Ім'я файлу: Лаб 5.docx
Розширення: docx
Розмір: 228кб.
Дата: 17.12.2020
скачати

Міністерство освіти та науки України

ДНІПРОВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНІЙ УНІВЕРСИТЕТ імені О. Гончара

Факультет фізики, електроніки та комп’ютерних систем

Кафедра прикладної радіофізики, електроніки та наноматеріалів


ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №4



Визначення спектрів ЕПР фоточутливих парамагнітних центрів (ФПЦ) у кристалах 𝒁𝒏𝑺

Виконав

студент групи КМ-17-1

“__” _______2020р.

Бурмак К.В.

Перевірив

зав. каф. прикладної радіофізики, електроніки та наноматеріалів

“__” _______2020р. Коваленко О. В.

Дніпро

2020
Теоретична частина

При збудженні УФ-світлом кристалів 𝑍𝑛𝑆 при Т=300 К разом зі спектрами ЕПР іонів 𝑀𝑛2+ з’являється сигнал від парамагнітного центра з 𝑔-фактором, що дорівнює 1,9998±0,0005. Погляди дослідників щодо його природи неоднозначні. Так, даний центр інтерпретується як вакансія цинку, а інші дослідники зв’язують його з міжвузловим цинком. Найближчою до істини є думка, що цей центр зв’язаний із упровадженням іонів хрому в грати сульфіду цинку при вирощуванні кристала. Справедливість цієї думки підтверджується проведеними нами експериментами на монокристалах сульфіду цинку, вирощених із різною кількістю хрому. Уведення хрому збільшує інтенсивність сигналів від центра з 𝑔-фактором 1,9998±0,0005.

Число ліній тонкої і надтонкої структур (НТС) у спектрах, положення ліній та характер кутової залежності також підтверджує, що цей ізотропний центр являє собою домішковий іон хрому.

Парамагнітний стан центра виникає в результаті захоплення вільних електронів, що утворяться при УФ-опроміненні. При цьому 𝐶𝑟2+ перетворюється у 𝐶𝑟+ з електронною конфігурацією 3𝑑5.

При 77°К у спектрах ЕПР монокристалів 𝑍𝑛𝑆 додатково виявляться ще ряд неізотропних ліній поглинання при УФ-збудженні; 𝑔-фактор однієї з них 𝑔∥=2,0023±0,0005 відповідає 𝑔-фактору парамагнітного іона 𝐹𝑒3+.

Відомо, що залізо входить у грати сульфіду цинку як іон заміщення 𝐹𝑒2+ з електронною конфігурацією 3𝑑6. Перехід 𝐹𝑒2+→𝐹𝑒3+ може здійснюватися різними способами.

УФ-світло може переводити електрон з валентної зони в зону провідності (перехід 1), при цьому дірки, які утворяться у валентній зоні, захоплюються іонами 𝐹𝑒2+ (перехід 2). Можливе пряме збудження електрона з рівня 𝐹𝑒2+ у зону провідності (перехід 3), Нарешті, утворення 𝐹𝑒3+ може відбуватися більш складним шляхом: електрони вибиваються з рівня акцептора (перехід 4), а дірки, що утворяться на рівнях акцептора безупинно вивільняються у валентну зону (перехід 5) та захоплюються іонами 𝐹𝑒2+ (перехід 2).

Значення 𝑔-фактора парамагнітних електронних пасток менше, а для діркових – більше значення 𝑔-фактора вільного електрона. Отже, знак заряду ФПЦ можна установити безпосередньо за спектром ЕПР, порівнюючи 𝑔-фактори досліджуваного центра та вільного електрона (або ДФПГ).

Експериментальні дані дозволяють вважати, що 𝐶𝑟+ є електронною пасткою, а 𝐹𝑒2+ – центр дірковий.

Інтенсивність сигналу ЕПР ФПЦ залежить від довжини хвилі збудливого світла.

При кімнатній температурі максимум інтенсивності сигналу ЕПР фоточутливого сигналу 𝐶𝑟+ виявляється при збудженні УФ-світлом із довжиною хвилі 𝜆=365нм, а при довжині хвилі 𝜆=579нм сигнал зникає. Максимум інтенсивності в області збудження 𝜆=365нм при Т=300 К можна пов'язати з оптичним перекиданням електронів із домішкових акцепторних рівнів у зону провідності. Електрони на ці рівні при кімнатних температурах можуть поставлятися за рахунок теплових переходів із валентної зони. У подальшому вільні електрони захоплюються на рівні хрому. При Т=77 К, коли теплових переходів на акцепторні рівні немає, максимум збудження зміщається в короткохвильову частину спектра. Положення максимуму при 𝜆=456нм мало змінюється зі зниженням температури. Можливо, він зобов’язаний збудженню електронів із валентної зони безпосередньо на рівні 𝐶𝑟2+.

Домішкові атоми заліза та хрому звичайно входять у грати кристала сульфіду цинку, ізоелектронно заміщаючи іони 𝑍𝑛2+, тобто в двічі іонізованому вигляді: 𝐹𝑒2+ та 𝐶𝑟2+. Сигнал ЕПР від 𝐹𝑒2+- та 𝐶𝑟2+-центрів у кристалах сульфіду цинку – не спостерігається. Відомо, що заповнений електронний рівень, пов'язаний з акцепторним 𝐹𝑒2+-центром, розташований на відстані 1,1 еВ над стелею валентної зони, а 𝐶𝑟2+-центр - це іонізований донор, рівень якого розташований на глибині 0,6 еВ під дном зони провідності.

При опроміненні кристалів сульфіду цинку ультрафіолетовим світлом, близьким до краю власного поглинання, відбувається народження електрон- діркових пар з наступним захопленням дірок на 𝐹𝑒2+-центри з утворенням 𝐹𝑒3+-центрів та захопленням електронів на 𝐶𝑟2+-центри з утворенням 𝐶𝑟+-центрів.

Спектри ЕПР парамагнітних 𝐹𝑒3+- та 𝐶𝑟+-іонів, що мають електронну конфігурацію 3𝑑5, добре вивчені. Припинення УФ опромінення кристалів 𝑍𝑛𝑆−𝐹𝑒, 𝐶𝑟 призводить до зворотного перезарядження центрів заліза та хрому за рахунок термічного викиду електронів із 𝐶𝑟+-центрів у зону провідності та їхнього наступного захоплення на діркові 𝐹𝑒3+-центри. Кінетика процесу зменшення концентрації 𝐶𝑟+- та 𝐹𝑒3+-центрів однозначно визначається зменшенням інтенсивності спектрів ЕПР цих центрів.

Практична частина



Лінії ЕПР фоточутливих цетрів Сr (1 – УФ, 2 – 5 хв після УФ, 3 - 12 хв після УФ, 4 - 24 хв після УФ, 5 - 36 хв після УФ, 6 - 48 хв після УФ)



Залежність інтенсивності ліній спектра Cr-центрів від часу після вимикання УФ опромінення

Апроксимуємо отриманий графік, та отримаємо постійну часу 𝜏 = −0,023

Висновок: в ході лабораторної роботи я ознайомився з природою виникнення фоточутливих парамагнітних центрів 𝐹𝑒3+ та 𝐶𝑟+ у кристалах 𝑍𝑛𝑆. Дослідив вплив УФ-збудження на спектр ЕПР 𝐶𝑟+ - центрів (також від часу після вимкнення УФ опромінення) при кімнатній температурі. Визначив постійну часу для залежності інтенсивності ліній спектра 𝐶𝑟 - центрів від часу після вимикання УФ опромінення.
скачати

© Усі права захищені
написати до нас