КИЇВСЬКИЙ УНІВЕРСИТЕТ ІМЕНІ ТАРАСА ШЕВЧЕНКА

КОРОТЧЕНКОВ ОЛЕГ ОЛЕКСАНДРОВИЧ

УДК 534:535

ПОРОГОВІ АКУСТО-ОПТИЧНІ ЯВИЩА В КРИСТАЛАХ ТА НИЗЬКОРОЗМІРНИХ СТРУКТУРАХ

01.04.07 - фізика твердого тіла

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора фізико-математичних наук

Київ - 1999

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Київському університеті імені Тараса Шевченка

Науковий консультант

доктор фізико-математичних наук, професор

Островський Ігор Васильович

Київський університет імені Тараса Шевченка, завідувач кафедри загальної фізики

Офіційні опоненти:

член-кор. НАН України, доктор фізико-математичних наук, професор Блонський Іван Васильович, Інститут фізики НАН України, заступник директора

доктор фізико-математичних наук, професор Сугаков Володимир Йосипович, Інститут ядерних досліджень НАН України, завідувач відділом

доктор фізико-математичних наук, професор Романюк Борис Миколайович, Інститут фізики напівпровідників НАН України, провідний науковий співробітник

Провідна установа

Інститут теоретичної фізики ім. М.М. Боголюбова НАН України

Захист відбудеться 25.10.1999р. о 1430 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д26.001.23 при Київському університеті імені Тараса Шевченка за адресою: 252650, м. Київ, проспект Академіка Глушкова, 6, ауд. 200, фізичний факультет Київського університету імені Тараса Шевченка

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці

Київського університету імені Тараса Шевченка,

вул. Володимирська, 62

Автореферат розісланий 15.09.1999р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Охрименко Б.А.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Для вивчення фізичних властивостей твердих тіл на протязі останніх десятиріч дуже широке застосування знайшли акустичні та оптичні методики. У той же час, часто використовуються сумісні акусто-оптичні методи досліджень. Дифракція світла на ультразвукових хвилях та фотоакустичні явища в твердих тілах є типовими прикладами застосування акусто-оптичних методик дослідження.

У останні два десятиріччя набули розвитку нові акусто-оптичні методи вивчення твердих тіл, засновані на можливості порогового впливу ультразвуку (УЗ) на точкові та лінійні дефекти структури кристалів. Так, ультразвукове навантаження дозволяє контролювати інтенсивність та спектральний склад люмінесценції, змінювати концентрацію і структуру центрів світіння, приводить до зміни акустоелектричних та механічних властивостей твердих тіл.

Одним з найбільш цікавих акусто-оптичних ефектів є явищє сонолюмінесценції (СЛ), тобто світіння кристалів під дією УЗ, обумовлене електронними переходами у системі точкових дефектів та їх комплексів, генерованих ультразвуком. Порогова інтенсивність УЗ різна у різних сполуках і змінюється від 0,5 Вт/см2 у кристалах напівпровідників А2В6 до 10 Вт/см2 у лужногалоїдних кристалах.

Точкові дефекти структури та дислокації у значній мірі визначають фізичні властивості кристалів і мають фундаментальне значення у фізиці твердого тіла. Водночас, вивчення дефектів є важливим з прикладної точки зору, оскільки точкові та лінійні дефекти суттєво впливають на робочі параметри твердотільних електронних та оптоелектронних приладів і часто є критичними для їх функціонування. Як наслідок, вже кілька десятків років продовжуються пошуки нових методик дослідження дефектів у твердих тілах. У цьому зв’язку, ефект генерації надпороговим ультразвуком точкових дефектів структури дозволяє принципово по-новому досліджувати дефекти кристалічної решітки і керувати спектром електронних станів у твердих тілах. Зважаючи на це, результати проведених у дисертаційній роботі досліджень порогових акусто-оптичних ефектів у кристалах, зв’язаних з дефектами структури, є актуальними з наукової та прикладної точок зору.

Серед великої кількості твердотільних об’єктів досліджень напівпровідникові гетероструктури, квантові ями, надрешітки та мікрокристаліти привертають останнім часом підвищену увагу дослідників як завдяки ряду принципово нових фізичних явищ у таких зразках у порівнянні з об’ємними кристалами, так і завдяки можливостям їх широкого практичного використання. Значною проблемою залишається, однак, ідентифікація дефектів, локалізованих на границях поділу напівпровідників, що відіграють важливу роль у надійній роботі напівпровідникових пристроїв. Враховуючи механічну неоднорідність системи підкладка/епітаксійний шар, можна очікувати “вибіркову” дію УЗ навантаження на дефекти, локалізовані поблизу границі поділу. Використовуючи методи оптичні спектроскопії, ця дія може бути виявлена у диференціальних оптичних спектрах при ультразвуковому навантаженні та у його відсутності. У свою чергу, це відкриває реальну перспективу розв’язку актуальної задачі дослідження якості границі поділу твердих тіл та ідентифікації дефектів, локалізованих поблизу цієї границі.

Досягнутий останнім часом прогрес у виготовленні сіньо-зелених лазерних діодів на базі сполук А2В6 з великою шириною забороненої зони надзвичайно підвищили увагу до виготовлення та визначення параметрів відповідних мікроструктур. Серед інших матеріалів А2В6, світловипромінюючи діоди та лазери із використанням структур з прошарками ZnSe мають надзвичайно великий потенціал для застосування у кольорових електролюмінесцентних дисплеях, як лазерні джерела запису-зчитування інформації у магнітних та оптичних накопичувачах, як джерела світлового випромінювання для оптичного зв’язку. З іншого боку, параметри решітки ZnSe добре відповідають параметрам GaAs (невідповідність решіток 0,25%), одного з найпоширеніших елементів сучасної напівпровідникової технології. Цей факт відкриває можливість створення приладів на базі ZnSe, інтегрованих із структурами AlGaAs-GaAs, як джерел, підсилювачів, модуляторів та детекторів для оптичного зв’язку та перетворення сигналів.

Слід відзначити, що багато аспектів функціонування таких приладів визначається динамікою фотозбуджених носіїв струму. Як наслідок, важливе значення має розробка методів впливу та керування цією динамікою за допомогою зовнішніх факторів і відповідні досліди привертають підвищену увагу дослідників. Традиційно застосовується зовнішнє постійне електричне поле, що суттєво впливає на час життя фотозбуджених носіїв. Виходячи з цього, проведені у роботі дослідження порогового впливу ультразвуку на пікосекундну кінетику релаксації фотозбуджених носіїв, зв’язаних у ізольованих квантових ямах та екситонно-домішкових комплексах є актуальними з точки зору розробки нових методів керування кінетикою випромінювальної рекомбінації у твердих тілах.

Важливим завданням фізики твердого тіла і фізичного матеріалознавства є отримання нових конструкційних матеріалів з покращеними, у порівнянні з монокристалічними матеріалами, механічними властивостями. Одним з напрямків розв’язку цієї проблеми є створення композиційних матеріалів методами порошкової металургії. Надзвичайно актуальними у цьому зв’язку є дослідження ефектів пакування у порошках. Динамічні процеси у гранульованій суміші мають і більш широке застосування. Прикладами можуть служити процеси пресування у фармакології, приготуванні будівельних матеріалів, транспортування речовин у гранульованому вигляді в трубопроводах та інше. Таким чином, розробка у роботі нових акусто-оптичних методик дослідження гранульованих речовин та, зокрема, ефектів пакування у сумішах мікрочастинок, є доцільною та актуальною.

Вибраний напрямок дисертаційної роботи зв’язаний з планами та програмами досліджень кафедри загальної фізики Київського університету імені Тараса Шевченка, зокрема таких держбюджетних тем:

“Дослідити акустоелектричні та акустооптичні взаємодії у обмежених твердих тілах” (№ 81005089)

"Дослідження неоднорідних та наноструктурних матеріалів акустооптичними та акустоемісійними методами" (№ 0195U021062)

“Дослідження фізичних властивостей емісійних явищ в неоднорідних матеріалах” (№ 97017)

і відповідає науковому напрямку “Нові матеріали та речовини”.

Таким чином, метою роботи є

спостереження нових порогових акусто-оптичних ефектів у твердих тілах;

розробка нових акусто-оптичних методик дослідження об’ємних монокристалів та сучасних низькорозмірних структур - напівпровідникових гетеропереходів, квантових ям та мікрокристалітів;

створення нових методів керування оптичними характеристиками твердих тіл з використанням ультразвукового навантаження.

Досягнення поставленої мети забезпечувалось розв’язанням наступних задач:

дослідженням спектрів фотопровідності, фотолюмінесценції, пропускання та відбиття світла при дії ультразвуку;

вивченням та співставленням порогових акусто-емісійних явищ у кристалах - сонолюмінесценції, індукованої ультразвуком емісії електронів з поверхні зразків, акустичної емісії при ультразвуковому навантаженні;

визначенням можливості ідентифікації точкових та лінійних структурних дефектів, включаючи дефекти границі поділу двох твердих тіл, з використанням порогових акусто-оптичних ефектів;

послідовним вивченням впливу ультразвуку на параметри випромінювальної рекомбінації зв’язаних екситонів у об’ємних кристалах та квантово-розмірних структурах;

дослідженням спектральних і амплітудних характеристик та просторового розподілу сонолюмінесценції у сумішах мікрокристалітів.

Наукова новизна роботи полягає у наступному:

Вперше досліджені порогові ефекти впливу ультразвукового навантаження на електронні та оптичні властивості сучасних низькорозмірних систем типу напівпровідникових гетеропереходів, квантових ям та сумішей мікрокристалітів.

Запропонований новий метод зовнішнього впливу на кінетику випромінювальної рекомбінації локалізованих екситонів у кристалах та квантово-розмірних структурах - ультразвукове навантаження.

Вперше спостерігались нові порогові акусто-оптичні ефекти у напівпровідниках - акустофотопровідність, акустофотолюмінесценція та емісія електронів з поверхні кристалу - звукопроводу.

Вперше зареєстровано порогові явища пакування та сонолюмінесценції гранульованого середовища.

Практична цінність роботи: Запропоновано:

Сукупність нових методик дослідження дефектів у кристалах та низькорозмірних структурах напівпровідників. Ці методики дозволяють вивчати дефекти та параметри дефектів, які неможливо або ускладнено вивчати іншими методами, а саме: короткоживучі пари точкових дефектів, комплекси точкових дефектів, точкові дефекти границі поділу двох твердих тіл, енергетичні стани рухомих дислокацій.

Новий метод керування ультразвуком оптичними та електричними властивостями твердих тіл, а саме: областю фоточутливості, краєм оптичного поглинання, електропровідністю, характерним часом випромінювальної рекомбінації.

Принципово нову сонолюмінесцентну методику вивчення ефектів пакування мікрочастинок при ультразвуковому навантаженні. Метод дозволяє отримати кількісні характеристики ефекту пакування, такі як густина пакування, градієнти густини частинок, розподіл швидкості частинок в області пакування, часи релаксації агломератів мікрочастинок при знятті зовнішнього навантаження.

Особистий внесок здобувача. Особистий внесок здобувача у розробку наукових результатів, що виносяться на захист, полягає в участі у постановці задач та визначенні методів їх вирішення, виборі об’єктів досліджень, постановці експериментальних методик, виконанні експериментів та вимірів. У наукових працях, опублікованих разом зі співавторами, дисертанту належить також аналіз та теоретичне узагальнення даних, накопичених в результаті проведених досліджень, та участь у написанні статей. У роботах 1 та 10 наведеного нижче списку опублікованих праць за темою дисертації внесок здобувача визначався проведенням порівняльних досліджень виникнення ефекту сонолюмінесценції та густини дислокацій у кристалі (робота 1), постановкою сонолюмінесцентних дослідів та участю у їх інтерпретації у порівнянні з результатами вивчення акустичної емісії (робота 10), участю у написанні статей.

Апробація результатів дисертації. Основні результати, викладені в дисертації доповідались на конференціях: 4-ій Всесоюзній школі-семінарі “Поверхностные волны в твердых телах” (Новосибірськ, 1982), 5-ій Всесоюзній нараді “Физика и техническое применение полупроводников А2В6” (Вильнюс, 1983), 12-ій, 13-ій, 14-ій та 15-ій Всесоюзній конференції з акустоелектроніки та фізичної акустики (Саратов, 1983, Чернівці, 1986, Кишинів, 1989 та Ленінград, 1991), 3-му Всесоюзному семінарі “Оптическое детектирование магнитных резонансов в твердых телах” (Київ, 1985), 10-му та 11-му Міжнародному симпозіумі з механоемісії та механохімії твердих тіл (Москва, 1986, Чернігів, 1990), 12-ій Всесоюзній конференції з фізики напівпровідників (Київ, 1990), 11-ій Всесоюзній акустичній конференції (Москва, 1991), 20-ій та 22-ій Міжнародній конференції з фізики напівпровідників (Салоніки, Греція, 1990 та Ванкувер, Канада, 1994), Всесвітньому конгресі з ультразвуку (Берлін, Германія, 1995), 2-му та 3-му Симпозіумах з фотофізики кондесованого стану (Нара, Японія, 1996 та Осака, Японія, 1997), 18-ій та 19-ій Міжнародній конференції з дефектів у напівпровідниках (Сендай, Японія, 1995 та Авієро, Португалія, 1997), 7-ій Європейській конференції з методів аналізу поверхонь та границь поділу (Гетеборг, Швеція, 1997).

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи опубліковані у 31 статті та двох збірниках трудів (Proceedings) конференцій.

Структура дисертації. Дисертація складається із вступу, 6 розділів, висновків та списку використаних джерел у кількості 225 найменувань. Загальний обсяг дисертації становить 265 сторінок, у тому числі 106 рисунків на 93 сторінках та 2 таблиці.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтована актуальність теми дисертації, сформульована мета і задачі дослідження, визначена наукова новизна і практичне значення одержаних результатів, наведено інформацію про апробацію результатів дисертації та особистий внесок автора.

У першому розділі стисло поданий аналіз сучасних теоретичних уявлень про процес генерації дефектів структури твердих тіл ультразвуком. Підкреслено, що визначальним у цьому процесі є переповзання сходинок на дислокаціях. Якщо у кристалі поширюється УЗ хвиля з амплітудою акустичних зміщень і частотою , то вільні дислокаційні сегменти починають вигинатися відповідно збільшенню доти, поки тягнучі сили з боку сегменту не стануть достатніми для подолання сходинкою потенціального рельєфу. При цьому гранична умова для руху сходинки з утворенням вакансій (тобто поріг ) задовольняється раніше відповідної умови для руху сходинки з утворенням міжвузельних атомів (тобто поріг ). Значення амплітуди ультразвуку відповідає порогу виникнення таких явищ, як сонолюмінесценція та акустофотопровідність кристалів, які аналізуються у наступних розділах. Ця порогова амплітуда для різних досліджених зразків відповідає інтенсивності ультразвуку 0,31 Вт/см2 в кристалах ZnS, 47 Вт/см2 в Si, 0,51 Вт/см2 в GaAs.

В рамках наведеного теоретичного підходу проаналізована експериментальна залежність дислокаційного затухання УЗ від амплітуди ультразвуку. Коли амплітуда акустичної деформації достатня тільки для утворення вакансій (при ), вони можуть виступати додатковими слабкими центрами закріплення дислокацій і коефіцієнт поглинання УЗ хвилі падає. При напругах, достатньо високих для переходу сходинки у коливальний режим (тобто при ), поглинання УЗ визначається втратами енергії на створення точкових дефектів і зростає із збільшенням А. Подальше збільшення акустичної деформації може активувати джерела Франка-Ріда, а також додаткові площини ковзання дислокацій. Це приводить до нових порогових особливостей в амплітудній залежності поглинання УЗ. Саме така залежність затухання ультразвуку спостерігається експериментально в кристалах ZnS та NaCl - воно спочатку залишається незмінним з ростом А, потім дещо зменшується і, нарешті, при досягненні порогової величини , що відповідає теоретичному порогу , різко зростає.

Представлені методики збудження ультразвукових хвиль в експериментальних зразках, що використовуються в роботі. Подані методи визначення параметрів акустичних хвиль (інтенсивність, амплітуда механічної напруги) в умовах експерименту.

Розглянутий ефект довгохвильового зсуву краю оптичного пропускання кристалів ZnS при дії ультразвуку. Найбільша величина зсуву (десятки меВ) спостерігається при надпорогових амплітудах ультразвуку . Теоретично і експериментально проаналізований вплив на положення краю пропускання (1) теплової дії УЗ навантаження, (2) механічної деформації і (3) п'єзоелектричних полів, що супроводжують ультразвукові хвилі в кристалах, (4) електричних полів дислокацій, що рухаються у полі ультразвуку, та (5) генерованих УЗ навантаженням точкових дефектів. Показано, що домінуючий внесок у довгохвильовий зсув краю оптичного пропускання при робить зменшення ефективної ширини забороненої зони кристалу у електричному полі заряджених точкових дефектів, генерованих ультразвуком надпорогової амплітуди. Максимальна концентрація генерованих ультразвуком заряджених точкових дефектів, визначена із довгохвильового зсуву краю оптичного пропускання, складає у кристалах ZnS 1018 см-3 при А 2Ап для ультразвукових хвиль з частотою = 2 МГц. Такий вплив ультразвуку на ефективну ширину забороненої зони повинен враховуватись при розрахунках енергії електронних переходів, що формують оптичні спектри твердих тіл при УЗ навантаженні.

У другому розділі представлені результати досліджень із зміни електропровідності кристалів ZnS та Si при УЗ навантаженні - ефекту акустопровідності. Експериментально зареєстровано збільшення провідності зразків під дією ультразвуку, причому значний ефект УЗ впливу спостерігається при , тобто при амплітуді УЗ навантаження, що перевищує порогову для генерації дефектів. Представлений аналіз свідчить, що ефект надпорогового ультразвуку на провідність зразка неможливо пояснити в рамках відомих механізмів акустопровідності - домішкової, стрибкової, -акустопровідності, виродженням електронного газу в полі ультразвуку. Зроблено припущення, що різке зростання електропровідності при обумовлено генерацією ультразвуком мілких донорів, наприклад, іонів цинку в міжвузіллі . Таке припущення підтверджується аналізом впливу ультразвуку на спектральні залежності фотолюмінесценції (ФЛ) та фотопровідності.

У спектрах ФЛ зразків ZnS при УЗ навантаженні (тобто, спектрах акустофотолюмінесценції) зареєстровані суттєві зміни при амплітудах . Зокрема, у цих спектрах проявляється індукована УЗ смуга з максимумом на 466 нм, яка характерна для зразків із міжвузельним цинком.

Повідомляється про спостереження нового ефекту - акустофотопровідності (АФП) твердих тіл. Він полягає у появі нових смуг у спектрі фотопровідності (ФП) при дії ультразвуку надпорогової амплітуди. Так, в спектрах АФП Si проявляється сходинка в області 1,291,4 мкм, а в спектрах АФП GaAs під дією УЗ з’являється додаткова смуга в області 1,31,55 мкм. Аналіз свідчить, що ці смуги можуть бути зв'язані з власними дефектами структури кристалів кремнію і арсеніду галію. Для більш детального аналізу розглянемо дані на рис. 1 і 2 для кристалів ZnS. Спектр фотопровідності зразків (пунктирні лінії) характеризується слабкою смугою, розташованою між 2,5 та 3,0 еВ, яка зв'язується у літературі з вакансіями сірки. При малих, допорогових, амплітудах УЗ навантаження фіксувалися лише незначні зміни цих спектрів ФП. При надпорогових амплітудах спектр фотопровідності суттєво змінюється – суцільні лінії на рис. 1 і 2. Аналізуючи дані на рис. 1, видно, що УЗ навантаження індукує нові смуги АФП на 3,25 та 3,52 еВ, значно підсилюючи смугу ФП біля 2,9 еВ. Ці спектральні зміни зникають після виключення УЗ навантаження. Розрахунки показали, що індуковані ультразвуком спектральні смуги можна зв'язати з комплексами власних точкових дефектів, які включають вакансію сірки та міжвузельний цинк . У кулонівському наближенні рівні енергії цього комплексу визначаються формулою

, (1)

де = 2,9 еВ нижче дна зони провідності є глибиною залягання ізольованої вакансії , а відповідає набору відстаней між та у різних координаційних сферах еквідистантних пар дефектів. Енергія електронних переходів у спектрах АФП розраховувалась за формулою

, (2)

де враховано поправку на ефективне звуження забороненої зони внаслідок дії ультразвуку з максимальним значенням 0,02 еВ. Порівняння розрахункових значень енергії переходів (стрілки на рис. 1 і 2) та експериментально спостережуваних піків у смугах АФП на рис. 1 і 2 виявляють їх добру відповідність один одному.

Додатково, методом нестаціонарної спектроскопії глибоких рівнів проаналізований вплив УЗ навантаження на коефіцієнти теплової емісії електронів з глибоких донорних рівнів домішок Se і Te у кремнії. Зареєстроване збільшення цих коефіцієнтів, що пов'язано із зменшенням енергії іонізації центрів у полі ультразвуку.

В рамках моделі гармонічного осцилятора розглянуті зміни діелектричної сталої при дії ультразвуку. Показано, що зміни енергії іонізації центрів у полі ультразвуку, а також зміна концентрації та заселеності центрів внаслідок іх генерації та перезарядки ультразвуком ведуть до появи піків у акустично збуреному спектрі відбиття, зв'язаних з даними центрами. Таким методом у кристалах GaAs ідентифіковано рівні Te та Si з глибиною залягання відповідно 29 меВ та 37 меВ в забороненій зоні.

Методами збуреного ультразвуком відбиття та пропускання світла ідентифіковані два рівні вакансії As у епітаксійному шарі GaAs. Проведені досліди дозволяють зробити висновок, що зареєстровані центри можуть бути локалізовані поблизу границі поділу підкладка GaAs/епітаксійний шар GaAs. Цей дефект може перебувати у двох зарядових станах з глибиною залягання в забороненій зоні у межах 5467 меВ та 8090 меВ, причому точне енергетичне положення рівня змінюється із зміною зарядового стану границі поділу.

Зареєстрована суттєва різниця у впливі ультразвукового навантаження на два піки спектру нестаціонарної спектроскопії глибоких рівнів для гетеропереходу SiGe/Si, обумовлена різним розподілом відповідних центрів всередині зразка. Отримані дані свідчать про те, що енергетичний рівень з енергією активації біля 0,4 еВ зв’язаний з локальними центрами, переважно розташованими поблизу границі поділу. Представлені результати дозволяють зробити висновок, що дослідження дефектів, локалізованих на границі поділу напівпровідникова підкладка/тонкий шар, можливе новими методиками, заснованими на навантаженні зразка ультразвуком.

У третьому розділі представлені результати перших досліджень порогового впливу ультразвуку на пікосекундну кінетику релаксації фотозбуджених носіїв у монокристалах CdS та квантових ямах ZnS/ZnSe. Аналіз проводиться шляхом порівняльних досліджень впливу УЗ навантаження на інтегровані у часі спектри фотолюмінесценції, кінетику ФЛ у пікосекундному діапазоні, спектри оптичного пропускання та резонансного комбінаційного розсіювання світла. При дослідженні пластин CdS ультразвук вводився у зразки за рахунок власного п'єзоефекту сульфіду кадмію при прикладанні високочастотної напруги V до металевих електродів, нанесених на поверхню зразка. Час релаксації лінії ФЛ екситону I1 у кристалі CdS (час життя екситону) як функцію амплітуди УЗ навантаження представлено на рис. 3 (a). Видно, що час релаксації спочатку збільшується при УЗ навантаженні з амплітудою V < 63 В. При подальшому рості амплітуди, в області 63 В < V < 70 В, спостерігається різке падіння часу релаксації. У той же час, інтегральна інтенсивність ФЛ залишається практично незмінною у досліджуваній області амплітуд УЗ навантаження - рис. 3 (b). Отже, внесок процесів безвипромінювальної рекомбінації у зміну часу життя екситонів, представлену на рис. 3 (a), є малим.

Проведений аналіз інтегральних спектрів ФЛ екситону I1 та крайового випромінювання у донорно-акцепторних парах на 518 нм у CdS при дії УЗ навантаження дозволив припустити, що визначальним у зміні часу життя на рис. 3 (а) є дія електричних полів, індукованих УЗ навантаженням. Для оцінки величини полів аналізувався вплив УЗ навантаження на край поглинання пластини CdS. Дослідження низькоенергетичного зсуву краю в залежності від напруги V дозволило ввести шкалу напруженостей електричного поля на рис. 3 (нижня шкала). В рамках запропонованого підходу проаналізований час життя зв'язаних екситонів у відомому з літературних даних вигляді

, (3)

де - область локалізації хвильової функції екситону, захопленого короткодіючим потенціалом (наприклад, потенціалом домішкового атому), а характеризує перекриття хвильових функцій електрону та дірки. Показано, що збільшення часу життя екситонів (ділянка ab на рис. 3) можна пояснити зменшенням у електричному полі, генерованому ультразвуком. Зменшення на ділянці bd пояснюється збуренням кристалічного оточення зв'язаного екситону ультразвуком із збільшенням у формулі (3).

Пряме підтвердження збурення кристалічного оточення одержано при аналізі спектрів резонансного комбінаційного розсіювання (КР) у тих самих зразках при дії УЗ навантаження (рис. 4). У застосованій геометрії розсіювання правилами відбору дозволений лише LO фонон Е1 (спектр а на рис. 4). Спектр КР слабо змінюється при малих амплітудах УЗ навантаження [ліворуч від стрілки b на рис. 3 (а)] - спектр b на рис. 4. При подальшому збільшенні амплітуди V вище цього порогу спостерігаються суттєві зміни спектру КР [спектри c та d на рис. 4]. По-перше, інтенсивність лінії Е1 збільшується (приблизно у 2 рази у спектрі d). По-друге, у спектрах c та d з’являється лінія фонону А1, нормально заборонена правилами відбору для хвильового вектору. Аналіз показує, що збільшення інтенсивності лінії Е1 на рис. 4 може бути пояснене збільшенням параметру у рівнянні (3). Поява ж нормально забороненого фонону А1 зв’язана із зняттям правила відбору при локальному збуренні навколишнього оточення екситону. Одним з можливих механізмів такого збурення є рух дислокацій у полі ультразвуку.

Дослідженнями впливу ультразвуку на кінетику ФЛ у квантових ямах ZnSe/ZnS (прошарки ZnSe товщиною 3, 5 та 7 атомних моношарів) встановлено, що УЗ навантаження викликає скорочення швидкої компоненти релаксації ФЛ [швидкий спад суцільної кривої релаксації ФЛ ліворуч від стрілок на рис. 5 (а) та (b) у порівнянні з точковими кривими]. Одночасно спостерігається відносне зростання неекспоненційної довгочасової компоненти ФЛ [частина кривої релаксації ФЛ праворуч від стрілок на рис. 5 (а) та (b)]. Показано, що визначальними для пояснення знайдених закономірностей є декілька моментів.

(1) У відсутності УЗ навантаження лінія ФЛ може формуватися з компонентів, що відповідають локалізованим та делокалізованим екситонним станам. Перші з них формують низькоенергетичний бік лінії випромінювання, а другі визначають високоенергетичну частину спектру ФЛ. Час життя делокалізованих екситонів має вигляд

, (4)

де - енергія зв’язку екситону, - дипольний матричний елемент, що відповідає валентній зоні та зоні провідності, - довжина когерентності екситону, що визначається процесами його розсіювання. При цьому просторова когерентність локалізованих екситонів обмежена довжиною , яка визначається випадковим розподілом неоднорідностей границі поділу, що й формують локалізовані стани. Завдяки цьому для делокалізованих екситонів значення у рівнянні (4) має бути замінено більш довгим часом життя, що визначається зменшеною величиною . Існування неекспоненційних компонент на кривих релаксації ФЛ на рис. 5 (a) та (b) може бути обумовлено релаксацією екситонів шляхом просторової дифузії в межах площини квантової ями.

(2) При збільшенні амплітуди ультразвуку вище деякого порогового значення локалізовані екситони можуть бути переведені у рухливі стани або просторово відокремлені індивідуальні електрони завдяки їх іонізації у електричному полі УЗ хвилі.

(3) Внаслідок дифузії та дії електричного поля бігучої УЗ хвилі ці рухливі екситони та носії заряду здатні рухатись у площині квантової ями, збільшуючи неекспоненційну довгочасову компоненту релаксації ФЛ, як це видно на рис. 5. При цьому вони можуть перезахоплюватись у локалізовані екситонні стани з більш низькою енергією. Це означає збільшення середнього значення енергії зв’язку в рівнянні (4) із відповідним зменшенням , що й спостерігається на рис. 5.

(4) Суттєвим є те, що форма ліній інтегральних спектрів ФЛ залишається практично незалежною від амплітуди ультразвуку. У той же час енергетичне положення піків ФЛ для різних зразків характеризується низькоенергетичним зсувом 10 меВ із збільшенням амплітуди навантаження. Це означає, що випромінювальна рекомбінація у досліджуваних зразках переважно відбувається зі станів локалізованих екситонів, а форма спектрів ФЛ відбиває розподіл екситонів з різними енергіями локалізації. Дійсно, якщо випромінювання складалося б з відповідних внесків локалізованих, делокалізованих екситонів, а також вільних електронів та дірок, слід було б очікувати перебудову спектрів ФЛ у бік більших енергій під дією УЗ навантаження, що протирічить експериментальним даним.

У четвертому розділі повідомляється про новий ефект порогової акусто-дислокаційної екзоемісії електронів з поверхні кристалів ZnS у вакуумі, індукованої ультразвуком (АЕЕ). Експериментально зареєстрована спектральна залежність величини емітованого заряду, яка може бути співставлена із зміною заряду дислокацій при освітленні зразка. Це ілюструється на рис. 6 та 7. Із спектру на рис. 6 було визначене енергетичне положення у забороненій зоні ZnS дислокаційних підзон енергії D1 та D2 (рис. 7), що формуються рухомими дислокаціями. Фотозбудження електронів з підзон D1 та D2 у зону провідності (переходи 1 і 2 на рис. 7) приводить до зменшення величини АЕЕ (стрілки 1 і 2 на рис. 6) і зростанню провідності зразка з появою відповідних смуг D1 та D2 у спектрі АФП на рис. 2. Ці смуги АФП характеризуються значними флуктуаціями струму. Перенос заряду при русі дислокацій у полі УЗ призводить до флуктуацій струму тоді, коли електрони (або дірки) переводяться у зону провідності (або валентну) при освітленні зразка. Це обумовлено хаотичним процесом виносу заряду дислокацією на поверхню внаслідок стрибкового характеру руху дислокацій при УЗ навантаженні та раптової зміни заряду самих дислокацій при взаємодії з оточуючими рухому дислокацію точковими дефектами. Навпаки, освітлення зразка інфрачервоним світлом із збудженням електронів у дислокаційні підзони D1 та D2 (переходи 3 і 4 на рис. 7) приводить до збільшення величини АЕЕ (стрілки 3 і 4 на рис. 6). Теоретичні оцінки глибини залягання у забороненій зоні ZnS рівнів, зв'язаних з дислокаціями, що рухаються у полі ультразвуку, були проведені в рамках динамічної теорії заряду дислокацій. Вони показали добру відповідність оцінених значень з експериментально визначеним енергетичним положенням підзон D1 та D2.

Спостереженнями впливу УЗ на спектри ЕПР іонів Cr+ та Mn2+ у кристалах ZnS показано, що ультразвук іонізує ці глибокі центри. Ефект іонізації обумовлений електронним обміном між локальними центрами та дислокаціями, що рухаються у полі ультразвуку. При цьому величина ефекту іонізації іонів Cr+ змінюється із зміною довжини хвилі підсвітки зразка. Показано, що така залежність може бути пояснена зміною ймовірності електронного обміну між рухомими дислокаціями та локальними центрами при фотозбудженні електронів з дислокаційних енергетичних станів. Зменшення заряду дислокацій при фотозбудженні електронів з неї збільшує ймовірність захоплення електронів з центрів Cr+ дислокацією, що приводить до збільшення ефекту впливу ультразвуку на глибокі центри Cr+.

У п'ятому розділі повідомляється про перше спостереження ефекту сонолюмінесценції гранульованого середовища. Модельним гранульованим середовищем були обрані суміші частинок ZnS:Mn та нелегованого ZnS з розмірами зерен біля 3 мкм. При підвищенні амплітуди УЗ навантаження вище деякої порогової величини спостерігалась люмінесценція суміші. Для аналізу ефекту СЛ принциповим є два моменти.

По-перше, відмінність спектрів СЛ та ФЛ на рис. 8 (а) та (b). Так, жовта смуга іону Mn2+ у спектрі ФЛ ZnS:Mn, розташована поблизу 585 нм [спектр 1 на рис. 8 (b)], та блакитна смуга самоактивованої ФЛ на 450 нм у чистому ZnS [спектр 2 на рис. 8 (b)], обумовлена вакансіями цинку, відсутні у спектрах СЛ цих зразків на рис. 8 (а). Це спостереження дозволяє припустити, що центри випромінювання СЛ та ФЛ різні. В роботі показано, що спектри СЛ можуть формуватися при рекомбінації електронів і дірок через стани дефектів, локалізовані у приповерхневій області зерна. При цьому досить велика ширина спектрів СЛ на рис. 8 передбачає вплив значних електричних полів на процеси випромінювальної рекомбінації. Припущено, що існування цих полів може бути зв'язане із зарядженими дислокаціями поблизу поверхні зерен.

По-друге, розподіл інтенсивності СЛ по поверхні випромінюючого порошку є вкрай неоднорідним, що зв'язується з утворенням областей підвищеної густини пакування (частинкових агломератів) під дією УЗ навантаження. Це спостереження дозволило співвіднести ефект сонолюмінесценції з динамікою поведінки суміші при ультразвуковому навантаженні. У запропонованій в роботі моделі інтенсивність сонолюмінесценції визначається передусім швидкістю частинок середовища v та відстанню між частинками згідно

, (5)

де - густина частинок у суміші, а і - радіус і маса частинки. У контексті такого представлення поріг СЛ може бути віднесений до порогової швидкості , що набуває частинка при УЗ навантаженні. Співвідносячи швидкість частинок з амплітудою УЗ навантаження, одержимо лінійну амплітудну залежність інтенсивності СЛ у координатах від з нахилом, що визначається величиною згідно (5). Саме така залежність має місце експериментально (рис. 9), так що зміна нахилу при зміні V або початкової густини пакування мікрочастинок (зв'язаної із ) дозволяє відтворити зміну густини пакування у суміші.

Виходячи з цих даних, запропонована нова методика вивчення ефектів пакування мікрочастинок. Вона базується на реєстрації розподілу інтенсивності сонолюмінесценції по поверхні гранульованого середовища. Метод дозволяє отримати кількісні характеристики ефекту пакування, такі як густина пакування, градієнти густини частинок, розподіл швидкості частинок в області пакування, часи релаксації агломератів мікрочастинок при знятті зовнішнього навантаження.

У шостому розділі розглядаються основи методу диференціальної оптичної спектроскопії при ультразвуковому навантаженні, засновані на реєстрації різницевих оптичних спектрів при УЗ навантаженні та у його відсутності. Проаналізовані головні фактори зміни діелектричних сталих при дії надпорогового УЗ навантаження - зміна електропровідності зразка, збільшення концентрації точкових дефектів та вплив УЗ навантаження на міжатомну відстань. В рамках такого підходу одержана величина відносної зміни коефіцієнту відбиття світла від амплітуди ультразвуку у вигляді

(6)

де , -деякі коефіцієнти, - стала Больцмана, Т - температура. Експериментальні виміри диференціальних спектрів відбиття GaAs свідчать, що із збільшенням амплітуди УЗ навантаження дійсно спостерігається нелінійне збільшення сигналу .

Показана можливість ідентифікації комплексів дефектів у CdS, генерованих надпороговим ультразвуком, методом диференціального пропускання світла. Цим методом ідентифікована група рівнів у забороненій зоні CdS, що включає міжвузельний кадмій та вакансію сірки . Спостерігалося збільшення прозорості кристалів CdS при навантаженні ультразвуком, яке досягає 20% при інтенсивностях навантаження, що не перевищують 0,5 Вт/см2. У чистих тонких пластинах цей ефект, найбільш ймовірно, визначається зменшенням показника заломлення . У кристалах із відносно великою концентрацією дефектів внесок у збільшення прозорості, крім зміни , вносять також ефекти іонізації і перезарядки дефектів та їх комплексів під дією ультразвуку.

Показано, що ефект порогового збільшення прозорості кристалів KBr при ультразвуковому навантаженні відповідає ультразвуковому відпалу точкових дефектів, присутніх у зразку. Відповідна порогова амплітуда ультразвуку приблизно у 2 рази перевищує поріг виникнення сонолюмінесценції досліджуваних зразків. Можна припустити, що ефект збільшення прозорості обумовлений стимульованою ультразвуком міграцією дефектів і переважає при достатньо великих амплітудах ультразвукового навантаження.

ВИСНОВКИ

1.

1.

1.

1.

1.

3.

4.

5.

5.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1.

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.

11.

12.

13.

14.

15.