Водень в шаруватих кристалах GaSe

Міністерство освіти та науки України

Чернівецький національний університет

імені Юрія Федьковича

КАФЕДРА ЕЛЕКТРОНІКИ І ЕНЕРГЕТИКИ

Реферат

Водень в шаруватих кристалах GaSe

Чернівці

2008

1.1 Вплив водню на оптичні властивості GaSe

Здатність шаруватих напівпровідників типу А³ В⁶ до інтеркаляції катіонами лужних, лужноземельних металів, аніонами галогенів, а також органічними комплексами. Вплив інтеркаляції воднем на властивості моноселеніду ґалію нас як науковий інтерес, так і практичне значення: акумулятори водню, водневі фільтри, каталізатори, електроди для паливних елементів та батарей.

Подані результати досліджень спектрів пропускання GaSe (є -модифікація), інтеркальованого воднем у ділянці екситонного поглинання. Зразки, які використовували для інтеркаляції, вирощували методом Бріджмена. Інтеркаляцію проведено електрохімічним методом з 0.1-нормального розчину соляної кислоти. Вплив концентрації введених атомів водню на властивості моноселеніду ґалію вивчали на одній і тій же групі зразків шляхом доінтеркаляції. Інтеркаляція монокристалічних зразків GaSe проводилась методом "тягнучого" електричного поля в ґальваностатичному режимі за допомогою потенціостата П-5827М. Пропусканням через спеціальну комірку електричного струму необхідної величини було введено водень у шаруватий кристал (при катодній поляризації останнього). Концентрацію введеної домішки визначали за кількістю електрики, що пройшла через комірку, тобто контрольованими параметрами в процесі реакції інтеркаляції були густина електричного струму та тривалість процесу. При вимірюванні спектрів пропускання використовували зразки товщиною 10-20 мкм. Використання оптимальних технологічних параметрів процесу інтеркаляції (густина струму не більше 10 мкА/см² ) дало змогу одержати однорідні за складом інтеркальовані зразки.

Досліджували спектри пропускання кристалів CaSe та H_x GaSe (0 < х ≤ 1,х — кількість уведених атомів на одну формульну одиницю матриці) на спектрометричній установці, зібраній на базі модифікованого спектрометра ИКС-31 (при напрямку поширення світла перпендикулярному базовій площині кристала). Роздільний спектральний інтервал приладу в цій спектральній ділянці 2.095 ÷ 2.14 еВ складав 1-2 меВ (дифракційна решітка 1200 шт/мм). Використання термореґульованої кріостатної системи зразка типу "УТРЕКС-РТР" дало змогу вивчити спектри пропускання в діапазоні температур 77-293 К. Контроль температури зразка проведено германієвим термометром опору ТПК-1.1, при цьому точність стабілізації температури зразка складала 0.5°С.

Досліджено залежність спектрального положення екситонного максимуму (n = 1) і його напівширини у водневому інтеркалаті H_x GaSe від концентрації введеної домішки (0 < х ≤ 1) в діапазоні температур 77-293 К. Напівширину екситонної смуги визначено шляхом аналізу тільки довгохвильової її половини, яка при відсутності міжзонних переходів має симетричний вигляд. Концентраційні залежності енергетичного положення екситонного максимуму (Е_екс ) і напівширини екситонної смуги (ΔH) водневого інтеркалата H_x GaSe характеризуються при кімнатній температурі немонотонною поведінкою (рис. 1): в ділянці вмісту домішки х ≈ 0÷0.4 відбувається збільшення цих характеристик, при подальшому зростанні х спостерігається обернений хід кривих Е_екс (х ) і ΔH(х ). Як видно з рис. 2, інтеркаляція селеніду ґалію воднем приводить при Т = 77 К до зсуву енергетичного положення екситонного максимуму у високоенергетичну ділянку та розширення екситонної смуги поглинання. Слід відзначити, що енергетичне положення і напівширина екситонного максимуму залежать від вмісту інтеркалянта: в інтервалі 0,1 < х < 0,35 Е_екс та ΔH криві залежностей Е_екс (х ) та ΔH(х ) набувають постійного значення.

На підставі температурних досліджень спектрів пропускання визначено температурні коефіцієнти зміщення першого екситонного максимуму dЕ_екс /dT і зміни напівширини екситонної смуги dH/dT "чистих" та інтеркальованих напівпровідників у ділянці температур 77-293 К (таблиця 1).

Таблиця 1. Температурні коефіцієнти зміщення dЕ_екс /dT та dH/dT.

Зміщення енергетичного положення екситонного піка при Т = 293 К можна пов'язати зі зміною ширини забороненої зони та енергії зв'язку при інтеркаляції. Зважаючи на специфіку кристалічної структури GaSe, слід відзначити, що внески відповідних деформацій (між шарами, в межах шару) в перебудову енергетичного спектра GaSe можуть по-різному змінюватися при інтеркаляції воднем. При збільшенні деформаційних напруг у шаруватих кристалах, зв'язаних із впливом різних факторів (зокрема зі збільшенням концентрації інтеркалянта), значення пружних постійних, які характеризують зв'язок між