Спосіб визначення температурної області існування проміжного порядку в склоподібних напівпровідниках

Спосіб визначення температурної області існування проміжного порядку в склоподібних напівпровідниках, який включає експериментальні дослідження фізичних властивостей склоподібних напівпровідників, який відрізняється тим, що проводять температурні дослідження краю оптичного поглинання склоподібних напівпровідників і представляють енергетичну ширину w краю оптичного поглинання у вигляді w = w T + (w X )stat + (w X )dyn , Винахід відноситься до області фізики твердого тіла, зокрема до способів дослідження процесів порядок-безпорядок в твердих тілах, і може бути використаний як ефективний та надійний спосіб визначення температурної області існування проміжного порядку в склоподібних напівпровідниках шляхом температурних досліджень краю оптичного поглинання. при певній температурі Т за (w X )dyn отриманими при описі температурної залежності w параметрами постійних величин досліджуваного матеріалу w 0 , w1 та температурою Ейнштейна qE w T = w 1 /[exp(q E / T ) - 1] , (w X )dyn = w - w T - (w X )stat , (w X )stat = w0 , після чого за температурною областю, для якої (w X )dyn = 0 , визначають область існування про (13) кування 87523 та динамічного структурного розупоряд (11) (w X )stat C2 після чого визначають внески температурного w T , статичного структурного розупорядкування (19) UA міжного порядку в склоподібних напівпровідниках. 3 87523 Відомо, що для багатьох склоподібних напівпровідників поглинання поблизу краю оптичного поглинання зростає за експоненціальним законом. Більше того, для ряду склоподібних напівпровідників було встановлено, що температурноспектральна залежність коефіцієнта поглинання a описується правилом Урбаха [1]: é hn - E0 ù a (hn , T ) = a0 × exp ê (1), ú ë w (T ) û де w - енергетична ширина краю оптичного поглинання; a 0 та E0 - координати точки збіжності урбахівського "віяла"; hv - енергія кванта падаючого світла; Т - температура. Температурна поведінка енергетичної ширини w в моделі Ейнштейна описується за допомогою співвідношення [2]: é ù 1 w = w 0 + w1ê (2), ú ë exp (qE / T ) - 1û де w 0 та w1 - деякі постійні величини, qE температура Ейнштейна, яка відповідає усередненій частоті фононних збуджень системи невзаємодіючих осциляторів. Енергетична ширина урбахівського краю оптичного поглинання твердих тіл, як відомо, визначається не тільки температурним, але й структурним розупорядкуванням [3]: w (T, X ) = K æ u2 + u2 ö (3), ç ÷ T Xø è u2 де K - константа, T та u2 X - серед ньоквадратичні відхилення (зміщення) атомів від їх рівноважних позицій, викликані відповідно температурним та структурним розупорядкуванням твердотільної системи. Оскільки зміщення атомів від рівноважних позицій веде до зміни електричного потенціалу системи, то формулу (3) записують як ( ) w = k 0 WT 2 + WX2 = w T + w X 2 (4), 2 де k 0 - константа, WT та WX - середньоквадратичні відхилення від електричного потенціалу ідеально впорядкованої структури, викликані відповідно температурним та структурним розупорядкуванням, а внески температурного w T та структурного w розупорядкування в w X вважаються незалежними, еквівалентними та адитивними. Структурне розупорядкування у склоподібних напівпровідниках можна представити у вигляді суми двох складових - статичного структурного розупорядкування (w X )stat та динамічного структурного розупорядкування (w X )dyn , причому внесок температурно - незалежного статичного структурного розупорядкування (w X )stat викликаний відсутністю дальнього та наявністю тільки ближнього порядку у розташуванні атомів, а внесок температурно - залежного динамічного структурного розупорядкування (w X )dyn викликаний відсутністю проміжного порядку. 4 Однак, в деяких склоподібних напівпровідниках спостерігається відхилення від урбахівської поведінки краю поглинання. Так, наприклад, при дослідженні краю оптичного поглинання склоподібного напівпровідника As2S3 виявлено дві характерні температурні області: область паралельного довгохвильового зміщення краю оптичного поглинання в інтервалі температур 80 £ T á300K та область урбахівської поведінки краю поглинання при T ³ 300K [4]. Паралельне довгохвильове зміщення краю оптичного поглинання в As2S3 пов'язується з відсутністю проміжного порядку в розташуванні атомів у вказаній температурній області. Найбільш близьким до запропонованого способу визначення температурної області існування проміжного порядку в склоподібних напівпровідниках є дифракційний метод, який полягає у знаходженні кривих радіального розподілу атомів та парціальних функцій розподілу, одержуваних з експериментів по дифракції електронного, рентгенівського, нейтронного випромінювання з довжиною хвилі порядку міжатомної відстані [5]. Недоліком методу є його низькі роздільна здатність і точність визначення парціальних функцій розподілу, вплив інтенсивних пучків рентгенівського випромінювання, електронів, нейтронів на метастабільну аморфну структуру, що приводить до спотворення характеристик проміжного порядку, а також неможливість врахування температурної та баричної поведінки проміжного порядку. Завданням винаходу є створення способу визначення температурної області існування проміжного порядку в склоподібних напівпровідниках, який дозволяв би надійно та ефективно ідентифікувати відсутність або наявність проміжного порядку шляхом температурних досліджень краю оптичного поглинання. Поставлене завдання досягається таким чином, що запропоновано спосіб визначення температурної області існування проміжного порядку в склоподібних напівпровідниках шляхом температурних досліджень краю оптичного поглинання, який включає фізичні експериментальні дослідження склоподібних напівпровідників, який відрізняється тим, що, проводять температурні дослідження краю оптичного поглинання склоподібних напівпровідників, представляють енергетичну ширину w краю оптичного поглинання у вигляді w = w T + (w X )stat + (w X )dyn (5), визначають внески температурного w T , ста тичного структурного розупорядкування (w X )stat та динамічного структурного розупорядкування (w X )dyn за отриманими при описі температурної залежності w параметрами постійних величин досліджуваного матеріалу w 0 , w1 та температурою Ейнштейна qE w T = w1 /[exp (qE / T ) - 1] (w X )stat = w 0 (6), 5 87523 6 (w X )dyn = w - w T - (w X )stat ного (w X )stat та динамічного (w X )dyn структурно після чого за температурною областю, для (w X )dyn = 0 , визначають область існування го розупорядкування за формулами (2) і (6). За температурною залежністю (w X )dyn була визна проміжного порядку в склоподібних напівпровідниках. Запропонований спосіб визначення температурної області існування проміжного порядку в склоподібних напівпровідниках, у порівнянні зі способом-прототипом, є менш трудомістким та більш інформативним, який на основі температурних досліджень краю оптичного поглинання дозволяє надійно та ефективно ідентифікувати відсутність або наявність проміжного порядку. Спосіб здійснюється наступним чином: спектрометричним методом досліджують спектральні залежності коефіцієнтів поглинання склоподібних напівпровідників при різних температурах. Потім розраховують енергетичну ширину краю оптичного поглинання w, а її температурну залежність апроксимують співвідношенням (2). За отриманими при описі експериментальної залежності w(T) параметрами w 0 , w1 та qE за допомогою співвідношень (2) і (6) визначають внески температурного w T , статичного (w X )stat та динамічно чена область відсутності або наявності проміжного порядку. За результатами досліджень встановлено, що в As2S3 проміжний порядок існує при T ³ 300K (Фіг.2). Таким чином, при низьких температурах в досліджуваних склоподібних напівпровідниках має місце тільки ближній порядок у розташуванні атомів, а з підвищенням температури поступово встановлюється проміжний порядок, що приводить до зменшення (w X )dyn . Змен якої го (w X )dyn структурного розупорядкування. Температурна область, для якої (w X )dyn= 0, являється областю існування проміжного порядку в склоподібних напівпровідниках. Приклад конкретного використання запропонованого способу. За допомогою запропонованого способу ідентифіковано область існування проміжного порядку в склоподібному напівпровіднику As2S3. Спектральні залежності коефіцієнтів пропускання Т та відбивної здатності r досліджувалися за допомогою ґраткового монохроматора МДР-3, а значення коефіцієнтів поглинання а розраховувалися за формулою é ù 2 4 1 (1 - r ) + (1 - r ) + 4T 2r 2 ú a = ln ê (7), ú 2T d ê ê ú ë û де d - товщина зразка. Характерне урбахівське "віяло" для кристала As2S3 наведено на Фіг.1. Потім розраховувалися значення енергетичної ширини експоненціального краю поглинання як w = D(hn ) / D(lna ) , температурна залежність якої наведена на Фіг.2. Одержана температурна залежність w апроксимувалася за формулою (2) і визначалися внески температурного w T , статич шення внеску динамічного структурного розупорядкування (w X )dyn в сумі із зростаючим внеском температурного розупорядкування w T при незмінному вкладі (w X )stat приводить до температурної незмінності енергетичної ширини краю поглинання w (див. формулу (5)) та паралельного довгохвильового зміщення краю поглинання. При T ³ 300K (w X )dyn = 0 , а збільшення енергетичної ширини краю поглинання w визначається зростанням внеску температурного розупорядкування w T . Винахід може бути використаний у науково дослідних лабораторіях при дослідженні параметрів краю оптичного поглинання склоподібних напівпровідників 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. Yang Z., Homewood K.P., Finney M.S., Harry M.A., Reeson K.J. Optical absorption study of ion beam synthesized polycrystalline semiconducting FeSi2 // J. Appl. Phys. - 1995. - Vol.78, №3. P.1958-1963. 3. Cody G.D., Tiedje Т., Abeles В., Brooks В., Goldstein Y. Disorder and the optical - absorption edge of hydrogenated amorphus silicon // Phys. Rev. Lett. - 1981. - Vol.47, №20. - P.1480-1483. 4. Shpak I.I., Studenyak I.P., Kranjcec M. Optical absorption edge and structural disorder in electron - irradiated As2S3 chalcogenide glasses // J. Optoelectronics and Advanced Materials - 2003. Vol.5, №5. - P.1135-1138. 5. Захаров В.П., Герасименко B.C. Структурные особенности полупроводников в аморфном состоянии. - К.: Наукова думка, 1976. - с.25-30. – прототип. 7 Комп’ютерна верстка Н. Лиcенко 87523 8 Підписне Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601