Спосіб визначення внеску окремого типу розупорядкування в ширину оптичної псевдощілини твердих розчинів

Корисна модель відноситься до області фізики твердого тіла, зокрема до способів дослідження енергетичних параметрів твердих тіл, і може бути використана як ефективний та надійний спосіб визначення внесків температурного, структурного та композиційного розупорядкування в ширину оптичної псевдощілини твердих розчинів. Відомо, що для багатьох твердих розчинів поглинання поблизу краю оптичного поглинання зростає за експоненціальним законом, що пояснюється переходами між хвостами дозволених зон, форма й величина яких залежить від різних типів розупорядкування. Більше того, для ряду напівпровідників було встановлено, що температурно-спектральна залежність коефіцієнта поглинання а описується правилом Урбаха [1]: é hv - E 0 ù (1) a (hv, T ) = a 0 × exp ê ú, ë w(T ) û де w - енергетична ширина краю оптичного поглинання; a 0 та Е0 – координати точки збіжності урбахівського "віяла"; hv - енергія кванта падаючого світла; Т - температура. У зв'язку з тим, що у випадку урба хівського краю поглинання прямі оптичні переходи маскуються довгохвильовими "хвостами", визначити істинне значення ширини прямої забороненої зони неможливо [2]. У такому випадку часто користуються значенням ширини оптичної псевдощілини a*=103см -1. E* g , яке відповідає енергетичному положенню краю поглинання при фіксованому рівні поглинання E* Ширина оптичної псевдощілини g твердих розчинів, як відомо, визначається не тільки температурним, але й структурним та композиційним розупорядкуванням [3] æ E* = E * , 0 - K g ç u 2 g g è де T + u2 X + u2 ö ÷ (2) Cø E* , 0 g - ширина оптичної псевдощілини ідеального кристалу при відсутності розупорядкування, Kg константа, u2 , u2 та u2 – середньоквадратичні відхилення (зміщення) атомів від їх рівноважних T X C позицій, викликані відповідно температурним, структурним та композиційним розупорядкуванням кристалічної гратки. Оскільки зміщення атомів від рівноважних позицій веде до зміни електричного потенціалу кристалічної ґратки, то формулу (2) записують як ( ) 2 2 2 E* = E* ,0 - kg WT + W X + WC , g g (3) 2 2 2 де kg - константа, WT , W X та WC - середньоквадратичні відхилення від електричного потенціалу ідеально впорядкованої структури, викликані відповідно температурним, структурним та композиційним розу порядкуванням. Структурне розупорядкування за своєю природою може бути власним (викликаним внутрішніми дефектами структури, наприклад, вакансіями чи дислокаціями) та індукованим (викликаним такими зовнішніми чинниками, як відхилення від стехіометрії, легування, іонна імплантація, гідрогенізація і т.д.). Найбільш близьким до запропонованого способу визначення внесків окремого типу розупорядкування в ширину оптичної псевдощілини твердих розчинів є спосіб [4], який полягає у визначенні внесків температурного та структурного розупорядкування в ширину оптичної псевдощілини шляхом температурних досліджень краю оптичного поглинання, згідно якого за результатами температурних досліджень краю оптичного поглинання твердих тіл визначають ширину оптичної псевдощілини é ù 1 (4) E* (T ) = E* (0) - S* k qE ê ú, g g g exp (qE / T ) - 1û ë де S* g E* g (T) і описують її за допомогою співвідношення [5] - безрозмірна константа взаємодії, qE - температура Ейнштейна, яка відповідає усередненій частоті фононних збуджень системи не взаємодіючих осциляторів, T - температура, k - стала Больцмана, значення ширини оптичної псевдощілини E* g (T ) E* g E* (0) g при температурі 0 градусів по шкалі Кельвіна, та представляють у вигляді: E* g (T ) = E0 - (D E* )X - (DE* )T , g g (5) ( ) D E* g X де E0 - енергетична координата збіжності урбахівського "віяла"; та структурного та температурного розупорядкування, значення яких визначають як DE* = E0 - E* (0 ), D E* = E0 - E* (T ) - DE* . (6) g g g g g ( ) X ( ) T (D E ) * g T - відповідно внески ( ) X Недоліком цього методу є те, що він не може бути застосований до таких твердотільних об'єктів як кристалічні та некристалічні тверді розчини, в яких крім температурного та структурного розупорядкування реалізується ще й композиційне, викликане взаємозаміщенням атомів хімічних елементів, що входять до складу цих речовин. Завданням корисної моделі є створення способу визначення внеску окремого типу розупорядкування в ширину оптичної псевдощілини твердих розчинів, який дозволяв би ефективно та надійно визначати внесок композиційного розупорядкування в ширину оптичної псевдощілини кристалічних та некристалічних твердих розчинів. Поставлене завдання досягається таким чином, що запропоновано спосіб визначення внеску окремого типу розупорядкування в ширину оптичної псевдощілини твердих розчинів, який включає експериментальне визначення внесків температурного та структурного розупорядкування в ширину оптичної псевдощілини шляхом температурних досліджень краю оптичного поглинання твердих розчинів, визначення ширини оптичної псевдощілини E * (T ) g , яку описують за допомогою співвідношення (4), який, згідно винаходу, відрізняється тим, що додатково визначають внесок композиційного розупорядкування E* g (T ) = E0 - ( ) -( ) - ( ) DE* g X DE * gT DE* , g C (D E ) * gC , для цього представляють (7) де Е0 - енергетична координата збіжності урбахівського "віяла", а внески температурного ( ) DE * g X та композиційного (DE ) * gT = E * (0 ) - E* (T ), g g (DE ) = (DE ) * g X (DE ) * gC ( ) D E* g C * g X, T * g T у вигляді , структурного розупорядкування визначають як (8а) ( ) - DE * g (DE ) E * (T ) g (8б) T ( ) = E0 - E* (0 ) - DE* , d g (8в) X причому значення суми величин внесків структурного та температурного розупорядкування (DE ) (DE ) * g X, T , які * g C необхідні для розрахунків у твердих розчинах, отримуються в припущенні лінійної концентраційної залежності в інтервалі між крайніми складами твердих розчинів. Запропонований спосіб визначення внеску окремого типу розупорядкування в ширину оптичної псевдощілини твердих розчинів, у порівнянні зі способом-прототипом, дозволяє надійно та ефективно одночасно визначати вклади температурного, структурного та композиційного розупорядкування у величину ширини оптичної псевдощілини твердих розчинів. Спосіб здійснюється наступним чином: спектрометричним методом досліджують спектральні залежності коефіцієнтів поглинання твердих розчинів при різних температурах. Потім визначають енергетичну координату збіжності урбахівського "віяла" Е0, ширину оптичної псевдощілини E* g , а її температурну залежність апроксимують співвідношенням (4) і за допомогою формул (8а)-(8в) визначають внески температурного (DE ) структурного * g X E * (T ) g (DE ) * g T (DE ) та композиційного , * g C розупорядкування. Приклад конкретного використання запропонованого способу. За допомогою запропонованого способу визначено внески температурного (DE ) (DE ) * g T , стр уктурного (DE ) * g X та * g C композиційного розупорядкування в ширину оптичної псевдощілини суперіонного кристалічного твердого розчину Сu6Р (S0,6Se 0,4) 5I. Спектральні залежності коефіцієнтів пропускання Т та відбивної здатності r досліджувалися за допомогою граткового монохроматора МДР-3, а значення коефіцієнтів поглинання a розраховувалися за формулою é 2 4 2 2 ù 1 ê (1 - r ) + (1 - r ) + 4 T r ú (9) ln , ú d ê 2T ê ú ë û де d - товщина зразка. Характерне урбахівське "віяло" для кристала Cu6P(S0,6Se0,4)5 I наведено на Фіг.1. Потім розраховувалися значення ширини оптичної псевдощілини, температурну залежність якої наведено на Фіг.2. Значення ширини оптичної псевдощілини кристалу Cu6P(S0,6Se0,4)5I при відсутності розупорядкування виявилося рівним Е0=2.006еВ, а значення ширини оптичної псевдощілини при температурі 300К за наявності a= E* (300K ) = 1. 798eB. g температурного, структурного та композиційного розупорядкування Використовуючи запропонований і описаний вище спосіб, були визначені вклади структурного та температурного розупорядкування у величину ширини оптичної псевдощілини суперіонного кристалу Cu6P(S0,6Se0,4)5I, які при ( ) ( ) ( ) DE * = 0 .036 eB, DE * = 0 .114 eB DE * = 0 .058 eB. g T g X g C температурі 300К мають такі значення: та Корисна модель може бути використана у науково-дослідних лабораторіях при дослідженні параметрів краю оптичного поглинання твердих розчинів з метою їх використання у ролі функціональних елементів для оптоелектроніки. Джерела інформації: 1. Kurik M.V. Urbach rule (Review) // Phys. Stat Sol. (a). - 1971. - Vol.8, №1. -P.9-30. 2. Заметин В.И. О возможности определения ширины запрещенной зоны из спектров поглощения и модулированного поглощения в полярных материалах // Физ. тверд, тела. - 1986. - Т.28, №7. - С.2167-2172. 3. Skumanich A., Fro va A., Amer N.M. Urbach tail and gap states in hydrogenated a-SiC and a-SiGe alloys // Solid State Commun. - 1985. - Vol.54, №7. - P.597-601. 4. Спосіб визначення внесків різних типів розупорядкування в ширину оптичної псевдощілини твердих тіл. Деклараційний патент України №17695, МПК G01K 11/00 (2006) / Студеняк І.П. Опубл. 16.10.2006, Бюл. №10. - 3с. – прототип. 5. Beaudoin M., DeVries A.J.G., Johnson S.R., Laman H., Tiedje T. Optical absorption edge of semi-insulating GaAs and InP at high temperatures // Appl. Ph ys. Lett. - 1997. - Vol.70. - P.3540-3542.