2.3. Исследование оптического поглощения кристаллов ZnSe:Ni в видимой области спектра

Для выяснения влияния примеси никеля на спектры поглощения исследуемых кристаллов, прежде всего, получены спектры нелегированных кристаллов ZnSe (рис.2.2). Как видно эти спектры при Т=300К характеризуются краем поглощения, положение которого 2.68эВ

соответствует оптической ширине запрещенной зоны ZnSe. В длинноволновой области вплоть до 3.3мкм никаких особенностей спектров поглощения нелегированных кристаллов не установлено.

Легирование никелем приводит смещению края поглощения в сторону меньших энергий (рис. 2.2). Установлено, что это смещение возрастает с увеличением температуры отжига (концентрации Ni) Максимальное смещение 40мэВ наблюдается в кристаллах ZnSe:Ni, отожженных при температуре 1000˚С. Такое уменьшение энергии оптических переходов объясняется уменьшением ширины запрещенной зоны с ростом концентрации примеси. Изменение ширины запрещенной зоны как функции концентрации легирующей примеси определялось в [13] по формуле

(2.1)

Установлено что легирование кристаллов Ni приводит к появлению полос поглощения в сине-зеленой области спектра, о чем свидетельствует изменение окраски кристаллов. При Т=300К спектры поглощения кристаллов ZnSe:Ni, полученных при температуре отжига 850˚С характеризуются полосами с максимумами на 2.6, 2.41 и 2.19 эВ. С увеличением температуры отжига интенсивность указанных линий возрастает, а положение линий смещается в низкоэнергетическую область.

С уменьшением температуры кристаллов до 77 К край поглощения исследуемых кристаллов смещается в высокоэнергетическую зону на 0.11эВ. Такое изменение края поглощения соответствует температурному изменению ширины запрещенной зоны в ZnSe. Аналогичное смещение при уменьшении температуры до 77 К испытывают и линии примесного поглощения (рис.2.3). Такое температурное смещение свидетельствует о том, что за указанные линии поглощения ответственны переходы валентная зона – уровень Ni.

2.4. Исследование поглощения кристаллов ZnSe:Ni в инфракрасной области спектра

Оптические свойства кристаллов ZnSe:Ni в инфракрасной области характеризуются наличием характерных линий поглощения в двух областях - в ближней и средней ИК-области.

В ближней ИК-области легирование никелем приводит к появлению линий поглощения на 1.41, 1.46 и 1.53 эВ (рис.2.4.), интенсивность которых возрастает с увеличением температуры отжига (концентрации никеля). В то же время увеличение концентрации никеля не приводит к смещению этих линий.

Уменьшение температуры кристаллов не приводит к заметному смещению положения этих линий поглощения (рис. 2.5.). Такое поведение линий поглощения характерно для внутрицентровых оптических переходов. Согласно [14], линии поглощения на 1.41 эВ соответствуют переходам ³Т₁(Р)→ Т₁(F), происходящими в пределах иона никеля. Две остальные линии не наблюдались ранее в кристаллах ZnSe:Ni. Очевидно, они обусловлены переходами на расщепленные в результате спин-орбитального взаимодействия состояния иона никеля ³Т₁(Р). Помимо этих линий, которые являются основными, в спектре заметны ряд их фононных повторенный, проявляющихся в виде более слабых линий или перегибов

В более длинноволновой – средней ИК-области в исследуемых кристаллах наблюдалась единственная полоса поглощения на 1.1эВ, интенсивность которой возрастала с ростом степени легирования (температуры отжига). Положение этой линии не менялось в зависимости от степени легирования кристаллов.

Уменьшение температуры кристаллов от 300 до 77К не приводит к существенному смещению этой полосы поглощения (рис. 2.6). Это позволяет предположить, что за поглощение в этой области ответственны

.

внутрицентровые оптические переходы. Согласно имеющимся литературным данным [14] такими переходами являются переходы ³T₁(F)→³A₂(F), происходящие в пределах иона никеля.

Таким образом, в результате проведенных исследований оптического поглощения кристаллов ZnSe:Ni можно построить схему оптических переходов (рис. 2.7). За линии поглощения в сине-зеленой области спектра ответственны оптические переходы 1,2,3 с валентной зоны на расщепленные спин-орбитальным взаимодействием возбужденные уровни ³T₁(H) иона никеля. За линии поглощения в ближней ИК-области отвечают внутрицентровые переходы 4,5,6. Переход 7 отвечает за линию оптического поглощения на 1.1эВ.

Выводы

1. Разработана методика диффузионного легирования кристаллов селенида цинка никелем, позволяющая получать кристаллы с разной концентрацией никеля. Интерпретирована природа переходов, обуславливающих оптические свойства кристаллов ZnSe:Ni.

2. Оптические свойства исследуемых кристаллов в видимой области характеризуются полосами поглощения, за которые ответственны переходы электронов из валентной зоны на расщепленный в результате спин-орбитального взаимодействия уровень ³T₁(H) иона никеля.

3. Поглощение кристаллов ZnSe:Ni в ближней ИК-области обусловлено оптическими переходами из основного состояния ³T₁(F) на расщепленное в результате спин-орбитального взаимодействия возбужденное состояние ³T₁(P) иона никеля.

4. Поглощение в средней ИК-области обусловлено внутрицентровыми оптическими переходами ³T₁(F)→³A₂(F), происходящими в пределах иона никеля.