Бесплатно скачать, заказать диплом, курсовую, диссертацию Оптические свойства полуметаллов висмут-сурьма в области плазменный эффектов

У нас уже 21989 рефератов, курсовых и дипломных работ

Сделать закладку на сайт

Заказать диплом, курсовую, диссертацию

Быстрый переход к готовым работам

Мнение посетителей:

Книга жалоб
и предложений

Название	Оптические свойства полуметаллов висмут-сурьма в области плазменный эффектов

Количество страниц	275

ВУЗ	МГИУ

Год сдачи	2010

Бесплатно Скачать	23297.doc

Содержание	Содержание Введение...5 Глава 1. Особенности и характерные энергии электронного, плазмонного и фононного спектров кристаллов висмута и висмут-сурьма...21 §1.1. Кристаллическая решетка и зона Бриллюэна монокристаллов висмута и висмут-сурьма ...21 § 1.2. Зонная структура и поверхность Ферми кристаллов типа висмута ...29 § 1.3. Влияние температуры на энергетические параметры зонной структуры кристаллов висмута и висмут-сурьма...32 § 1.4. Модели энергетического спектра носителей в L- и Т- точках приведенной зоны Бриллюэна кристаллов висмут-сурьма...36 § 1.5. Энергетический спектр колебаний кристаллической решетки висмута ...42 § 1.6. Величина энергии плазменного резонанса свободных носителей заряда в кристаллах висмута и висмут-сурьма ...45 § 1.7. Влияние легирующих примесей на физические свойства и энергетические характеристики кристаллов висмута и висмут-сурьма...48 Выводы к главе 1 ...57 Глава 2. Оптические свойства кристаллов висмута и висмут-сурьма...60 § 2.1. Феноменологическое описание взаимодействия электромагнитного излучения с веществом в теории Максвелла...60 § 2.2. Взаимодействие электромагнитного излучения с плазмой свободных носителей заряда в твердых телах...68 § 2.3. Плазменное отражение от кристаллов висмута и висмут-сурьма...85 § 2.4. Край межзонного поглощения и фотопроводимость в кристаллах висмута и висмут-сурьма...96 § 2.5. Влияние колебаний кристаллической решетки на оптические свойства кристаллов висмута и висмут-сурьма...108 Выводы к главе 2...113 Глава 3. Методика и техника эксперимента...115 § 3.1. Выращивание монокристаллов висмута и висмут-сурьма...,...115 § 3.2. Подготовка образцов для оптических измерений...118 § 3.3. Методика и техника измерения спектров отражения кристаллов типа висмута в дальней инфракрасной области спектра...123 Выводы к главе 3...142 Глава 4. Особенности спектров плазменного отражения кристаллов висмута и висмут-сурьма в инфракрасной области спектра...143 § 4.1. Качественный анализ и классификация спектров отражения чистых и легированных кристаллов висмута и висмут-сурьма...143 § 4.2. Применение соотношений Крамерса - Кронига для анализа спектров отражения и расчета оптических функций...185 § 4.3. Результаты расчета оптических функций кристаллов висмута и висмут-сурьма по дисперсионным соотношениям Крамерса-Кронига ...192 § 4.3. Результаты экспериментального исследования спектров отражения кристаллов висмута и висмут-сурьма в области плазменных эффектов...211 Выводы к главе 4...217 Глава 5. Оптические свойства кристаллов висмута и висмут-сурьма в области плазменных эффектов, обусловленных свободными носителями заряда...223 § 5.1. Сближение энергий элементарных возбуждений электронной и ионной системы...223 § 5.2. Моделирование оптических функций висмута и висмут-сурьма в рамках адиабатического подхода...245 § 5.3. Результаты моделирования оптических функций кристаллов висмута и висмут-сурьма...262 § 5.4. Различие статических и оптических времен релаксации в кристаллах висмута и висмут-сурьма...293 § 5.5. Особенности взаимодействия инфракрасного излучения с анизотропными кристаллами висмута и висмут-сурьма с близкими значениями энергий в электронном, плазмонном и фононном спектрах...314 Выводы к главе 5 ...329 Заключение ...333 Литература... ...339 ВВЕДЕ Н ИЕ Из простых веществ к полуметаллам относятся элементы V группы таблицы Менделеева: висмут, сурьма, мышьяк и непрерывный ряд твердых растворов системы висмут-сурьма. Полуметаллы занимают промежуточное положение между узкозонными полупроводниками, в которых ширина запрещенной зоны колеблется в пределах от кТ до 10 кТ, и металлами. Физические свойства полуметаллов типа висмута плодотворно исследуются на протяжении многих лет. Результаты обширных исследований отражены в ряде обзоров [1-7], диссертационных работах [8-14] и в работах, посвященных общим вопросам исследования узкозонных полупроводников и полуметаллов [18-20]. К настоящему времени получены детальные сведения о кристаллической структуре висмута и сплавов висмут-сурьма [29-32], поверхности Ферми [10, 11, 16, 33-42], параметрах зонной структуры [46-54]. Исследованы физические свойства бинарных сплавов висмут-сурьма [63-75]. Отличительными признаками узкозонных полупроводников и полуметаллов являются: 1. Высокая, по сравнению с полупроводниками, концентрация свободных носителей заряда п = 3-1023 м"3 при Т = 4.2 К. 2. Малая величина энергетического зазора, разделяющего экстремумы валентной зоны и зоны проводимости Eg = 10-20 мэВ. 3. Большие значения высокочастотной диэлектрической проницаемости Боо~10 , что, в частности, является причиной существенного уменьшения радиуса экраниррвания до значений 10~8 м и делокализации примесных состояний как акцепторного, так и донорного типа [14]. Последнее обстоятельство играет важную роль, поскольку приводит к тому, что примесные состояния, сливаясь с основной зоной, не вносят заметных возмущений в энергетический спектр исходного материала, что в сочетании с низким значением плотности электронных состояний в валентной зоне и зоне проводимости дает возможность на сотни мэВ изменять положение уровня химического потенциала легированием кристалла, не изменяя при этом существенно параметров зонной структуры [161-166]. Таким образом, легирование висмута примесями донорного и акцепторного типа создает возможности для исследования энергетического спектра, электронно-топологических переходов, переходов полуметалл-полупроводник, взаимодействия элементарных возбуждений электронной системы. Обстоятельством, способствовавшим всестороннему исследованию физических свойств висмута, и, в частности, тому, что именно на висмуте были открыты резонансные и осцилляционные эффекты, является высокая степень совершенства его кристаллов. Известно, что в лучших образцах длина свободного пробега при Т = 4.2 К может достигать величин порядка 1 мм [5]. Сравнительно легко достижимое высокое качество кристаллов висмута в сочетании с уникальными электронными свойствами и возможностью перестройки энергетического спектра внесением примеси замещения сурьмы [6] делают полуметаллы типа висмута модельным материалом физики твердого тела. С другой стороны, важную роль сыграло и то обстоятельство, что сплавы Bi].xSbx оказались эффективным термоэлектрическим материалом при Т = 78 К [8, 14, 150-152]. Высокая практическая значимость создания термоэлектрических преобразователей энергии явилась причиной комплексного исследования, на протяжении многих лет выполняемого лабораторией полуметаллов кафедры общей и экспериментальной физики РГПУ им. А.И. Герцена в соответствии с планом секции по физике узкозонных полупроводников и полуметаллов Научного Совета по физике и химии полупроводников АН СССР. В настоящее время работы проводятся в соответствии с планом секции термоэлектричества Научного Совета РАН по комплексной проблеме «Методы прямого преобразования видов энергии». Исследование направлено на решение научной и практической задачи - установление физических механизмов и закономерностей, определяющих высокую термоэлектрическую эффективность материалов на основе висмута и сплавов висмут-сурьма. Работы в указанном направлении привели к детальному исследованию электрических [131-141], гальваномагнитных [147-149], термоэлектрических [150-153], магнитных [171-177] свойств монокристаллов висмута и висмут-сурьма, чистых и легированных примесями донорного и акцепторного типа. В ходе исследований была получена разнообразная информация о величине анизотропии [118-130], температурной зависимости [142-146], влиянии давления [158-160], позволяющая сформировать целостную картину физических свойств висмута. В ходе многочисленных экспериментов надежно установлено, что кристаллы висмута и висмут-сурьма чрезвычайно чувствительны к различного рода внешним воздействиям: температуре, давлению, электрическому и магнитному полям, что определяет перспективность их использования для конструирования различных полупроводниковых приборов. Интерес, с точки зрения оптики, к узкозонным полупроводникам и полуметаллам на основе висмута и сплавов висмут-сурьма обусловлен тем, что они служат базой для создания фотоприемников и источников излучения, работающих в инфракрасном диапазоне. Однако, оптические эксперименты без квантующего магнитного поля немногочислены. Как следствие, до сих пор остается открытым вопрос о причинах наблюдающихся отклонений в поведении оптических функций от модели, описывающей взаимодействие излучения с плазмой свободных носителей заряда в чистых и слаболегированных акцепторной примесью кристаллах висмута и висмут-сурьма. Не имеется удовлетворительного объяснения % большому различию статических и оптических времен релаксации, наблюдавшемуся в работах по исследованию плазменных колебаний в этих материалах. Данные о повышенном затухании плазменных колебаний коррелируют и с результатами исследования процессов фотопроводимости, где также остается невыясненной причина резкого уменьшения времени жизни фотоносителей в ряде полупроводниковых сплавов Bi!-xSbx. Располагая всей совокупностью информации о зонной структуре висмута [46-62], фононных спектрах [112-118], исследованиях оптического пропускания [258,259], отражения [234-256], фотоэлектрических свойств [257, 260-261], можно предположить, что наиболее вероятной причиной явлений, наблюдающихся в оптических исследованиях, является сближение энергий элементарных возбуждений в электронном, плазмонном и фононном спектрах. Необходимо отметить, что подобное сближение возможно во всех веществах, относящихся к классу узкозонных полупроводников и полуметаллов. Так, на рис.В.1 схематически представлены энергии: плазменных колебаний свободных носителей заряда — Ер t запрещенной зоны - Eg, оптических фононов - Ерь для различных веществ. Из рисунка видно, что сближение перечисленных энергий, а, следовательно, и усиление электрон-плазмонного, плазмон-фононного и электрон-фононного взаимодействий возможно именно в узкозонных полупроводниках и полуметаллах. Только в этих веществах энергия плазменных колебаний свободных носителей заряда оказывается сопоставима по величине с шириной запрещенной зоны и энергией оптических фононов. Подобное сближение невозможно ни в ^ широкозонных полупроводниках, где ширина запрещенной зоны во много раз больше энергии плазменных колебаний, ни в металлах, где энергия плазменных колебаний, например, в алюминии достигает значений 15 эВ. Возможность наблюдения электрон-плазмонного взаимодействия в узкозонных полупроводниках и полуметаллах рассматривалась в ряде теоретических работ [267, 272, 274, 275]. Экспериментальные работы по исследованию сближения энергии плазменных колебаний и величины запрещенной зоны в условиях, когда зона проводимости пуста, а валентная зона заполнена, отсутствуют. Не имеется систематических исследований электрон-плазмонного и плазмон-фононного взаимодействий в сильно анизотропных материалах. Таким образом, планомерное исследование взаимодействия различных элементарных возбуждений электронной и ионной системы кристалла представляет не только несомненный научный интерес, но и необходимо в плане дальнейшего развития практических приложений как висмута и сплавов висмут-сурьма, так и других полуметаллов и узкозонных полупроводников. Актуальность работы определяется необходимостью изучения закономерностей взаимодействия электромагнитного излучения с кристаллами полуметаллов, узкозонных полупроводников и высоколегированных полупроводников с близкими значениями энергий в электронном, плазмонном и фононном спектрах; значимостью для фундаментальной физики твердого тела исследования кристаллов с интенсивным электрон-плазмонным взаимодействием; практической значимостью исследования кристаллов узкозонных полупроводников и полуметаллов с близкими значениями энергий элементарных возбуждений электронной и ионной системы для создания эффективных фотоэлектрических приемников длинноволнового инфракрасного излучения и других перспектив названных веществ, как оптических материалов. Актуальность исследования определяется также и тем, что узкозонные полупроводники и полуметаллы являются наиболее эффективными термоэлектрическими материалами, в которых кТ по порядку величины совпадает с энергией плазменных колебаний, и отсутствием каких-либо исследований, связанных с изучением влияния электрон-плазмонного взаимодействия на их термоэлектрические свойства. Объект исследования: оптические свойства кристаллов висмута и висмут-сурьма в области плазменных эффектов, обусловленных свободными носителями заряда; закономерности взаимодействия элементарных возбуждений электронной системы в узкозонных полупроводниках и полуметаллах на основе висмута и сплавов висмут-сурьма, легированных акцепторной примесью олова; влияние электрон-плазмонного взаимодействия на процессы релаксации носителей заряда в узкозонных полупроводниках и полуметаллах. Целью настоящего исследования являлось: экспериментальное исследование оптических свойств кристаллов висмута и висмут-сурьма, легированных акцепторной примесью олова, в области плазменных эффектов, обусловленных свободными носителями заряда; установление закономерностей сближения энергий в электронном, плазмонном и фононном спектрах в легированных кристаллах висмута и висмут-сурьма; исследование физических явлений, возникающих вследствие такого сближения; определение факторов, способных влиять на изменение интенсивности взаимодействия элементарных возбуждений электронной системы и способов управления ими; изучение корреляции между интенсивностью электрон-плазмонного взаимодействия и физическими свойствами кристаллов; определение оптических характеристик кристаллов висмута и висмут-сурьма с близкими значениями энергий в электронном, плазмонном и фононном спектрах. В процессе выполнения работы решены следующие задачи: 1. Методом горизонтальной зонной перекристаллизации выращены кристаллы висмута и висмут-сурьма, с близкими и существенно различающимися значениями энергий в электронном и плазмонном спектрах. Отработана методика изготовления образцов для исследования спектров отражения от плоскости, содержащей оптическую ось кристалла Сз- Изготовлены образцы для оптических и гальваномагнитных измерений. 2. Отработана методика измерения коэффициента отражения поляризованного инфракрасного излучения на спектрофотометре IFS - 113 «Брукер». Выполнены систематические исследования спектров отражения кристаллов висмута и висмут-сурьма, легированных акцепторной примесью олова. Проведены исследования спектров отражения ряда кристаллов в диапазоне температур от 4.2 до 300 К. 3. Измерены компоненты тензора электропроводности у всех выращенных монокристаллов при Т=78 К. Методом рентгеноструктурного анализа на микроанализаторе «САМЕВАХ» осуществлен контроль за содержанием сурьмы в кристаллах Bii_xSbx. 4. Разработано программное обеспечение для расчета спектральных зависимостей оптических функций по соотношениям Крамерса-Кронига и определения параметров плазменных колебаний. Разработано программное обеспечение для моделирования диэлектрической функции, в адиабатическом приближении учитывающей вклад свободных носителей заряда, межзонных переходов и колебаний кристаллической решетки. 5. В результате расчета спектров оптических функций по соотношениям Крамерса-Кронига и последующего моделирования экспериментальных спектров отражения определены параметры электронной и ионной системы исследованных кристаллов висмута и висмут-сурьма, легированных акцепторной примесью олова. 6. Установлен химический состав кристаллов, в которых наблюдается сближение энергий плазменных колебаний, межзонных переходов и оптических фононов. Произведен анализ условий, обеспечивающих такое сближение. 7. Исследовано поведение оптических функций анизотропных кристаллов типа висмута в условиях интенсивного электрон-плазмонного и плазмон-фононного взаимодействия. 8. Определены статические и оптические времена релаксации свободных носителей заряда в чистых и легированных кристаллах висмута и висмут-сурьма. Показано, что различие статических и оптических времен релаксации, а также особенности в поведении оптических функций, наблюдающиеся в кристаллах с близкими значениями энергий плазменных колебаний и оптической запрещенной зоны, обусловлены электрон-плазмонным взаимодействием, являющимся причиной возникновения плазмонной рекомбинации неравновесных носителей заряда. Установлено, что вероятность плазмонной рекомбинации резонансно увеличивается при сближении энергии плазменных колебаний и оптической запрещенной зоны. Произведен расчет времени релаксации, обусловленного плазмонной рекомбинацией неравновесных носителей заряда, и показано, что величина отношения энергий оптической запрещенной зоны и плазменных колебаний ( р = EgLopt I hcop), для которого статическое время релаксации превышает оптическое более чем в два раза, находится в пределах 1.8-2. 9. Исследовано явление взаимодействия анизотропных плазменных мод в кристаллах висмута и висмут-сурьма. Установлено, что взаимодействие анизотропных плазменных мод, возникающее как следствие смещения плазменных частот в область частот продольных оптических фононов, обусловлено плазмон-фононным взаимодействием. В том случае, когда частоты плазменных колебаний больше частот продольных оптических фононов, взаимодействие анизотропных плазменных мод не имеет места. 10. Обнаружено и исследовано явление расщепления плазменного минимума, возникающее вследствие сближения энергий плазменных колебаний и оптической запрещенной зоны и обусловленное электрон-плазмонным взаимодействием. Установлено, что расщепление плазменного минимума наблюдается только в тех кристаллах, в которых выполняется условие EgLopt Научная новизна результатов исследования. Новыми, впервые полученными в ходе выполнения диссертационного исследования являются следующие результаты: 1. В отличие от предыдущих работ выполнено систематическое исследование оптических функций кристаллов висмута и висмут-сурьма в зависимости от количества акцепторной примеси олова и температуры. 2. В отличие от предыдущих работ установлено, что причиной отклонений диэлектрической функции от поведения, предписываемого классической моделью взаимодействия электромагнитного излучения с плазмой свободных носителей заряда, наблюдающихся в кристаллах Bii.xSbx, легированных акцепторной примесью олова, является сближение энергий элементарных возбуждений в электронном, плазмонном и фононном спектрах. 3. В отличие от предыдущих работ получены систематические данные о соотношении статических и оптических времен релаксации носителей заряда в кристаллах Bij.xSbx с х = 0, 0.03, 0.07. Впервые исследованы закономерности изменения соотношения статических и оптических времен релаксации в кристаллах Bii.xSbx с близкими значениями энергий плазменных колебаний свободных носителей заряда и межзонных переходов в зависимости от количества легирующей примеси олова. 4. Впервые обнаружено расщепление плазменного минимума, обусловленное электрон-плазмонным взаимодействием в кристаллах висмута, легированных примесью акцепторного типа, в количестве, обеспечивающем сближение энергии плазменных колебаний и ширины запрещенной зоны в L-точке зоны Бриллюэна. В отличие от предыдущих работ впервые предложен технологический прием получения образцов с близкими, но не равными значениями энергии плазменных колебаний, заключающийся в послойной резке кристалла, выращенного методом горизонтальной зонной перекристаллизации. 5. В отличие от предыдущих работ, в которых описана независимость взаимодействия анизотропной плазмы свободных носителей заряда с поляризованным электромагнитным излучением, впервые обнаружено взаимодействие анизотропных плазменных мод в кристаллах с близкими значениями энергий в плазмонном и фононном спектрах. 6. В отличие от предыдущих работ впервые выполнен расчет диэлектрической функции кристаллов висмута и висмут-сурьма, легированных акцепторной примесью олова, в адиабатическом приближении учитывающей вклад свободных носителей заряда, межзонных переходов и оптических фононов. Совокупность полученных результатов позволяет сформулировать суть разработанного научного направления - исследование физических свойств кристаллов полуметаллов, узкозонных полупроводников и высоколегированных полупроводников, обладающих близкими значениями энергий элементарных возбуждений в электронном и плазмонном спектрах; установление закономерностей влияния электрон-плазмонного и плазмон-фононного взаимодействия на физические свойства кристаллов типа висмута; определение параметров, обеспечивающих возможность управления интенсивностью электрон-плазмонного взаимодействия; изучение влияния сближения элементарных возбуждений электронной и ионной системы на процессы релаксации носителей заряда. В отличие от предыдущих работ электрон-плазмонное взаимодействие предлагается рассматривать как способ целенаправленного воздействия на физические свойства полуметаллов и полупроводников. Достоверность и обоснованность результатов и выводов обеспечивается применением многократно проверенной при исследовании оптических свойств полупроводников и металлов методикой проведения эксперимента, основанной на исследовании спектров отражения при малых углах падения излучения на образец. Использованием высококачественных кристаллов висмута и висмут-сурьма. Использованием техники фурье-спектроскопии. Обоснованность заключения об усилении влияния электрон-плазмонного взаимодействия на оптические, свойства кристаллов висмута и висмут-сурьма, легированных акцепторной примесью олова, обусловлена экспериментально наблюдаемым сближением энергии плазменных колебаний с шириной оптической запрещенной зоны в L-точке зоны Бриллюэна. Достоверность наблюдения сближения энергий указанных элементарных возбуждений электронной системы обеспечивается комплексностью выполненной работы, обусловленной исследованием оптических и электрических свойств, а также результатами моделирования оптических функций. Основные положения, выносимые на защиту: 1. Исследование спектров отражения поляризованного инфракрасного излучения является эффективным средством изучения закономерностей взаимодействия электромагнитного излучения с анизотропными кристаллами висмута и висмут-сурьма, отличающихся близкими значениями энергий плазменных колебаний Ер, ширины оптической запрещенной зоны в L-точке зоны Бриллюэна EgLOpt и оптических фононов EPh- Данное положение содержится в [244 - 256]. 2. Изменение количества легирующей примеси акцепторного типа в узкозонных полупроводниках и полуметаллах на основе висмута и сплавов висмут-сурьма позволяет в широких пределах изменять частоту и энергию плазменных колебаний. Это дает возможность управлять интенсивностью электрон-плазмонного и плазмон-фононного взаимодействий посредством сближения энергии плазменных колебаний с энергией других элементарных возбуждений электронной и ионной системы кристалла. Данное положение содержится в [244, 245, 248, 250 - 256]. 3. В спектрах отражения кристаллов висмута и висмут-сурьма с близкими значениями энергий плазменных колебаний, ширины оптической запрещенной зоны и оптических фононов наблюдаются отклонения от поведения, предписываемого моделью, характеризующей взаимодействие электромагнитного излучения с плазмой свободных носителей заряда. Отклонения в спектрах максимальны в случае совпадения энергий элементарных возбуждений электронной и ионной системы и обусловлены электрон-плазмонным и плазмон-фононным взаимодействиями. Данное положение содержится в [244, 245, 247, 248, 250 - 255]. 4. Моделирование диэлектрической функции легированных акцепторной примесью кристаллов висмута и висмут-сурьма, в адиабатическом приближении учитывающей вклад свободных носителей заряда, межзонных переходов и колебаний кристаллической решетки, позволяет определить параметры плазменных колебаний, межзонных переходов и оптических фононов. Данное положение содержится в [245, 248, 250, 253, 255]. 5. Взаимодействие анизотропных плазменных мод, наблюдающееся в спектрах отражения кристаллов висмут-сурьма, обладающих малой, по сравнению с висмутом, анизотропией плазменного отражения, возникает как следствие смещения плазменных частот в область частот продольных оптических фононов и обусловлено плазмон-фононным взаимодействием. Данное положение содержится в [250 - 253, 255]. 6. Расщепление плазменного минимума, наблюдающееся в спектрах отражения кристаллов висмута, легированного акцепторной примесью олова, обусловлено электрон-плазмонным взаимодействием, возникающим вследствие совпадения энергий плазменных колебаний свободных носителей заряда и ширины запрещенной зоны. Данное положение содержится в [247 - 249, 253, 255, 256].

Список литературы

Цена, в рублях: (при оплате в другой валюте, пересчет по курсу центрального банка на день оплаты)	1425

Скачать бесплатно	23297.doc

Найти готовую работу

ЗАКАЗАТЬ

Обратная связь:

Связаться

Вход для партнеров

Регистрация

Восстановить доступ

Материал для курсовых и дипломных работ

03.11.24 Лексикографический анализ единиц поля

03.11.24 Из истории слова гость и его производных

03.11.24 Семантическое поле гость в русском языке

Архив материала для курсовых и дипломных работ

Ссылки:

Счетчики:

© 2006-2024. Все права защищены.
Выполнение уникальных качественных работ - от эссе и реферата до диссертации. Заказ готовых, сдававшихся ранее работ.