Диссертация (1097819), страница 12
Текст из файла (страница 12)
В спектрах люминесценции дифосфидов кадмия наблюдаются линии излучения свободных экситонов и экситоновсвязанных на центрах , и (рис. 1.35).Тонкая структура спектров излучения кристаллов 2 при температуре4.2 К была исследована в работе [4]. В спектрах было обнаружено две интенсивные линии излучения обусловленные бесфононными линиями связанных экси-66Рисунок 1.36: А, В - Спектры люминесценции кристалловлюминесценции10 , 202 − прив поляризованном свете при24.2К, -максимумыК.тонов.
Эти линии расщеплены на 0.4 эВ. При более низких энергиях были обнаружены три слабые линии излучения приписанные запрещенным бесфононнымпереходам. Бесфононные переходы можно представить моделью, в которой экситон, состоящий из электрона со спином 1/2 и дырки со спином 3/2, связан нацентре с аксиальной симметрией и спин — орбитальное расщепление больше,чем расщепление, обусловленное кристаллическим полем.
Более поздние исследования этих кристаллов показали, что центр на котором связан экситон 10 ,20 обусловлен примесью .На кристаллах легированных марганцемвболеенаблюдаетсясериякоротковолновойлинийобласти(рис. 1.37). Безфононными линиямисвязанного экситона являются линии01 (2.1417 эВ), 02 (2.1414 эВ), 03(2.1411 эВ) и 04 (2.1409 эВ). Линии излучения 1 (2.1353 эВ), 2 (2.1347 эВ),Рисунок 1.37: Спектры излучения кристалловлегированных марганцем.23 (2.1341 эВ) и 4 (2.1336 эВ), а такжелинии 1 ˘4 являются фононными67повторениями безфононных линий экситона, связанного на примеси марганца.Линии фононных повторений отстоят от безфононных линий, связанного намарганце экситона, на расстоянии (6.4 − 7.3) мэВ, что совпадает с минимальной энергией оптических фононов, определенных по рамановскому рассеяниюи ИК спектрам отражения [4].
Между безфононными линиями и линиямифононных повторений наблюдаются более слабые линии излучения связанныес запрещенными переходами. Энергетическая диаграмма, поясняющая линиисвязанного экситона на марганце, представлена на рис. 1.38.Выводы: Спектры люминесценциикристаллов дифосфида кадмия тетрагональной модификации легированных , , описываются разрешенными и запрещенными рекомбинационными переходами в модели уровней аксиального центра. Суперпозиция люминесценции свободных и связанных экситоновРисунок 1.38: Энергетическая диаграммаусиливают линии излучения обусловлен-уровней разрешенных и запрещенных переходовных запрещенными рекомбинационнымимарганца.экситонов в2связанных на примесяхпереходами связанных экситонов на аксиальном центре.
Усиление излучения суровней запрещенных переходов связанных экситонов происходит при совпадении энергии фонона с энергией запрещенного перехода связанного экситона.1.6Спектры излучения свободных и связанных экситонов в2 (48 ).Оптические свойства тетрагонального дифосфида цинка исследовались вомногих работах, где установлен непрямой характер минимального энергетического зазора и определены величины и энергий участвующих в переходефононов [4, 61, 63, 65, 70–73]. В спектрах пропускания при температуре 2 К вполяризациях ‖ и ⊥ видна ярко выраженная ступенчатая структура.
Краевое поглощение хорошо описываются теоретической зависимостью(ℎ) для разрешенных непрямых переходов. Пороговое значение бесфонон-68ного непрямого перехода в экситонную зону 1 равно 2.21 эВ. В этой областинаблюдаются ступеньки обусловленные эмиссией фононов. В области высокихкоэффициентов поглощения наблюдаются прямые разрешенные переходы. Минимальный прямой энергетический междузонный интервал Π при 2 К равен2.40 эВ [4, 72, 73].На рис.
1.39 показаны спектры фотолюминесценции нелегированных и легированных марганцем кристаллов 2 (48 ) при 10 К в области начала краевого поглощения. При энергии 2.2085 эВ обнаружен слабый пик люминесценции, который обусловлен излучением с уровня свободного экситона. Особен-ности 1 · · · 10 в спектрах люминесценции обусловлены излучением фононовпри аннигиляции свободного экситона. Полосы отстоят от энергии свобод= 2.2085 эВ на величину энергии оптических фононов, т.е.ного экситона являются фононными повторениями свободного экситона (табл.1.5) [64, 74–77].В спектрах люминесценции в кристаллах 2 (48 ) во многих работах отмечены оптические переходы с участием фононов [61, 63, 69].В спектрах люминесценциикристаллов 2 (48 ) легированных обнаруживаютсяузкие линии 1 · · · 5 и более слабые линии 1 · · · 10. Полосы излучения являются фононными повторениями линииизлучения свободного экситона.Эти полосы наблюдаются одновременно с узкими линиямиизлучения 1 − 5 экситоновРисунок 1.39: Cпектры излучения нелегированных (а) илегированных(b) кристаллов2 (48 )при10К.связанных на центре примесныхатомов .
Бесфононые линииизлучения связанного экситона 1 (2.1951 эВ), 1 (2.1944 эВ), 1 (2.1928 эВ),1 (2.1927 эВ) и 1 (2.1898 эВ), видны в виде узких линий. Полосы являются на два порядка более слабыми и имеют практически на порядок большую69Таблица 1.5: Энергии разрешенных непрямых переходов в экситонную зону кристалловспектрам поглощения и люминесценции при10Люминесценция⊥ЭнергияФононнаяпика, эВэнергия, мэВ1231232.20852.21809.52.221012.52.223815.3пикпоК.Поглощение‖пик2 (48 )без поляризацииЭнергияФононнаяпикпика, эВэнергия, мэВ2.20851234562.20028.32.197511.02.194114.42.193714.82.191317.22.190018.02.20852.21688.32.220411.92.223214.7Фононнаяэнергия, мэВполуширину, чем линии1 · · · 5 . Эти два вида линий и 1 · · · 5 излучательной рекомбинации наблюдаются одновременно при одних и тех же условияхв одном и том же энергетическом интервале (рис.
1.39).Известно, что при термодинамическом равновесии и в предположении отсутствия вырождения скорость излучательной рекомбинации связана с коэффициентом поглощения соотношением [78]:83 = 2 3ℎ∫︁∞2 2 · , −1(1.7)0где — константа Больцмана, — скорость света, ℎ — константа Планка, — температура, — концентрация носителей заряда, — коэффициент поглощения, =ℎ .Из этого выражения следует, что в рекомбинации участвуютте же переходы, которые формируют коэффициент поглощения.Спектральное распределение поглощения для непрямых переходов в экситонную зону с поглощением и эмиссией фононов имеет вид(ℎ) = (ℎ − + 1 + 1 )21 + (ℎ − − 1 + 1 )2−1 (ℎ − + 2 + 1 )21 ′+2 −1+1− (ℎ − − 2 + 1 )2′+1−2 .
(1.8)Первые два слагаемых определяют непрямые переходы с поглощением и эмиссией фонона 1 в экситонную зону 1 , а последние два слагаемых определяют непрямые переходы с поглощением и эмиссией фонона 2 в экситонную70зону 2 . Выражение (1.8) показывает, что возможны оба перехода одновременно в экситонные зоны 1 и 2 соответственно при условии, что(1.9)1 = 1 − 2 + 2 .При этом непрямые переходы с поглощением фононов определяются следующими слагаемыми:(ℎ) = 1 (ℎ) + 1 (ℎ) = (ℎ − + 1 + 1 )21 +′ (ℎ − + 2 + 1 )2−12 . (1.10)−1Поглощение, описываемое обоими слагаемыми, представляет собой два независимых процесса происходящих в первую и вторую экситонные зоны соответственно.
Поглощение с эмиссией двух и более фононов в одну экситонную зонуописывается выражением (ℎ) = (ℎ − + 1 + 1 )21 +′ (ℎ − + 2 + 1 )2−12 +... (1.11)−1В кристалле 2 (48 ), как известно, в элементарной ячейке большое количество ( = 24) атомов [79], что обусловливает большое количество колебательных мод разной симметрии [61,63,69,74–76,80,81] в широкой области энергий.
Вкристаллах 2 (48 ) при температуре 10 К энергетическое расстояние междууровнем свободного 1 и связанного 01 2 экситонов равно 13.3 мэВ, а оптические фононы достигают величины энергии 59.5 мэВ. Следовательно, условию (1.9) удовлетворяют экситонные уровни связанного (0 ) и свободного экситона и процесс рекомбинационного излучения происходит одновременно с двухцентров. Излучение обусловленное аннигиляцией свободных экситонов приводит к появлению ряда полос в длинноволновой области от (2.2085 эВ) наэнергетическом расстоянии равном энергии оптических фононов.На рис. 1.40 показана энергетическая диаграмма уровней экситона связанного на аксиальном центре. Узкие линии 01 · · · 05 обусловлены безфононнымилиниями экситона, связанного на аксиальном центре [65,73].
Экситон состоящийиз электрона со спином12и дырки со спином32связанный на центре с аксиаль-71Рисунок 1.40: Уровни электронных переходов экситонов связанных на аксиальном центрев кристаллах2 (48 ).ной симметрий формирует с уровня (состояния) = 1 два уровня Σ и Π [64,82].Состояние = 2 под действием аксиального поля и спин-орбитального взаимодействия расщепляется на три уровня Σ, Π и Δ. Энергетическое расстояниемежду Σ(Π) − Δ определяет величину расщепления уровней из — за спин —орбитального взаимодействия Δ .
В этой модели величина расщепления из —за спин — орбитального взаимодействия может быть больше или меньше, чемвеличина расщепления из — за кристаллического поля. В этой группе линий01 · · · 05 наиболее интенсивными линиями являются 03 и 04 . Следовательно, линии излучения 03 и 04 обусловлены разрешенными переходами из зонсимметрии Σ и Π ( = 1) в основное состояние, соответственно.
Эти линии расщеплены на малую величину 0.1 мэВ (рис. 1.39, 1.40). Линии излучения 01 и02 расщеплены на 0.75 мэВ и по интенсивности являются более слабыми, чемлинии 03 и 04 . Линии 01 и 02 обусловлены переходами с уровней Σ и Π запрещенного состояния связанного экситона. Эти уровни расщеплены кристаллическим аксиальным полем центра на котором связан экситон.
Энергетическийинтервал между Σ − Σ уровнями равен 2.2 мэВ. Полученная интенсивностьлиний люминесценции и их энергетическое положение свидетельствует, что величина спин-орбитального расщепления больше, чем величины расщепления из— за кристаллического поля. В модели переходов экситонов связанных на ак-72Рисунок 1.41: Фрагменты наиболее интенсивных линий люминесценции прилегированных(кривая е),(кривая f ),(кривая в),10К кристаллов2 (48 )(кривые а и b).сиальном центре должно наблюдаться две интенсивные линии излучения какразрешенные. Эти линии должны обнаруживаться в коротковолновой области.Линии люминесценции, обусловленные переходами с уровней, с которых переходы запрещены правилами отбора, могут проявиться, как слабые по интенсивности линии. Ситуация может измениться если энергия фонона излучаемаякристаллом в результате аннигиляции свободного экситона в спектрах люминесценции соответствует энергии излучения запрещенного перехода связанного экситона.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
