“Аморфты материалдар” лекциялары курсы

КЕДО-ғы Холлдың ЭҚҚ і өте кіші, ал егер оны өлшеу мүмкін болса, онда оның таңбасы теріс болады. Көптеген КЕДО жақсы фотоөткізгіштер болып табылады, бірақ кристаллдық жартылайөткізгіштерге қарағанда КЕДО-дағы фотоөткізгіштік айқын спектрлік тәуелділікпен сипатталады. КЕДО-ң жұтылу коэффиценті, оптикалық жұтылуының маңайында экспоненталды өседі, және бұл кезде фотонның энергиясы ~103-104 см-1 дейін жоғарылайды. Шынытәріздес халькогенидті жартылайөткізгіштегі жұтылу процессінің ерекшеліктеріне таңдау ережесінің жоқтығы жатады.

Кристаллдық емес жартылайөткізгіштерінің негізгі күйде магнит моменті нөлге тең,  сәйкесінше олар диамагниттер болып табылады. Кристаллдық емес жартылайөткізгіштер кристаллды жартылайөткізгішті маериалдағыдай көптеген қасиеттерге ие. Осымен қатар олар спецификалық қасиеттерге ие. Мысалы, тек КЕДО-да оптикалық, электрлік және фотоэлектрлік қасиетінің фотоиндуцирленген өзгерістер байқалады. Бұл өзгерістерді негізінен фотоқұрылымдық түрленуімен байланыстырады.

Күшті электрлік өрістерде(≥104 В/см) КЕБ-ң өткізгіштігі көр ретке және тез өзгеруі мүмкін(10-4-10-9 c уақыт аралығында). Бұл құбылысты Лебедев пен Овшинс байқаған және ол қайтақосу эффектісі деп аталған. Реттелмеген құрылым теориясына сәйкес,осы және басқа КЕДО ң спецификалық қасиеті оның өзгеше құрылымдық дефектісінің болуында КЕБ те мұндай құрылымдық дефектінің болуының себебі,онда қатқыл кристаллдық құрылымының болмауында.   

12.2. Электрондардың энергетикалық спектрі және қоспаның ықпалы.

Нағыз кристаллдық торда электрондардың энергетикалық спектрі зоналық құрылымға ие және онда тыйым салынған зонамен ажыратылған рұқсат етілген зоналар бар.

                   

    

12.1- Электрондардың энергетикалық  спектрінің моделі.

Шынытәріздес жартылайөткізгіштердің оптикалық және электрлік қасиеті ұқсас, бұдан шығатыны, электроның ретсіз құрылымдағы көрінісінің кристаллдағы көрінісінен айырмашылығының жоқтығын көптеген эксперимент зерттеулерінің нәтижелері көрсеткен. Осындай факторға негізделе отырып, Иоффе мен Регель электрондардың энергетикалық спектрінің зоналық құрылымын, атомдық жүйеде, алыс емес жақын  ретпен анықталатындығын болжаған. Бұл дегеніміз, кристаллдық күйден кристаллдық емес күйге өткенде элекрондық энергетикалық спектрінің зоналық құрылымы айтарлықтай өзгермеуі керек.

Аморфты қатты денелердегі алыс реттіліктің болмауы зоналар шетінің комескілігіне және күй тығыздығына құйрықтың пайда болуына әкеп соғады(12.1 сурет). Андерсонның электрондардың локализациясы принципі бойынша, зоналар құйрығындағы күй локалданған , яғни, қақпан болып табылады. Бұл локалданған күй үздіксіз зонаның астынан Ev және Ee шеті энергиялары бойымен таралады. Бұл қозғалғыштық табалдырығы деп аталады және мұнда күйлер делокалданған болады. Делокалданған заряд тасымалдаушының қозғалғыштығынан, локалданған заряд  тасымалдаушының қозғалғыштығы көп есе аз болады және критикалық энергияларда заряд тасушының қоғалғыштығы шексіз аз мәннен шекті мәнге дейін өзгереді. Сол себептен кристаллдық емес жартылайөткізгіш қозғалғыштығының саңлауымен сипатталуы мүмкін  және (Ec-Ev) анықталады.

Кристаллдық емес жартылай өткізгіштегі құйрықтарының локалданған электрондық күйін өткізгіш зоналарда бар екені көптеген зерттеушілер айтқан болатын. Мотт, Коуэн, Фрицше және Овшински теорияны қорыта отырып, кейбір КЕДО-да электронның күйінің тығыздығы 12.1(в) суреттей болады деп болжан.

Осы модель бойынша (осы модельді тапқан адам атымен аталған-КФО), КЕДО-ң зонадағы күй тығыздығының құйрығы қозғалғыштық саңылауы арқылы толығымен өтеді және оны центрінде жауып қалады да, бұл Ферми деңгейінің нығаюына әкеп соғады. Көп жылдар бойы бұл модель негізгі болып саналып келеді, бірақ оның авторлары бұл модельдің көпкомпонентті халькогенидті шыны үшін орындалғаны дұрыс деп санады.

Соңғы кезде, өріс эффектісін оқып үйрену нәтижесінде секірмелі өткізгіштік және фотоөткізгіштің экспериментальды дәләлдеушілерінің саны көбейіп келеді, НДС-тегі тасымалдаушы тасымалдануы локаьдық емес күймен анықталады, ол Ферми деңгейінен немесе соған жақын жерден табылады. Мысалы, As2Te3 ;және шыны құрамды Si Te As Ge-де ұсақ центрлік қармау.

0.13 эВ немесе 0.22 эВ төмен Ферми деңгейінде жатады. Маршалл мен Оуэн (12.1д)-суретте көрсетілген, шыныларды өріс эффектісін түсіндіретін модель ұсынды. Бұл модельдегі Ферми деңгейінің күй тығыздығы нөлге тең, бірақ оның айналасында дискретті деңгейлер болады, ол-Ферми деңгейінің орналасуын анықтайды. Кейбір зерттеулер зонадағы локальденген күйдің өтуін түсіндірмейді, бірақ экспериментальді нәтижелер негізінде, олардың айтарлықтайлылығымен анықталған тығыздығын есте ұстау керек.

Кристаллдық емес жартылай өткізгішті фииканың негізгі мәселесі – қасиеттер мен құрылымдары арасындағы корреляцияны және осы қасиеттерді анықтау мүмкіндігі болып шыны синтезі процесіне ендірілген олардың электрлік қасиетіне қоспаның әсері аз деп санауға болатындығында. Мысалы, активті кристаллда As2Se3∙2As2Te3 және осы құрамды активті емес шыныға және сынуы жоқ шынының өткізгіштігінің температурадан тәуелділігінен қоспалық өкізгізгіштігі сипатталады.

Бұл фактінің теориялық негізі Губановтың жұмыстарында берілген. Губановтың болжауымен, кристалдық емес жартылай өткізгіштердегі қоспалы өткізгіштің болиауынан, тыйым салынған зонада жоғары концентрациялы локальденген деңгейлер айтарлықтай болады,  олар электрондар мен кемтіктерді тартып алып, қоспаның доноры мен акцепторын нейтральдейді.

Кейін қоспалы атомдар шынытектес мышьяк селенидінде Sn,Au,Pt және Fe Моттың айтқаны Мессбауер спектроскопия әдісімен экперименталды түрде дәлелденген болатын.

Ag  және Cu сияқты легирленген  қоспалы металдардың синтез процесі  КЕДО өткізгіштігінің артуына  алып келеді, ал шыны өткізгіштігінің  өзгеруі енгізілген қоспаның  концентрациясына байланысты болады ~0.1 атм %. Мұндай концентрацияға не қоспасы легирлеу кезінде шыныда қатты ерітінділі немесе ионды өткізгіштігі бар жаңа фаза пайда болуы мүмкін. Мысалы, As2Se3 легирленген күмісте.

Электродиффузия, фотодиффузия немесе тозаңдату арқылы төменгі температурада қоспаға ендірілген КЕДО-ң қабыршақты үлгілері сол қоспаға өте сезімтал екендігі байқалды. 0.01-0.02 ат % Ag-ң шынытектес As2Se3-ке электродиффузия әдісімен ендірілуі оның өткізгіштігінің бірнеше ретке өсуін көрсетеді.

Қоспаның КЕДО қабыршақтарына әсер ету механизмі осы күнге дейін белгісіз, бірақ әртүлі жолмен ендірілген қоспалар шыны дефектілерін компенсациялайды, сол арқылы НП қабыршақтар өткізгіштігін өзгерте алады.

Сонымен кристалды емес жартылай өткізгішке қоспаның әсер етуі қоспаның ендірілуіне байланысты болады.       

12.3 Құрылымды дефектілерге  заманауи көзқарас

Реті жоқ конденсирленген ортадағы құрылымды дефектілерге деген көзқарас Андерсонмен бпйқалған. Оның кейінгі дамуы Мотт, Стрит, Кастнер, Адлер және Фрицкпен жүзеге асты.

Мотт пен Стрит құрылымды дефектілер туралы көзқарас атомдардың бір реттілігінде химиялық бұзынды қарастырды. Олрдың айтуы бойынша, бұл бұзылулар құрылымды дефектілердің D0, D+, D- түрлеріне алып келеді.

Кері корреляционды энергияға U- байланысты D- D+ зарядталған дефектілердің пайда болуы энергетикалық үнемді. D0 және D- дефектілерге мына схема бойынша ыдырайды:

                                       2D0         D+ + D-

Мұндай реакция экзотермиялық болады.

Құрылымды дефектілерге деген көзқарас Кастнер, Адлер және Фринцис жұмыстарындағы a-Se мысал бола алады. Олар ажыратылмайтын жұп электрондарды (LP-эл) қолдана отырып, халькоген атомдарында  C+n +C-n ауыспалы валенттігі бар жұптардың (VAP)пайда болатынын атап айтты және  C+n ,C-n ,C0n(мұндағы С-халькоген атомы) белгілеулерін енгізді. Жоғарғы индекстер дефектінің заряд күйін, төменгі индекстер-байланыс санын көрсетеді. VAP моделіндегі C03 нейтралды дефект, оның ыдырауы:

                          2 C03       C+3 + C-1

Бұл реакция энергияның шығуымен жүретіндігі көрсетілген болатын. Осылайша, a-Se-гі құрылымды меншікті дефект үш C+3 және бір C-1 валентті байланыстардың зарядталған центрі болады. Мышьяк атомдарымен байланысқан құрылымды дефектінің белгіленуі:

spP+4, pP2-, мұндағы P-пниктед.

Аморфты мышьяктағы негізгі құрылымды дефектілер нейтралды центр pP20 және spP03 болып табылады. Ал бұл екі центрлердің арақатынасындағы реакция басқа қосымша центрлердің тууына алып келеді:

                 pP20+ spP03         pP03+ spP+4

КЕДО-гі құрылымды дефектілерге деген көзқарас Ферми деңгейінің орналасуын да түсіндіріп өтеді, сонымен қатар фотоқұрылымды ауысу, қайта қосу эффекті, фотоиндерцирленген ЭПР т.б.

Айтылған дефектілер энергетикалық және құрылымды диаграммалары 2-суретте көрсетілген. Фотолюминесценция және фотоиндуцирленген ЭПР қарастырылған модельдерде тек бір-бірімен оқшауланған заряды бар дефект центрлерімен байланысқанын атап өтейік, бірақ Фотолюминесценцияның концентрациясы ~1020 см-3-қа жететін қоспаға сезімтал емес нейттралды дефектілермен байланыста болатынын Хадженсом мен Кастнер жоғарыда айтты. 

Әртүрлі әдістермен алынған шынының қасиеттерін бөлшектеніп зарядталған байланыстардың және ауыспалы валенттігі бар жұптар моделдері түсіндіреді. Модельді көзқарасқа сүйене отырып, оң зарядталған қоспалар дефект центрлерімен бірге теріс зарядтармен конпенсацияланады, нәтижеде Ферми деңгейі ығысады. Егер тыйым салынған зонадағы меншікті күйдің тығыздығын кемітсе, онда КЕДО-ғы қоспаға сезімталдық артады. Мұндай операцияны конпенспация жолымен алуға болады, не II немесе III  топтағы элементтерді енгізу, не үлкен электртерістілігі бар атомдарды  енгізу арқылы.

              

12.2-Сурет. Құрылымды дефектінің  энергетикалық деңгейдегі диаграммасы

МДС және КАФ модельдері шын мәнінде толығымен КЕДО үшін дұрыс бола алады. НП-да сыртқы күш әсерінен орбитальдефицитті төртэлектронды үшцентрлі байланысы бар квазимолекула түріндегі нейтралды-диамагнитті дефекті пайда болуы мүмкін.

Құрылымды дефектілердің модельдері модификациялануы және дамуы мүмкін, бірақ кристаллды емес жартылайөткізгіш теориясының негізгі жетістігі МП-ң электронды қасиеттері, дефектілер және олардың құрылысы болып табылады,

Сәйкесінше, бұл дефектінің концентрациясы мен табиғатын өзгерте отырып, кристалды емес  жартылайөткізгіштердің электронды қасиеттерін де өзгертуге болады.

 

13-Дәріс

Оптикалық қасиеттері.

   13.1-суретте типтік  НДС  үшін  спектрлік тәуелділік  коэффициенті α жұтылуы оптикалық  жұтылу шекарасының  аумағында  көрсетілген. НДС-тегі оптикалық  жұтылу шекарасында экспоненциалдық  Урбахтық сипаттама бар және өзіне зонааралық ауысулар (С), экспоненциалдық аймақ  В  және  аумақ (А), әр түрлі реттелмеген  құрылымдағы жұтылумен байланысты қосылған.

                                          

Жұтылу коэффициентінің типтік спектрлік тәуелділігі.

   (С) аумағында  жұтылу коэффициентінің спектрлік тәуелділігі Тауц формуласымен сипатталады, реттелмеген құрылымдағы ДС зонааралық ауысулар үшін алынған сипаттамалар, оларда толқын векторы   k құрылымның ретсіздігіне байланысты шайылған (размыт):

(13.1)

 м/ғы: - тыйым салынған зонаның оптикалық ені , B - тұрақты өлшем, фотон энергиясына тәуелді емес, h - Планк тұрақтысы.

    Урбах классикалық  шегіне қарағанда,  НП крутизнаның  экспоненциалдық аймағында  жұтылу  В  температурамен әлсіз байланысқан  және осы аумақта оптикалық жұтылу спектрі эмперикалық тәуелділікпен сипатталады:

(13.2)

    м/ғы: кейбір константа.

      Нақты мысал  ретінде 13.2-суретте НДС реті үшін  оптикалық жұтылу шегінің аумағындағы  жұтылу коэффициентінің спектрлік  тәуелділігі көрсетілген.  13.2 сурет. НП оптикалық жұтылу шегі бөлме                 

                                                                                          температурасында:

                                                                                              

            НП оптикалық қасиеттерін зерттеуде  қызығушылық, бірінішіден, ИҚ спектр  аумағындағы  жоғарғы мөлдірлік  пен ИҚ оптикалық қондырғыларды  құрастыруда  перспективті қолданылуы  мен ИҚ-талшықты оптика шарттарына  негізделеді.

     13.3-суретте оптикалық жұтылу НДС типтік спектрі көрсетілген, мысалы шынытәріздес    . Суреттен көріп тұрғанымыздай, жұтылу коэффициенті α инфрақызыл спектр аумағында минималды болады.

13.3-сурет. Оптикалық жұтылу  спектрі а-

Электрлік қасиеттері. Механикалық өткізгіштігі.

         Берілген барлық модельдердің  НДС-тегі заряд өткізгіштігі өте  үлкен температурада делокальдық  жағдайда орындалады және кристалдық  емес жартылай өткізгіштер мынадай  ұғымда сипатталады:

                                                       (13.3)

 

        Локальдық  күй аумағында  заряд тасушылардың  көшуі термиялық активті секірмелер  жолымен жүзеге асады және  мынадай тәуелділікпен сипатталады:

                                              (13.4)

        м/ғы: секірменің активация энергиясы, локальдық күй тығыздығындағы құйрық шетінің энергиясы (сәйкесінше Мотт моделімен).

        Одан  басқа секірмелі тасымалдаушының  көшуі Ферми деңгейіне жақын  локальды күйде жүзеге асады. Бұл жағдайда өткізгіштік мына қатынаспен сипатталады:

                                                                        (13.5)

м/ғы: Т→∞ ұмтылғандағы өткізгіштер;

        Төменгі  температурада НДС өткізгіштігі  Мотт заңымен сипатталады:

                                                                                (13.6)

 м/ғы:А, В- тұрақты өлшемдер.

        13.4-суретте  келтірілген заряд тасымалдаушылардың  көшу механизмі ескерілгендегі  өткізгіштіктің температуралық  тәуелділігі келтірілген. Экспонента алдындағы С көбейткішіне назар аударайық, яғни  Т→∞ ұмтылғанда өткізгішке жалпылама өрнекте

 

                                                                    (13.7)

 

13.4-сурет. НДС өткізгіштігінің  температураға 

                                                                                 тәуелділігі (11.3-11.6).