Докажите что cds сульфид кадмия собственный полупроводник

Люминесцентные свойства нанокристаллов сульфида кадмия

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

ОДЕССКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. И.И. МЕЧНИКОВА

Кафедра экспериментальной физики

ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ СВОЙСТВА НАНОКРИСТАЛЛОВ СУЛЬФИДА КАДМИЯ

Допустить к защите

Заведующий кафедрой экспериментальной физики

Академик Смынтына В. А.

Федоновой Дины Сергеевны

Доцент Скобеева В.М.

1.ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ СВОЙСТВА СУЛЬФИДА КАДМИЯ.. 5

1.1. Эффект размерного квантования в полупроводниках. 5

1.2. Методы получения и оптические свойства наночастиц сульфида кадмия. 7

1.3.Люминесценция нанокристаллов сульфида кадмия, внедренных в полимер 16

1.4.Влияние внешних факторов на люминесценцию.. 21

нанокристаллов соединений А₂В₆

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ НАНОКРИСТАЛЛОВ CdS, ВЫРАЩЕННЫХ В ЖЕЛАТИНЕ. 24

2.1. Методика эксперимента. 24

2.2. Люминесцентные характеристики нанокристаллов CdS. 28

2.3.Эволюция спектров люминесценции нанокристаллов CdS в процессе их «старения» 38

2.4.Влияние обработок на спектр люминесценции нанокристаллов CdS. 40

2.5. Обсуждение результатов. 45

В настоящее время наблюдается интенсивное развитие физики полупроводников, размеры которых порядка нанометров. Полупроводниковые наноразмерные частицы находятся в области перехода между молекулярной структурой и твердым телом. Оптические, электронные и каталитические свойства полупроводникового нанокристалла существенно отличаются от таковых для макрокристаллического вещества и зависят от размера частицы (эффект размерного квантования). Такие полупроводники дают возможность управлять их оптическими, электрическими и структурными свойствами, изменяя размеры частиц. Особенно сильное изменение оптических свойств наблюдается в случае, когда размер нанокристалла меньше, чем диаметр основного экситона.

В случае точечных транзисторов, применение основано на дискретности электронных уровней полупроводника в сильно-квантованном режиме.

На сегодняшний день качество образцов значительно улучшается, теперь существует возможность приготовить нанокристалл любого диаметра в пределах от 2-5 до 50 нм с ошибкой не менее 5%.

В связи с таким бурным развитием данного направления физики полупроводников возникает необходимость изучения свойств полупроводниковых нанокристаллов. Особо актуальным является вопрос о стабильности оптических и люминесцентных характеристик нанокристаллов в процессе их хранения.

В связи с вышеизложенным целью моей работы являлось изучение люминесцентных свойств нанокристаллов сульфида кадмия и исследование зависимости полос люминесценции от воздействия внешних факторов.

1.ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ СВОЙСТВА СУЛЬФИДА КАДМИЯ

1.1. Эффект размерного квантования в полупроводниках

В последние годы появились эксперименты [1-3, 4-9], в которых исследуются оптические свойства систем, представляющих диэлектрическую матрицу с вкрапленными в нее частицами полупроводника. Технология этих систем такова, что полупроводниковые частички с достаточно хорошей точностью можно считать шарообразными, причем дисперсия их радиусов сравнительно невелика. Очень важно, что технология позволяет получать системы, в которых средний радиус полупроводниковых частиц меняется практически непрерывно. Поэтому исследования оптических свойств этих систем в зависимости от радиуса шаров представляет мощный метод изучения параметров полупроводников, в значительной мере аналогичный магнитооптическому.

В полупроводниковом шаре возникает размерное квантование электронных и дырочных состояний, приводящих к тому, что оптические линии смещаются в зависимости от радиуса шара 3. Авторы предлагают здесь теоретическое описание этого явления в рамках простейшей модели, использующей стандартную зонную схему.

Предполагалось, что зоны электронов и дырок имеют параболическую форму с массами m_e и m_h соответственно, причем m_e a_h; а – радиус шара, a_e, a_h– боровские радиусы электронов и дырок, соответственно, в полупроводнике с диэлектрической проницаемостью e. Предполагаемая теория построена в приближении метода эффективной массы, т.е. в предположении, что существенные длины велики по сравнению с постоянной решетки. Волновая функция электронов и дырок будет считаться равной нулю на поверхности шара, что соответствует бесконечно высокой потенциальной стенке.

Рассмотрим случай сильного размерного квантования, когда a>>a_h. Расстояние между уровнями размерного квантования для электронов и дырок порядка ħ 2 /(m_e·a 2 ) и ħ 2 /(m_h·a 2 ).

При межзонном поглощении должна наблюдаться серия дискретных линий. Порогом поглощения является величина

(1.1),

где — ширина запрещенной зоны; — приведенная масса.

Учет дисперсии шаров по размерам приводит к замене выражения для порога поглощения (1.1) на следующее:

(1.2).

Отсюда виден закон, по которому эффективная ширина запрещенной зоны увеличивается с уменьшение радиуса шара а, прочие линии сдвигаются в коротковолновую сторону по закону

(1.3),

где — корни функции Бесселя.

Источник

Зонная структура сульфида кадмия

Автор: Пользователь скрыл имя, 11 Января 2011 в 21:38, реферат

Описание работы

Сульфид кадмия является широкозонным полупроводником с шириной запрещённой зоны 2,42 эВ при 300 K. Это свойство CdS, полезное в оптоэлектронике, используется как в фоточувствительных, так и в фотогальванических устройствах. Его используют для изготовления фоторезисторов (приборов, электрическое сопротивление которых меняется в зависимости от освещенности)

Содержание

Оглавление. 2
Сульфид кадмия, общие сведения 3
Кубический CdS. 4
Гексагональный CdS. 6
Литература. 9

Работа содержит 1 файл

Сульфид кадмия.doc

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

“ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ”

Кафедра оптики и спектроскопии

Зонная структура сульфида кадмия

Выполнил: Перепелица А. С.

Проверил: Домашевская Э.П.

Сульфид кадмия, общие сведения

Сульфид кадмия — химическое вещество с формулой CdS.

Рис.1 Структура CdS: а) ГЦК CdS;

б) гексагональный CdS.

Сульфид кадмия существует в виде минералов гринокит и хоулиит, которые встречаются в виде жёлтых налетов на сфалерите (ZnS) и смитсоните. Гринокит имеет гексагональную структуру вюрцита. Он имеет желтоватый цвет с удельной массой 4,7 г/см³ и твердостью Мооса 3,8. Хоулиит имеет кубическую структуру сфалерита (цинковой обманки). Так как эти минералы не широко распространены в природе, то для промышленного использования и научно-технических разработок сульфид кадмия получают путем синтеза.

Сульфид кадмия является широкозонным полупроводником с шириной запрещённой зоны 2,42 эВ при 300 K. Это свойство CdS, полезное в оптоэлектронике, используется как в фоточувствительных, так и в фотогальванических устройствах. Его используют для изготовления фоторезисторов (приборов, электрическое сопротивление которых меняется в зависимости от освещенности) [1].

Сульфид кадмия действует как люминофор (также в смеси с сульфидом цинка). Монокристаллы сульфида кадмия используются как детекторы элементарных частиц.

Кубический CdS

Кристаллы сульфида кадмия типа сфалерита (цинковой обманки) представляют собой кристаллы с ГЦК решеткой. Кристаллическая структура ГЦК CdS приведена на рис. 1, а). На рис. 2 изображена элементарная ячейка сульфида цинка типа сфалерита, где черные – атомы кадмия, белые – атомы серы [2], период решетки: а = 0,5832 нм.

Рис. 2. Элементарная ячейка ГЦК CdS.

Рис. 3. Первая зона Бриллюэна ГЦК сульфида кадмия.

Сфалерит CdS обладает ГЦК решеткой, у которой форма первой зоны Бриллюэна – усеченный октаэдр, представленный на рис. 3. Изображение зонного спектра сфалерита CdS, полученное в работе [3], приведено на рис. 4. В таблице 2 дана таблица характеров групп для ГЦК решетки сфалерита CdS.

Таблица характеров групп для ГЦК CdS.

Рис. 4. Электронная структура сфалерита CdS, основанная на HL функционале (не включая d группу). Энергии измерены от максимума валентной зоны Г_1,5 в единицах эВ. Числа обращаются к обычным индексам для представлений групп симметрии [3,7].

Гексагональный CdS

Схема кристалла сульфид кадмия с гексагональной кристаллической решеткой приведена на рис. 1, б). Схема элементарной ячейки вюрцита CdS приведена на рис. 5, параметры решетки которого составляют: а = 0,41368 нм, с = 0,67163 нм, z = 2. На рис. 6 изображена первая зона Бриллюэна в вюрците CdS [4].

Рис. 6 Первая зона Бриллюэна гексагонального сульфида кадмия. Координаты точек: A=2π(0, 0, 1/2c), L= 2π(0, a, 1/2c), M=2π(0, a, 0), H=2π(-1/3a, a, 1/2c), K=2π(-1/3a, a, 0)[4].

В таблице 4 приводится таблица характеров вюрцита CdS, рассчитанная в работе [5].

Таблица характеров для двойных групп гексагонального CdS с центром зоны Бриллюэна (точкой Г) и базисных функций [5].

На рис. 7 приводится изображенные зонного спектра гексагонального сульфида кадмия, рассчитанного в работе [3, 4].

Рис. 7. Зонная структура вюрцита CdS, основанного на HL функционале (не включая d зону). Энергии измерены от максимума валентной зоны Г₁, Г₆ в единицах эВ. Числа обращаются к обычным индексам для представлений групп симметрии [3,6].

В таблице 5 приведены ширины зон, посчитанные по данному зонному спектру для гексагонального и кубического сульфида кадмия [3].

Сравнение электронных структур с экспериментальными и другими теоретическими результатами для кубического и гексагонального CdS. E_g, ΔE(p), и ΔE(s), обозначают ширину запрещенной зоны, p- и s- состояний зонные ширины. ΔE_v, ΔE_d, и (E_Г — E_d) обозначают ширину валентной зоны, ширину d-зоны в точке Г относительно главного края валентной зоны. Энергии приводятся в эВ.

Литература

Источник

Глава 12 Полупроводниковые соединения группы АIIВVI

Глава 12 Полупроводниковые соединения группы АIIВVI

К соединениям типа A2B6 относят халькогениды цинка, кадмия и ртути. Среди них можно выделить сульфиды, селениды и теллуриды. В эту группу не входят окислы указанных металлов.

Являясь алмазоподобными полупроводниками, соединения типа A2B6 кристаллизуются в структуре цинковой обманки кубического (сфалерит) или гексагонального (вюрцит) типа. Химическая связь носит смешанный ковалентно-ионный характер. По сравнению с полупроводниками типа A3B5 в халькогенидах сильнее выражена ионная составляющая связи, что обусловлено большими различиями в электроотрицательностях элементов, образующих соединение. С ростом средней атомной массы во всех трех гомологичных рядах закономерно уменьшаются ширина запрещенной зоны и температура плавления соединений. Одновременно возрастает подвижность носителей заряда. Из-за увеличения межатомных расстояний прочность химических связей падает при переходе от сульфидов к селенидам и далее ‒ к теллуридам.

Таблица 12.1. Физико-химические свойства соединений А2В6

Подвижность носителей тока (при 298 К), см2/(В×с)

В табл. 12.1 приведены физико-химические свойства соединений AIIBVI. В пределах каждой группы соединений-гомологов наблюдается закономерное изменение важнейших свойств в зависимости от роста порядковых номеров компонентов в Периодической системе. При переходе от сульфидов к селенидам и теллуридам симбатно температуре плавления уменьшаются энергия атомизации, теплота образования и ширина запрещенной зоны AIIBVI. Но уменьшение ширины запрещенной зоны, как и в соединениях АIIIВV, происходит намного быстрее, чем энергии атомизации и других свойств. Это особенно характерно для халькогенидов ртути: если сульфид имеет ширину запрещенной зоны 1,8 эВ, теллурид по существу уже представляет собой полуметалл.

В каждой группе соединений-аналогов при переходе от сульфидов к селенидам и теллуридам растет доля ковалентно-металлической связи за счет уменьшения ионной составляющей. В результате четко фиксируется закономерный рост подвижности электронов. Сульфиды, в которых представлена значительная доля ионной связи, характеризуются небольшими подвижностями электронов; теллуриды, наоборот, имеют весьма значительные подвижности носителей вследствие малой доли ионности. Селениды

металлов подгруппы цинка занимают промежуточное положение.

При повышенных температурах все соединения A2B6 разлагаются в соответствии с реакцией:

Присутствие в паровой фазе молекул АВ хотя полностью и не исключается, но для большинства соединений их концентрация мала и можно принять, что диссоциация является полной. Равновесное давление паров летучих компонентов сильно зависит от температуры.

Важная особенность полупроводников типа A2B6 состоит в том, что многие из них проявляют электропроводность лишь одного типа независимо от условий получения и характера легирования кристаллов. Проводимость соединений типа A2B6 может быть значительно (на несколько порядков) изменена путем термообработки в парах собственных компонентов. При термообработке преимущественно возникают те дефекты, энергия образования которых меньше. В сульфидах и селенидах доминирующим типом дефектов являются вакансии в анионной подрешетке.

Химическая чистота является хотя и необходимым, но недостаточным условием для получения кристаллов соединений типа A2B6 с заданными свойствами. Требуется обязательно управлять степенью дефектности кристаллической решетки, т. е. концентрацией вакансий. Самокомпенсация сульфидов и селенидов собственными дефектами структуры является основной причиной, препятствующей обращению типа электропроводности при их легировании. К этому следует добавить, что акцепторы обладают малой растворимостью в полупроводниках A2B6 и, как правило, образуют глубокие уровни.

Синтез и выращивание кристаллов.

Технология выращивания монокристаллов полупроводниковых соединений A2B6 разработана гораздо менее полно, чем технология полупроводников типа A3B5. Широкозонные полупроводники A2B6 представляют собой в технологическом отношении трудные объекты, так как обладают высокими температурами плавления и высокими давлениями диссоциации в точке плавления. Синтез исходных соединений A2B6, в частности порошка для люминофоров, чаще всего осуществляется по реакциям обменного разложения, протекающим в водной среде.

Сульфид цинка, сернистый цинк, ZnS ‒ цинковая соль сероводородной кислоты. Белый порошок, плотность 3,98‒4,09 г/см³. При обычном давлении не плавится, под давлением 15 МПа (150 атм) плавится при 1850 °C. Во влажном воздухе сульфид цинка окисляется до сульфата; при нагревании на воздухе образуется ZnO и SO2. В воде нерастворим, в кислотах растворяется с образованием соответствующих солей и выделением сероводорода. В присутствии следов меди, кадмия, серебра и др. приобретает способность к люминесценции.

В природе ZnS встречается в виде минералов сфалерита (цинковая обманка) ‒ основного сырья для получения цинка ‒ и вюрцита (Рис. 12.1).

Сульфид цинка может быть получен пропусканием сероводорода через растворы солей цинка. Сульфид цинка может быть получен при воздействии ударных волн на смесь порошков цинка и серы.

Применяется для создания люминофоров: ZnS:Ag (с синим цветом свечения) ‒ для цветных кинескопов; (Zn, Cd)S:Ag ‒ для рентгеновских трубок, ZnS:Cu (с зеленым цветом свечения) ‒ для светящихся табло, панелей. Сульфид цинка ‒ полупроводниковый материал, используемый, в частности, в полупроводниковых лазерах.

Рис. 12.1. Структура сфалерита (слева) и вюрцита

Сульфид кадмия ‒ химическое вещество с формулой CdS, существует в виде минералов гринокит и хоулиит, которые встречаются в виде жёлтых налетов на сфалерите (ZnS) и смитсоните. Гринокит имеет гексагональную структуру вюрцита. Он имеет желтоватый цвет с удельной массой 4,7 г/см³ и твердостью Мооса 3,8. Хоулиит имеет кубическую структуру сфалерита (цинковой обманки). Так как эти минералы не широко распространены в природе, то для промышленного использования и научно-технических разработок сульфид кадмия получают путем синтеза.

Синтезированные красители кадмия, основанные на сульфиде кадмия, ценятся за их хорошую температурную стабильность во многих полимерах, например, инженерном пластике. С добавлением селена в формулу можно получать цвета красителей в диапазоне от зелёно-жёлтого до красно-фиолетового. Погодное сопротивление для этого красителя равно 8, что показывает устойчивость красителя к УФ излучению.

Сульфид кадмия является широкозонным полупроводником с шириной запрещённой зоны 2,42 эВ при 300 K. Это свойство CdS, полезное в оптоэлектронике, используется как в фоточувствительных, так и в фотогальванических устройствах. Его используют для изготовления фоторезисторов (приборов, электрическое сопротивление которых меняется в зависимости от освещенности).

Сульфид кадмия действует как люминофор (также в смеси с сульфидом цинка). Монокристаллы сульфида кадмия используются как детекторы элементарных частиц.

Теллурид ртути (HgTe) – полуметалл, хотя раньше считали его полупроводником с очень малой шириной запретной зоны (порядка 0,01 эВ). HgTe может быть в основном р-типа проводимости.

Теллурид свинца (PbTe) ‒ химическое соединение свинца и теллура, кристаллизующееся в структуре NaCl. Узкозонный прямозонный полупроводник группы AIVBVI с шириной запрещённой зоны 0.32 эВ при 300 K. Используется для создания фоторезисторов, работающих в инфракрасной области спектра. Известный термоэлектрический материал. Встречается в природе в виде минерала алтаита.

Теллурид свинца имеет необычно высокую для полупроводников диэлектрическую проницаемость (ε = 410 при 300 K), величина которой увеличивается до 3000 при охлаждении до 4,2 K. По этой причине теллурид свинца относится к виртуальным сегнетоэлектрикам.

Применение полупроводников А2В6

Из всех соединений типа A2B6 по масштабам применения выделяются сульфид цинка ZnS и сульфид кадмия CdS. Первый является основой для многих промышленных люминофоров, а второй широко используется для изготовления фоторезисторов, обладающих высокой чувствительностью в видимой области спектра. Предпочтение отдают люминофорам с кубической структурой ввиду повышенной яркости свечения.

Важной особенностью сульфида цинка является то, что он образует непрерывный ряд твердых растворов с CdS, CdSe, ZnSe. При этом добавка CdS стабилизирует гексагональную модификацию, а добавка ZnSe – кубическую. Недостатком электролюминесцентных устройств на основе сульфида цинка является относительно высокая скорость деградации приборов (ухудшения их свойств), обусловленная усилением ионного характера химической связи, стимулирующим процессы электролиза.

Узкозонные полупроводники типа A2B6 представляют интерес для создания приемников далекого ИК-излучения. Особое внимание привлекают твердые растворы CdxHg1-xTe, спектр фоточувствительности которых перекрывает атмосферное «окно прозрачности» в области 8‒14 мкм.

Пленки из селенида и теллурида ртути, благодаря высокой подвижности электронов, применяют для изготовления высокочувствительных датчиков Холла. Высокая эффективность излучательной рекомбинации в полупроводниках типа A2B6 позволяет использовать монокристаллы этих соединений в качестве рабочего тела полупроводниковых лазеров, возбуждаемых электронным пучком.

Тонкие пленки и поликристаллические слои халькогенидов свинца обладают высокой фоточувствительностью в далекой инфракрасной области спектра, причем «красная» граница внутреннего фотоэффекта с понижением температуры смещается в длинноволновую область. Благодаря хорошим фотоэлектрическим свойствам халькогениды свинца широко используются для изготовления фоторезисторов.

Одна из главных причин повышенного интереса к твердым растворам на основе халькогенидов свинца связана с использованием этих материалов для изготовления фотоприемников с высокой спектральной чувствительностью в диапазоне «атмосферного окна» 8‒14 мкм, которое соответствует максимуму излучения абсолютно черного тела при 300К.

Перспективно использование твердых растворов Рb1-xSnxTe для инжекционных лазеров с излучением в спектральном диапазоне до 30 мкм. Это значение соответствует максимальной длине волны излучения для полупроводниковых лазеров.

Источник

Полупроводники. Собственная проводимость полупроводников

1.Элементарные полупроводники: кремний Si, германий Ge, селен Se, теллур Te.

б) соединения элементов Ш и V групп (A III B V ), например, арсенид и фосфид галлия (GaAs, GaР), антимонид индия (InSb).. Наибольшее применение из них имеет арсенид галлия GaAs.

В таблице 4.2 приведены значения шиpины запpещённой зоны некоторых полупроводниковых материалов.

Таблица 4.2.

Полупроводниковый материал	Ширина запрещённой зоны ,эВ
Кремний (Si)	1,12
Германий (Ge)	0,72
Арсенид галлия (GаAs)	1,42
Фосфид галлия (GаP)	2, 26
Арсенид индия (InAs)	0,39
Антимонид индия (InSb)	0,23
Селенид кадмия (CdSe)	1,74
Теллурид кадмия (CdТe)	1,5
Сульфид кадмия (CdS)	2,42
Сульфид свинца (PbS)	0,42

Следует отметить, что наибольшее применение в настоящее время имеет кремний. Из него изготовляют примерно 95% всех полупроводниковых приборов и микросхем.

Электропроводность химически чистых монокристаллических полупроводников называется собственной проводимостью. Рассмотрим возникновение собственной проводимости на примере германия (или кремния). На внешней электронной оболочке атомов этих элементов находятся четыре валентных электрона. Эти электроны образуют ковалентные связи с четырьмя соседними атомами в решетке.

Двумерная (плоская) модель решетки германия имеет вид, представленный на рисунке.

За счёт энергии теплового движения (под действием температуры) ковалентные связи могут разрываться, электроны становятся свободными и могут перемещаться по кристаллу. С энергетической точки зрения это означает переход электронов из валентной зоны в зону проводимости (рис.). Минимальная энергия, необходимая для этого, равна ширине запрещенной зоны . Величина называется энергией активации собственной проводимости. Электропроводность полупроводников, обусловленная электронами, называют электронной проводимостью или проводимостью n-типа.

Таким образом, собственная проводимость полупроводников обусловлена двумя типами носителей тока: электронами и дырками. Концентрации электронов и дырок одинаковы.

Обозначим концентрации электронов и дырок в собственном полупроводнике через n_i и p_i соответственно.

Источник