Кристалоквазіхімія дефектів. 
Фізико-хімічні властивості легованих кристалів телуриду кадмію

Міністерство освіти і науки України

Прикарпатський університет імені Василя Стефаника

КРИСТАЛОКВАЗІХІМІЯ ДЕФЕКТІВ ФІЗИКО-ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ ЛЕГОВАНИХ КРИСТАЛІВ ТЕЛУРИДУ КАДМІЮ

дипломна робота

м. Івано-Франківськ

ЗМІСТ

Вступ 3

1. Моделі структур в халькогенідах кадмію і цинку 5

2. Характеристика областей існування структур сфалериту і в’юрциту

3.

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

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.

Ряд елементів (Ga, In, Al) III групи в CdTe проявляють донорні властивості, тобто дають можливість одержати матеріал n-типу провідності. 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).

В роботі на основі кристалоквазіхімічних підходів запропоновані кристалоквазіхімічні моделі процесів нестехіометрії та легування телуриду кадмію хлором і утворення твердих розчинів Cd_1-xMn_xTe, Cd_1-xZn_xTe.

1. Моделі структур в халькогенідах кадмію і цинку

Кристалографія сполук А²В⁶, утворених із елементів II i VI 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.

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? всього простору упаковки належить пустотам. Розрізняють два види пустот: пустоти оточені чотирма 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 між вузловими атомами металу в тетраедричних порожнинах.

а) б) Рис 2. Графічне розміщення тетраедричних порожнин (ТП) для структур: а — сфалериту, б — в’юрциту а) б) Рис 3. Графічне розміщення октаедричних порожнин (ОП) для структур: а — сфалериту, б — в’юрциту

Повернемося до відомої теорії структур щільної упоковки, яка дозволяє в рамках цього підходу визначити всі необхідні геометричні характеристики кристалічних структур напівпровідників А²В⁶. В цій теорії під кристалічною будовою розуміють послідовну шарову упаковку твердих сфер з утворенням тетраі октапорожнин.

Якщо вважати структури сфалериту і в’юрциту щільноупаковані по аніону тоді необхідне виконання наступних двох умов:

топологія аніонної підрешітки співпадає з топологією кількості щільноупакованих сфер, причому катіони розміщуються тільки в тетраедричних і октаедричних міжвузлях цієї підрешітки;

потенціали міжатомної взаємодії U_мх, U_хх i U_мм, відповідають нерівності (1)

U_мх>U_хх>U_мм, (1)

де М — метал, Х — неметал

Із простих геометричних уявлень можна одержати сукупність величин, які характеризують тетраедр, октаедр і елементарну комірку г. ц.к. решітки. Ці величини, однозначно зв’язані з радіусом сфер будови, тобто радіусами атомів кристалічної решітки, а відповідно і з параметром решітки (а, с) для сфалериту і в’юрциту показані в таблиці 5.

Таблиця 5

Зв’язок величин, які характеризують тетраедр і октаедр в г. ц.к. решітці з радіусом атома і періодом решітки для сфалериту і в’юрциту

Елементарний тетраедр і октаедр, утворені з щільної упаковки шарів халькогену або металу показані на рис. 4. Для сфалериту і в’юрциту кристалічна решітка складається з двох підрешіток утворених із атомів II i VI груп періодичної системи. В такій решітці виникають вже два типи тетрапорожнин (t_1, t₂) і два типи октапорожнин (o_1, o₂), які відрізняються оточенням, тому розраховували радіуси ТП і ОП в оточені телуру і металу.

Рис. 4. Елементарний тетраедр (а), октаедр (б), утворені аніонною і катіонною упаковкою шарів: Т — центр тетраедра, О — центр октаедра, а₁ — ребро тетраедра, h — висота тетраедра.

Геометричні характеристики тетраі октапорожнин дозволяють визначити радіуси сфер (атомів) r^t_min, r^o_min (табл. 5), які в них можуть бути вписані. Існує обмеження на r^t, r^o, тобто радіуси вписаних сфер не можуть приймати значення, яке перевищує r^t_max, r^o_max. Їх можна визначити із порушення щільної упаковки сфер, коли вони не дотикаються одна до одної. Тоді проходить ніби збільшення ефективних розмірів сфер основної будови настільки, що, висота утвореного ними нового тетраедра h₁ буде рівна або перевищить 2R. Так як h = 2r2/3, тоді прирівнюючи h = 2R, одержимо r = r3/2. Звідси можна знайти гранично допустиме значення радіусів сфер вписаних в порожнини r^t_max і r^o_max. 12].

2. Характеристика областей існування структур сфалериту і в’юрциту

Cтруктура в’юрциту для ZnS — стійка при високих температурах. Фазовий перехід із гексагональної модифікації ZnS в кубічну проходить при температурах 1020 і 1150 ⁰С. В показані поліморфні пари, зв’язані переходом під тиском, які зачіпають зміну першої координації для ZnO тиск переходу 100 кбар: низькотемпературна форма — в’юрцит, перша координація 4:4; високотемпературна форма — NaCl, перша координація 6:6. Для СdS тиск переходу 20 кбар: низькотемпературна форма — сфалерит, перша координація 4:4; високотемпературна форма — NaCl, перша координація 6:6. Зміна другої координації для CdS проходить при тиску 160−200 кбар, при низькому тиску структурний тип сфалерит; привисокому тиску в’юрцит. Для CdS структурна зміна при збільшені тиску обернена тій, яка викликається пониженням температури.

Перехід із тетраедричної до октаедричної координації супроводжується зменшенням об'єму приблизно на 20%. Незалежно від того чи має вихідний матеріал структуру в’юрциту чи цинкової обманки, при зворотньому переході до атмосферного тиску зберігається структура цинкової обманки.

Можливість зв’язати тип стабільної структури А²В⁶ з співвідношенням іонності і ковалентності хімічного зв’язку розроблено авторами (табл. 3).

Таблиця 3

Зв’язок стабільні структури А²В⁶ з коефіцієнтом іонності

Як відомо, різниця в енергіях двох поліморфних модифікацій — в’юрцита і сфалериту, яка б мала вона не була, буде обумовлена різним вкладом іонності, про що свідчить порівняння їх констант Маделунга. Вони є мірою електростатичної взаємодії між іонами решітки, для структурного типу в’юрциту і сфалериту і рівні 1,641;1,638, яка є більшою для решітки в’юрциту. Звідси можна зробити два висновки. По-перше, якщо сполуки А²В⁶ можуть кристалізуватися в двох модифікаціях, одна з яких метастабільна, то тоді характер зв’язку в гексагональній модифікації повинен бути більш іонним, чим у кубічній. Більший іонний характер структури в’юрциту експериментально доказаний вимірюванням ширини забороненої зони, яка для деяких сполук А²В⁶ виявилася дещо більшою, ніж ширина забороненої зони тих же сполук, які мають структуру сфалериту [7−9]. По-друге, в ряді сполук А²В⁶ з збільшенням долі іонності зв’язку () повинен спостерігатися перехід від стабільної структури сфалериту S до стабільної структури в’юрциту W (табл. 3).

Коли необхідно підкреслити зв’язок атомів в сполуках використовують для одного і того ж атома різні радіуси: ковалентні, іонні, тетраедричн і октаедричні ковалентні радіуси атомів в сполуках. Для атомів халькогенідного ряду цинку і кадмію вони приведені в таблиці 4.

Таблиця 4

Радіуси елементів в халькогенідах цинку і кадмію

3. Домішково-дефектна підсистема сфалеритної структури у легованих хлором кристалах телуриду кадмію

3.1. Домішка хлору у телуриді кадмію

Одним із найбільш перспективних матеріалів для виготовлення високочутливих неохолоджуючих детекторів іонізуючого випромінювання є компенсований хлором телурид кадмію.

CdTe відноситься до широкозонних напівпровідників А^IIВ^VI для яких характерне явище самокомпенсації. Суть явища самокомпенсації полягає у нейтралізації дії введених домішок донорного чи акцепторного типу утворенням власних дефектів з протилежною дією. Це є енергетично вигідним процесом для кристала. Крім того, власні дефекти, взаємодіючи з домішками, за певних умов, можуть утворювати різного типу електрично активні і неактивні комплекси [2, 3].

Вирощений методом напрямленої кристалізації і компенсований хлором СdТе (N_Cl ~ 10¹⁸см^-3) звичайно має р-тип провідності з питомим опором? > 10⁷ Ом см, концентрацією дірок р ~ 10⁸ см^-3 та холлівською рухливістю дірок µ_h ~ 50 см²-В^-1с^-1. Після відпалу в атмосфері насиченої пари кадмію при температурах 500 — 900 °C протягом кількох годин кристал стає низькоомним з n-типом провідності. У цьому випадку компенсація

Рис. 1. Залежність n (p_Cd) у разі відпалу напівізолюючих зразків CdTe у парі кадмію при температурі 700 °C на протязі 3 год.

практично зникає, і концентрація вільних електронів може досягати п~ 2 І0^17|см^-3. Згідно з фундаментальними роботами [9, 10] такий відпал приводить не тільки до збільшення п, але і до зменшення концентрації вакансій кадмію. В результаті порушуються умови компенсації. На рис. 1 наведено залежність значення n від тиску пари кадмію р_Сd, при якому проводився відпал. На основі проведених в роботі досліджень зразків

n-CdTe отримано значення ~ 9,6· 10¹⁶ см^-3, яке добре узгоджується з величиною п. У цьому випадку атом хлору, замішуючи атом телуру, поводить себе як точковий дефект, донорного типу. На рис. 2 наведено залежність п від концентрації введеного хлору [СІ], характер якої, як вказано в [12], практично не змінюється для різних значень р_Сd

Це означає, що за концентрацію електронів в зоні провідності відповідає домішка хлору, а не власні дефекти у гратці кадмію. Аналогічні результати отримано і для СdTe: Iп (атом індію замішує атом кадмію). Слід вимітити, що енергія Іонізації Е_D, залежить від концентрації введеної донорної домішки та ступеня компенсації (Е_D = Е_D (N, К = N_A / N_D)) і зв’язана з енергією іонізації ізольованих донорів E₀ емпіричним співвідношенням.

Е_D = Е₀ — ?()^1/3, (1)

? = 2,5· 10^-8 eВ·см. (Співвідношення (1) уточнене врахуванням крупномасштабних флуктуацій потенціалу для низьких і високих температур порівняно з шириною домішкової зони [15]). Знайдене з (1) значення Е₀ становить 0,014 еВ [І3] і є близьким до значення, отриманого на основі воднеподібної моделі.

Рис. 2. Залежність n ([Cl])

Встановлено також наявність у компенсованих монокристалах СdТе: СІ

мілких акцепторних рівнів. У роботі досліджували спектри поглинання (рис. 3) та фотопровідності (рис. 4) таких зразків. Різке зростання коефіцієнта поглинання? в області Е > 1,55 еВ (рис. З, криві 2 і 3) пов’язується з іонізацією акцепторів, розташованих па рівнях E_v+ 0,04 eВ. У цій же області енергій спостерігалась інтенсивна смуга в спектрі фотопровідності (рис. 4).

Рис. 3. Спектри поглинання при 77 К: 1 — нелегований зразок; 2 — легований зразок хлором, N_Cl ~ 10¹⁸ cm^-3; 3 — N_Cl ~ 10¹⁹ cm^-3; 4 — зразок, легований хлором після термообробки у вакуумі при 500 °C; 5 — при 700 °C Рис. 4. Спектри фотопровідності: 1 — зразок, легований хлором, N_Cl ~ 10¹⁸ cm^-3, Т = 77 К; 2 — той самий зразок після термообробки у вакуумі при 500 С; 3 — зразок легований хлором, Т = 4,2 К Високотемпературний відпал кристалів у вакуумі протягом 24 год приводить до суттєвих змін у спектрах поглинання і фотопровідності, а саме мас місце інтенсивне поглинання в області 1,46 — 1,47 еВ з максимумом близько 1,53 eВ (рис. З, крива 4), що відповідас переходам електронів з рівнів E_v + 0,06 еВ та E_v + 0,12 сВ у зону провідності. Концентрація цих акцепторних центрів становить приблизно 2 10¹⁵ — 2 І0¹⁶см^-3, а їх природа однозначно не з’ясована, хоча певні міркування про їх походження висловлювались в літературі |І6|.

Аналогічні висновки про енергетичне положення рівнів, що належать даним акцепторним центрам, зробили автори роботи [17], досліджуючи крайову люмінесценцію (рис. 5) нелегованих (крива 1), легованих високоомних (крива 2) та легованих низькоомних (крива 3) кристалів. Для легованих зразків спостерігається люмінесценція в області 1,55 ев.

Рис. 5. Спектри крайової люмінесценції кристалів CdTe при 4,2 К: 1 — нелегований зразок, n = 10¹⁵ cм^-3; 2, 3 — зразки, леговані хлором (2 — р = 10⁸ см^-3, 3 — р = 10¹³ см^-3)

Характер зміни положень максимумів кривих 2 і 3 із збільшенням температури відповідає переходам всередині донорно-акцепторної пари, а при Т = 25? З0 К домінує смуга, що відповідає переходам зона — акцептор (Е~ 1,56 ев). Енергетичне положення цього акцепторного рівня E_v + 0,047 узгоджується з даними, отриманими в результаті аналізу спектрів поглинання та фотопровідності. У спектрах спеціально нелегованих та легованих хлором кристалів спостерігається смуга люмінесценції з максимумом 1,53 еВ, яку пов’язують з рівнем E_v + 0,069 ев, що належить першому зарядовому стану вакансій кадмію.

3.2. Кристалічна модель дефектів CdTe: Cl

Кристалічна гратка для сфалериту показана на рис. 1. В’юрцитну модифікацію CdTe у чистому вигляді не одержали. Сфалеритна структура характеризується міжвузловими порожнини з тетраедричним і октаедричним оточенням, центри яких позначаються Т і О. Гратка кристалів телуриду кадмію складається із двох підграток утворених атомами металу і халькогену (на рис. 1 вони показані відповідно чорними і світлими кружечками). В такій гратці виникає вже два види тетраедричних Т₁ і Т₂ і два види октаедричних порожнин О₁ і О₂, які відрізняються типом оточуючих атомів. При чому октапорожнини незаповнені, а тетра — наполовину заповнені.

На рис. 2 показано можливе розміщення точкових дефектів у кристалічній гратці телуриду кадмію при легуванні його хлором з наступним відпалом в парах кадмію і телуру. Дефектна підсистема в

кінцевому результаті може буде утворена: донорним дефектом заміщення; вакансіями у катіонній і аніонній підгратках, відповідно; міжвузловим атомом кадмію в октаедричних порожнинах аніонної підгратки; акцепторним комплексом; міжвузловим атомом телуру у тетрапорожнинах підгратки металу, який займає вакансії кадмію з утворенням антиструктурного дефекту .

Користуючись даними радіусів атомів і порожнин наведених у таблиці, проаналізуємо можливість геометричного розміщення вказаних дефектів у кристалічній гратці сфалеритної структури телуриду кадмію. Можливе розміщення кадмію в октапорожнинах аніонної підгратки (рис. 2 — дефект D) підтверджується співставленням його іоного радіусу (r_і = 0,99 A) з граничними розміроми октаєдричних порожнини підгратки телуру (r^o_{i (min) —} r^o_{i (max) =} 0,874 -1,544 A). Кадмій також може входити і у тетраедричні порожнини підгратки телуру, що узгоджується з їх радіусами тетраедричних порожнин (r^т_{i (min) —} r^т_{i (max) =} 0,475 -1,055 A).

Міжвузловий телур у будь-якому стані (нейтральний атом, іон) не може бути розміщений ні в тетраедричних, ні в октаедричних порожнинах підгратки металу із-за значного перевищення власних розмірів над розмірами відповідних порожнин. Більш імовірним є заміщення телуром кадмію з утворенням анти структурного дефекту, так як їх тетраедричні ковалентні радіуси спів розмірні (r^Cd_{к (т)} = 1,48 A_, r^Te_{к (т)} = 1,34 A). Геометричні співвідношення також сприяють хлору (r^Cl_{к (т)} = 1,06 A) зайняти тетравузли телуру. Можливим є і утворення комплексу так як відстані між центрами вакансій кадмію і заміщеним телуру хлором у тетрапозиції кристалічної гратки складають всього 2,80 A.

3.3. Кристалоквазіхімічні рівняння утворення дефектів

Незважаючи на проведені фундаментальні дослідження монокристалів CdTe: Cl [2, 4−6], квазіхімічного моделювання дефектної підсистеми при їх відпалі у парах кадмію і телуру, залишається невирішеною проблема визначення розміщення дефектів у кристалічній гратці. Кристалоквазіхімія, як новий науковий напрям, дає більш розширену характеристику утворення дефектів. У квазіхімії немає необхідності знати кристалічну природу дефектів [6−10]. Кристалоквазіхімія розглядає дефекти у відповідності з кристалічною будовою речовини і дає нову інформацію про їх властивості, яка відсутня в окремо взятих кристалохімії і квазіхімії.

В основу методу покладено суперпозицію кристалоквазіхімічної формули досліджуваної матриці із кристалоквазіхімічним складом (кластером). Кристалоквазіхімічний склад формується шляхом накладання антиструктури телуриду кадмію, яку утворюють двократно іонізовані негативні та позитивні вакансії кадмію і телуру з кристалохімічним складом доданої речовини. Заряди дефектів у кристалоквазіхімії позначають таким чином: х — нейтральні, — позитивні, — негативні, кількість цих знаків відповідає кратності іонізації, e' - концентрація електронів, h^·  — концентрація дірок.

Згідно уявлень кристалоквазіхімії нестехіометричний телурид кадмію з надлишком кадмію описується такими рівняннями:

(1)

При надлишку халькогену відповідно:

(2)

Де, і - відхилення від стехіометрії. При аналізі рівнянь (1), (2) видно, що електронний тип провідності телуриду кадмію пов’язаний із вакансіями телуру, які утворюються за рахунок надстехіометричного кадмію, а дірковий — із вакансіями кадмію, при надлишку телуру.

Тепер розглянемо кристалоквазіхімічний кластер легуючої домішки CdCl₂. Згідно попереднього представлення він запишеться як:

(3)

При суперпозиції матриці CdTe n-типу (1) з кластером (3) одержимо:

(4)

Утворений матеріал (4) характеризується переважаючою електронною провідністю, яка обумовлена вакансіями у підгратці халькогену.

Суперпозиція матеріалу CdTe р-типу (2) з (3) приводить до:

(5)

Дірковий тип провідності матеріалу (5) зберігається за рахунок центрації вакансій у підгратці металу.

При відпалі CdTe: Cl у парі кадмію надлишковий, відносно стехіометричного складу, кадмій може утворювати вакансії телуру, або вкорінюватися у міжвузля гратки. Тому вплив надлишкового кадмію на матеріал (5) проводили за механізмом заміщення і вкорінення.

Для механізму входження кадмію у свої ж вакансії одержуємо кластер:

(6)

У випадку CdTe р-типу провідності накладання матриці (5) на кластер (6) приводить до утворення матеріалу з переважаючою електронною провідністю згідно одержаного матеріалу (7).

(7)

При вкорінені кадмію у міжвузля кластер запишеться:

(8)

Суперпозиція матриці (5) з кластером (8) дає наступний результат (9) :

(9)

При аналізі одержаних рівнянь (7) і (9) видно, що вони характеризуються переважаючою електронною провідністю, яка обумовлена появою вакансій телуру для (7) та міжвузловим кадмієм в аніонній підгратці для матриці (9).

Використанні позначення грецькими буквами: у методі кристалоквазіхімії означають відхилення від стехіометрії або мольні частки тієї речовини, яку додають у процесі дослідження.

При відпалі р-CdTe:Cl при низьких тисках пари кадмію, а саме у парі телуру, одержують матеріал з високою концентрацією електронів за рахунок утворення антиструктурного дефекту за рівнянням: Кристалоквазіхімічне рівняння дефектоутворення для такого процесу приведено нижче:

(10)

Суперпозиція матриці (5) з кластером (10) дає:

(11)

3.4 Аналіз результатів дослідження

Експериментальні результати [4−6], які визначають залежність типу провідності легованих CdCl₂ кристалів телуриду кадмію від значення парціальних тисків компонентів, із врахуванням кристалохімічної (рис. 1, 2) і кристалоквазіхімічної (1) — (11) моделей можна пояснити наступними чином.

Початково синтезовані кристали CdTe, які мають р-тип ровідності [4], характеризуються згідно (2) переважанням вакансій кадмію — тетраедричні порожнини в оточенні телуру (рис. 2 -дефект типу А). При легуванні цього матеріалу CdCl₂ акцепторний тип кристалів зберігається за рахунок утворення додаткових вакансій у катіонній підгратці згідно (5): (рис. 2 — дефект типу А).

Відпал кристалів у парах телуру (область низьких значень парціального тиску кадмію) згідно (11) веде до утворення антиструктурних дефектів (рис. 2 — дефект M). Це пов’язано із тим, що при високих концентраціях телуру, займаючи тетраедричне міжвузля у кристалічній гратці, він має високу зовнішню релаксацію і буде притягуватися до областей, де напруги можуть бути усунені. Ці області локалізовані у місцях значної концентрації вакансій кадмію, у яких відбувається релаксація і зсув сусідніх атомів. Із-за утворення при цьому значної кількості електронів (11), відпалений CdTe: Сl у парах телуру має значну ефективну електронну провідність.

Відпал легованих хлором кристалів CdTe при високих парціальних тисках парів кадмію знову ж таки приведе до синтезу кристалів із переважаючою електронною провідністю. Але механізм донорної дії тут буде зовсім інший ніж у попередньому випадку. Так, при механізмі заміщення (7) надлишкові електрони у кристалічній гратці CdTe появляються за рахунок «заліковування» вакансій кадмію: При механізмі вкорінення (9) ці ж електрони провідності утворюються вже у прцесі іонізації міжвузлових атомів кадмію (рис. 2 -дефект D).

Для області середніх парціальних тисків пари кадмію переважаючими дефектами є вакансії у катіонній підгратці згідно (2) (рис. 2 — дефект А), що і обумовлює р-тип провідності матеріалу.

Окремим цікавим питанням є утворення комплексів (асоціатів) за рахунок взаємодії між собою різнойменно заряджених власних атомних дефектів із домішковими дефектами. У нашому випадку згідно кристалоквазіхімічних рівнянь (4), (5), (7), (9) і (11) може утворюватися заряджений центр типу (рис. 2 — дефект К). Він окремо виділений у (5). Крім того, в останній час [2], пропонується ідеї про утворення нейтральних центрів типу. В усіх випадках утворення центрів, як заряджених, так і нейтральних, має місце зв’язування електронів у кристалічній гратці.

Висновки

Згідно одержаних кристалоквазіхімічних механізмів процесів не стехіометрії, легування, утворення твердих розчинів в телуриді кадмію встановлено:

При процесах нестехіометрії на боці кадмію одержуємо матеріал n-типу провідності, на боці телуру — р-типу.

Адсорбція кисню на поверхні CdTe приводить до заміщення вакансій телуру киснем з утворенням матеріалу р-типу.

Легування CdTe хлором і індієм проходить за двома механізмами заміщення і вкорінення, що дає можливість одержати матеріал р-типу при легуванні хлором та n-типу при легуванні індієм, як за механізмом заміщення так і вкорінення.

При утворені твердих розчинів CdTe-ZnTe, CdTe-K₂Te одержують матеріал р-типу з ізовалентним заміщенням і n-типу з гетеровалентним заміщенням.

Література

1. А. Верма, П. Кришка. Полиморфизм и политипизм в кристаллах. «Мир». М., 1969.

2. Физика и химия соединений А^IIB^VI. «Мир». М., 1970.

3. Г. М. Попов., И. И. Шафрановский. Кристаллография. М., «Высшая школа», 1972.

4. М.Дж. Бюргер. Фазовые переходы // Кристаллография. Том 16, в.6, 1971, с. 1084.

5. К. В. Шалимова, В. А. Дмитриев. Изменение типа стабильной структуры в ряду соединений А^IIB^VI // Кристаллография, Том 17, в.3, 1972, с. 541.

6. Л. Паулинг. Природа химической связи. М. — Л., 1947.

7. J.S. Park, F.I. Chan, J.Appl. Phys, 36, 800,1965.

8. G.F. Neumark. Phus. Rev., 125.838,1962.

9. O. Brafman, G. Schachar, I.T. Steinberger. J.Appl. Phys. 36.668,1965.

10. C.А. Семилетова. Тетраедрические и октаедрические ковалентные радиусы // Кристаллография. Том 21, в.4, 1976, с.752−754.

11. Д.М. Фреїк, В.В. Прокопів, У. М. Писклинець, І.М. Ліщинський. Вплив технологічних факторів і легуючої домішки індію на дефектну систему і тип провідності у телуриді кадмію // Фізика і хімія твердого тіла Т.3. № 1 (2002) с. 526−530.

12. В. Й. Фистуль. Примеси переходных металлов в полупроводниках — М.: Металлургия, 1983, с. 192.

13. F.V. Wald. Application of CdTe. A Review // Rev Phys. Appl. 12 (12). P.277−290 (1977).

14. G.C. Morris, S.K. Das, P.G. Tanner. Some Factors Aftecting Efficiencies of n-CdS/p-CdTe Thin Film Solar Cells // j. Cryst. Growth. 117. P.929−934 (1992).

15. S. Seto, A. Tanaka, Y. Mosa, M. Kawashima. Clorine — Related Photoluminescence Lines in High-Resistivitg Cl-Doped CdTe // j. Cryst. Growth. 117. P.271−275 (1992).

16. С. А. Медведев, С. Н. Максимовский, К. В. Киселева, Ю. В. Клевков, Н. Н. Сентгорина. О природе точечных дефектов в нелегированом СdTe // Изв. АН СССР. Неорганические материалы, IX (3), сс. 356−360 (1973).

17. О. Э. Панчук, П. И. Фейчук, Л. П. Щербак, П. М. Фочук, Р. Ф. Бойчук. Распределение Ga в CdTe // Изв. АН СССР. Неорганические материалы, 21 (7), сс.1118−1120 (1985).

18. С. С. Лисняк. Кристаллоквазихимическая модель исследований в химии твердого тела // Изв. АН СССР. Неорганические материалы, 29 (9), сс.1913;1917 (1992).

19. В. Г. Яковлева. Структура и свойства соединений А^IIВ^VI. — В сб.: Современное состояние аналитической химии полупроводниковых соединений типа А^IIВ^VI (Тр. Моск. ин-та стали и сплавов). М.: Изд. МИСиС, с. 151 (1983).

20. Н. Х. Абрикосов, В. Ф. Банкина, Л. В Порецкая, Е. В. Скуднова, С. Н. Чижевская. Полупроводниковые халькогениды и сплавы на их основе. М., Наука, с. 220 (1975).

21. В. В. Матлак, М. И. Илащук, О. А. Парфенюк, П. А. Павлин, А. В. Савицкий. Електропроводность полуизолирующего СdTe // Физика и техника полупроводников, 16 (10), сс.89−92 (1982).

22. К. Руманс. Структурные исследования некоторых окислов и других халькогенидов при нормальных и высоких давлениях. М.: Мир, (1969).

23. Д. В. Корбутяк, С. В. Мельничук, П. М. Ткачук. Домішково-дефектна структура CdTe: Cl — матеріалу для детекторів іонізуючого випромінювання // Укр. Фіз. Журн., 44 (6), сс.730−737 (1999).