Розробка нових акусто-оптичних методик дослідження об’ємних монокристалів та сучасних низькорозмірних структур - напівпровідникових гетеропереходів, квантових ям та мікрокристалітів. Спостереження нових порогових акусто-оптичних ефектів у твердих тілах.
Аннотация к работе
КИЇВСЬКИЙ УНІВЕРСИТЕТ ІМЕНІ ТАРАСА ШЕВЧЕНКААВТОРЕФЕРАТ дисертації на здобуття наукового ступеня доктора фізико-математичних наук Науковий консультант доктор фізико-математичних наук, професор Островський Ігор Васильович Київський університет імені Тараса Шевченка, завідувач кафедри загальної фізики. 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; 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.Для вивчення фізичних властивостей твердих тіл на протязі останніх десятиріч дуже широке застосування знайшли акустичні та оптичні методики. У останні два десятиріччя набули розвитку нові акустооптичні 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. У цьому звязку, 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, звязаних з дефектами структури, є актуальними з наукової та прикладної точок зору.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. Теоретично і експериментально проаналізований вплив на положення краю пропускання (1) теплової дії УЗ навантаження, (2) механічної деформації і (3) пєзоелектричних полів, що супроводжують ультразвукові хвилі в кристалах, (4) електричних полів дислокацій, що рухаються у полі ультразвуку, та (5) генерованих УЗ навантаженням точкових дефектів. 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. 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. Так, в спектрах АФП Si проявляється сходинка в області 1,29?1,4 мкм, а в спектрах АФП GAAS під дією УЗ зявляється додаткова смуга в області 1,3?1,55 мкм.Вперше спостерігався пороговий ефект сильного звуження забороненої зони напівпровідників під дією ультразвуку. В кристалах ZNS максимальне звуження досягає 1,2% від ширини забороненої зони, що на порядок перевищує значення, очікуване з урахуванням дії пєзоелектричних полів та деформацій у полі ультразвуку. Вперше спостерігалась порогова акусто-дислокаційна екзоемісія електронів з поверхні кристалів ZNS, індукована ультразвуком. Вперше спостерігався пороговий ефект акустофотопровідності твердих тіл, який полягає у появі нових смуг у спектрі фотопровідності кристалу при дії ультразвукового навантаження надпорогової амплітуди. Спектральне положення смуг акустофотопровідності відповідає енергії електронних переходів у системі енергетичних рівнів дефектів структури в забороненій зоні кристалу.
План
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
Вывод
Вперше спостерігався пороговий ефект сильного звуження забороненої зони напівпровідників під дією ультразвуку. В кристалах ZNS максимальне звуження досягає 1,2% від ширини забороненої зони, що на порядок перевищує значення, очікуване з урахуванням дії пєзоелектричних полів та деформацій у полі ультразвуку. Показано, що це явище фізично повязане із довгохвильовим зсувом краю оптичного пропускання у електричному полі заряджених точкових дефектів, які генеруються ультразвуком надпорогової амплітуди.
Вперше спостерігалась порогова акусто-дислокаційна екзоемісія електронів з поверхні кристалів ZNS, індукована ультразвуком. Вона повязана з рухом дислокацій у полі ультразвуку і виявляє спектральну залежність, обумовлену зміною заряду дислокацій (і, як наслідок, їх електричних полів) при освітленні зразка.
Вперше спостерігався пороговий ефект акустофотопровідності твердих тіл, який полягає у появі нових смуг у спектрі фотопровідності кристалу при дії ультразвукового навантаження надпорогової амплітуди. Спектральне положення смуг акустофотопровідності відповідає енергії електронних переходів у системі енергетичних рівнів дефектів структури в забороненій зоні кристалу.
Вперше спостерігався ефект сонолюмінесценції гранульованої речовини. У суміші частинок ZNS мікронних розмірів носії заряду, збуджені електричними полями дислокацій при механічній взаємодії зерен, рекомбінують через стани дефектів, локалізовані у приповерхневій області зерна.
Запропонована нова акусто-оптична методика ідентифікації точкових дефектів та дислокацій у кристалах. Вона передбачає комбіноване дослідження збурених ультразвуком оптичних спектрів твердих тіл, таких як спектри соно- та фотолюмінесценції, фотопровідності, оптичного поглинання та відбиття, фото-ЕПР.
Дослідження дефектів, локалізованих на границі поділу напівпровідникова підкладка/тонкий шар, можливе новими методиками, заснованими на навантаженні зразка ультразвуком.
Запропонований новий метод вивчення ефектів пакування мікрочастинок. Він базується на реєстрації розподілу інтенсивності сонолюмінесценції по поверхні гранульованого середовища. Метод дозволяє отримати кількісні характеристики ефекту пакування, таких як густина пакування, градієнти густини частинок, розподіл швидкості частинок у області пакування, часи релаксації частинкових агломератів при знятті зовнішнього навантаження.
Показана можливість керування кінетикою випромінювальної рекомбінації екситонів у квантових ямах ZNS/ZNSE при дії ультразвукового навантаження. Скорочення швидкої компоненти релаксації фотолюмінесценції, що досягає ~ 30 %, обумовлене іонізацією менш глибоких станів локалізованих екситонів у електричному полі акустичної хвилі. Зростання довгочасової компонети випромінювання при дії ультразвуку можна пояснити активацією процесів дифузії та руху носіїв електричним полем хвилі. Вивчення фотолюмінесценції у квантових ямах ZNSE/ZNS при ультразвуковому навантаженні дозволяє зробити висновок, що випромінювальна рекомбінація у досліджуваних зразках переважно є рекомбінацією локалізованих екситонів.
Час життя звязаних екситонів у кристалах CDS може бути порогово змінений при дії ультразвукового навантаження. Зростання часу життя при достатньо малих амплітудах навантаження пояснюється зменшенням перекриття хвильових функцій звязаних електрону та дірки у електричному полі, генерованому ультразвуковим навантаженням. Порогове зменшення часу життя можна пояснити локальним збуренням мікроскопічних полів в оточенні домішкового атому, що звязує екситон. Причиною локального збурення може бути, зокрема, рух заряджених дислокацій у полі ультразвуку.
20. Коротченков О.А., Рожко А.Х., Антонов А.М., Островский И.В. Ультразвуковое воздействие на спектры оптического пропускания и показатель преломления в кристаллах CDS // ФТТ. - 1993. - Т. 35, № 8. - С.2244-2249.
21. Коротченков О.О., Антонов О.М. Ультразвуковий вплив на спектри відбиття світла епітаксіальних плівок GAAS // УФЖ. - 1994. - Т. 39, № 6. - С.667-668.
22. Коротченков О.А. Изучение эпитаксиальных структур GAAS методом акустомодуляции отражения света // ФТП. - 1994. - Т. 28, № 7. - С.1149-1154.
23. Korotchenkov O.A., Grimmeiss H.G. Long-wavelength acoustic mode-enhanced electron emission from Se and Te donors in silicon // Phys.Rev. B. - 1995. - Vol. 52, N 20, P.14598-14606.
24. Коротченков О.А. Об идентификации точечных дефектов вблизи границы раздела полупроводников посредством возмущения акустической волной // ФТП. - 1996. - Т. 30, № 7. - С.1274-1277.
25. Коротченков О.А. Оптична спектроскопія акустично збурених твердих тіл // Вісник Київського ун-ту, Сер.: Фіз.-мат. науки. - 1997. - Вип.2. - С.362-369.
26. Korotchenkov O.A., Goto T. Sonoluminescence in granular media // Phys.Rev. B. - 1997. - Vol. 56, N21. - P.13646-13649.
27. Korotchenkov O.A., Goto T. Study on bound exciton dynamics in CDS crystals at acoustic driving // Physica B. - 1998. - Vol. 253, N3-4. - P.203-214.
28. Korotchenkov O.A., Goto T. Acoustically driven bound exciton lifetimes in CDS crystals // Appl. Phys. Lett. - 1998. - Vol. 72, N14. - P.1733-1735.
29. Ostrovskii I.V., Korotchenkov O.A., Goto T., Grimmeiss H.G. Sonoluminescence and acoustically driven optical phenomena in solids and solid-gas interfaces // Phys. Reports. - 1999. - Vol. 311, N 1. - P.1-46.
31. Korotchenkov O.A., Goto T. Powder agglomeration patterns at acoustic driving observed by sonoluminescence technique // J. Appl. Phys. - 1999. - Vol. 85, N2. - P.1153-1158.
32. Ostrovskii I.V., Korotchenkov O.A. Nonlinear transformation from ultrasound to light in semiconductors // 22nd International Conference The Physics of Semiconductors. - Vancouver (Canada): World Scientific, 1994. - P.2193-2196.
33. Korotchenkov O.A., Ostrovskii I.V. Electronic structure of GAAS and Si surfaces and interfaces by acousto-reflectance spectra // 22nd International Conference The Physics of Semiconductors. - Vancouver (Canada): World Scientific, 1994. - P.439-442.