаллы селенида цинка, легированные переходными металлами, являются перспективным материалом для применения в лазерных технологиях [1]. Это связано с тем, что для таких кристаллов характерны внутрицентровые переходы в незаполненных 3d-оболочках этих атомов – поглощение и люминесценция, характеризующаяся спектром в инфракрасной (ИК) области (1-5 мкм) и высоким квантовым выходом. Изучаемые спектры поглощения и излучения незначительно отстоят друг от друга, а стоксовые потери при этом минимальны. Исследуемые кристаллы могут служить активными средами для компактных лазеров с перестраиваемой длиной волны ИК-излучения. Такие лазеры применяют в медицине, биологии, оптической связи, а также в различных спектроскопических исследованиях, например для оптической идентификации химических веществ. В настоящее время достигнут существенный прогресс в изготовлении лазеров такого типа [2]. В частности, в ряде работ сообщается о лазерной генерации на кристаллах ZnSe, легированных хромом и железом. В качестве активного элемента лазера использовались образцы, вырезанные из монокристаллического материала, концентрация примеси в котором находилась в пределах 1018-1019 см-3.
Кристаллы ZnSe:Ni имеют меньшее практическое применение. Для широкого практического применения требуется всестороннее изучение их физических свойств, среди которых несомненный интерес представляет изучение их оптических свойств.
Целью работы является разработка методики диффузионного легирования кристаллов ZnSe никелем, исследование оптических свойств кристаллов ZnSe:Ni, интерпретация переходов, ответственных за поглощение света в этих кристаллах.
Получение и оптические свойства кристаллов ZnSe, легированных переходными металлами
Получение кристаллов селенида цинка, легированных переходными металлами
Для получения кристаллов селенида цинка, легированных переходными металлами, используются два метода. Первый метод включает в себя диффузионное легирование нелегированных кристаллов ZnSe переходными металлами [3]. Недостатком этого метода является повреждение, травление кристаллов в процессе легирования. Другой метод основан на легировании кристаллов этими примесями непосредственно в процессе их выращивания [4] . Получение кристаллов селенида цинка, легированных переходными металлами по такой методике затруднено большой разностью температур испарения компонентов.
В [3] исследованы оптические свойства кристаллов ZnSe:Cr. Исследуемые в [3] кристаллы ZnSe:Cr были получены путем диффузионного легирования хромом исходно чистых монокристаллов ZnSe. Нелегированные кристаллы получены методом свободного роста на ориентированной в плоскости (111) или (100) подложке монокристаллического ZnSe.
Легирование кристаллов осуществлялось путем диффузии примеси из напиленного на поверхность кристалла металлического слоя Cr в атмосфере насыщенных паров цинка. Кристаллы отжигались в эвакуированных кварцевых ампулах при температурах 1073-1273 К в течение времени 2-30 ч. После отжига кристаллы приобретали характерный темно-красный цвет. Это позволяло наблюдать диффузионный профиль примеси при помощи оптического микроскопа.
Диффузия хрома осуществлялась в условиях, когда концентрация примеси в источнике (металлическом слое хрома) оставалась практически постоянной. В этом случае решение диффузионного уравнения Фика для одномерной диффузии имеет вид
, (1)
где С0- концентрация активатора у поверхности, символом erf обозначается функция ошибок (функция Гаусса).
Более совершенным является метод самозатравочного физического парового транспорта (SPVT, его еще называют методом свободного роста). Авторами работы [4] были получены монокристаллы ZnSe, легированные Cr, методом SPVT в вертикальной и горизонтальной конфигурациях. Для роста использовались ампулы длиной 2,5 см с коническим наконечником. Источником служила смесь из ZnSe и CrSe, которая после необходимой термообработки загружалась в ампулы и откачивалась до давления ниже 10-6 мм рт. ст.
После герметизации ампулы были помещены в печь с острым температурным градиентом. Для ростовых экспериментов использовались две трехзонные печи, которые могли перемещаться в горизонтальном и вертикальном (т.е. горячий конец сверху) направлениях. Вкратце ростовой процесс происходил так. Температурный профиль обеспечивался трехзонной печью с адиабатической зоной между центральной и конечной частью. Центральная зона имела максимальную температуру, которая поддерживалась на 10˚С выше, чем температура в зоне источника, TS, в то время как в изотермически холодной зоне поддерживалась температура на 120˚С меньше, чем TS. Сначала конический конец ампулы помещался в центральную зону, где начинал зарождаться кристалл, потом конический конец перемещался в холодную зону и достигал перенасыщенного состояния. Затем печь медленно (скорость перемещения печи варьировалась от 1.9 до 2.2 мм/день) перемещалась на 3-3.6 см. Заканчивался рост остановкой печи и снижением температуры источника на 10˚С для предотвращения дальнейшего осаждения на ростущую поверхность. Затем температура понижалась во всех трех зонах, с такой скоростью – от TS до 550˚С за 72 ч и от 550˚С до 30˚С за 24 ч. В различных экспериментах TS составляла 1140-1150 ºС, температурный градиент 13.5-20 ºС/см, доля хрома, х, в кристаллах Zn1-xCrxSe – 0.0209-0.0382.
Качество поверхности свежевыращенных кристаллов проверялась растровым электронным микроскопом и атомным силовым микроскопом. Эти исследования установили, что морфологические черты поверхности кристаллов, выращенных вертикально и горизонтально, отличаются друг от друга, что предполагает различные механизмы, участвующие в двух ростовых конфигурациях. В горизонтальной конфигурации терма- и составорегулируемые конвекционные потоки паровой фазы ведут к ступенчатому механизму роста, в то время как в вертикальной конфигурации конвекционные потоки минимизированы, в результате преобладает двумерный механизм зарождения кристалла. Кристаллы имели однородное осевое распределение концентрации хрома вдоль образца ZnSe. Уровень легирования хромом определялся измерениями оптического поглощения и составлял (1.8-8.3)·1019 см-3.
В ряде работ сообщается о выращивании объемных кристаллов селенида цинка с примесями кобальта. В частности в [6 сообщается о выращивании кристаллов ZnSe:Co из расплава под давлением инертного газа. В [7] получены монокристаллические эпитаксиальные пленки Zn1-xCoxSe, выращенные молекулярно-пучковой эпитаксией на подложках GaAs, ориентированных в плоскости (001). Вместе с тем используемые методики получения кристаллического ZnSe:Co либо не обеспечивают высокого кристаллического совершенства материалов (имеют значительные концентрации дислокаций), либо являются крайне дорогостоящими.
В [8] предложен и реализован метод диффузионного введения примесей для получения кристаллов ZnSe:Co. Для легирования были использованы высокочистые кристаллы с концентрацией дислокаций менее 104см-2. Эффективная диффузия кобальта осуществлялась путем отжига кристаллов в жидкой эвтектике 60%Со+40%Se при 1233К. Однако поверхность кристаллов в процессе отжига подвергалась заметному травлению.
Для получения сильно легированных кристаллов ZnSe:Co авторами [8] была разработана следующая методика. Чистые кристаллы помещались в кварцевую ампулу вместе с металлическим порошкообразным кобальтом. Из ампулы откачивался воздух, а затем она заполнялась аргоном или гелием. Отжиг кристаллов осуществлялся в эвакуированной кварцевой ампуле при температурах 1100-1300К. Длительность диффузионного процесса составляла 5-260 ч. После отжига кристаллы приобретали темно-коричневый цвет в отличие от желто-зеленого цвета нелегированного кристалла ZnSe.