Оптические свойства слоистых кристаллов тетрагональной моноокиси свинца тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

$3 11 ?

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИЬКРСИТЕТ

На правах рукописи

АКБЕКОВ ТЕМИРБЕК МАМБЕШАДЫРОВИЧ

ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СЛОИСТЫХ КРИСТАЛЛОВ ■ТЕТРАГОНАЛЬНОЙ МОНООКИСИ СВИНЦА

01.04.07 - физика твердого тела

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт-ПетерОург 1992

Работа выполнена на кафедре физики твердого тела физического факультета и НИИФ Санкт-Петербургского государственного университета.

Научный руководитель - доктор физико-математических

наук, профессор Агекян В.Ф.

Официальные оппоненты - доктор физико-математических

наук, профессор Пермогоров С.А.,

- кандидат физико-математических наук Кулинкин Б.С.

Ведущая организация'

Защита состоится " Ю" ¿¿¿.¡с*//?; 199? г. в

- Санкт-Петербургский технический университет.

30

........

на заседании специализированного совета Д-063.Ь7.32 по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора наук . при Петербургском государственном университете по адрзсу: 199034, Санкт-Петербург, Университетская набережная 7/9.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке имени А.М.Горького Петербургского государственного университета.

Отзывы на автореферат просим высылать по адресу: 19В904, Санкт-Петербург, Петродворец, Ульяновская I, НИИФ СПбГУ, спец.совет Д-063.57.32.

Автореферат разослан "-/" 1992г.

Ученый секретарь специализированного совета, доктор физико-математичепких наук, профессор

Соловьев В.А.

. - з -

Актуальность темы исследования. В настоящее время неуклонно растет интерес к исследованию кристаллов, обладающих ярко выраженной слоистой структурой. Они находят все более широкое применение в. конструировании полупроводниковых приборов, в опто-электронике, голографии и других областях техники.

Сильное отличие внутри и межслоевкх связей приводит к анизотропии механических, электрических и оптических свойств. Наличие в колебательном спектре слоистых соединений особых низкочастотных коллективных возбуждений - иэгибных волн-приводит к появлению ряда аномалий в температурном поведении теплопроводности, теплоемкости, коэффициентов линейного расширения, к особенностям в злектрон-фононном взаимодействии. Сильная анизотропия способствует образовании при значительно более низких порогах возбуждения по сравнению с трехмерными структурами конденсированных состояний. Среди множества слоистых соединений тетрагональная окись свинца занимает особое положение. Сильная анизотропия сил связей проявляется не только в механических, но и оптических свойствах. Вместо характерных для трехмерных структур корневых порогов в непрямом эксит'онном поглощении проявляются ступенчатые переходы, соответствующие двумерным Ван-Хововским особенностям. Этот факт дает возможность использовать окись свинца в качестве модельного объекта при исследовании двумер-ности электронных и дырочных состояний и.их проявления в оптических характеристиках.

Исследование оптических свойств кристаллов окиси свинца представляет интерес также с практической точки зрения в связи с широким применением РвО в качестве фоточувствительного материала мишеней передающих трубок цветного изображения.

Основной задачей работы являлось комплексное исследование оптических свойств сильно анизотропного слоистого соединения -- РбО с целью выявления возможного проягления двумерности в электронных переходах.

Исследование включало в себя:

1. изучение спектральных характеристик И- (71) и об (Л) в широкой области энергий 1,6-5,5 эВ,

2. исследование особенностей низкотемпературных спектров непрямого элситонного поглощения в области 1,6-2,0 эВ,

• _ 4 -

3. изучение влшшпя гидростатического сггтня на спектры непрямого эксктониого поглощения,

■ 4." поляризационные исследования Ллмшеспеншт свободнпх и связанных экситояов,

5. "комплексное исследование М-полосы люгяшееттентия. Основное положения, шяосточ»е на за:ш,Г"'

1. Спектральные закгсшлости показателя нрелопяения П ( А ) и коэ&Гпшента погло^пия с£(Л ) в области энерпгР 1,6-5,5 эВ.

2. Обнаружение особенностей, связанных с пряпнш разрешеннн-т переходил в акситошше состояния. Проявление двугерности переходов .

3. Полйрязашгояяь'е исследования яепрдаого экоитоняого по-' глощения.

4. Влияние гидростатического статпя ш спектр непрямого эксптонного поглощения, определение баррлческого коэффициента.

5.Проявление электрон-5оионного взаимодействия в спектрах краевой люминеснетпи.

6. Исследование игнетшес-'их гхарактерпстпк "'-полосг лкшнес-пешшп и клияшш на спектр лзмпнеспгтпи гидростатического давления

Агробаттяя тоботн. Материалы лпсоертагош докладывались т П республиканской .'кокГерентик по Сязике твердого тела АН Кпрг.ССР, Ош, 1989.; I республиканско? коиТврвнпни колояих'учепых и пре-псдавателеГ? Газики, круизе, 19?С; ХП Воессуозно" коя^ервянпп по физике полупроводников, Киев, 1Р90; на. нэучкь'х. сем;:>;арзх отдела Спзикп твердого тела СГГбГУ.

Птбликрплп . По материалу диссертант опубликовано 7 работ. Сттуктуря тт объем ^ботч. Лпссертагия состоит из Е°еде:-шл, 7 глав, заключения, излот.еяянх на 116 страницах, списка попользованной научно:"; литера туру из 54 наженоЕ*кп?!, 42 рисунков и 14 тайлш'.

глава ю свячена обзор;' жтерртурянг дэяэтче, 3 *Т.1. призедек-' си еде кия о кристаллической структур« кристаллов красной окиси сникла - РвО, ?в0- одяоосяг/ кристалл тетрагонально!" спнгояпг (пространственная группа М/шт, ). "лет-ектарная ячейка состоит пз двух голекул РвО. Отмечается сильно вгра^яна.«: слспстость РвО", обусловленная анизотропией нэтат^ньж ззашо-'деЯстглу. Кристаллическая структура РвО мэпет бкть гррдста?ле-ка т}, виде послс-дователькрсти чередующихся трехслойны!-: да^етов, состояла« из плоскостей, содержащих г.то-

мы Рв-О-Рв. Внутри пакетов действуют сильные утшно-ковалентнке связи, ме?щг пакетами - слабые Вак-дер-Вааяьсовце.' 3. приведены данные о зоне Брилчгаэна. В приведены сведения

о некоторых особенностях физических свойств слоистых кристаллов. Малое сдвиговое сопротивление слоев дает возможность использовать слоистые соединения в техннке в качестве смазочных материалов. Слоистость является одной из причин яркого проявления в таких структурах палптянпзма." Для слоистых кристаллов характерна интеркаляция, приводящая к изменению их Физических свойств. Одно?* из особенностей колебательных спектров слоистых структур является проявление в них особых коллектив-тле возбуждений - низкочастотных пзгибных волн. Возбуждение таких колебаний сопровождается аномалиями в температурных зависимостях теплоемкости, теплопроводности, коэффициентов расширения, в электрон-фононном взаимодействии.

В §1.4.1 рассмотрены особенности оптических переходов для ■ трехмерных и двумерных энергетических зон без учета экситон-ных эффектов. Приведены частотные зависимости комбинированной плотности состояний вблизи трехмерных и двумерных критических точек. Показано, к каким изменениям функции плотности состояний приво.дит учет анизотропии.

В ?>1.4.2. Приведены результаты расчета спектров поглощения с учетом экситошгнх эффектов в трезолерной и двумерной моделях, а "также обсутетзются нозмотлио изменешя, связанные с учетом межслоевого взаимодействия.

В $1.5. приведены лпгературнш данные об исследованиях оптических спектров РвОт (поглощения, отражения, спектров диффузного отражения лжишеттещяи). Показано, что однозначно интерпретирован только длинноволновый край поглощения (1,92,2 эЗ ), (Торипругапйся в результате непрямых разрешенпых 'экептоштых переходов с участием Сононов. Отмечается проявление двумерности в структуре епэкттзоз непрямого экситонного и зона-зонпого поглощения.

Зо второй глава изложена методика измерений и расчетов <■ В ^2.1. подробно оялсага использованная в лаборатории гидротермальная методика получения монокристаллов. Рост кристаллов РеО происходит при мэдленгом охлачдонип наенпвнятяе скислом свинца водных растгоров щоючей (КОН, Д/аОН, I ¡ОТ!).

- 6 -

В зависимости от условий опыта - максимальной температуры и давления, -скорости охлаэдения, типа щелочи и ее коннонтращш-крясталлы вырастали либо в виде тонких плоскопараллелышх пластин, либо имели объемный.габитус. Крпсташш.пмечпяе форму правильных прямоугольных: призм с зеркальными гранями,использовались для проведения поляризационных исследований.

В §2.1. Изложена методика получения спектров поглощения, отражения и лшинеспенгош в температурном интервале 300-1,6°К. Приведены характеристики оптических и электронных приборов, источников возбуждения.

В §2.3. описаны установки для исследования временных характеристик свечения. Особое внимание в ?2.4. уделено описанию модуляционной по .длине волны методики. Показань' ее преимущества при исследовании слабых особенностей? спектров и особенностей, возникеюгцих вблизи критических точек (оункттпи плотности состояний.

В §2.5. подробно изложена методика получения спектров лишне cneitr г пи и поглощения при приложении гидростаигдеского дгвле-ния. Приведена конструкция автономной камеры высокого .давления с окнами из JÏ -сапфира, указана методика определения величины давлешет.

В заключение главы И описаны методики получения п расчета оптических констант: коэ<Хи агента преломления n ( À ) п коэФТотшента поглощения ci ( Л ) из обработки спектров пропускания тонких плоскопараллельннх пластин -2.6 с учетом ин-тергТ-еронгсш Оабри-Перо и спектров отражения и 2.7 с использованием дисперсионных соотношений Крамерса-Крошта.

В тгптья" главе прттведены результаты исследования спектральных зависямостеГт олтпческпх постоянгт-х кристаллов РвОт -показателя преломления - И ( Л ) и коэффициента поглощения d. ( Л ) г кирок о?* области энергий 1.6-5.5 аЗ. Необхсдхтмостъ провел»ягя так;" лсслечовагай* определялась яяу*«я фокторг.п":. Во-первл:, отсутствием достоверно" nnjopvr.i'inr о структуре оптических переходов в области энергийhV>2.3 эВ. Во-рторых, еозмо"тостьт>.наблюдения в оптических спектрах слоистых кристаллов РгО. особенности, харагтер.'шх .для другеркых структур, 3 рервоГ части пргведгк: результаты ясследояакет спектров иро-нувтанпя то::}"" глосз'о'гптл."елтлпт! пластин. Измерения, гг,оргз-

- 7 ~

деннке на пластинчатых кристаллах в области прозрачности

Г,9 эБ,покязалп,что отношение пнтенспвностеЯ пропускания в

В максимумах - Тта* И ГЯКПМуМЗХ - Тт1* ( Н1 =Тт«х /Тт т ) максимально на образцах со сЕегесколотнш поверхностями и уменьшается при хранении кристаллов в обычной атмосфере в те-чеште нескольких суток . Уменьшение т свидетельствует о поянлеяти на псяерхпостп кристаллов РвО просветляющей пленки. В связи с этим всо измерения в поляризации ЕЮ проводились на образцах со свегесколотыми поверхностями. Плавное нарастание и^ с увеличением опорют в области 1,9-3,0 эВ свидетельствует о том, что при Е1С в этой области энергий отсутствуют прямые зона-зонгше перехода-'. п„ определялся пз спектроп про-пуекания объектах образцов, и из-за их большой толщины, 5Рмкм, пзмерегаш проводились при 2,4эВ. При распространении света перпендикулярно оптической оси также наблюдалась интер^е-ренпюнная структура, хотя и менее четкая. Измеренная в этоА геометрии К1С спектральная зависимость пх совпадает с результатами, полученными на пластинчатых кристаллах при КИС, что указывает да возможность получения достоверных результатов и для пп .

Зо всем измеренном наш интервале энергия Их> и и,однако, скорость нарастания Им с увеличением энергии больше, чем цА . Анализируя получепнне даяние,мог-ко заключить, что оп-тпчес:шГ; резонанс, ответственный за пропило гага дисперсы! Пх, имеет большую силу остшллятора, п расположен щи больших энергиях , чем резонанс, приводящий' к появлению дисперсии п„ . Спектральнмя зависимость коэф^гвшента поглощения определялась только прп Е1С, КИС, так как для проведения налегших изме-реннГ требовались Кристаллы с высоким качеством отра^аэт'ртх поверхностен. В спектре Ы(А) области энерпй 2,24-2,34 зВ наблюдаются две слабые рлзмнтые ступеньки,за которыми следует участок линейного роста. В основных чертах это поглощенно повторяет структуру в области 1,9-2,1 эВ и тэкгсо, вероятно, связяно с непрямыми переходами, но более глубокими зонами. При М> 2,6 эВ поглощение резко нарастает, достигая максимума нриМ»Я»22 эП.за котор!Л1 слезет ступенчатое поглощенно. При энергия* оП поглощение нарастает, превышая гелк-

чшту ^хТ^см , :т на яметзгссп у као образцах с/ *■* т №.

- 8 ~

но могли проводить дальнейших измерения.

Оптические танстантк в области энергий 3,Р-5,5 эЗ определялись из спектров отражения 53.2. Математичесз ля обработка проводилась по стандартно? методике анализа Крамерса-Кроняга. Для повшония точности вычислений лспользовалисъ зпачония показателе? преломления п И „ .определенные из спектров пропускания. Спектры отражения регистрировались в различных геометрия:: Е1С,КИС,Е1С,Х1С,Е11 С,К1С . Во всех спектрах набт людалась слабая структура, резкость которой незначительно возрастала с понижение!" температурь1. 3 результате вычисления бкло получено, что в поляризации ЕЮ (КИС ) спектр поглощения при ЗОР К состоит из ступенчатого рарастания п области энергий 3,2-3,5 эВ, резкого роста поглощения, достигающего максимум при'3,£5 эВ-П и широкого максимума при 4,6 эВ-Ш. При., охлаждении образца уменьшаются полуширины всех особенностей, растет пиковая интенсивность максимума П, При 4,2 К на низкочастотном крыле спектра проявляется линия, совпадает с линией поглощения 3,22 эВ при 31 С.

В. спектре поглощения «(„[^наблюдается максимум при 3,22 эВ и две полосы,аналогичные полосам П и Ш. Поглощение в этой лоляризащщ менызе.

Из соиоставлеиш спектральных зависимостей могло заключить, что структура- при 3,22 эВ и 3,РС эВ обусловлена прямыми разре-г'оннп.ш переуода".и з экеитонаке состояний - А и В экситонн. А-экситон разреаеи в поляризации Е11С, В - слабо поляризован.

Наличие в спектрах экептокиог структуры позволяет опреде-•тппрпку запрещенной зонтт, эиергпто связи и другие параметры э*: с;: тонов. 3 случае слоистых соединенп" необходимо принимать во Енгпланне такта анизотропию экситошшх' зон, которая мотет приводить к изменешио энергии связи основного эгеитон-пого состояния от Есв = К. в трехмерном изотропном случае до Есе »Шв двумерном пределе. В саязи с этим иаг-аметер якои-тоноз в РвО определялись в двух предельпт.тх случаях: трехмер-гем изотропном и -нумерном. При анализе применимости троумер-ноЗ модели ж воспользовались результата.'л расчетов спсктров рксптспгого поглощения о учетом 'стенания. Призедочнке о^Т'бк-гпв.чке масок ул. и радпуск ос.чотигх охеитогап'х соптоянн" ? модели определялись из соогиопеия?:

а.в £»г'П1.//< ; уи = <?Д лг,Л/Чз,б'»в;,

о

где (Х5 г0,529.10"" см - радиус первой боровокой орбиты атома водорода, уя0 - масса электрона, - эффективная диэлектрическая проницаемость. В двумерно!? модели радиусн основных эк-стттошмх состояния и элективные массы- вычислялись по аналогичны.! Сормулэм, отлпчапггкмся от трехмерного случая величиной диэлектрической проницаемости и эффективным экситон-

нкм ридбергом |{ = Ь/4. Результаты вычислений представлены в таблше.

Модели тип эксито'гн\- Трехмерная модель Лвутгерная модель

Д эВ А экс, аэко,А ДксэВ азкс,А

А В 0,14 0,2 3,02 2,11 2,97 4,24 0,035 0,С5 10,1 8,1 1,1 1,5

^^=20,3

ет^0Д4 эВ, ЕД= 0,2 эВ

Отсутствие противоречий с используемой при расчетах теорией указывает га лучшую применимость двумерной модели.

В четвертой главе приведены результаты исследования низкотемпературных спектров непрямого поглогоения в области 1,9-2,2 эВ. Измерения проводились на более соверпзпных, по сравнении с имевшимися ранее, кристаллах, что позволило наблюдать значительно большее количество особенностей. В первую очередей, следует отметить обнаружение дублетной структуры экситонной ступеньки с участием наиболее высокочастотного фонона . Величина расцепления ~ 1,6 мэВ. В области' ступень кг 7. ( '"«нон ИЛ,) структура спектра имеет более елотанй*вид и включает четыре частично ипрекрувата'дпеся компоненты. Новым является такте наблюдений узкой линии %'0 , ргсполсязнно^ с длинноволновой сторону от линии . Ранее наблюдалась только связапная с это? линией поло'-ептельная осотгляпкя,- интерпретированная кяк начало ступенчатого поглощения. В спектре

{ А) обнаружены га 1гто узкие дублетные полосы ( рас^епле-г-ъ ~ 1,5 мэЗ ) , распояояеннре такта ыетлу лттнией 1><и пор'-

гом Г Ла длинноволновых краях дакоторых из этих полос обнаружена узкие линии поглощения. Сходная структура, но с большей величиной дублетного расщепления л>3 мэВ обнаружена также в области махну окситоннымл ступеньками I и П.

Лучшее оптическое качество кристаллов позволило получить более достоверные сведения также о поляризационных характеристиках спектров. Была обнаружена высокая степень поляризации эксятонных переходов с участием фонона КЛ,

IЗп 90й. Ступенька с участием фонона КЛ8 менее поляризована / ")п ~ 60.При этом было обнаружено, что в деполяризованном для фононов КЛ,м ЬЛ,поглощении Е II С изменено соотношение пнтенсивностей компонент структуры. Высокая степень поляризации — 905» наблюдалась такте и для ; ■ узких линий поглощения V, и V, •

Исследуя спектры «¿'(л)различных кристаллов и изотропной , геометрии Е1С, К||С, мы обнаружили изменение соотношения пнтенсивностей отдельных компонент порогового поглощения I и П, а такта относительное вклада в спектр узких линий и

. Было установлено, что это связано с необычной для изотропной геометрии поляризацией спектров, ^оляризатюнные оси в различных кристаллах ориентированы параллельно либо внепнпм граням кристалла, либо внутренним вытянутым полостям. Степень поляризации спектров изменялась от образца к образпу. На некоторых кристаллах удалось получить максимально поляризован^ ныв спектры.состоящие из отдельных компонент фононных полос I и П.

Появление необычной для изотропной геометрии поляризации, вероятно, связано с наличием в исследованных кристаллах внутренних электрических полей.

В пятой главе приведены исследования'влияния гидростатического давления на спектры непрямого экситонного поглощения. С ростом давления наблюдалось смещение спектра поглощения в область меньших энергий. Соотношение пнтенсивностей отдельных компонент спектра и энергетические расстояния мечду особенностями не менялись с давленном.

Это позволяет сделать вывод о том, что все необпчнге осо-. бенности спектров связан) с проявлением электрон-<тонокчого взаимодействия. Определена величина баррпческого коэффициента (-Т7Д ? 0,08 )10-ПэВ/Па.

' В ггестой главе приведет результаты исследования низкотемпературных спектров люминесцегагсга свободного эксятона и экси-тонно-прнмеСных комплексов А. Проведеппг поллрпзаыпонннх исследований позволило более точно интерпретировать электронно колебательные спектры п вычислить частоты Лононоп.

Глава седьмая посвящена исследовании лшинеспенгти !*-поло-

. '¿-полоса обладает рядом необычных свойств. С увеличением температуры от 4,2°К до 30°К, наряду с уменьшением интегральной интенсивности свечения, наблюдается сильное смещение спектра в область меньших энергий, противоположное ■ смещению ширины запрегаенноР зоны. Визуальные наблюдения, а танте анализ спектров возбуждения лтатанеспенппи М-полосы позволяет заключить, что гентрь*, ответственные за М-Полосу лтокинесден-П!ш локализованы вблизи поверхности.

Проведено исследование временных характеристик свечения и рлиянпо на него гидростатического давления.

Совокупность полученных экспериментальных данных позволяет прелполорттть, что !,!-полоса возникает в результате реком-бпналпи электронов п дырок, локализованных на неоднородностях структуры вблизи поверхности.

3 Заключертг перечислены основные результаты и выводы работы. Все основные результаты для монокристаллпческих образ-пов РвО получены впервые.

I.Определен!' спектральные характеристики: показатель пре-л'лиешш и тоэСС'Ишент поглощения в кристаллах тетрагонально!4 окиат спннца в широкой спектральной'области 1,6-5,5 эВ.

2. Структура спектра в ближней УФ области интерпретирована как проявление переходов в экептоннке состояния: А и В экситоны. Обнаружено проявление двумерностп в области прямых экептонннх переходов.

3. Наблюдалась аномальная поляризаппя спектра в изотропной геометрии, связанная с наличием в кристаллах ориентированных внутренних нгпряхенп?!.

4.Исследовано влияния всестороннего статпя на спектры непрямого згогтонного поглощения. Показана принадлежность всех особенностей спектра зкснтсн-оокогегем переходам.Измерена ве-личя1Э барр:г"еского коэффупкента.

5. Пронесено исследование поляризованных спектров люми-

- 12 -

песценгош свободного и связанных бчситонов.

6. Из сравнения спектров поглощения п-люминесценции определены частоты фононов, сохраняющих квазпимпульс при непрямом переходе, обсуждается возможная причина появления дублет-нос ти коконных ступенек.

7. Проведено комплексное исследование люминесценции М-но-лосы.

Основная часть результатов '. вомешшдс в диссёртащж, опубликована в работах:

1. Акбеков Т.Н. .Гайсин В.А., Недзвепкий Д.С. Оптические константа тетрагональной моноокиси свинца в области 800-25Ошл.

П республиканская конференция по физике твердого тела АН Кирг.ССР,Йл,1989, Тезисы докладов, с.211.

2.Акбеков Т.М.', ТайсинВ.А., Недзвецкий Д.С. Экситон-фононное взаимодействие в слоистых 1фисталлах окиси свинца РвОт. П республиканская конференция по физике твердого тела АН Кпрг. ССР, Ои, 1989, Тезисы докладов,0.145.

3.Акбеков Т.Н., Гайсин В.А., Недзвепкий Д.С. Влияние всестороннего сжатия на спектры люминесценции и поглощения тетрагональной моноокиси свинпа. I республиканская конференция молодых ученых и препо;авателей физики, Орунзе, 1990, Тезисы докладов, с.156.

4. Акбеков Т.М.', Гайсин В.А., Недзвшкпй Д.С. К вопросу о дублетной структуре пороговой непрямогоэксптонного поглощения в слоистых кристаллах тетрагональной моноокиси свингга. I рес-публиаанская конференция молодых ученых и преподавателей Физики, Фрунзе, 1990, Тезисы докладов',с.154.

5. Акбеков Т.М., Гайсин В.А.: Берекная А.А. Особенности люминесценции экситона, локализованного на дефектах в приповерхностной области в слоистых кристаллах тетрагональной окиси свинпа. ХП Всесоюзная конференция по физике полупроводников, Кпев, 1990, Тезисы докладов, часть П, с.317.

6. Акбеков ТД1,, Гайсин В.А., НодзвшкяП Д.С. Влияние гидростатического ояатпя на спектры го прямо го экситокпого поглощения в слоиотю: кристаллах окиси свинпа. Вестник ЛГУ,1991, сер.4, тяг Л, с. 91-94.

?. Акбеков T.M., Гайспп B.A., Недэвецкий Д.С; Оптические констапти тетрагональной окисп свинла в области 800-250 нм. Вестник ЛГУ, 1991, вшг.З, сер.4, с.23-30.

РГП 1ШФ,эак.783,тир.100,уч.-.чад.л.0,6; 2/Х1-1992г. Бесплатно