1.2. Оптические свойства кристаллов ZnSe:Cr

Исследования оптических свойств кристаллов ZnSe:Cr проводилось в [3]. На рис.1.1 представлены спектры оптической плотности (D*) кристалла, легированного хромом при 1073К. Спектр поглощения хрома в кристаллах ZnSe:Cr локализован в сине-зеленой области длин волн. При температуре измерения 77 К выделяется основная линия поглощения на 2.766 эВ и две дополнительные – на 2.717 эВ и 2.406 эВ. При комнатной температуре спектр поглощения имеет единственную линию на 2.614 эВ. Таким образом, при повышении температуры от 77 до 293 К наблюдается смещение основной линии поглощения от 2.766 до 2.614 эВ. Величина

этого смещения (8∙10^-4эВ/K) соответствует температурному изменению ширины запрещенной зоны ZnSe. Полученный результат свидетельствует о том, что процессы поглощения в сине-зеленой области спектра осуществляются по схеме валентная зона - уровни хрома. Подтверждением этому является отсутствие электронной фотопроводимости при освещении кристаллов ZnSe:Cr сине-зеленым светом.

Было установлено, что исследуемые кристаллы ZnSe:Cr имеют характерный минимум пропускания в области 0.72 эВ (рис.1.2). Аналогичный результат получен ранее в [4].

С огласно [3] поглощение в ИК-области спектра обусловлено внутрицентровыми переходами ⁵Т₂⁵Е между основным (⁵Т₂) и нижним возбужденным (⁵Е) состояниями иона Cr²⁺. В [2] было установлено соотношение между коэффициентом поглощения кристаллов ZnSe:Cr в области 0.72эВ и концентрацией примеси хрома:

, (2)

где коэффициент поглощения  имеет размерность см^-1, а концентрация хрома [Cr] – см^-3. Соотношение (2) использовано нами для оценки максимальной концентрации примеси хрома в исследуемых кристаллах. При этом коэффициент поглощения рассчитывался из соотношения

, (3)

где T – коэффициент пропускания света, - коэффициент отражения, n – показатель преломления, равный 2.45 при энергии квантов равной 0.72эВ, l – толщина поглощающего слоя.

При температуре диффузии 1173К и длительности 10 ч толщина поглощающего слоя хрома составила l200мкм. Используя соотношения (2,3) и рис.1.2., была оценена максимальная концентрация примеси хрома в исследуемых кристаллах, которая составила 8∙10¹⁹см^-3 .

1.3. Поглощения кристаллов ZnSe:Co

Оптические свойства кристаллов ZnSe:Co характеризуются наличием полос поглощения в сине-зеленой и инфракрасной областях. В [8] исследованы спектры поглощения в области собственного поглощения кристаллов ZnSe:Co, легированных кобальтом при различных условиях (рис. 1.1). Для сравнения кривой 1 представлен спектр оптической плотности нелегированного кристалла. На кривой 2 представлен спектр оптической плотности кристалла, подвергнутого диффузии кобальта из металлического слоя в вакууме при 1173 K в течение 0.5 ч. Кривые 3-5 получены на кристаллах, отожженных в порошкообразном кобальте в атмосфере аргона в течение 10 ч при 1173, 1223 и 1273 K соответственно.

Как видно, по мере увеличения степени легирования кристаллов край поглощения смещается от 2.76 до 2.30эВ. Это свидетельствует об образовании твердого раствора Zn_1-xCo_xSe. В области низких энергий поглощения на кривых 2-4 (рис.1.3) видны слабо разрешимые линии (обозначены стрелками). На вставке (рис.1.3) в увеличенном масштабе показан фрагмент спектра 2 в области низких энергий поглощения. Выделяются четыре линии поглощения 2.360, 2.434, 2.473 и 2.549 эВ. Расстояния между ними соответственно 74, 39 и 76 мэВ, что значительно превышает энергию продольного оптического фонона в ZnSe (30мэВ). Таким образом, наблюдаемые линии поглощения являются бесфононными. Линия поглощения на 2.360 эВ наблюдалась в и соответствует переходу из основного состояния ⁴А₂(F) на высокое возбужденное состояние иона кобальта или состояние связанного экситона. Аналогичная линия наблюдалась [9] в спектре излучения Zn_1-xCo_xSe. Авторы

[10] склонны считать, что она обусловлена переходом ⁴А₂(F)  ²Т₁(Н), где ²Т₁(Н), – возбужденное мультиплетное состояние иона Co²⁺. Уровень возбужденного мультиплетного состояния ²Т₁(Н) расположен на расстоянии 200мэВ от дна зоны проводимости. Можно считать, что линии поглощения на 2.434, 2.473, 2.549эВ образуются благодаря спин-орбитальному расщеплению состояния ²Т₁(Н). Следует отметить, что линии 2.360, 2.434 и 2.549эВ наблюдались [11] как L, M, N-линии поглощения. Они также объяснены как результат внутрицентровых переходов.

Установлено, что в ближней ИК-области спектра все легированные кобальтом кристаллы, в отличие от нелегированные кристаллов, обладают серией линий поглощения. Наиболее разрешима структура линий поглощения в слаболегированных кристаллах. Как видно на рис.1.4, в спектре поглощения наблюдаются три основные линии на 1.64, 1.71 и 1.78эВ (отмечены стрелками). Остальные линии являются их фононными повторениями и отстоят от основных на расстояниях порядка 10мэВ, что

соответствует энергиям поперечных акустических фононов в ZnSe. При повышении температуры кристаллов от 77 до 293K фононные линии исчезают и видны лишь основные составляющие. Первая из основных линий (1.64эВ) согласно [9] является бесфононной. Она обусловлена переходами ⁴А₂(F)⁴Т₁(P). Две остальные линии наблюдаются впервые. Очевидно, они обусловлены переходами на расщепленные в результате спин-орбинального взаимодействия ⁴Т₁(P) – состояния иона Co²⁺.

Н а (рис.1.5) представлены спектры поглощения в средней ИК-области. Для сравнения приведен спектр оптической плотности нелегированного кристалла ZnSe. Видно, что в чистых кристаллах никаких особенностей в этой области спектра не наблюдается. На кривых 2, 3 видны две полосы с максимумами на 0.83 и 0.76 эВ. Полоса на 0.76 эВ, согласно [8], соответствует переходу ⁴А₂(F)  . Как видно из рис.3, по мере увеличения степени легирования кристаллов происходит размытие полос поглощения.