Введение к работе
Актуальность темы. В последние годы особое внимание уделяется разработке технологии получения новых полупроводниковых материалов, обладающих определенными специфическими свойствами и фундаментальному исследованию их физических свойств. К числу таких объектов относятся и соединения редкоземельных элементов (РЗЭ), изучение которых составляет новую, быстро развивающуюся часть физики твердого тела с четко определенным кругом изучаемых явлений и хорошо сформированной проблематикой. Сегодня уже не вызывает сомнения определяющая роль f-состояний в формировании свойств соединений РЗЭ. Если узкая f-зона расположена в запрещенной зоне, тогда материал характеризуется полупроводниковыми свойствами; если же f-полоса пересекается с зоной проводимости, по свойствам соединение становится металлоподобным и, главное, появляется возможность осуществления промежуточной валентности, т.к. f-электроны редкоземельного иона теряют стабильность и приобретают частично локализованный и частично зонный характер.
К проблемам соединений с промежуточной валентностью тесно
примыкает и проблематика материалов с тяжелыми фермионами, для
которых характерно наличие на уровне ферми электронов с очень большой
эффетивной массой. Интерес к ним особенно возрос в связи с открытием в
этом классе веществ явления сверхпроводимости. Примерно десять лет
назад, решение главной проблемы сверхпроводимости (значительное
повышение критической температуры) вызвало многочисленные попытки
определения тех механизмов, которые содействуют достижению гораздо
высоких критических температур в новых высокотемпературных
сверхпроводниках (ВТСП). Количество экспериментальных данных и
существование соответственной детализации в теоретических исследованиях не дают возможности присвоить приоритет одному из механизмов. По нашему мнению подлежит вниманию близость подхода объяснений свойств систем с тяжелыми ферминами и ВТСП - во первых из-за участия редкоземельных ионов в составе многих ВТСП, и во-вторых (что наверное более значительно) из-за сосуществования в них зонных и почти локализованных состояний. Нельзя исключить, что сверхпроводимость в системах тяжелых фермионов окажется связующим звеном между высокотемпературной и "обычной"сверхпроводимостями.
Существовующий на сегодняшний день достаточно многочисленный экспериментальный материал пока что недостаточен для полноценного качественного и, тем более, количественного восприятия протекающих в соединениях РЗЭ явлений и для создания такой теории, которая могла бы объять весь спектр уникальных свойств этих соединений. Ясно, что тривиальный подход к интерпретации экспериментальных данных не коректен, обязательно накопить гораздо больший объем информации, надо расширить круг тех соединений, которые используются объектами исследования или модельными материалами. Исключительные перспективы практического применения, существование, с научной точки зрения многих значительных и интересных проблем определяют актуальность экспериментальных исследований в любом направлении и теоретического анализа накопленной информации для изучения соединений РЗЭ.
Цель работы, исходя из вышесказанного можно определить следующим образом:
- Изучение оптических свойств тонких кристаллических пленок сесквисульфидов самария, иттербия, диспрозия и тулия, металлической модификации моносульфьда самария, моноантимонида тулия, ди- и трнантимонидов иттербия, объемных монокристаллов висмутовых и
содержащий редкоземельный ион (празеодим, европий, гадолиний) высокотемпературных сверхпроводников полупроводниковой фазы.
- Установление энергий и характера оптических переходов
электронов.
- На основе анализа оптических спектров вышеуказанных соединений
определение величин характерных параметров.
- Теоретический расчет и анализ зонной структуры, плотности
состояний, оптических спектров моноаитимонида тулия.
Научная новизна.
-
Впервые на тонких пленках ди- и триантимонидов иттербия измерены спектры отражения и прозрачности. На их основе расчитаны спектральные зависимости основных оптических параметров (коэффициента поглощения, действительной и мнимой частей диэлектрической проницаемости, показателей поглощения и преломления, функции потерь и оптической проводимости). Определены энергетические положения экстремумов оптических спектров. Проанализированы механизмы электронных переходов, определяющих край фундаментального поглощения и установлены соответствующие энергии. Оценены величины эффективной массы электронов и энергии плазменных колебаний.
-
Впервые для пленок триантимонида иттербия определены энергии выявления оптических структур и идентифицированы конкретные механизмы спектральных особенностей. Представлена схема возможного расположения энергетических состояний вблизи экстремумов зон.
-
Впервые релятивистским линейным методом присоединенных плоских волн расчитаны зонная структура и теореоические оптические спектры моноаитимонида тулия. Установлено, что особенности оптических спектров обусловлены, в основном, сильным f-p взаимодействием. На основе сравнения теоретических и впервые измеренных оптических спектров
идентифицированы энергии и характер электронных переходов, которые обуславливают выявление структуры.
-
Вревые на основе изучения оптических свойств тонких пленок' сесквисульфида тулия определены величины ширины запрещенной зоны и прямого энергетического зазора. На основании прямого измерения поглощения анализируется и уточняется структура края поглощения в тонких пленках сесквисулфидов самария, иттербия, диспрозия и тулия.
-
Впервые на основе изучения оптических характеристик (как в неполяризованном, так и поляризованном свете) объемных монокристаллов висмутовых и содержащих редкоземельный ион (прозеодим, европий, гадолиний) некоторых высокотемпературных сверхпроводников полупроводниковой фазы представлена модель зонной схемы электронных перехдов.
Практическая ценность. Объяснение природы происхождения основных структур в полученных эксперименталных и теоретических спспектрах будут способствовать дальнейшему развитию представлений о закономерностях и механизмах, протекающих в редкоземельных полупроводниках. Эти результаты послужат стимулом для: а)выявления и реализации новых направлений использования изученных соединений; б)комплексного исследования оптических и электро-физических свойств других редкоземельных соединений.
Основные положения, выносимые на защиту:
- Результаты исследований характера и энергии электронных оптических переходов, обуславливающих край поглощения тонких пленок сесквисульфидов самария, иттербия, диспорзия и тулия.
- Оптические свойства тонких пленок ди- и триантимонидов иттербия; конкретные электронные механизмы, обусловливающие особенности спектров; схема возможного расположения энергетических состояний вблизи экстремумов зон.
- Результаты исследования оптических свойств тонких пленок
металлической модификации моносульфида самария.
- Рассчитанные линейным методом присоединенных плоских волн, с
учетом спин-орбитального взаимодействия, зонная структура и плотность
состояний моноантимонида тулия. Результаты сравнения теоретических и
экспериментальных оптических спектров.
- Оптические характеристики и модель зонной схемы для
электронных переходов объемных монокристаллов висмутовых и содер
жащих редкоземельные ионы некоторых ВТСП полупроводниковой фазы.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на XXI (Тбилиси, 1978), XXII (Тбилиси, 1979), XXIII (Тбилиси, 1981) и (Тбилиси, 1993) республиканских научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ГПИ и работников производства; XI (Тбилиси, 1980) республиканской научно-методической конференции физиков высших учебных заведений Грузии; III (Тбилиси, 1983) Всесоюзной конференции по физике и химии редкоземельных полупроводников; IV (Красноярск, 1984) школе по физико-химическим основам методов получения и исследования материалов электронной техники; (Красноярск, 1989) Всесоюзной школе по актуальным вопросам редкоземельных соединений; II (Киев, 1989) Всесоюзной конференции по высокотемпературным сверхпроводникам; III (Новосибирск, 1989) Всесоюзном симпозиуме по неоднородным электронным состояниям; V (Саратов, 1990) Всесоюзной конференции физики и химии редкоземельных соединений; (Ш Вильнюс, 1982), IV (Тбилиси, 1987), V (Бонн, 1989) и VI (Казань, 1991) международном советско-германском семинарах по редкоземельным полупроводн икам.
Публикация. По теме диссертации опубликовано 37 работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка цитируемой литературы. Общий объем работы составляет 245 страниц, из них 166 печатных, 116 иллюстраций, 30 таблиц и библиографий из 256 наименований.
