Процессы в твердых телах, стимулированные излучением: Методические указания к спецкурсу

М и ни сте р ство о б р а зо ва ни я р о сси йско й ф е де р а ци и В о р о не ж ски й г о суда р стве нны й уни ве р си те т Ф и зи ческ и й ф ак у л ьтет К а ф едр а о пт и ки и спект р о ско пи и

П роцессы в тверд ы х тел ах , сти му л и рованны е и зл у чени ем М е то ди че ски е ука за ни я к спе цкур су для студе нто в и ма г и стр о в 5 и 6 кур со в ф и зи че ско г о ф а культе та (дне вно г о о тде ле ни я) Со ста ви те ли : К люе в В .Г., Л е о но ва Л .Ю .

В оронеж - 2002

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com

2

В ве де ни е В о зде йстви е и злуче ни я на тве р до е те ло (кла сси че ски е по лупр о во дни ки , кр и ста лло ф о сф о р ы ...) вы зы ва е т р а зно о б р а зны е ф и зи че ски е явле ни я, к ко то р ы м мо ж но о тне сти : люми не сце нци ю, ф о то пр о во ди мо сть, вспы шку люми не сце нци и , ф о то хи ми че ски е пр о це ссы ... Све то во е во зде йстви е на кр и ста ллы с ∆Еg ≤ Есв ( hν >0.5 эВ ) в на сто ящ е е вр е мя ста ло о дни м и з мо щ ны х и ле г ко упр а вляе мы х ср е дств ко нтр о ли р уе мо г о и зме не ни я кр и ста лли че ско й стр уктур ы и сво йств ма те р и а ло в. В пе р во й ча сти кур са р а ссма тр и ва ются та к на зы ва е мы е ф о то хи ми че ски е р е а кци и (Ф Х Р), в о сно ве ко то р ы х ле ж а тпр о це ссы , сти мули р о ва нны е и злуче ни е м и связа нны е : - с о б р а зо ва ни е м стр уктур ных де ф е кто в; - с ми г р а ци е й пр и ме се й и де ф е кто в; - с вза и мо де йстви е м пр и ме се й с ко мпо не нта ми о сно вно й ма тр и цы ; - с и зме не ни е м а г р е г а тно г о со сто яни я и т.д. Пр и че м, та ки е явле ни я мо г ут б ы ть ка к о б р а ти мы ми , та к и не о б р а ти мы ми . И но г да для во сста но вле ни я и схо дно й стр уктур ы тр е б уе тся вне шне е во зде йстви е , в то м чи сле и све то во е . В о зде йстви е све то во г о и злуче ни я на кр и ста ллы со пр о во ж да е тся те пло вы ми , те р мо упр уг и ми , те р мо пла сти че ски ми , эле ктр и че ски ми и ф о то эле ктр и че ски ми эф ф е кта ми . По г ло щ е ни е и злуче ни я и з о б ла сти со б стве нно г о по г ло щ е ни я пр и во ди тк: - со зда ни ю не р а вно ве сно й ко нце нтр а ци и сво б о дны х но си те ле й за р яда ; - по явле ни ю внутр е нни х эле ктр и че ски х по ле й в пр и по ве р хно стно й о б ла сти ; - ло ка льно му и б ы стр о му на г р е ву эти х о б ла сте й впло ть до и х пла вле ни я; - во зни кно ве ни ю в эти х о б ла стях те р мо упр уг и х и те р мо пла сти че ски х де ф о р ма ци й. Д о по лни те льна я пло тно сть сво б о дны х эле ктр о но в и ды р о к, г е не р и р о ва нны х эл. ма г ни тны м и злуче ни е м, в сво ю о че р е дь сущ е стве нно вли яе тна та ки е сво йства кр и ста лла , ка к: - ди ф ф узи я, р е ко мб и на ци я и за хва тно си те ле й за р яда ; - о пти че ско е по г ло щ е ни е ; - пе р е но с де ф е кто в и пр и ме се й... Э ле ктр о ма г ни тно е и злуче ни е и з о б ла сти со б стве нно г о и ли пр и ме сно г о по г ло щ е ни я вы зы ва е т пе р е за р ядку пр и ме сны х и др уг и х де ф е ктны х це нтр о в. По г ло щ е ни е све та на ко ле б а ни ях а то мо в (ка к пр и ме сных, та к и со б стве нны х а то ма х р е ше тки ) мо ж е туси ли ть эти ко ле б а ни я и уве ли чи ть ве р о ятно сть пе р е хо да а то мо в в а кти ви р о ва нно е со сто яни е . Т а ки е пр о це ссы , сти мули р о ва нны е и злуче ни е м, спо со б ствуют: - о б р а зо ва ни ю и ли а нни г и ляци и (и сче зно ве ни ю, р а спа ду) де ф е кто в; - ве ф е кто в,;во зни кно ве ни ю внутр е нни х эле ктр и че ски х, упр уг и х, те мпе р а тур ны х по ле й;

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com

3

- и зме не ни ю ско р о сти ди ф ф узи и де ф е кто в и , ко не чно м сче те , и зме не ни ю сво йств кр и ста лла . М е ха ни змы вли яни я эле ктр о ма г ни тно г о и злуче ни я на пр о це ссы де ф е кто о б р а зо ва ни я и а то мно г о пе р е ме щ е ни я мо ж но све сти в о сно вно м к че ты р е м пр о це сса м: 1) др е йф у и о но в в эле ктр и че ско м по ле ; 2) и зме не ни ю за р ядо во г о со сто яни я а то ма ; 3) во зб уж де ни ю ко ле б а те льны х мо д а то ма пр и б е зы злуча те льно й р е ко мб и на ци и на не м эле ктр о на ; 4) ф о то н-ф о но нно му вза и мо де йстви ю по ср е дство м И К по г ло щ е ни я. По д де йстви е м о све щ е ни я в кр и ста лла х мо г ут во зни кнуть внутр е нни е эле ктр и че ски е по ля. В о зни кно ве ни е та ки х по ле й о б усло вле но г е не р а ци е й све то м сво б о дны х но си те ле й за р яда и и х не р а вно ме р ны м р а спр е де ле ни е м всле дстви е ди ф ф узи и . В нутр е нни е эле ктр и че ски е по ля (на р яду с вне шни ми ) мо г ути зме ни ть по те нци а льны й р е лье ф кр и ста лли че ско й р е ше тки , пр и во дя к уме ньше ни ю по те нци а льно г о б а р ье р а в на пр а вле ни и де йстви я эле ктр и че ско г о по ля и те м са мы м уве ли чи ва я ве р о ятно сть пе р е ско ка и о на в это м на пр а вле ни и (р и с. а )).

И зм енение п от енц иа льного ба рьера : до (-) ип рисв ет ов ом воздей ст в ии(---) для ра зличных м еха низм ов диф фузии: а ) дрей фов ый м еха низм ; б) изм енение за рядового сост ояния; в ) возбуж дение колеба т ельной энергииа т ом а п риэлект ронном за хва т е. Д ля р е а льно до сти ж и мы х на пр яж е нно сте й вне шне г о эле ктр и че ско г о по ля Е ~ 106 B/см и зме не ни е вы со ты по те нци а льно г о б а р ье р а мо ж е т со ста ви ть Е~0.1 эВ . И зме не ни е за р ядо во г о со сто яни я а то мо в в кр и ста лла х по д де йстви е м о пти че ско г о во зб уж де ни я, и нж е кци и но си те ле й за р яда , ле г и р о ва ни я и зме не ни я те мпе р а тур ы и т.д. мо ж е т со пр о во ж да ться и зме не ни е м г е о ме тр и че ско г о по ло ж е ни я р а вно ве си я в р е ше тке (узе л, ме ж до узли е и др .) и ли о б р а зо ва ни е м ко мпле ксо в, что в ко не чно м и то г е пр и во ди т к и зме не ни ю ско р о сти ми г р а ци и а то ма (р и с. б )). В это м случа е эне р г и я а кти ва ци и ди ф ф узи и мо ж е т уме ньши ться на эне р г и ю и о ни за ци и пр и ме сно г о а то ма .

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com

4

Т р е ти й ме ха ни зм ди ф ф узи и связа н с пе р е да че й эне р г и и , вы де ляе мо й пр и б е зы злуча те льно й р е ко мб и на ци и (р и с. в)). У ме ньше ни е вы со ты по те нци а льно г о б а р ье р а для ми г р а ци и в это м случа е р а вно р а зно сти эне р г и й а то ма в на ча льно м и ко не чно м, с за хва че нны м на не г о эле ктр о но м, со сто яни ях. Ч е тве р ты й ме ха ни зм ф о то сти мули р о ва нно й ми г р а ци и со сто и т в во зб уж де ни и ко ле б а ни й а то мо в эл. ма г ни тны м и злуче ни е м в р е зульта те И К по г ло щ е ни я, т.е . в пе р е да че эне р г и и о т ф о то на ф о но ну че р е з пр о ме ж уто чны е со сто яни я. Ф отох и м и ческ и е реак ци и 1. Ра зли чны е пр о явле ни я Ф Х Р и и х о сно вны е сво йства . Т е р мо а кти ва ци о нны й ха р а кте р . В се Ф Х Р являются, ка к пр а ви ло , те р мо а кти ва ци о нны ми пр о це сса ми . Э то о зна ча е т, что ско р о сть пр о те ка ни я Ф Х Р (т.е . ско р о сть и зме не ни я то й и ли и но й ха р а кте р и сти ки кр и ста лла пр и о све щ е ни и ) уме ньша е тся с по ни ж е ни е м те мпе р а тур ы за све тки Т з и на о б о р о т. Па р а ме тр о м, ха р а кте р и зующ и м те р мо а кти ва ци о нно сть пр о це сса , являе тся эне р г и я а кти ва ци и Еа . Э не р г и я а кти ва ци и Ф Х Р мо ж е т и ме ть р а зли чную пр и р о ду. О на мо ж е т пр е дста влять со б о й: - Еа р а зр уше ни я ко мпле ксо в де ф е кто в; - Еа ди ф ф узи и пр о сты х де ф е кто в; - Еа мо ж е т включа ть в се б я эне р г и и р а зли чны х по те нци а льны х б а р ье р о в, о кр уж а ющ и х р е а г и р ующ и е це нтр ы ; - Еа мо ж е тб ы ть ко мб и на ци е й пе р е чи сле нны х ве ли чи н. О б р а ти мо сть Х а р а кте р ны м сво йство м Ф Х Р являе тся и х о б р а ти мо сть, т.е . и зме не ни я сво йств кр и ста лла , вы зва нны е о све щ е ни е м, мо ж но устр а ни ть (“сте р е ть”). Э то мо ж е т б ы ть до сти г нуто ли б о путе м пр о г р е ва ни я кр и ста лла до до ста то чно вы со ки х те мпе р а тур и по сле дующ и м о хла ж де ни е м в те мно те , ли б о о све щ е ни е м е г о б о ле е дли нно во лно вы м (“И К ”) по ср а вне ни ю с а кти ни чны м (вы зы ва ющ и м Ф Х Р) све то м. Т а ко е о све щ е ни е вы зы ва е тпе р е за р ядку це нтр о в, о б р а зо ва вши хся в р е зульта те Ф Х Р. Т а ка я пе р е за р ядка мо ж е т пр и во ди ть к сущ е стве нно му уме ньше ни ю энергии а кт ив а ц ии ра зрушения Еа р пр о дукто в р е а кци и и , сле до ва те льно , к по ни ж е ни ю те мпе р а тур ы сти р а ни я (во сста но вле ни я сво йств кр и ста лла ). Д ва по дхо да к и зуче ни ю Ф Х Р Э кспе р и ме нты по ка зы ва ют, что , б удучи те р мо а кти ви р о ва нны ми пр о це сса ми , Ф Х Р пр о те ка ютс о б на р уж и мо й за до ступно е в экспе р и ме нте вр е мя ско р о стью пр и те мпе р а тур а х, пр е выша ющ и х не ко то р ую T 0 . По это му для о б на р уж е ни я и и зуче ни я Ф Х Р мо г ут б ы ть пр е дло ж е ны два р а зли чны х по дхо да : ста ци о на р ны й и ки не ти че ски й. 1) Ста ци о на р ны й по дхо д о сно ва н на ср а вне ни и ха р а кте р и сти к о б р а зца пр и до ста то чно ни зки х те мпе р а тур а х, пр и ко то р ы х Ф Х Р явно не пр о те ка ют. Пр и это м

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com

5

кр и ста лл мо ж е т на хо ди ться по сле до ва те льно в о дно м и з двух со сто яни й: усло вно – в со сто яни и А , ко г да кр и ста лл и ли и схо дны й, и ли де за кти ви р о ва н о дни м и з вы ше ука за нны х спо со б о в, и за те м – в со сто яни и Б , ко г да де за кти ви р о ва нны й о б р а зе ц о пр е де ле нно е вр е мя на хо ди лся в усло ви ях, пр и ко то р ы х пр о те ка ютФ Х Р (по вы ше нна я те мпе р а тур а + о све щ е ни е ). 2) К и не ти че ски й по дхо д со сто и т в и ссле до ва ни и ки не ти ки и зме не ни я р а зли чны х сво йств о б р а зца в то й о б ла сти те мпе р а тур , г де Ф Х Р и дут до ста то чно б ы стр о . Пр и это м ва р ьи р уются: - те мпе р а тур а Т ; - и нте нси вно сть и злуче ни я J; - дли на во лны λ; - эне р г и я ква нта hν; - вр е мя экспо зи ци и τ и т.д. Н а сы щ е ни е Ф Х Р. В экспе р и ме нте все ки не ти че ски е кр и вы е стр е мятся к на сы щ е ни ю. Н а пр и ме р , зна че ни ю Jлн мо ж е тсо о тве тство ва тьр а зли чно е со сто яни е кр и ста лла : 1) – пр о и схо ди т по лно е пр е о б р а зо ва ни е и схо дны х це нтр о в в ко не чны е пр о дукты Ф Х Р. У сло ви е м это г о являе тся Еа о б р <<Еа р а зр . Пр и это м Jлн не за ви си то тТ (пр и Т <Т р а зр ) . 2) – зна че ни ю Jлн со о тве тствуе т со сто яни е ди на ми че ско г о р а вно ве си я ме ж ду пр о це сса ми о б р а зо ва ни я и р а зр уше ни я це нтр о в. Э то на б люда е тся пр и ср а вни мы х зна че ни ях эне р г и й а кти ва ци и о б о и х пр о це ссо в. 2. М е то ды и зуче ни я Ф Х Р Пр и о пр е де ле ни и па р а ме тр о в це нтр о в и спо льзуются сле дующ и е ме то ды : - и зме р е ни е эле ктр о пр о во дно сти ; - и зме р е ни е ста ци о на р ных и ки не ти че ски х ха р а кте р и сти к ф о то пр о во ди мо сти ; - и зме р е ни е ста ци о на р ны х и ки не ти че ски х ха р а кте р и сти к о пти че ско г о г а ше ни я ф о то то ка ; - и зме р е ни е ста ци о на р ны х и ки не ти че ски х ха р а кте р и сти к спе ктр о в те р мо сти мули р о ва нно й пр о во ди мо сти (Т СП); - и зме р е ни е ста ци о на р ны х и ки не ти че ски х ха р а кте р и сти к спе ктр о в по г ло щ е ни я све та ; - и зме р е ни е ста ци о на р ны х и ки не ти че ски х ха р а кте р и сти к спе ктр о в ф о то люми не сце нци и ; - и зме р е ни е ста ци о на р ны х и ки не ти че ски х ха р а кте р и сти к спе ктр о в те р мо сти мули р о ва нно й люми не сце нци и (Т СЛ ); - и зме р е ни е ста ци о на р ны х и ки не ти че ски х ха р а кте р и сти к спе ктр о в во зб уж де ни я люми не сце нци и (СВ Л ). 3. О пр е де ле ни е эне р г и и а кти ва ци и пр о це ссо в Ф Х Р.

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com

6

Если пр и пр о те ка ни и Ф Х Р та ки е па р а ме тр ы, и зме р яе мы е экспе р и ме нта льно , ка к, на пр и ме р , - ф о то то к Iф ; - и нте нси вно сть люми не сце нци и Jл и др ., экспо не нци а льно за ви сят о т вр е ме ни о све щ е ни я: Iф = Iф 0 exp(-tо св/τ), то по эти м за ви си мо стям мо ж но о пр е де ли ть по сто янную вр е ме ни пр о це сса τ пр и р а зны х те мпе р а тур а х. Д а ле е , пр е дпо ла г а я, что τ та кж е за ви си т о т Т экспо не нци а льно : τ = τо exp(- Еа /kT), эне р г и ю а кти ва ци и Ф Х Р на хо дят, стр о я за ви си мо сти в ко о р ди на та х: по ве р ти ка льно й о си – ln(τ/τо ), а по г о р и зо нта льно й – 1000/T. Т о г да эне р г и я а кти ва ци и р а вна та нг е нсу уг ла на кло на экспе р и ме нта льно й пр ямо й к г о р и зо нта льно й о си , умно ж е нно му на 10. Д р уг о й спо со б о пр е де ле ни я Еа со сто и тв ср а вне ни и ста ци о на р ны х зна че ни й ф и зи че ски х ве ли чи н (на пр и ме р , и нте нси вно сти люми не сце нци и ), и зме р е нны х пр и ни зки х те мпе р а тур а х сна ча ла по сле о хла ж де ни я кр и ста лла в те мно те (со сто яни е б е з р е а кци и ), а за те м по сле пр е два р и те льно й за све тки в те че ни е о пр е де ле нно г о вр е ме ни ∆tз пр и та ко й те мпе р а тур е Т з, пр и ко то р о й Ф Х Р пр о те ка е т за ме тно за вр е мя экспе р и ме нта (ми нуты ). Пр и это м и зме р яе тся за ви си мо сть ∆Jл(Т з)= Jл - Jло . Пр и это м вр е мя за све тки t з пр и р а зны х Т з вы б и р а е тся ф и кси р о ва нны м. К а ж ды й р а з пр и и зме не ни и Т з де йстви е пр е ды дущ е й “вы со ко те мпе р а тур но й” за све тки сти р а е тся путе м пр о г р е ва ни я о б р а зца пр и Т > Т з (де за кти ва ци я) и о хла ж де ни я е г о до те мпе р а тур ы и зме р е ни я в те мно те . Э кспе р и ме нта льны е то чки та кж е стр о ятся в по луло г а р и ф ми че ско м ма сшта б е ка к и в пр е ды дущ е м случа е . А на ло г и чно о пр е де ляе тся и эне р г и я а кти ва ци и . Ф и зи че ска я и нте р пр е та ци я по луче нно й эне р г и и а кти ва ци и и зме не ни я экспе р и ме нта льно и зме р яе мо й ве ли чи ны (Iф , Jл , Т СП, Т СЛ ...) пр е дста вляе тсо б о й, с о дно й сто р о ны , о че нь ва ж ную ф и зи че скую за да чу, т.к. в и зме р е нно й эне р г и и о тр а ж е ны : - эне р г и и “р а зр уше ни я ” це нтр о в; - эне р г и и и х о б р а зо ва ни я; - по те нци а льны е б а р ье р ы , ко то р ы е пр е о до ле ва ются це нтр а ми пр и и х ди ф ф узи и и ми г р а ци и ...; с др уг о й та ка я “р а сши ф р о вка ” за ви си т о т пр и нято й ф и зи че ско й мо де ли и , сле до ва те льно , со де р ж и т эле ме нт не о дно зна чно сти и тр е б уе т до по лни те льны х экспе р и ме нта льных да нны х. 4. М е то ды , по зво ляющ и е р а зли чи ть эле ктр о нны й и и о нны й ха р а кте р и зме не ни й сво йств кр и ста лла по д де йстви е м све та И зме не ни е сво йств кр и ста лло в пр и о све щ е ни и в пр и нци пе мо ж е т б ы ть о б ъясне но ка к пр о те ка ни е м Ф Х Р, т.е . и о нны ми , а то мны ми и да ж е кла сте р ны ми пр о це сса ми пе р е стр о йки де ф е кто в, та к и чи сто эле ктр о нны ми пр о це сса ми , в р е зульта те ко то р ы х пр о и схо ди тпе р е за р ядка сущ е ствующ и х в кр и ста лле це нтр о в.

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com

7

Ра ссмо тр и м р яд пр и ме р о в та ко й пе р е за р ядки , ко то р а я мо ж е т и ми ти р о ва ть Ф Х Р. 1 0. Пусть в кр и ста лле и ме ются це нтр ы пр и ли па ни я о сно вны х но си те ле й, ко то р ы е о кр уж е ны о тта лки ва ющ и м куло но вски м б а р ье р о м. В это м случа е се че ни е за хва та но си те ля δ на це нтр во зр а ста е т с р о сто м те мпе р а тур ы. Если о све щ е ни е пр о и зво ди ть пр и до ста то чно ни зки х те мпе р а тур а х в те че ни е ко р о тко г о вр е ме ни ∆ t з , то це нтр ы за хва та о ста нутся не за по лне нны ми . А пр и по вы ше ни и те мпе р а тур ы за све тки Т з, о ни на чнут за по лняться. В р е зульта те на кр и вых Т СП и ли Т СЛ по явятся до по лни те льны е пи ки по сле пр е два р и те льно й за све тки пр и по вы ше нны х те мпе р а тур а х. В это м случа е эне р г и я а кти ва ци и пр о це са по явле ни я пи ко в пр е дста вляе т со б о й не ко то р ую эф ф е кти вную вы со ту о тта лки ва ющ е г о б а р ье р а . 2 0. Б о ле е сло ж ны й случа й – ко г да и ме е тся не ско лько ти по в б ли зко р а спо ло ж е нны х це нтр о в за хва та , о кр уж е нны х о б щ и м о тта лки ва ющ и м куло но вски м б а р ье р о м, ко то р ы й во зр а ста е тпр и за по лне ни и ка ж до г о и з ни х. Если эти це нтр ы о б ла да ютр а зны ми се че ни ями за хва та но си те ля за р яда δ, то на кр и вы х Т СП и ли Т СЛ в за ви си мо сти о т Т з б удут по являться ли б о о дни , ли б о др уг и е пи ки , т.к. за по лне ни е о дно г о це нтр а б уде тпр е пятство ва ть за по лне ни ю о ста льны х и з-за уве ли че ни я вы со ты б а р ье р а . Пусть, на пр и ме р , два це нтр а за хва та о сно вны х но си те ле й за р яда р а спо ло ж е ны пр о стр а нстве нно б ли зко др уг к др уг у и и ме ют р а зны е те мпе р а тур ны е за ви си мо сти се че ни й за хва та : пр и ни зки х те мпе р а тур а х δ1>δ2, а пр и вы со ки х те мпе р а тур а х δ1<δ2. В это м случа е , е сли кр и ста лл о све ща ть пр и ни зки х те мпе р а тур а х, то , на пр и ме р , на кр и во й Т СП б уде т на б люда ться ли шь пи к, со о тве тствующи й пе р во му це нтр у, т.к. вто р о й це нтр не смо г за по лни ться по сле за по лне ни я пе р во г о и з-за уве ли че ни я о б щ е г о для ни х куло но вско г о б а р ье р а . Если ж е кр и ста лл о све щ а ть пр и б о ле е вы со ки х те мпе р а тур а х, то б уде т на б люда ться то лько пи к, со о тве тствующ и й вто р о му це нтр у. 3 0. За по лне ни е це нтр о в за хва та о сно вны ми но си те лями вы зы ва е т уве ли че ни е ко нце нтр а ци и но си те ле й пр о ти во по ло ж но г о зна ка , за хва че нны х на це нтр ы р е ко мб и на ци и , что пр и во ди т к уме ньше ни ю ста ци о на р но г о ф о то то ка . Сле до ва те льно , ме дле нно е за по лне ни е це нтр о в за хва та , о б ла да ющ и х о тта лки ва ющ и м б а р ье р о м, мо ж е то б ъясни ть пр о це сс ф о то уто мляе мо сти . Н а о б о р о т, е сли це нтр ы с о тта лки ва ющ и м б а р ье р о м являются це нтр а ми за хва та не о сно вны х но си те ле й, то и х за по лне ни е в р е зульта те за све тки пр и по вы ше нны х те мпе р а тур а х мо ж е т пр и во ди ть к р о сту вр е ме ни ж и зни о сно вны х но си те ле й и , сле до ва те льно , о б ъясни ть ме дле нно е уве ли че ни е ф о то то ка пр и о све щ е ни и (и ми та ци я “о чувствляющ е й ” Ф Х Р, а нти уста ло сти ). 4 0. Если о б р а зе ц не о дно р о де н: на пр и ме р , е сли в ни зко о мно м о б р а зце n-ти па и ме ются вы со ко о мны е включе ни я, со де р ж а щ и е це нтр ы за хва та эле ктр о но в, ко то р ы е о тсутствуют в ни зко о мны х о б ла стях. Пр и это м пр о во ди мо сть о сущ е ствляе тся по ни зко о мны м о б ла стям, ко то р ы е зна чи те льно б о ле е ф о то чувстви те льны . О све щ е ни е та ко г о кр и ста лла пр и ве де т к то му, что ф о то эле ктр о ны , пр е о до ле ва я б а р ье р ме ж ду о б ла стями , б удут по сте пе нно пе р е хо ди ть в вы со ко о мны е о б ла сти и за хва ты ва ться та м це нтр а ми за хва та . Э то

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com

8

вы зо ве т уве ли че ни е за по лне ни я ды р ка ми це нтр о в р е ко мб и на ци и в ни зко о мны х о б ла стях, и , сле до ва те льно , уме ньше ни е вр е ме ни ж и зни ф о то эле ктр о но в, т.е . уме ньше ни е ф о то то ка . Т .к. пр и пе р е хо де в вы со ко о мную о б ла сть ф о то эле ктр о ны пр е о до ле ва ют по те нци а льны й б а р ье р , то ско р о сть уме ньше ни я ф о то то ка б уде т во зр а ста ть с р о сто м те мпе р а тур ы . Сле до ва те льно , пр и о све щ е ни и о б р а зца пр и по вы ше нны х те мпе р а тур а х ф о то то к Iф б уде т ме дле нно уме ньша ться (“ф о то уто мляе мо сть”). В это м случа е Еа , ка к и в случа е 10 , пр е дста вляе тсо б о й вы со ту о тта лки ва ющ е г о б а р ье р а . Т а ки м о б р а зо м, и о нны й ха р а кте р Ф Х Р тр е б уе т спе ци а льно г о до ка за те льства . Д ля это г о мо ж но , на пр и ме р , и спо льзо ва ть ме то ды , ко то р ы е по зво ляюти зме р ять ко нце нтр а ци и це нтр о в до и по сле пр о те ка ни я Ф Х Р. О дни м и з та ки х ме то до в являе тся ме то д ф о то сти мули р о ва нно й вспы шки люми не сце нци и (Ф СВ Л ). 5. Ро ль све та в Ф Х Р Д ля вы ясне ни я р о ли све та и спо льзуют др уг о й не р а вно ве сны х но си те ле й за р яда – и нж е кци ю и з эле ктр о до в.

ме то д

со зда ни я

6. О пр е де ле ни е зна ка но си те ле й за р яда , вы зы ва ющ и х Ф Х Р С это й це лью и спо льзуют ме то ды во зб уж де ни я, по зво ляющ и е со зда ва ть в кр и ста лле но си те ли о б о и х зна ко в ли б о вме сте , ли б о р а зде льно : - мо но по ляр ную и нж е кци ю эле ктр о но в; - эф ф е ктэл. по ля; - дво йную и нж е кци ю; - све тр а зно г о спе ктр а льно г о со ста ва , - х-, γ- и злуче ни е , и о ни зи р ующ и е ча сти цы и т.д. Т а ки е о пы ты б ы ли пр о ве де ны , в ча стно сти , для кр и ста лло в CdS. Сво б о дны е эле ктр о ны со зда ва ли сь и ли мо но по ляр но й и нж е кци е й, и ли о све щ е ни е м пр и ме сны м све то м, пе р е во дящ и м эле ктр о ны и з це нтр о в р е ко мб и на ци и в зо ну пр о во ди мо сти . Д ы р ки со зда ва ли сь о све щ е ни е м И К све то м и з о б ла сти г а ше ни я ф о то то ка , ко то р ы й пе р е во ди т не р а вно ве сны е дыр ки , пр е два р и те льно на ко пле нны е на це нтр а х р е ко мб и на ци и , в ва ле нтную зо ну. Со вме стно е - и е + г е не р и р о ва ли сь дво йно й и нж е кци е й и з эле ктр о до в и ли ж е о све щ е ни е м све то м и з о б ла сти со б стве нно г о по г ло щ е ни я. Пр и это м о ка за ло сь, что для о б р а зо ва ни я це нтр о в за хва та эле ктр о но в не о б хо ди мо и до ста то чно на ли чи е то лько сво б о дны х эле ктр о но в. 7. Ро ль це нтр о в, уча ствующ и х в Ф Х Р Д ля вы ясне ни я р о ли де ф е кто в, уча ствующ и х в Ф Х Р, и но г да пр и ме няе тся и зме р е ни е спе ктр а во зб уж де ни я Ф Х Р. Спе ктр во зб уж де ни я р е а кци и р а спа да Д -А – па р : за ви си мо сть и зме не ни я и нте нси вно сти по ло сы люми не сце нци и с λmax = 0.54 мкм (кр и ва я 1), ко то р а я

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com

9

связа на с р е ко мб и на ци е й но си те ле й в Д - А – па р е , и за ви си мо сть и нте нси вно сти по ло сы с λmax = 0.522 мкм (кр и ва я 2), связа нно й с за хва то м сво б о дно г о эле ктр о на и зо ли р о ва нны м а кце пто р о м о тдли ны во лны све та , и спо льзуе мо г о для Ф Х Р. Н а пр и ме р , в случа е ф о то сти мули р о ва нно г о р а спа да Д -А – па р в кр и ста лла х CdS на и б о ле е эф ф е кти вно р е а кци я пр о те ка е тпр и о све щ е ни и зо на -зо нны м све то м и з о б ла сти ма кси мумо в г а ше ни я ф о то пр о во ди мо сти , ко то р ы й пе р е во ди тды р ки с ∆Jл, о тн. е д. 1 2

λ, мкм 0,7

0,9

1,1

1,3

1,5

1

-1

це нтр о в р е ко мб и на ци и в ва ле нтную зо ну. Э то о зна ча е т, что для пр о те ка ни я Ф Х Р не о б хо ди мы сво б о дны е ды р ки . А о ни , ка к и зве стно , за хва ты ва ются в о сно вно м це нтр а ми р е ко мб и на ци и . Т о е сть пе р е за р яж а ющ и ми ся де ф е кта ми являются це нтр ы р е ко мб и на ци и . 8. М е то ды (РСП)

вы явле ни я

р е ко мб и на ци о нно -сти мули р о ва нны х

пр о це ссо в

О дно й и з на и б о ле е ва ж ны х пр о б ле м, во зни ка ющ и х пр и и зуче ни и ме ха ни змо в Ф Х Р, являе тся пр о б ле ма вы явле ни я РСП, т.е . пр о це ссо в, со сто ящ и х в пе р е да че де ф е кту эне р г и и эле ктр о нно г о во зб уж де ни я пр и б е зы злуча те льно м за хва те на не г о но си те ля за р яда . Т а ки е пр о це ссы мо г ут пр и во ди ть к уско р е ни ю ди ф ф узи и то че чны х де ф е кто в и ли о б ле г ча ть ди ссо ци а ци ю ко мпле ксо в и з-за до по лни те льно г о во зб уж де ни я ко ле б а те льны х сте пе не й сво б о ды . 9. В о змо ж ны е ме ха ни змы Ф Х Р Ра зли чны м ме ха ни зма м Ф Х Р со о тве тствуют р а зли чны е ф и зи че ски е пр о це ссы , в р е зульта те ко то р ы х пр о и схо ди т пе р е стр о йка пр о сты х и сло ж ны х де ф е кто в в пр и сутстви и не р а вно ве сны х но си те ле й. О сно вны ми пр и чи на ми Ф Х Р являются сле дующ и е : - пе р е за р ядка де ф е кто в; - р е ко мб и на ци о нно -сти мули р о ва нны е пр о це ссы ;

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com

10

- во зб уж де ни е це нтр о в – т.е . пе р е хо д эле ктр о но в и з о сно вно г о со сто яни я в во зб уж де нно е , со о тве тствующ е е а нти связы ва ющ е й о р б и та ли . 0 1 . Пе р е за р ядка е сть пр ямо е сле дстви е за хва та не р а вно ве сны х но си те ле й це нтр а ми за хва та и р е ко мб и на ци и . И зме не ни е за р яда це нтр о в в сво ю о че р е дь мо ж е твы зы ва ть сле дующ и е эф ф е кты : а ) У ме ньше ни е и ли и сче зно ве ни е си л куло но вско г о пр и тяж е ни я ме ж ду ко мпо не нта ми Д -А – па р , а дсо р б и р о ва нны х и о но в, а то мо в и ли б о ле е сло ж ны х ко мпле ксо в, а та кж е уме ньше ни е и ли и сче зно ве ни е си л связи мо ле куляр но г о ти па в а ссо ци и р о ва нны х Д -А – па р а х и ко мпле кса х пр и ухо де эле ктр о на , о сущ е ствляющ е г о эту связь. В р е зульта те , е сли те мпе р а тур а до ста то чно вы со ка , ста но ви тся во змо ж ны м и х ди ф ф узи о нны й р а спа д. Э не р г и я а кти ва ци и та ки х пр о це ссо в пр е дста вляе тсо б о й: - ли б о эне р г и ю а кти ва ци и ди ф ф узи и Еа d по дви ж но г о ко мпо не нта ко мпле кса (е сли пе р е за р ядка по лно стью уни что ж а е т си лы связи ме ж ду де ф е кта ми и эне р г и я а кти ва ци и р а спа да ко мпле кса по сле пе р е за р ядки о тсутствуе т); - ли б о о ста вшуюся по сле пе р е за р ядки эне р г и ю а кти ва ци и р а спа да ко мпле кса ; - ли б о сумму это й эне р г и и и Еа d . б ) В о зни кно ве ни е си л куло но вско г о пр и тяж е ни я ме ж ду уча ствующ и ми в Ф Х Р де ф е кта ми и ли уме ньше ни е си л и х вза и мно г о о тта лки ва ни я, а та кж е за по лне ни е це нтр о в эле ктр о на ми , о сущ е ствляющ и ми мо ле куляр ную связь в ко мпле ксе . в) И зме не ни е ко эф ф и ци е нта ди ф ф узи и пе р е за р яж е нны х це нтр о в. Пе р е за р ядка це нтр а мо ж е тпр и во ди ть к и зме не ни ю Еа е г о ди ф ф узи и всле дстви е и зме не ни я вза и мо де йстви я с р е ше тко й пр и си льно й эле ктр о н-ф о но нно й связи , т.е . эне р г и я эле ктр о нно г о во зб уж де ни я пр е вр а ща е тся в по те нци а льную эне р г и ю си сте мы кр и ста лл-ди ф ф уза нт, что и зме няе тпо те нци а льны й б а р ье р для ми г р а ци и . О сно вны е случа и ми г р а ци и , сти мули р о ва нно й пе р е за р ядко й сле дующ и е : 1. По ло ж е ни е по те нци а льно г о ми ни мума в р е ше тке о дно и то ж е для о б о и х за р ядо вы х со сто яни й, а и зме няе тся то лько вы со та б а р ье р а . Т о г да в о б о и х за р ядо вы х со сто яни ях ди ф ф узи я пр о и схо ди т путе м те р ми че ски а кти ви р уе мо г о пр о це сса , но с р а зны ми эне р г и ями а кти ва ци и . 2. Н а р яду с и зме не ни е м вы со ты по те нци а льно г о б а р ье р а сущ е стве нно и зме няе тся р а вно ве сно е по ло ж е ни е и о на та к, что по ло ж е ни е ми ни мума по те нци а льно й эне р г и и си сте мы в о сно вно м со сто яни и со о тве тствуе т по ло ж е ни ю ма кси мума и ли по ло ж е ни ю се дло во й то чки в пе р е за р яж е нно м со сто яни и . В это м случа е во змо ж на а те р ми че ска я (б е за кти ва ци о нна я) ди ф ф узи я це нтр а , е сли и ме е тме сто ци кли че ско е и зме не ни е е г о за р ядо во г о со сто яни я, что мо ж е т б ыть, на пр и ме р , пр и р е ко мб и на ци и на не м не р а вно ве сны х но си те ле й. Пр и это м де ф е ктсо ве р ша е то ди н ди ф ф узи о нны й пр ы ж о к пр и и зме не ни и за р ядо во г о со сто яни я (ме ха ни зм О ксе нг е ндле р а Б ур г уэна ).

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com

11

Ат ерм ическа я диф фузия п о м еха низм у О ксенгендлера -Бургуэна : - сп лошна я линия соот в ет ст в ует энергии диф ф ундирующ его ц ент ра в исходном за рядовом сост оянии в за в исим ост и от его п олож ения в решет ке; - шт рихова я линия – в п ереза ряж енном ; - 1, 3 – п роц есс п ереза рядки; - 2, 4 – см ещ ение ц ент ра в новое ра в нов есное п олож ение. 2 0. Ре ко мб и на ци о нно -сти мули р о ва нны й пр о це сс. РСП со сто и т в то м, что вы де ляющ а яся пр и мно г о ф о но нно й б е зы злуча те льно й р е ко мб и на ци и эне р г и я пр е вр а щ а е тся в эне р г и ю ко ле б а ни й це нтр а в р е ше тке . Э ти ко ле б а ни я мо г ут служ и ть пр и чи но й ка к уско р е нно й ди ф ф узи и эф ф е кто в, та к и р а спа да сло ж ны х це нтр о в. Т а ко й ме ха ни зм б ы л пр е дло ж е н Л а нг о м и К и ме р ли нг о м для о б ъясне ни я о б на р уж е нно г о и ми уско р е ни я ди ф ф узи и не ко то р ы х де ф е кто в, со зда нны х о б луче ни е м в GaAs в р е зульта те и нж е кци и не р а вно ве сны х но си те ле й. Б ы ло по ка за но , что по те нци а льны й б а р ье р W, со о тве тствующ и й р а вно ве сно й ми г р а ци и , уме ньша е тся на ве ли чи ну Ер . Э та ве ли чи на ~ р а вна эне р г и и , ко то р а я о сво б о ж да е тся пр и за хва те эле ктр о на на ур о ве нь ди ф ф унди р ующ е г о це нтр а , ко то р ы й являе тся це нтр о м р е ко мб и на ци и .

Э не р г и я, вы де ляющ а яся пр и б е зы злуча те льно й р е ко мб и на ци и на це нтр е , не успе ва е т уйти в р е ше тку, пе р е да е тся це нтр у, пр е вр а щ а ясь в эне р г и ю ло ка льны х ко ле б а ни й. Э то по вы ша е т ур о ве нь ко ле б а ни й де ф е кта в по те нци а льно й яме и

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com

12

спо со б ствуе тди ф ф узи о нно му пр ы ж ку в со се дне е экви ва ле нтно е по ло ж е ни е в р е ше тке . Если пе р е да нна я це нтр у эне р г и я до ста то чно вы со ка , пр о це сс мо ж е т но си ть а те р ми че ски й ха р а кте р . Л и те р а тур а 1. Ф и зи ка со е ди не ни й А II В IV /По д.р е д. Ге о р г о б и а ни А .Н ., Ш е йнкма на И .К .М .: М и р , 1989. – 320 с. 2. К люе в В .Г. Ф о то сти мули р о ва нны е пр о це ссы на по ве р хно стны х де ф е кта х ши р о ко зо нны х по лупр о во дни ко в: Д и с...до кт. ф и з.-ма т. на ук. – В о р о не ж , 1998. - 313 с.

Со ста ви те ли : К люе в В и кто р Гр и г о р ье ви ч Л е о но ва Л и а на Ю р ье вна Ре да кто р : Т и хо ми р о ва О .А .

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com