Вплив домішок 3d-елементів на структурні, оптичні та магнітні властивості об'ємних кристалів і тонких плівок напівпровідників АIIB VI

Abstract

Роботу присвячено дослідженню впливу легування домішками 3d-елементів перехідних металів на структуру, фазовий склад, оптичні та магнітні властивості об’ємних кристалів CdTe і плівок CdTe та ZnO. Модифіковано технологічні процеси синтезу шихти та вирощування з неї кристалів телуриду кадмію методом фізичного транспорту через парову фазу, що дозволило надійно отримувати сильнолеговані хромом монокристали CdTe. Здійснено імплантацію монокристалічних зразків CdTe високими флюенсами іонів Cr+з енергією 500 кеВ, що дало змогу одержати приповерхневі шари, насичені легуючою домішкою. Експериментально встановлено оптимальні технологічні способи та термодинамічні умови для отримання тонких плівок CdTe та ZnO з вбудованими в їх кристалічну ґратку іонами Mn2+, Cr2+, Co2+ та Ni2+ методами імпульсної лазерної абляції та іонно-плазмового напилення на підкладках різного типу. Визначено граничну рівноважну розчинність Cr у CdTe під час вирощування кристалів із парової фази. Встановлено, що перевищення цієї межі призводить до фазового розшарування кристалографічного типу та формування упорядкованої системи квазідвовимірних преципітатів моноклинного Cr3Te4 усередині матриці CdTe у процесі післяростового охолодження кристалів. Показано, що імплантація іонами Cr+ високих флюенсів супроводжується розвитком поверхневого рельєфу та значним збільшенням шорсткості опромінених поверхонь CdTe, а також формуванням нанорозмірних преципітатів моноклінного Cr3Te4 у приповерхневій області кристалів, проте без її аморфізації. Виявлено різноманітність мікрорельєфів поверхні тонких плівок залежно від складу оксидних магніторозчинених напівпровідників та умов синтезу. Встановлено високу однорідність поверхні плівок Zn1-xMnxO на сапфірі, систему регулярних щільно розміщених нанопрутиків для плівок Zn1-xСоxO та систему регулярних конусоподібних виступів і наногранул на поверхні Zn1-xNixO. При трактуванні такого розмаїття мікрорельєфів враховано, що іони металів Mn2+, Co2+ та Ni2+ впливають на процес формування, сповільнюючи його в місцях їх знаходження та сприяючи проростанню на інших ділянках поверхні. Встановлено, що сильне легування Cr призводить до суттєвих змін механізмів оптичної екстинкції кристалів CdTe, що є наслідком перебудови системи точкових дефектів і утворення домішкових фаз. У межах теорії Бонч-Бруєвича кількісно описано розмиття урбахівського хвоста поглинання, зумовлене флуктуаційним електричним полем випадково розподілених у кристалічній ґратці CdTe заряджених точкових дефектів та визначено їх ефективну концентрацію. Показано, що в середній та далекій ІЧ-областях спектра екстинкція визначається розсіянням світла на вторинних фазах Cr3Te4, тоді як у ближній ІЧ-області додатковий внесок дає селективне поглинання, пов’язане з внутрішньоцентровими переходами замісних іонів Cr2+ , а також визначено їх концентрацію залежно від рівня легування. З’ясовано особливості спектрів поглинання тонких плівок CdTe та ZnO із впровадженими іонами 3d-елементів в області краю фундаментального поглинання, зумовлені проявом s,p–d-обмінної взаємодії. На цій основі встановлено закономірності зміни ширини забороненої зони залежно від компонентного складу тонких плівок. Показано, що магнітне впорядкування у легованих під час вирощування об’ємних кристалів CdTe:Cr та в зразках CdTe, імплантованих іонами Cr+ , переважно визначається феромагнітними нанопреципітатами Cr3Te4 за наявності внеску матриці Cd1-xCrxTe. Виявлено просторову магнітну неоднорідність цих матеріалів, а також магнітокристалічну анізотропію кристалів CdTe:Cr унаслідок наявності вторинних домішкових фаз. Встановлено феромагнітне впорядкування за кімнатної температури для тонких плівок Zn1-xCoxO та Zn1-xNixO, отриманих методом іонно-плазмового напилення. Практичне значення: Отримані в дисертаційному дослідженні результати поглиблюють розуміння фізичних процесів, пов’язаних із легуванням напівпровідників A IIB VI 3d-елементами перехідних металів, зокрема механізмів їхнього входження до кристалічної ґратки та фазового розшарування, що створює передумови для цілеспрямованого керування структурними, оптичними й магнітними властивостями цих матеріалів. Вони можуть слугувати основою для розроблення нових магніторозчинених і композитних матеріалів на основі сполук AIIB VI , перспективних для застосування у спінтроніці та наноелектроніці. Запропонований підхід, заснований на керованому преципітуванні домішок перехідних металів, може бути використаний для створення композитів із феромагнітними нанокристалами, вбудованими в напівпровідникову матрицю. Встановлені закономірності зміни оптичних властивостей кристалів CdTe і тонких плівок ZnO можуть бути використані під час розроблення оптоелектронних матеріалів, зокрема активних середовищ твердотільних лазерів середнього ІЧдіапазону, насичуваних поглиначів для пасивної модуляції добротності та світлодіодів із заданою довжиною хвилі випромінювання.