Дипломная работа: Кристалохімія атомних дефектів у напівпровідниках структури сфалер

Міністерство освіти і науки України

КРИСТАЛОХІМІЯ АТОМНИХ ДЕФЕКТІВ У НАПІВПРОВІДНИКАХ

СТРУКТУРИ СФАЛЕРИТУ І В’ЮРЦИТУ

Кваліфікаційна робота

м. Івано-Франківськ

2007

ЗМІСТ

Вступ 3

1. Моделі структур в халькогенідах кадмію і цинку 5

2. Області існування структур сфалериту і в’юрциту 8

3. Радіуси тетраедричних і октаедричних порожнин для сфалериту і в’юрциту10

4. Кристалічна структура і антиструктура в телуриді кадмію 15

4.1. Кристалоквазіхімічний аналіз 17

4.2. Процеси легування 17

5. Утворення твердих розчинів 20

6. Обговорення результатів 21

Висновки 23

Література 24

Вступ

В останні роки інтерес до сполук А² В⁶ , до яких відносяться халькогеніди цинку і кадмію, непохитно зростає в зв’язку з все більш чітко виявленими широкими можливостями їх практичного використання. Більшість цих сполук кристалізуються в двох структурних типах: сфалериту і в’юрциту, один з яких стабільний [1-3].

Структури сфалериту і в’юрциту досліджувались досить давно, проте область їх існування для окремих сполук, умови фазових переходів, уточнення дефектної підсистеми, кристалічної будови, кристалохімія вимагає і сьогодні.

В роботі на основі літературних джерел зроблена узагальнена характеристика структур сфалериту і в’юрциту для халькогенідів цинку і кадмію, запропонована дефектна модель, уточнено різні типи радіусів елементів в цих структурах, розраховано радіуси тетраедричних і октаедричних порожнин. За об’єкт дослідження із халькогенідного ряду цинку і кадмію було вибрано широкозонний напівпровідник телурид кадмію, який може кристалізуватися як в структурі сфалериту так і в’юрциту.

Актуальність вивчення поведінки домішок у телуриді кадмію обумовлена широким його використанням в оптоелектроніці, при створені модулів сонячних елементів, детекторів іонізуючого випромінювання, які працюють при кімнатній температурі [13-15].

Ширина області гомогенності в CdTe збагачена як Cd, так і Te, складає ~ 10^-1 ат.%, при цьому на кожен заряджений дефект припадає 100 електрично неактивних дефектів. Переважаючими видами дефектів в телуриді кадмію, збагаченому Сd є електрично неактивні вакансії телуру, а з сторони Те – вакансії кадмію, що дає можливість припустити наявність в CdTe поряд з дефектами Френкеля дефектів Шоткі. Введення в основну матрицю телуриду кадмію як стехіометричного складу так і при нестехіометрії домішок дозволяє одержати матеріал з різною дефектною підсистемою, яка визначає тип провідності і концентрацію носіїв струму матеріалу. Так, надлишкові відносно стехіометричного складу атоми кадмію вкорінюються в міжвузля решітки і є донорами. При надлишку телуру утворюються вакансії кадмію, які є акцепторами з рівнем 0,15 еВ над валентною зоною [16].

Ряд елементів (Ga, In, Al) III групи в CdTe проявляють донорні властивості, тобто дають можливість одержати матеріал n-типу провідності [17]. Елементи VII групи, а саме хлор, утворює в телуриді кадмію малі донорні рівні і займає в кристалічній решітці позицію атомів телуру. Однак також відомо, що хлор поводить себе як акцептор, утворюючи з вакансіями кадмію комплекси (V_{Cd - Cl} ) [15].

В роботі на основі кристалоквазіхімічних підходів [18] запропоновані кристалоквазіхімічні моделі процесів нестехіометрії та легування телуриду кадмію киснем, хлором, індієм; утворення твердих розчинів з ізовалентним і гетеровалентним заміщенням.

1. Моделі структур в халькогенідах кадмію і цинку

Кристалографія сполук А² В⁶ , утворених із елементів IIiVI груп періодичної системи, дещо ускладнена внаслідок того, що вони здатні кристалізуватися в різних поліморфних модифікаціях.

Цинкова обманка ZnS (сфалерит) – кубічна структура, в’юрцит – гексагональна, характеризуються тетраедричним розміщенням атомів. Крім того, вони утворюють ряд близьких за структурою політипів, які характеризуються також тетраедричним розміщенням атомів. Тип зв’язку в цих кристалах може змінюватися від чисто іонного характеру до ковалентного і змішаного [2].

Моделі структур сфалериту і в’юрциту показані на рис.1(а,б), параметри гратки в таблицях 1,2. Всі халькогеніди цинку і кадмію і в частковості CdTe, ZnTe і ZnSe кристалізуються в структурі цинкової обманки типу (В3). Структура сфалериту характеризується щільною трьохшаровою кубічною упаковкою шарів, в’юрциту - двохшаровою гексагональною. В структурі в’юрциту (В4) кристалізуються майже всі халькогеніди цинку і кадмію[2].

а) б)

Рис.1. Моделі структур: а – сфалериту, б – в’юрциту

Слід відмітити, що атомами будь-яких ідеальних щільних упаковок простір заповнюється на 74.05%. Т.чином ¼ всього простору упаковки належить пустотам [3]. Розрізняють два види пустот: пустоти оточені чотирьма атомами – тетраедричні , оточені шістьма атомами – октаедричні. Щільноупакованні аніонні решітки мають одну октаедричну і дві тетраедричні порожнини. На рис.2(а,б) і 3(а,б) графічно показано розміщення цих порожнин (дефектів) в елементарній комірці сфалериту і в’юрциту. Із яких видно, що октаедричні пустоти в них не заповнені, а тетраедричні на половину. На основі розрахованої кількості розміщення атомів в елементарній комірці розрахували, що на одну комірку сфалериту припадає 4 октаедричні і 8 тетраедричних порожнин, в’юрциту – 12 тетраедричних, 6 октаедричних. Так як тетраедричні порожнини в цих структурах заповнені наполовино металом, а октаедричні не заповнені, то дефектна підсистема буде утворена тетраедричними і октаедричними кристалічними вакансіями і міжвузловими атомами металу в тетраедричних поржнинах.

--> ЧИТАТЬ ПОЛНОСТЬЮ <--