ДНІПРОПЕТРОВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ПЛЯКА СЕРГІЙ МИКОЛАЙОВИЧ

УДК 539.2:548

ПЕРЕНОС ЗАРЯДУ В КРИСТАЛАХ

СИЛЕНІТІВ

01.04.07 – фізика твердого тіла

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук.

Дніпропетровськ – 2001

Дисертацією є рукопис

Робота виконана на кафедрі фізики твердого тіла Дніпропетровського національного університету Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник кандидат фізико математичних

наук, доцент Соколянський

Григорій Харитонович,

Дніпропетровський національний

університет, доцент кафедри фізики твердого тіла.

Офіційні опоненти:

Доктор фізико-математичних наук, професор Глот Олександр Борисович, кафедра радіоелектроніки радіофізичного факультету Дніпропетровського національного університету, професор, м. Дніпропетровськ

Кандидат фізико-математичних наук, доцент Точилін Сергій Дмитрович, кафедра твердотільної електороніки та мікроелектроніки Запорізького державного університету, доцент, м. Запоріжжя

Провідна установа: Інститут фізики НАН України, м. Київ

Захист відбудеться 1 червня 2001 р. о 14.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.051.02 при Дніпропетровському національному університеті за адресою: 49050, м. Дніпропетровськ, пер. Науковий 13, корпус 11, ауд. 300.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Дніпропетровського національного університету, м. Дніпропетровськ

Автореферат розісланий 25 квітня 2001 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Спиридонова І.М.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Відомо багато цікавих з наукової точки зору та важливих для практичного використання кристалів активних діелектриків, яскравими представниками яких є силеніти. Маючи досить високу фоточутливість та значний електрооптичний ефект, вони знаходять застосування в просторово-часових модуляторах світла, приладах запису голограм тощо. Формування внутрішніх полів безпосередньо пов’язане з процесами генерації, переносу, захвату та рекомбінації носіїв заряду. Істотний вплив на ці процеси мають ймовірні домішки в кристалах. У ряді праць вивчалась можливість зміни оптичних, електричних та фотоелектричних властивостей силенітів шляхом легування іонами Al, Ga, Mn, Cr тощо. Однак про механізм модифікування властивостей легуванням існують суперечливі думки. У більшості випадків при трактуванні результатів досліджень не береться до уваги той факт, що наявність дефектів у кристалах силенітів може приводити до виникнення флуктуацій електростатичного потенціалу, що значно впливає на процеси переносу носіїв заряду.

Більшість досліджень переносу заряду проводилась в основному на об’ємних кристалах силенітів. Однак в останні роки діелектричні та напівпровідникові плівки знаходять все більш різноманітне застосування (активні та пасивні елементи мікросхем, нелінійні електрооптичні прилади тощо). Дослідження фізичних процесів, які протікають в плівках, являють собою великий наукових інтерес, оскільки за своєю структурою тонкі плівки можуть дещо відрізнятися від об’ємних матеріалів. Наявність підвищеної, у порівнянні з об’ємним матеріалом, густини дефектів у плівках є однією з причин, яка утруднює розробку технології, що забезпечила б високу відтворюваність їх фізичних властивостей.

Вище перераховане дозволяє вважати завдання комплексного дослідження електрофізичних параметрів кристалів та плівок силенітів актуальним.

Зв’язок роботи з науковими програмами. Робота є частиною комплексних досліджень фізичних властивостей кристалів активних діелектриків, які проводяться на кафедрі електрофізики Дніпропетровського національного університету за держбюджетними темами: ДБ 06-87-98 “Дослідження процесів переносу в діелектричних плівках” та ДБ 06-15-97 “Структурні особливості та фізичні властивості матеріалів функціональної електроніки”.

Мета і завдання дослідження. Метою досліджень є визначення закономірностей переносу заряду в кристалах та плівках силенітів. Для досягнення поставленої мети було необхідно розв’язати наступні задачі:

- провести експериментальні дослідження електричних, оптичних та фотоелектричних властивостей номінально чистих та легованих ванадієм кристалів Bi12GeO20;

- отримати тонкі плівки Bi12SiO20, використовуючи золь-гель метод;

- експериментально вивчити закономірності переносу заряду в тонких плівках силікосиленіта;

- якісно проаналізувати придатність моделі легованих компенсованих напівпровідників для пояснення одержаних експериментальних результатів.

Наукова новизна одержаних результатів. У результаті проведених досліджень вперше встановлено:

- рухомими темновими носіями заряду в кристалах силенітів є як електрони, так і дірки. Кристали сильно компенсовані. Варіюванням концентрації домішки 3-d елементів в досліджуваному матеріалі можна змінити ступінь компенсації, аж до перекомпенсації;

- введення ванадію приводить до просвітлення германосиленітів в області плеча поглинання (hv > 2.2 еВ). Спостерігається кореляція між величиною поглинання та ступенем компенсації: поглинання збільшується зі зростанням останньої. Одночасно збільшується й фотопровідність;

- як в номінально чистих, так і в легованих ванадієм кристалах Bi12GeO20 фотопровідність біполярна;

- у легованих ванадієм кристалах германосиленіта в інтервалі температур 293 < Т < 360 К рекомбінація носіїв заряду – тунельна. Із збільшенням температури спостерігається перехід до термоактиваційної рекомбінації;

- вперше досліджені оптичні та електричні властивості плівок силікосиленіта, отриманих золь-гель методом;

- на підставі якісного аналізу результатів виконаних досліджень зроблено висновок про можливість пояснення оптичних, електричних та фотоелектричних властивостей силенітів на основі моделі легованих компенсованих напівпровідників.

Практичне значення одержаних результатів. Одержані в роботі експериментальні результати та виявлені закономірності можуть бути використані для поліпшення характеристик оптоелектронних пристроїв на основі кристалів силенітів та інших електрооптичних матеріалів.

Висновки з результатів роботи є загальними для широкого класу кристалів активних діелектриків і можуть бути внесені в навчальні програми для студентів вищих навчальних закладів, які спеціалізуються в галузі фізики твердого тіла, фізики діелектриків та оптоелектроніки.

Застосування золь-гель метода для одержання тонких плівок силікосиленіта має ряд переваг у порівнянні з традиційними хімічними та фізичними технологіями: не потрібне дороге обладнання, можлива більш висока ступінь очистки вже на стадії вихідної сировини, добра однорідність речовини, низькі температури обробки, мінімальні відходи. Метод полегшує можливість контрольованого легування плівок, що дозволяє цілеспрямовано змінювати їх фізичні властивості (електропровідність, фотопровідність, спектри оптичного поглинання тощо).

Особистий внесок здобувача полягає: в отримані та обробці експериментальних результатів досліджень електричних, оптичних та фотоелектричних властивостей кристалів силенітів [1-11]; участі в отримані тонких плівок силікосиленіту золь-гель методом [2,4,6,10]; участі в аналізі та обговорені результатів.

Соколянському Г.Х. належить постановка задачі дисертаційної роботи та визначення напрямку досліджень.

Рентгеноструктурний аналіз виконаний разом з в.н.с. Садовськой Л.Я. та доц. Пасальским В.М. [2,6].

При вивчені електричних властивостей плівок Bi12SiO20 використовувались прекурсори, одержані на кафедрі органічної хімії доц. Клебанським О.Є.

Внесок інших співавторів публікацій полягає в участі в обговоренні результатів досліджень.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертації доповідались на 7-ому Міжнародному симпозіумі з фізики сегнетоелектриків-напівпровідників IMFS–7 (Ростов-на-Дону, 1996), Міжнародній науково-технічній конференції з фізики твердих діелектриків “Діелектрики - 97” (Санкт-Петербург, 1997), Міжрегіональній науково-практичній конференції “Фізика конденсованих систем” (Ужгород, 1998), IV Ukrainian-Polish Meeting on phase transitions and ferroelectrics physics (Дніпропетровськ, 1998), Дев’ятій міжнародній конференції “Фізика діелектриків” (Санкт-Петербург, 2000).

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 11 робіт в тому числі 4 статті в фахових журналах та 7 тез доповідей у збірниках наукових конференцій.

Обсяг та структура дисертації. Дисертація складається з вступу, одного оглядового, чотирьох оригінальних розділів та висновків. Загальний обсяг роботи складає 161 сторінку включаючи 64 ілюстрації, 18 таблиць та список цитованої літератури з 150 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі розкривається суть наукової проблеми, її значення та стан дослідження. Показано актуальність теми, обґрунтовано вибір об’єкта дослідження – монокристалів силенітів. Сформульовано мету та завдання дослідження. Зазначено новизну і достовірність наукових положень та практичне значення одержаних результатів. Подаються відомості про особистий внесок здобувача, апробацію результатів дисертації, публікації, структуру та обсяг дисертації. Реферативно викладений зміст роботи.

Перший розділ дисертації присвячений огляду літератури та формулюванню завдань дослідження. Основна увага приділена аналізові праць про перенос заряду в кристалах германо- та силікосиленітів, а також впливові на ці властивості різних домішок. Наводяться відомості про методи одержання та дослідження тонких плівок силенітів.

Монокристали силенітів мають широку заборонену зону (Eg ~ 3.4 еВ при Т-300 К), низьку темнову провідність (?) та дуже малу рухливість (?) носіїв заряду. За даними різних авторів значення ? та ? мають розкид в межах чотирьох порядків величини. Енергія активації провідності також не визначена однозначно та змінюється від 0.6 до 1.6 еВ. Більшість дослідників вважають темнову провідність р-типу, але є ряд праць, в яких встановлений n–тип провідності.

В спектральному діапазоні 380 – 550 нм спостерігається фотопровідність, пов’язана з наявністю плеча поглинання. Фотопровідність у довгохвильовій області спектра в значній мірі залежить від передісторії зразка. Опромінення кристала короткохвильовим світлом приводить до появи індукованої домішкової фотопровідності. Фотогенерованими носіями заряду в силенітах вважаються електрони. Величина їх рухливості, за різними джерелами, має розкид в межах трьох порядків величини. Перенос фотогенерованих дірок експериментально не спостерігався.

Легування кристалів силенітів перехідними металами приводить до значних змін їх оптичних, фотоелектричних та електричних властивостей.

Тонкі плівки силенітів одержувались різними способами: металоорганічним хімічним газовим випаровуванням, випаровуванням під дією високоенергетичних електронних пучків, високочастотним напилюванням. Однак даних з електрофізичних властивостей цих плівок мало.

У літературі також немає єдиної моделі, на підставі якої можна було б пояснити кінетичні явища, що спостерігаються, в кристалах силенітів. Так електропровідність трактується в межах декількох моделей: зонний перенос, контрольований глибокими пастками; стрибковий перенос за участю локалізованих станів; поляронний та біполяронний механізм. Найбільш обґрунтованою є модель стрибкової провідності по локалізованих станах. У ряді праць висловлюється припущення про застосування моделі сильно легованих компенсованих напівпровідників для пояснення ефектів фотопровідності. Однак немає даних про ступінь компенсації, хоча її наявність є необхідною умовою стрибкової провідності.

Все це вказує на актуальність досліджень, здійснюваних у дисертації, та визначає мету і завдання досліджень, сформульованих у вступі.

У другому розділі описується методика виготовлення зразків з об’ємних кристалів з різними контактами та одержання тонких плівок силенітів. Наведений опис методик дослідження, що використовувалися, та вимірювальних установок.

У роботі в основному досліджувались: 1) монокристали Bi12GeO20 (BGO) без спеціального легування та з домішками ванадію у концентраціях 0.2, 0.5 і 1 мол. % V2O5 в шихті; 2) тонкі плівки силікосиленіта. Крім того, виміряні провідність та її енергія активації кристалів Bi12SiO20 з різними концентраціями Cr, Mn, Fe. Всі кристали вирощені методом Чохральського з оксидів відповідних металів марки “осч”. При вимірюваннях електричних властивостей були використані структури з симетричними (Pt-BGO-Pt) та несиметричними (Pt-BGO-I-Pt) контактами (Pt- платиновий електрод, I - прошарок з скла Na2SiO3). Тонкі плівки Bi12SiO20 були одержані золь-гель методом.

Коефіцієнт оптичного поглинання об’ємних кристалів германосиленіта розраховувався з використанням двотовщинної методики. Коефіцієнт пропускання в спектральному діапазоні 1.5 ч 3.2 еВ (Т = 300 К) вимірювався на спектрофотометрі SPECORD М-40.

Дослідження провідності на постійному струмі проводились в температурному інтервалі 300 – 673 К. Струм вимірювався електрометричним вольтметром ВК 2-16. Дослідження електропровідності на змінному струмі проводились за стандартними методиками з використанням Q–метра та моста ємностей Е 8-2.

Дослідження вольт-амперних характеристик (ВАХ) проводились в температурному інтервалі 423 – 633 К та полях 0.1 – 10 кВсм-1. Вимірювання проведені при обох полярностях інжектуючого електроду.

Для вимірювань стаціонарної фотопровідності (ФП) у роботі використана установка, електрометрична частина якої аналогічна використовуваній для дослідження електропровідності. Освітлення зразка проводилось через монохроматор СПМ-2 у напрямі, перпендикулярному прикладеному електричному полю. Для прямого вимірювання рухливості фотогенерованих носіїв заряду використовувалась часо-пролітна методика.

У третьому розділі наводяться результати досліджень електричних властивостей кристалів силенітів.

У всіх досліджуваних кристалах спостерігалися вольт-амперні характеристики, характерні для струмів обмежених об’ємним зарядом (СООЗ) в матеріалах з квазібезперервним енергетичним розподілом локалізованих станів. Встановлено, що їх розподіл є гаусовим. Шляхом аналітичної апроксимації ділянок ВАХ з монотонно зростаючим нахилом визначені параметри розподілу (табл. 1).

У табл. 1 наведені також значення рухливості електронів ?n та дірок ?p номінально чистих та легованих іонами ванадію кристалів BGO.

При дослідженні електропровідності (?) в постійному електричному полі одержано, що її температурну залежність при Т > 393 К можна описати сумою двох експонент з різними енергіями активації Еа (табл. 1). Встановлено, що введення ванадію не приводить до якісних змін у поведінці ?(Т), в той же час значення провідності та її енергія активації суттєво залежать від концентрації домішок (табл. 1). При концентрації ~ 0.5 мол. % V2O5 в шихті провідність проходить через максимум, а її енергія активації через мінімум. Аналогічна ситуація спостерігається в кристалах силікосиленіта, легованих Cr, Mn, Fe (рис. 1).

Таблиця 1. Параметри кристалів Bi12GeO20 (Т = 513 К) |

BGO | BGO+0.2 мол.% V2O5 | BGO+0.5 мол.% V2O5 | BGO+1 мол.% V2O5

n, см2В-1c-1 | 3,7810-5 | 1.02 | 1.110-1 | 2.2110-1

р, см2В-1c-1 | 1.710-4 | 2.410-2 | 3.310-2 | 9.6710-2

N(n)e, cм-3 | 1.001019 | 9.81018 | 6.11019 | 9.11019

N(p)e, cм-3 | 1.191019 | 1.011019 | 4.311019 | 2.511019

(p) , еВ | 0.36 | 0.12 | 0.18 | 0.23

(n) , еВ | 0.19 | 0.2 | 0.25 | 0.3

Ea, еВ

(Т, К) | 0.63

(393–483)

1.35

(483–623 ) | 0.6

(423–533 )

1.4

(533–633 ) | 0.88

(423–573 )

1.35

(573–623 ) | 0.54

(423–523 )

1.3

(523–623 )

Na, cм-3 | 3.131018 | 7.0211018

Nd, cм-3 | 6.9061018 | 5.141018

(1-К)10-3 | 0.48 | 1.32 | 0.56 | 1.64

Одержані експериментальні результати найбільш послідовно можуть бути описані в рамках моделі легованих компенсованих напівпровідників (ЛКН). В сильно компенсованому матеріалі, як показано в [1], може виникнути невпорядкованість, пов’язана з просторовими флуктаціями концентрації заряджених домішок. Флуктації створюють електростатичний потенційний рельєф, в ямах якого можлива локалізація носіїв. В результаті поблизу країв дозволених зон утворюються “хвости” густини локалізованих станів N(E). Висновок про їх існування в германосиленіті узгоджується з “плечем” поглинання, що експериментально спостерігається. Поряд з цим можуть бути максимуми N(Е), пов’язані з наявністю дефектів того чи іншого типу. За відсутності випадкового поля ці максимуми були б ?–образними. Випадкове поле та наявність взаємодії з дефектом приводить до їх розширення.

Рис. 1 Залежність темнової провідності (a) (апроксимація до температури 300 К) та її енергії активації (б) від концентрації домішок перехідніх металів в кристалах Bi12SiO20 : - Mn, - Cr,- Fe.

В межах цієї моделі для легованих ванадієм кристалів Bi12GeO20 в температурному інтервалі 423 503К перенос заряду визначається стрибками заряду по максимуму густини локалізованих станів в забороненій зоні. На постійному струмі при переносі заряду беруть участь носії, які рухаються по нескінченному кластерові (НК), однак, як показано в праці [1], основна маса цілих зв’язків, що належать НК, не беруть участі в провідності, тобто утворюють ланцюжки, які обриваються. У цьому випадку в провідності беруть участь тільки носії, що рухаються зв’язками, з’єднаними з безкінечністю (у нас електроди) хоча б двома різними (тобто тими, які не мають жодного спільного зв’язку) ланцюжками. При цьому в обох випадках відбувається накопичення заряду на кінцях кластерів або ланцюжків, тобто відбувається свого роду об’ємно-зарядова (міграційна) поляризація зразка. Із збільшенням частоти прикладеного поля за час напівперіоду носій заряду, маючи низьку рухливість, встигає пройти відстань, яку можна порівняти з розміром кінцевого кластера. Таким чином, на змінному струмені внесок в провідність (?ас) дасть значно більша кількість носіїв заряду, ніж на постійному струмені (?dc). Це узгоджується з тим експериментальним фактом, що ?ас >> уdc. Використовуючи результати теорії стрибкової провідності, із застосуванням співвідношень:

, (1)

(2)

були визначені концентрація основної домішки Nd (Na) та ступінь компенсації К кристалів (табл.1). Визначені значення Na (табл.1) для чистого кристалу Bi12GeO20 добре узгоджуються з результатами Обершміда [2] (Na 6?1018см-3).

При більш високих температурах (513 ? 633 К) величина енергії активації провідності для всіх кристалів дорівнює 1.3 – 1.4 еВ і мало зменшується із збільшенням концентрації домішки V2O5. Рухливість носіїв заряду досягає значень порядку 10–1 см2В-1с-1. Починає переважати перенос заряду на рівні протікання, який знаходиться у хвості густині станів.

Представлені результати дослідження релаксації темнової провідності. Встановлено, що в полях Е < 2 кВсм-1 після подачі сходинки напруги спостерігається довготривале спадання струму за законом It-s , де s const. Така закономірність знаходить пояснення в межах моделі легованих компенсованих напівпровідників. По проходженні малого проміжку часу після прикладення напруги перенос носіїв заряду відбувається кластерами різних розмірів (включаючи парні центри – так звані двухвузельні перескоки). Коли двухвузельні стрибки перестають грати домінуючу роль, основний внесок в струм дають перескоки носіїв в кластерах невеликого розміру (мультиплетні стрибки). При збільшені часу малі кластери також перестають видігравати вирішальну роль, розміри кластерів, по яких відбувається перенос заряду, збільшуються, аж до нескінченного.

У четвертому розділі представлені результати досліджень оптичних та фотоелектричних властивостей номінально чистих та легованих ванадієм кристалів германосиленіта.

При дослідженні оптичного поглинання встановлено, що введення ванадію приводить до просвітлення германосиленіта в області плеча поглинання (hv > 2.2 еВ). Встановлена кореляція між поглинанням та ступенем компенсації: поглинання збільшується із зростанням останнього. Одночасно збільшується й фотопровідність.

В результаті досліджень спектральної залежності фотопровідності в номінально чистих та легованих ванадієм кристалах B12GеO20 встановлено, що введення ванадію не приводить до якісних змін поведінки спектральної залежності фотопровідності (рис. 2). Із збільшенням концентрації легуючого елементу в кристалі в діапазоні hv > 2.2 еВ ФП зразків падає. При цьому для кристалів з 0.2 та 0.5 мол. % V2O5 у шихті фотопровідність при hv > 2.6 еВ йде вище, ніж в номінально чистому зразку.

Рис. 2. Спектральна залежність фотопровідності легованих ванадієм кристалів Bi12GeO20 при Т = 300 К: 1 – 0.2 мол % V2O5; 2 – 0.5 мол % V2O5; 3 – 1 мол. % V2O5.

Одержані результати знаходять пояснення в межах моделі ЛКН. При освітленні в кристалах народжуються нерівноважні носії заряду, при цьому в залежності від енергії падаючого фотона можливе народження або електронів, або дірок, або обох типів носіїв заряду одночасно. Міжзонне поглинання світла приводить до біполярної генерації електронно - дірочних пар, тоді як при домішковому збудженні відбувається монополярна генерація електронів (дірок). У випадку, коли енергія фотонів, які були поглинуті, близька до ширини забороненої зони hv = Eg у хвостах густини станів, прилеглих до зони провідності та валентної зони, народжуються електрони та дірки, які потім дрейфують в електричному полі та накопичуються в енергетично найбільш вигідних місцях. Такими для електронів є глибокі ями, а для дірок – високі горби. У результаті носії заряду виявляються просторово розділеними. Рекомбінувати вони можуть через глибокі рекомбінаційні рівні, подолавши енергетичний бар’єр, або шляхом тунелювання. Стаціонарна фотопровідність здійснюється тільки носіями, збудженими на рівні енергії, які знаходяться не нижче рівня протікання.

Виявлено максимум на температурній залежності фотопровідності (hv = 3.2 еВ) легованих ванадієм кристалів Bi12GeO20. (рис. 3). Це може бути пов’язане з тим, що при температурах Т 360 К основний вклад в швидкість рекомбінації забезпечують рекомбінуючиї на центрах носії з енергіями, близькими до квазірівнів Фермі. В цих умовах рекомбінація відбувається шляхом тунелювання бар’єрів. При збільшені температури спостерігається перехід до термоактіваційної рекомбінації.

У випадку переносу хвостами зон, рухомими є як електрони, так і дірки. В результаті дослідження переносу фотогерованих носіїв заряду з використанням часо-пролітної методики встановлено, що в температурному інтервалі 300 – 400 К і в полях Е > 6 кВсм-1 спостерігаються імпульси фотоструму як електронів, так і дірок. Визначені величини дрейфової рухливості електронів ?n та дірок ?p (табл. 2).

Рис. 3 Температурна залежність фотопровідності кристалів германосиленіта при hv = 3.2 еB: 1 – BGO+0.2 мол % V2O5; 2 - BGO+0.2 мол % V2O5; 3 - BGO+0.2 мол % V2O5

Із збільшенням температури ?n та ?p експоненціально збільшуються. В інтервалі Т 330 – 340 К спостерігається перехід від квазірівноважного до дисперсійного переносу. Цей перехід не супроводжується зміною енергії активації дрейфової рухливості. Введення ванадію приводить до того, що в досліджуваному температурному інтервалі спостерігається тільки квазирівноважний перенос фотогенерованих електронів та дірок. Значення рухливості та часу життя носіїв заряду в легованих кристалах наведені в таблиці 2.

Таблиця 2. Параметри фотопереносу в кристалах Bi12GeO20 при температурі 293 К |

n,

cм2В-1с-1 | n,

с | Еn,

еВ | р,

cм2В-1с-1 | р,

с | Ер,

ЕВ

BGO | 3.610-2 | 4.510-4 | 0.32 | 1.110-2 | 6.510-4 | 0.52

BGO+0.2 мол.% V2O5 | 1.3710-1 | 1.810-4 | 0.2 | 1.9510-1 | 1.9410-4 | 0.2

BGO+0.5 мол.% V2O5 | 6.9710-2 | 1.5510-4 | 0.31 | 1.1210-1 | 1.810-4 | 0.29

BGO+1 мол.% V2O5 | 410-2 | 110-4 | 0.36 | 910-2 | 1.310-4 | 0.32

П’ятий розділ присвячений дослідженню оптичних та електричних властивостей плівок силікосиленіта, одержаних золь-гель методом.

При дослідженні спектральної залежності коефіцієнта поглинання плівок BSO при Т= 300 К (рис. 4) встановлено, що він досить добре узгоджується із спектрами, визначеними з використанням об’ємних кристалів, виступаючи їх продовженням у короткохвильовій області.

Рис. 4. Спектральна залежність коефіцієнта поглинання плівок силікосиленіта (Т = 300 К). Суцільна крива – розрахунок за формулою .А1= 9.8104 еВ1/2см-1; Еg = 3.56 еВ.

Показано, що ширина забороненої зони силікосиленіта, складає 3.56 еВ, що узгоджується з результатами, одержаними в [3] при вивчені поглинання плівок Bi12SiO20.

Спостережувані нелінійні вольт-амперні характеристики золь-гель плівок Bi12SiO20 можуть бути обумовлені тим, що струм через дану структуру контролюється глибокими пастками, які мають гаусовий розподіл за енергіями. Застосовуючи теорію струмів, обмежених об’ємним зарядом, були розраховані: 1) рухливість 1=9.510-7 см2В-1c-1 та 2=1.3710-4 см2В-1c-1 (Т=293 К) на першій та другій квадратичній ділянці відповідно; 2) концентрація рівноважних носіїв заряду 1.531013 см-3 і пасток Nt = 21014 см-3; 3) на підставі аналізу ділянок залежності I Uг, де ? змінюється від 2 до 7, визначені концентрація локалізованих станів на рівні протікання Ne=11018 см-3 та параметри гаусового розподілу пасток Nt = 2.31014 см-3 и =0.01 еВ.

Проведені вимірювання електропровідності плівок на змінному та постійному струмі.

Дослідження комплексної провідності проведені в температурному інтервалі 300 – 500 К та діапазоні частот 0.1 – 20 кГц. Встановлено, що дійсна Re () та уявна Im () частини комплексної провідності монотонно збільшуються та можуть бути представлені у вигляді степенної функції частоти fф. Im () у всьому частотному діапазоні, що досліджується, вище, ніж Re (). При дослідженнях залежності дійсної частини провідності від температури встановлено, що в області температур Т < 473 К на низьких частотах спостерігається максимум, який зміщується з підвищенням частоти в область більш високих температур. При f > 100 кГц цей максимум в досліджуваному температурному інтервалі не проявляється. Схожа поведінка температурної залежності дійсної частини електропровідності спостерігалась і для об’ємних кристалів Bi12SiO20. Наявність такого максимуму характерна для діелектриків з релаксаційною поляризацією. Одним з її джерел можуть бути слабко зв’язані частки, які мають декілька енергетично еквівалентних місць, розділених бар’єром. Уявна частина провідності Im () на частотах більше 1 кГц в усьому досліджуваному інтервалі температур йде вище, ніж Re ().

Вимірювання електропровідності номінально чистих та легованих ванадієм плівок в постійному електричному полі (Е = 200 В?см-1) проведені в інтервалі температур 300 – 500 К. Встановлено, що з підвищенням температури на залежності (Т) можна виділити дві ділянки з різними енергіями активації. Їх значення для різних концентрацій домішок ванадію та різних температурних інтервалів приведені в табл. 3. При Т2 > 373 К Еа не залежить від концентрації домішки, в той же час при Т1 < 323 К спостерігається досить сильна залежність Еа (N).

Таблиця 3. Параметри плівок силікосиленіта, одержаних золь-гель методом. |

BSO | BSO+0.075

мол% V2O5 | BSO+0.1 мол.% V2O5 | BSO+0.2 мол.% V2O5 | BSO+0.4 мол.% V2O5

Ea1, еВ | 0.8 | 0.45 | 0.45 | 0.42 | 0.5

Ea2, еВ | 0.25 | 0.05 | 0.02 | 0.13 | 0.2

(T=293 K),

Ом-1cм-1 | 1.210-11 | 5.610-11 | 5.510-9 | 4.410-10 | 1.110-10

Одержані результати можна пояснити в межах моделі стрибкового механізму переносу заряду. При Т < Т1 у плівках, що досліджуються, за винятком номінально чистих, для яких Т < 303 К, перенос заряду здійснюється за рахунок стрибків електронів (дірок) по максимуму густині локалізованих станів (ЛС). Із збільшенням температури, при Т > Т2, перенос заряду відбувається на рівні протікання, що розташовується у хвості густини ЛС. У цьому випадку провідність може бути описана залежністю:

(3)

На рис. 5 приведена залежність (Т), побудована за (3). Видно, що крива майже збігається з експериментальними даними. Наявність затягнутих перехідних областей може бути пов’язана з тим, що при високих температурах, при яких спостерігається зміна механізмів провідності, енергія активації стрибкової провідності непостійна: з підвищенням температури від Т1 до Т2 вона зростає.

Рис. 5. Температурна залежність питомого опору плівки силікосиленіта, легованої 0.1 мол. % V2O5. Суцільна крива – розрахунок за формулою (3).

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ТА ВИСНОВКИ

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

СПИСОК ЦИТОВАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ

1. Шкловский Б.И., Эфрос А.Л. Электронные свойства легированных полупроводников - М.: Наука, 1975. - 416 с.

2. Grebmeier B.G., Oberschmid R. Properties of Pure and doped Bi12GeO20 and Bi12SiO20 crystals // Phys. Stat. Sol (a). – 1986. Vol.90, N1. - P.199-202.

3. Efendiev Sh.M., Bagiev V.E., Zeinally A.Ch. and Skoricov V.M. Optical transition in Bi12SiO20 // Phys. Stat. Sol (a).- 1978.- Vol.50, N1. - k141-k143.

СПИСОК ПУБЛІКАЦІЙ АВТОРА ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Пляка С.Н., Соколянский Г.Х. Дрейфовая подвижность фотогенерированных носителей заряда в кристаллах Bi12GeO20 // ФТТ. - 1998. - т.40, №1. - С.2054 – 2055.

2. Клебанский Е.О., Кудзин А.Ю., Пасальский В.М., Пляка С.Н., Садовская Л.Я., Соколянский Г.Х. Тонкие золь-гель пленки силиката висмута // ФТТ. - 1999. - т.41, №6. - С. 1003-1006.

3. Кудзин А.Ю., Пляка С.Н., Соколянский Г.Х. Влияние легирования ванадием на электрические свойства кристаллов Bi12GeO20 // ФТТ. - 2000. -т.42, №5, С.839-842.

4. Plyaka S.N., Sokolyanskii G.Ch., Klebanskii E.O., Sadovskaya L.Ya. Conductivity of the Bi12SiO20 thin films. // Cond. Matt. Phys. – 1999. Vol.2, № 4. - P.625-630.

5. Пляка С.Н., Соколянский Г.Х. Влияние ванадия на фотоэлектрические свойства германосилленита // Материалы 7-го Международного семинара по физике сегнетоэлектриков - полупроводников. – Ростов-на-Дону (Россия). – 1996. – С.15-16.

6. Klebanskii E.O., Kudzin A.Yu., Pasalski V.M., Plyaka S.N., Sadovskaya L.Ya., Sokolyanskii G.Ch. Bi12SiO20 thin films prepared by the sol-gel method // Збірник тез міжрегіональної науково-практичної конференції "Фізика конденсованих систем". – Ужгород. – 1998. – С.92.

7. Пляка С.М., Соколянський Г.Х. Перенос електронів та дірок в кристалах германосилленіту // Збірник тез міжрегіональної науково-практичної конференції "Фізика конденсованих систем". – Ужгород. – 1998. - С. 69-70.

8. Пляка С.Н., Соколянский Г.Х. Влияние ванадия на перенос заряда в кристаллах германосилленита // Тезисы докладов Диэлектрики-97. - 1997. - С.-Петербург, - С. 50-51.

9. Plyaka S.N., Sokolyanskii G.Ch., Bochkova T.M. Investigation of density of localized states in Bi12GeO20 crystals through SCLS technique // Abstracts of IV Ukrainian-Polish Meeting on phase transitions and ferroelectric physics. – Dniepropetrovsk. – 1998. - Р.93.

10. Plyaka S.N., Sokolyanskii G.Ch., Klebanskii E.O., Sadovskaya L.Ya. Conductivity of the Bi12SiO20 single films. // Abstracts of IV Ukrainian-Polish Meeting on phase transitions and ferroelectric physics. – Dniepropetrovsk. – 1998. - Р. 94.

11. Пляка С.Н., Соколянский Г.Х. Фотопроводимость легированных ионами ванадия кристаллов германосилленита // Тезисы докладов девятой международной конференции Физика диэлектриков. - Санкт-Петербург. – 2000. - том II. - С.50-51.

Пляка С.М. Перенос заряду в кристалах силенітів. – Рукопис.

Дисертація на здобуття вченої ступені кандидата фізико - математичних наук за спеціальністю 01.04.07 – фізика твердого тіла. – Дніпропетровський національний університет, Дніпропетровськ, 2001.

Дисертація присвячена дослідженню переносу заряду в кристалах та плівках силенітів. Зроблено висновок про можливість застосування моделі легованих компенсованих напівпровідників для пояснення їх електричних, оптичних та фотоелектричних властивостей. В інтервалі температур 393 493 К провідність здійснюється стрибковим переносом носіїв заряду по максимуму густини локалізованих станів, енергетичний розподіл яких є гаусовим. При більш високих температурах переважає перенос по рівнях протікання, розташованих у хвостах густини станів.

Введення домішки ванадію призводить до зміни ступеня компенсації, спектру поглинання, величини провідності та фотопровідності. При генерації носіїв заряду світлом з енергією меншою ширини забороненої зони у всіх досліджених кристалах рухомими є як електрони, так і дірки.

В результаті дослідження оптичного поглинання в плівках силікосиленіту, одержаних золь-гель методом, встановлено, що ширина забороненої зони Eg 3.56 еВ. Провідність плівок контролюється глибокими пастками, що мають гаусовий розподіл за енергіями. Перенос заряду на постійному та змінному струмі здійснюється стрибками носіїв заряду по локалізованих станах.

Ключьові слова: кристали силенітів, стрибкова провідність, рухливість, фотопровідність, оптичне поглинання, тонкі плівки.

Plyaka S.N. Charge transport in sillenite crystals. – Manuscript.

Thesis for obtaining a scientific degree of Candidate of Physico-Mathematical Science on speciality 01.04.07 – Solid state physics. – Dnepropetrovsk National University, Dnepropetrovsk, 2001.

The thesis is devoted to investigations charge transfer in Bi12GeO20 single crystals. The model of doped compensated semiconductors is used to explain of electrical, optical and photoelectrical properties of Bi12GeO20 crystals.

It is shown that conductivity in 393 493K temperature range realized by hopping mechanism with charges transfer over maximum density of localized states. Gauss law of energy distribution of deep levels for charge carriers is confirmed. It is observed that the conductivity, absorption spectra, photoconductivity and degree of compensation depends upon the vanadium concentration. Electrons and holes take part in the conductivity processes even if crystals a irradiated by photons with energies less then value of the forbidden gap for all crystals. By investigations of absorption edge of pure Bi12GeO20 thin films, obtained by zol-gel method, the value of forbidden gap Eg 3.56eV. Has been determined, the conductivity processes in films is controlled by deep level traps with Gauss law energy distribution. The processes of ac and dc conductivity are due to the charge carrier hopping over localized states.

Keywords: sillenite crystals, hopping conductivity, carrier mobility, photoconductivity, optical absorption, zol-gel thin films.

Пляка С.Н. Перенос заряда в кристаллах силленитов. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.07 – физика твердого тела. – Днепропетровский национальный университет, Днепропетровск, 2001.

Диссертация посвящена исследованию электрических, оптических и фотоэлектрических свойств номинально чистых и легированных ванадием кристаллов Bi12GeO20 и определению механизма переноса заряда, изучению электрофизических параметров пленок силикосилленита, полученных золь-гель методом.

На основе полученных в работе результатов сделан вывод о применимости модели легированных компенсированных полупроводников для объяснения электрических, оптических и фотоэлектрических свойств кристаллов силленитов. Показано, что в интервале температур 393 – 493 К проводимость в кристаллах силленитов осуществляется прыжковым переносом носителей заряда по максимуму плотности локализованных состояний. Распределение глубоких уровней, по которым происходит перенос, являются гауссовым. Установлено, что подвижными носителями заряда в кристаллах германосилленита являются как электроны, так и дырки. Подвижность дырок на порядок выше, чем подвижность электронов. Введение ванадия приводит к изменению проводимости и подвижности носителей заряда по сравнению с номинально чистым образцом. Аналогичная ситуация наблюдается в кристаллах силикосилленита, легированных Cr, Mn, Fe. При более высоких температурах (493 – 633 К) начинает преобладать перенос по уровню протекания, расположенном в хвосте плотности состояний. Здесь проводимость, подвижность и их энергии активации слабо уменьшаются с ростом концентрации ванадия.

При исследовании спектров поглощения установлено, что введение ванадия приводит к просветлению кристаллов германосилленита в области плеча поглощения. При этом наблюдается корреляция между поглощением и степенью компенсации: поглощение возрастает с ростом последней. Одновременно увеличивается и фотопроводимость. Температурная зависимость фотопроводимости легированных ванадием кристаллов Bi12GeO20 проходит через максимум. С увеличением концентрации V2O5 в шихте наблюдается смещение максимума фотопроводимости в область более высоких температур. Установлено что при генерации носителей заряда светом с энергией h3.4 эВ подвижными являются как электроны, так и дырки. В номинально чистых Bi12GeO20 подвижность электронов несколько выше подвижности дырок. В легированных ванадием кристаллах выполняется обратное соотношение (n < p).

В результате исследования оптического поглощения в тонких пленках силикосилленитов, полученных золь-гель методом, установлено, что ширина запрещенной зоны Eg = 3.56 эВ. Спектральная зависимость коэффициента поглощения пленок хорошо стыкуется с (h) объемных кристаллов. Проводимость пленок BSO (как и кристаллов) контролируется глубокими ловушками, имеющими гауссовское распределение по энергиям. Перенос заряда на переменном и постоянном токе осуществляется прыжками носителей заряда по локализованным состояниям.

Ключевые слова: кристаллы силленитов, тонкие пленки, прыжковая проводимость, фотопроводимость, оптическое поглощение.