3.5 Ход эксперимента и результаты.

Объектами исследования были образцы, вырезанные из монокристаллического германия, легированного редкоземельными элементами – Лантан (La), Церий (Ce) и Европий (Eu). Все образцы примерно одинаковой толщины ~ 1 см. Тип проводимости (измеренного с помощью точечно-контактного метода определения типа проводимости) кристаллов и удельное сопротивление (использовался четырехзондный метод) представлены в таблице:

кристалл	тип проводимости	удельное сопротивление, ом см
Ge+La	p - тип	0,8
Ge+Ce	смешанный, ближе к n	27
Ge+Eu	смешанный, ближе к n	43

На приборе ИКС-29 (инфракрасный спектрометр) по спектру были получены коэффициенты пропускания и подсчитаны коэффициенты поглощения по формуле:

, а также теоретическое поглощение по формуле

Результаты представлены в таблицу:

кристалл	длина, см	пропускание, %	поглощение см-1	теоретическое поглощение, см-1
Ge+La	1	2	3,19	3,70
Ge+Ce	1	25	0,65	1,65
Ge+Eu	1	24	0,66	1,65

Сразу бросается в глаза низкое пропускание образца Ge+La, всего 2 процента. Если попробовать разобраться в причине, необходимо понять к какой группе может относиться лантан. Его электронная структура 5d¹6s², ее можно изобразить примерно так:

Если исходить их теоретических данных, что однозначно можно определить номер группы по сумме f-, d-, s- электронов вне устойчивых конфигураций, то лантан относится к третьей группе (один электрон на 5d – уровне и 2 на 6s). Из раннее проведенных экспериментов по пропусканию германия легированного элементами 3-й группы, удалось найти данные по германий + галлий:

кристалл	Длина, см	пропускание, %	тип проводимости	удельное сопротивление, ом см	поглощение, см-1
Ge+La	1	2	p-тип	0,8	3,19
Ge+Ga	1	3	p-тип	0,7	3,21

Из этой таблицы можно судить о сходстве электрофизических свойств 2-х образцов. Пытаясь найти сходства в электронных структурах галлия (3d¹⁰4s²4p¹) и лантана (5d¹6s²) можно отметить, что у обоих элементов последние электроны системы не попадают на f-орбиталь (что характерно почти для всех лантаноидов). Также видно, что лантан дает в германии донорный тип проводимости, как и галлий. Исходя из очень точного сходства и теоретических данных, можно сделать предположение о возможности поставить лантан в третью группу.

Практически аналогично, исходя из теоретических данных, дело обстоит с церием, этот элемент с двумя электро­нами на внутренней незаполненной 4f-оболочке и двумя электронами на внешней 6s-оболочке можно отнести к элементам IV группы. К тому же, тип проводимости у церия в германии оказался смешанным, т.к. германий – элемент IV группы, а соответственно эти 2 элемента близки друг к другу, церий встраивается в решетку германия, не давая дополнительных носителей заряда. У европия 4f-оболочка заполнена наполовину, и вследствие устойчивости группы из семи не спаренных электронов (4f⁷) групповыми валентными электронами оказываются лишь внешние два 6s-электрона, поэтому европий представляет элемент II группы. Если сравнивать, например, европий (4f⁷6s²) с элементом второй группы – барием(6s²), то можно увидеть сходство валентных электронов – у обоих элементов 6s², соответственно с валентностью 2, можно сделать предположение о том, что европий можно ставить во вторую группу.

Для двух образцов – Ge+Ce и Ge+Eu подсчитаны частоты в дальней инфракрасной области (12 то 20 мкм), где реализуется решеточное поглощение. Эти частоты считались в местах пиков спектрограмм

1. Ge+Ce

Для длин волн 14,2 мкм, 16,6 мкм и 21,2 мкм:

2. Ge+Eu

Для длин волн 13,8 мкм, 15,4 мкм и 20,0 мкм

Спектрограммы представлены на рисунках:

Рис.1. Ge+Ce

Рис.2. Ge+Eu

Рис.3. Ge+La

ВЫВОДЫ.

1. Рассмотрены электронные строения трех лантаноидов – лантана, церия и европия, по данным результатам можно сделать предположение о возможности поставить их соответственно: лантан в 3 группу, церий в 4 четвертую, а европий во 2-ю.

2. Показано сходство в электрофизических свойствах и пропускании ИК-излучения германия легированного галлием и германия легированного лантаном. Сходство оказалось очень близким, что дает экспериментальное доказательство правильности решения о постановке лантана в 3 группу.

3. Тип проводимости у германия, легированного церием, оказался смешанным, что позволяет приблизить церий к элементам 4 группы.

4. Подсчитаны коэффициенты поглощения для всех трех образцов.

Поглощение в германии, легированного лантаном, оказалось самым низким, что напоминает поглощение германия, легированного другими элементами 3 группы.

5. В дальней инфракрасной области определены частоты, на которых реализуется решеточное поглощение.