Введение к работе
Актуальность работы. Опыт физико-химического исследования полупроводников свидетельствует о том, что одними из наиболее значимых с точки зрения практического применения являются монокристаллы, легированные различными примесями. Собственные и примесные дефекты кристаллической решетки широкозонных полупроводниковых материалов образуют в запрещенной зоне спектр электронных и дырочных состояний, который вносит существенный вклад в формирование их фото-, магнито- и термоэлектрических, резонансных и оптических свойств. Поэтому главной проблемой, возникающей при исследовании такого типа материалов, является установление физико-химической природы дефектно-примесного состава полупроводников.
Представления о термо- и фотоассоциации примесей и дефектов кристаллической решетки успешно используются для интерпретации определенных фотохимических реакций, протекающих в полупроводниках типа AIIBVI. Однако, представления о стимулированных преобразованиях в дефектно-примесной подсистеме нуждаются в экспериментальном подтверждении и теоретической интерпретации. Для этого необходимо установить физико-химическую природу и механизм образования и разрушения примесно-дефектных комплексов, участвующих в термо- и фотоактивационных процессах.
Наряду с этим особый интерес вызывают нелинейные явления, которые проявляются при исследовании фотохимических процессов в монокристаллах, легированных различными элементами. Исследование такого типа явлений, являющихся проявлением процессов самоорганизации в конденсированных средах, предусматривает применение комплексного подхода, особая роль в котором отводится установлению типа динамики протекающих процессов и математическому моделированию кинетических закономерностей протекающих фотохимических процессов.
Поэтому проведение исследований, связанных с неравновесными фото- и термостимулированными преобразованиями в полупроводниках, а также установление физико-химической природы их дефектно-примесной подсистемы являются актуальными для современной физической химии.
Цель и задачи исследования. Цель работы состояла в исследовании фотостимулированных преобразований дефектно-примесной подсистемы кристаллов сульфоселенида кадмия и селенида цинка, легированных калием и серебром, а также в анализе нелинейных явлений, возникающих вследствие протекания в них фотохимических реакций.
Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:
методами фото- и термоактивационной спектроскопии определены энергетический спектр и кинетические параметры электронных и дырочных состояний, сформированных глубокими центрами;
установлены структура, характеристические параметры и физико-химическая природа примесно-дефектных центров в образцах различного химического состава;
выявлены условия реализации осцилляций примесного фототока в монокристаллах CdSxSe1-x, легированных калием и установлены особенности динамики протекающих процессов;
методами нелинейной неравновесной термодинамики и математического моделирования проведен анализ особенностей проявления флуктуационных явлений.
Объектами исследования явились монокристаллы ZnSe и CdSxSe1-x, легированные серебром и калием.
Методы исследования. Экспериментальные исследования проводились с применением комплекса методов, основанных на изучении спектральных и кинетических характеристик примесной и индуцированной примесной фотопроводимости термостимулированного тока и оптического гашения фотопроводимости. При реализации данных методов вариацией уровня фотовозбуждения полупроводника в широких пределах осуществлялось управление квазиуровнями Ферми, что позволило раскрыть широкие методические возможности данных методов для изучения особенностей электронной структуры глубоких центров.
С целью выяснения особенностей реализации критических явлений в виде колебаний примесного фототока использованы: дискретное преобразование Фурье, реконструкция динамики по временной последовательности данных, вычисление показателей Ляпунова и КС – энтропии, математическое моделирование.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:
обнаружено фотохимическое образование и термическое разрушение донорных молекул типа (Agi)2 в кристаллах ZnSe, легированных серебром;
установлено обратимое фотохимическое преобразование примесно-дефектных комплексов типа донорно-акцепторных пар в кристаллах CdSxSe1-x, легированных калием;
обнаружены аномально низкие значения сечения захвата центров, участвующих в термостимулированных процессах, протекающих в исследуемых кристаллах;
обнаружены нелинейные явления в виде флуктуаций примесного фототока в кристаллах CdSxSe1-x, легированных калием.
Теоретическая и практическая значимость. Получены новые экспериментальные результаты по исследованию фотостимулированных преобразований дефектно-примесной подсистемы кристаллов сульфоселенида кадмия и селенида цинка, легированных калием и серебром, а также по нелинейным явлениям в виде флуктуаций примесного фототока, возникающего вследствие протекания фотохимических реакций.
Теоретическая значимость исследования определяется тем, что полученные результаты и их интерпретация могут быть использованы в качестве модельных при объяснении аналогичных явлений в фотохимически активных полупроводниках различного типа.
Результаты, полученные в работе, могут быть полезны при разработке и конструировании новых фотоэлектрических полупроводниковых приборов.
Подходы, предложенные в работе, могут быть использованы при исследовании сложных процессов различной физико-химической природы, в которых проявляются эффекты самоорганизации.
Основные положения, выносимые на защиту:
результаты по определению энергетического спектра и кинетических параметров электронных и дырочных состояний, сформированных неустойчивыми центрами;
результаты по обоснованию моделей примесно-дефектных центров на основе сравнения экспериментальных и теоретически рассчитанных фотоактивационных спектров;
результаты по установлению структуры, особенностей характеристических параметров и физико-химической природы примесно-дефектных центров в образцах CdSxSe1-x различного состава;
результаты по выявлению условий реализации осцилляций примесного фототока в монокристаллах CdSxSe1-x, легированных калием и установлению параметров динамики протекающих процессов.
результаты по термодинамическому анализу и математическому моделированию фотохимических процессов, протекающих в колебательном режиме.
Личный вклад автора. Лично автором проведены экспериментальные исследования. Обсуждение результатов проведено совместно с руководителями.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на: IV Международной научной конференции «Фундаментальные и прикладные вопросы получения новых материалов: исследования, инновации и технологии» (Астрахань, 2010), XI, XII и XIII Международных конференциях «Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросхемы» (Ульяновск, 2009 – 2011)), Международной научной конференции «Инноватика-2011» (Ульяновск, 2011), Межрегиональном Пагоушском симпозиуме «Наука и высшая школа Чеченской Республики: перспективы развития межрегионального и международного сотрудничества» (Грозный, 2010), конференциях профессорско-преподавательского состава Чеченского госуниверситета (Грозный, 2009-2011).
Публикации. Основные результаты работы опубликованы в 10 работах,3 из которых – в журналах из перечня ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 113 страницах машинописного текста, состоит из введения, трех глав и выводов, иллюстрирована 28 рисунками, содержит 3 таблицы и список используемой литературы из 153 наименований работ.
