Жартылайөткізгіштің оптикалық жұтылуының спектрін зерттеу және тыйым салынған аумағының енін анықтау

№5 Лабораториялық жұмыс

Жартылайөткізгіштің оптикалық жұтылуының спектрін зерттеу  және тыйым салынған аумағының енін анықтау

 

Жұмыс мақсаты: Фундаменталды жұтылу облысындағы жартылайөткізгіш материалдың оптикалық жұтылуының спектрін зерттеу және тыйым салынған аумағының енін анықтау.

Қолданылатын  құрылғылар мен материалдар: СФ-18 спектрофотометрі және үлгі: жартылайөткізгіштік қабықша.

Жұмысты жасау  үшін білуге қажет теориялық сұрақтар:

1. Жартылайөткізгіштердегі  оптикалық жұтылудың механизмдері.

2. Фундаменталды оптикалық  жұтылудың қыры бойынша тыйым  салынған аумағының енін анықтау. 

I. Жартылайөткізгіштердегі  оптикалық жұтылудың негізгі  механизмдерінің сипаттамасы

Оптикалық әдістер жартылайөткізгіштердің сипаттамалық параметрлерін анықтаудағы  эффективті әдістердің бірі болып табылады. Бұл әдістер заттың аумақтық құрылымы жайында (тыйым салынған аумағының  ені, изоэнергетикалық беттердің формасы), сонымен қатар еркін тасымалдаушылардың бір-бірімен және кристаллдық тормен әсерлесу механизмдері жайында кең  мағлұмат алуға мүмкіндік береді.

Қатты денелер арқылы жарық  жұтылған кезде фотондардың энергиясы  энергияның басқа түрлеріне айналады. Фотондардың энергиясы еркін  немесе атомдармен байланысқан электрондардың энергетикалық күйінің ауысуына, сондай-ақ атомдардың тербелмелі энергиясының өзгеруіне жұмсалуы мүмкін. Жұтылу келесі механиздердің әсерінен орын алады:

1. Энергияның рұқсат етілген  аумақтары (валенттік аумақ пен  өткізгіштік аумақ) арасында электрондық  өтулермен байланысты болатын меншікті немесе фундаменталды жұтылу.

2. Тыйым салынған аумақтағы  рұқсат етілген аумақтар мен  қоспалы деңгейлер арасындағы  электрондық (немесе кемтіктік)  өтулермен байланысты болатын қоспалы жұтылу.

3. Экситондық күйлердің  пайда болуымен немесе ыдырауымен  байланысты болатын экситондық жұтылу.

4. Сәйкес рұқсат етілген  аумақтар немесе рұқсат етілген  аумақтар жанындағы аумақтар  ішіндегі электрондық (немесе  кемтіктік) өтулермен байланысты  болатын зарядтың еркін тасымалдаушыларымен жұтылу.

5. Кристаллдық тордың  тербелуі арқылы жарық толқынының  энергиясының жұтылуымен және  осыдан торда жаңа фонондардың  пайда болуымен байланысты болатын торлық (фонондық) жұтылу.

Жарықтың қатты дене электрондарымен  әсерлескенде энергия мен импульстің сақталу заңдары орындалу керек. Бұл заңдардың сақталуына қойылатын  талап әр түрлі электрондық (немесе кемтіктік) өтулермен байланысты болатын  жарықтың жұтылуының барлық механизмдерінде  фонондар қатысатындығына әкеледі. Жартылайөткізгіштердің мысалында жарықтың жұтылуының әр түрлі механизмдерін ашып қарастырайық.

1.Өзіндік жұтылу

Ол электрондардың валенттік  зонадан өткізгіштік зонаға өтуімен  байланысты. Идеалды жартылай өткізгіштерде  Т=0 К болғанда валенттік зона электрондармен толып тұрады, сондықтан электрондардың бұл зонада орын ауыстыруы мүмкін емес. Бұл зонада бола алатын жалғыз процесс- ол энергиямен фотонды жұту, содан электрон тыйым салынған зонадан өтіп өткізгіштік зонаға барады. Нәтижесінде өткізгіштік зонада еркін электрон , ал валенттік зонада кемтік пайда болады. Егер кристаллға электр өрісін берсек еркін электрондар қозғалысқа келеді, яғни фотоөткізгіштік пайда болады. Сонымен hn<E_g энергиялы фотон үшін жартылай өткізгіштер мөлдір келеді, ал қысқа толқындарда интенсивті жұтылуда тұтас спектр келеді. Энергетикалық зоналардың құрылымына тәуелді зона аралық жұтылу оптикалық тура немесе тура емес өтулерге байланысты болып табылады.

2. Қоспалы жұтылу

Қоспалы жұтылу деп – оптикалық жұтылу нәтижесінде кристалдағы коспалы центрлердің ионизациялануы немесе қоздырылуды айтамыз. Егер жартылай өткізгіште донорлы не акцепторлы қоспалар бар болса, она тыйым салынған зонада локальді энергетикалық күйлер пайда болады. Жартылай өткізгішті жарықтандырғанда электрондардың қоспалы энергетикалық деңгейінен өткізгіштік зонаға өтуін бақылаймыз, яғни жұтылудың үздіксіз сызығы пайда болады. Осы әдіспен валенттік зонаның электроны жарықтандыру нәтижесінде акцепторлық деңгейге өтеді.

Кристалдағы қоспаның ионизациялай энергиясын бағалайық. Мысал ретінде германийдің кристалл торындағы донорлық қоспаны қарастырайық. Оның 4 валенттік электрондары коваленттік байланыс түзеді. 5-ші электронның қозғалыс сипаты протон өрісіндегі сутек атомының электрон қозғалысымен сәйкес келеді, бір ескеретін жағдай, ол – қоспа электроны диэлектриктік ортадағы оң зарядталған ионмен тартылады. Және сонымен қатар кристалдағы электронның эффективті массасы m^*_e еркін электронның массасымен сәйкес келмейді, содан Шредингер теңдеуінен донорлық қоспаның ионизациялау энергиясы келесі түрде болады:

m^*_e = m_о /4 және = 16, содан E_d = 0,01 эВ. Дәл осындай есептеу акцепторлық қоспа үшін де қолданылады. Сурьма мен алюминийге өткізілген тәжірибеге сәйкес E_d =0,0097 эВ және 0,01 эВ болып табылады.

 

3. Жарықтың экситонды жұтылуы

Экситон – электрон-кемтік жұбының түзілуіне байланысты диэлектриктер  мен жартылай өткізгішердегі элемнетарлы  электрлік нейтрал қозу. Электронның  валентті аумақтан өткізгіш аумаққа  қозуы кезінде валентті аумақта  оң зарядталған кемтік пайда болады. Электрон мен кемтік кулондық әсерлесу күшінен тартылады. Егер қозу энергиясы  тыйым салынған аумақтың енінен Eg артық болса, онда электрон мен кемтік кристаллда еркін қозғалуы мүмкін, бұл мысалы фотоөткізгіштікке алып келеді. Ал егер қозу энергиясы тыйым салынған аумақ енінен Eg кем болса, онда электрон мен кемтік тек байланысқан нейтрал күйде ғана бола алады. Экситон деп аталатын мұндай қозу (квазибөлшек) кристалл бойынша орын ауыстырып, энергия тасымалдай алады, алайда, электр зарядын тасымалдай алмайды. Экситон кванттық сандар мен толқындық вектор мәндерімен сипатталады. Оның энергетикалық спектрі аумақтық құрылымға ие.

Экситон жылулық «дейін қозу»  нәтижесінде бұзылуы мүмкін, яғни, термиялық диссоциация кезінде  өткізгіш аумақта еркін электрон және валентті аумақта еркін кемтік туындауынан бұзылуы мүмкін. Тағы экситонның жойылуы фонон немесе фотон шығарылуынан болуы мүмкін, бұл кезде электрон валентті аумаққа  қайта оралады. Экситон өлшемі тор  тұрақтысымен салыстырғанда артық  болса, онда электрон мен кемтіктің  әсерлесуін екі нүктелік зарядтың кулондық әсерлесуі ретінде қарастыруға  болады. Сондықтан, экситонды сутек  тәрізді жүйе ретінде қарастыруға  болады. Экситон энергиясының деңгейлері 1-суретте көрсетілген. Е_c деңгейі электрон-кемтік байланысының бұзылуы нәтижесінде экситонның жойылу жағдайына және электрон мен кемтіктің екі еркін заряд тасымалдаушыларының түзілу жағдайына сәйкес келеді.

 

Сурет 1. Экситон энергиясының деңгейлері

 

 

 

 

 

 

Тәжірибе жүзінде Сu₂О, CdSe, ZnS, Hgb, РbI₂ және басқа жартылай өткіщгіштерде экситондарға сәйкес жұтылу спектрлері анықталды.

4. Еркін тасымалдаушылармен  жұтылу

Энергияның рұқсат етілген  мәніндегі жартылай өткізгіш электрондарының  энергетикалық аумақтары бір-бірін  жауып қоймайтын бір жолақтан және де бір-бірін жауып қоятын бірнеше  жолақтардан тұруы мүмкін. Бір  жолақ шегіндегі электронды ауысулар толқындық вектордың k өзгерісімен жүреді және де, электрондар сәулелену энергиясын жұта отырып, бір уақытта заттың кристаллдық торымен әрекеттесуі жағдайында ғана мүмкін болады. Егер энергетикалық аумақ өзара бірнеше қайта жабылатын жолақтардан тұратын болса, онда оның ішінде ауысулар толқындық вектордың k өзгеруінсіз-ақ болуы мүмкін. Жолақ аралық ауысулар үшін, меншікті жұтылудағыдай іріктеу ережесі қолданылады.

Энергетикалық зоналар ішінде электрондардың ауысуымен байланысты оптикалық жұтылу еркін тасымалдаушылармен жұтылу деп аталады. Ол меншікті жұтылумен  салыстырғанда әдетте фотондардың  аз энергиясы кезінде орын алады. Еркін тасымалдаушылар арқылы жолақішілік жұтылудың негізгі сипаты болып жұтылу коэффициентінің түскен сәуленің толқын ұзындығына дәрежелік тәуелділігі есепеледі.

α~λⁿ, мұндағы, n= 1,5-3,5.

Жұтылу спектрін анықтау  кезінде жұтылудың әр түрлі түрлері  бір-бірімен жабысу арқылы спектральді  қисықтың күрделенетіндігін ескеру керек.

5. Тор арқылы  жұтылу

Егер жартылай өткізгіштің  оптикалық жұтылуы оның торының  атомдарының тербеліс энергиясының өзгерісіне байланысты болса, онда мұндай жұтылу торлық сипатталады. Тор фотон  энергиясының белгілі бір жағдайларында  ғана электромагнитті өрістің сәулелену  энергиясын жұтуына байланысты оның спектрі әдетте еркін тасымалдаушылардың абсорбциясына жабысатын жұтылудың  щыңдарымен сипатталады. Қоспаның концентрациясы өзгеруіне байланысты 10¹⁸ см^-3 –ке дейін жұтылудың жолақтарының интенсивтілігімен орналасуы өзгермейді. Бұл жұтылу егер концентрация 10¹⁹ см ^-3 –тан аспаса жартылай өткізгіш кристалының жетілдірілмегендіктер концентрациясына тәуелсіз.

 

ІІ Тәжірибелік  қондырғының сипаттамасы.

Қандай да бір заттың жұтылу спектрін өлшеу үшін жалпы тәжірибелік  сұлбада келесі элементтер қажет:

• Сәулелену көзі;
• Сәулеленудің тұтас спектрінен белгілі бір толқын ұзындықтарын бөліп алуға мүмкіндік беретін құрылғы;
• Өткен сәуленің интенсивтілігін өлшеуге және тіркеуге арналған құрылғы.

Аталған жұмыста осы жалпы  тәжірибелік сұлбаның негізгі элементтердің  барлығы бір құрылғыда СФ-18 спектрофотометрінде  жинақталған. Оның блоктық сұлбасы 2-суретте көрсетілген. Ол спектрдің  көрінетін облысында өту коэффициентін  өлшеуге арналған.

2-сурет. СФ-18 спектрофотометрінің  блоктық сұлбасы. 

 

Бұл құрылғыда сәулелену  көзі болып К-17 (1) проекциондық лампасы саналады. Ал осы лампаның сәулелену спектрінен белгілі бір толқын ұзындығына тән бөліктерді ерекшелеп алуға мүмкіндік беретін құрылғы – қос призмалық монохроматор (2), сәулеленуді қабылдағыш – мультисілтілі фотоэлемент Ф–10 (3). Құрылғының жұмыс диапазоны 400-750 нм.

Құрылғының жұмыс істеу  принципі нөлдік әдіске негізделген  және келесідей қорытындалады. Монохроматты жарық шоғы Рошон призмасы (4) арқылы екі жазықполяризацияланған жарық шоғына бөлінеді. Бір жарық шоғы дифрагмацияланады, ал екіншісі Волластон призмасы (5) арқылы өтеді және тағы да өзара перпендикуляр жазықтықтарда поляризацияланған екі жарық шоғына бөлінеді. Волластон призмасына жазықполяризацияланған жарық шоғы түсетін болғандықтан, Волластондағы жарық шоғының интенсивтілігі оның Рошон призмасына қатысты орналасу бұрышынан анықталады.

Әрі қарай жарық шоқтары  әрбір шоқтағы жарық интенсивтілігі трапециалды пішінде өзгеріп  және бір шоқтың ашылу бастамасына  басқа бір шоқтың жабылу бастамасы  сәйкес келетіндей айналмалы модулятормен кезектесіп қайта жабылады. Модулятор  конструкциясы және оның айналу жылдамдығы жарық ағыны 50 Гц жиілікпен қайта жабылатындай етіп таңдап алынған.

Бақылаушы (6) және өлшеуші (7) үлгілерден өткен жарық, интегрирлеуші шарға келіп түседі және көп ретті шағылудан соң оның қабырғаларынан фотоэлемент жарықталынады.

Фотоэлементтің жарықталынуы уақыттың әрбір сәтінде бақылаушы  және өлшеуші үлгілерден өткен ағындар  суммасымен анықталады. Егер жарық  ағындары тең болса, фотоэлементтің жарықталынуы уақыттың кез-келген сәтінде тұрақты болады және күшейткіш жүйенің кірісінде айнымалы сигнал болмайды. Өлшеуші үлгіде жұтылу болған кезде фотоэлементтегі суммарлы жарық ағыны 50 Гц жиілікпен өзгереді және фотоэлемент жүктемесінде тура сондай жиіліктегі сигналдың айнымалы кернеуі пайда болады. Бұл кернеу күшейткішпен күшейтіледі және фотометрлік жұдырықша көмегімен күшейткіш кірісінде электрлік сигналды тудыратын жарық ағындарының айырмасы жойылғанша Рошон призмасын айналдыратын өңдеуші электрқозғалтқыштың басқару орамына беріледі.

Призманың айналуымен бір  уақытта өткізу бланкында немесе үлгінің оптикалық тығыздығында қауырсынның орын ауыстыруының тіркелуі жүзеге асады.

Монохроматордан шығатын  жарық толқын ұзындығының өзгеруі, спектрофотометрдің ортаңғы саңылау спектрінің бойымен орын ауыстыру жолымен орындалады; мұнымен бірге бір уақытта жазатын қондырғының барабаны айналып отырады. Осылайша, барабанға бекітілеген бланкта өткізу коэффициентінің толқын ұзындығына тәуелділік қисығы жазылып отырады.

III. СФ-18 спектрофотометрінде жұмыс орындау реттілігі

1. «Сеть» тумблерлі қондырғыны қосу. Қондырғыны 30 мин. қыздыру.
2. Зерттелетін заттың өлшеу сипаттамасына және орындалатын тапсырмасына байланысты керекті фотометрлік жұдырықшаны жұмыс жағдайына орналастыру. Егер зерттелетін заттың өткізу коэффициентінің өлшеу шектері белгісіз болса, жұдырықшаны «Т» ( 0÷100%) жағдайына орналастыру.
3. «X» нүктелі спектр ұңғысын қосу. Спектр ұңғысының керекті жылдамдығын орнату. Жұтылудың жіңішке жолақтары бар заттарды немесе толқын ұзындығымен күрт өзгеретін жұтылатын заттарды зерттеген кезде, спектр ұңғысының жылдамдығын 30 нм/мин. етіп қою керек.
4. «Запись» ауыстырып-қосқышы бар спеткр ұңғысының электрқозғалтқышын қосу және есептеуіште 400 нм толқын ұзындығын санауды орнату.
5. Жазба қондырғысының оң жағынан барабанды тізгінде ұстай отырып, қолмен қысқыш сақинаны бұрау. Барабан планкасын көтеріп, орнатылған фотометрлік жұдырықшаға сәйкес бланкті орнатып, планканы түсіру. Қауырсынды түсіріп, қауырсында бланк сызығына дейін 400 нм-ге сәйкестендіріп, барабанды айналдырып, сақинаны орау.
6. «Лампа» тумблерлі жарықтандырғышын және «Отработка-откл.» тублерлі электрқозғалтқышын қосу. Орнатылған фотометрлік жұдырықшаға байланысты қауырсынды 100 не 0 бланк сызығына орналастыру. «Отработка-откл.» тумблері электрқозғалтқышын және «Запись» ауыстырып-қосқышы бар спеткр ұңғысының электрқозғалтқышын қосып, зерттелетін заттың спектрін жазуды бастау.
7. Бланкты бастапқы қалпына келтіру және жаңа жазбаны бастау үшін «Запись» ауыстырып-қосқышы бар спеткр ұңғысын «Обратный ход» жағдайына 270 нм/мин жылдамдықта қою керек.
8. Үлгіні СФ-18 камерасына орналастыру.
9. 400-750 нм диапазонда өткізу спектрін өлшеу.

IV. Жұмысты орындау  тәртібі

Тәжірибе жүзінде өлшенетін  параметрлер заттың шағылу R және өткізу коэффициенті Т. Олар жарық ағынының интенсивтігімен келесідей байланыста:

;        (1)