К.физ.-мат.н. Копытов
А.В., к.физ.-мат.н. Малышева Е.Н., к.физ.-мат.н. Кособуцкий А.В., д. физ.-мат.н.
Басалаев Ю.М.
Кемеровский
государственный университет, Россия
Динамика
композиционных сверхрешеток CdS/CdSe, CdS/CdTe, CdSe/CdTe
В
настоящее время активно ведется поиск новых материалов и структур для создания
светоизлучающих приборов, работающих в сине-зеленой части спектра. С этой точки
зрения перспективными являются халькогениды кадмия (сульфиды, селениды,
теллуриды) и гетероструктуры на их основе.
Cульфид и селенид кадмия CdS, CdSe отличаются стабильностью свойств и широко
используются для изготовления фоторезисторов, обладающих высокой
чувствительностью в видимой области спектра. CdTe широко используется в
конструировании солнечных элементов в качестве абсорбирующего элемента. Среди
халькогенидов теллурид кадмия является наименее изученным.
При обычных условиях
наиболее характерной кристаллической решеткой CdTe является кубическая, в то время как для CdS и CdSe более
устойчивой является гексагональная.
Изучение колебательных состояний гетероструктур CdS/CdSe, CdS/CdTe, CdSe/CdTe является актуальной задачей в связи с их
важной ролью в формировании оптических и электрических свойств материала, а
также вследствие их высокой чувствительности к структурным дефектам.
В настоящей работе
выполнены расчеты из первых принципов фононных мод монослойных
короткопериодичных сверхрешеток (СР) (CdS)1(CdSe)1, (CdS)1(CdTe)1, (CdSe)1(CdTe)1. Расчеты фононных спектров проводились в рамках
теории возмущения функционала плотности с использованием сохраняющих норму
псевдопотенциалов для Se, S, Te и
ультрамягкого псевдопотенциала для Cd.
Электронные волновые функции раскладывались по плоским волнам с максимальной
кинетической энергией 30 Ry;
интегрирование по зоне Бриллюэна велось на сетке 4×4×4. Обменно-корреляционные
эффекты учитывались в рамках приближения локальной плотности. Все численные
результаты были получены с помощью программного пакета Quantum ESPRESSO
[1].
Разность
в значениях постоянных решеток объемных композитов приводит к появлению напряжения
в слоях исследуемых сверхрешеток. Поэтому перед проведением расчетов колебательных
мод СР выполнялась предварительная оптимизация их структурных параметров.
Раcчеты из первых принципов фононных спектров объемных
кристаллов CdS, CdSe, CdTe уже
приводились в литературе [2]. Используя ту же реализацию метода линейного
отклика, мы получили результаты более близкие к экспериментальным данным.
Соответствующие результаты представлены на рисунках 1 – 3 и в таблице 1. Сравнение
с экспериментом показывает хорошее качество расчета спектров объемных
компонентов.
На
рис. 4 – 6 изображен спектр колебаний в
симметричных направлениях и плотность фононных состояний монослойных СР (CdS)1(CdSe)1, (CdS)1(CdTe)1, (CdSe)1(CdTe)1.
Тетрагональная
ячейка монослойных СР содержит четыре атома, поэтому фононный спектр исследуемых
СР состоит из 12 отдельный ветвей.
Рис. 1. Фононный спектр и плотность состояний CdS
Рис. 2. Фононный спектр и плотность состояний CdSe
Рис. 3. Фононный спектр и плотность состояний CdTe
Таблица 1
Частоты фононов в CdS, CdSe, CdTe (см-1)
|
|
LO(Г) |
ТО(Г) |
ТА(Х) |
LA(X) |
TO(X) |
LO(X) |
TA(L) |
LA(L) |
TO(L) |
LO(L) |
|
CdS |
|
|||||||||
|
Наш расчет |
302 |
250 |
55 |
154 |
291 |
300 |
43 |
141 |
269 |
311 |
|
Расчет
[2] |
315 |
263 |
44 |
160 |
290 |
298 |
12 |
148 |
273 |
311 |
|
Эксп. [3] |
302 |
238 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
CdSe |
|
|||||||||
|
Наш
расчет |
210 |
179 |
40 |
145 |
180 |
194 |
33 |
127 |
186 |
193 |
|
Расчет
[2] |
218 |
198 |
53 |
160 |
211 |
192 |
42 |
139 |
204 |
204 |
|
Эксп. [3] |
210 |
168 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
CdTe |
|
|||||||||
|
Наш расчет |
173 |
154 |
32 |
135 |
160 |
136 |
26 |
111 |
157 |
154 |
|
Расчет
[2] |
170 |
156 |
26 |
135 |
161 |
135 |
26 |
111 |
157 |
154 |
|
Эксп. [3] |
170 |
140 |
35 |
|
|
148 |
29 |
108 |
144 |
144 |
Как
видно из рис. 4 - 6, в спектрах монослойных СР (CdS)1(CdSe)1, можно выделить интервалы разрешенных
частот, верхняя граница которых находится в пределах 200 – 300 см-1. Во всех исследуемых СР присутствует
энергетическая щель между оптическими ветвями, обусловленная массовым эффектом.
Так, для СР (CdS)1(CdTe)1 она составляет ~
100 cм-1, в то время как для
СР (CdS)1(CdSe)1 она уменьшается практически вдвое,
достигая в СР (CdSe)1(CdTe)1
~ 25 см-1.
Следует
отметить, что для СР (CdS)1(CdSe)1 акустическая часть спектра отделена от
оптической части спектра достаточно широкой запрещенной полосой энергий.
Рис. 4. Фононный спектр и плотность состояний
монослойной СР (CdS)1(CdSe)1
Рис. 5. Фононный спектр и плотность состояний
монослойной СР (CdS)1(CdTe)1
Рис. 6. Фононный спектр и плотность состояний
монослойной СР (CdSe)1(CdTe)1
В
данной работе при численном моделировании фононных спектров монослойных СР CdS/CdSe, CdS/CdTe, CdSe/CdTe были учтены
как эффекты размерного ограничения, так и напряжения в слоях. Полученные результаты могут быть использованы при
анализе экспериментальных данных для изучаемых гетероструктур, например, при
оценке состояния их интерфейса.
Литература
1.
Giannozzi P., Baroni S., Bonini N. et al. // J. Phys.: Condens. Matter, 2009. V.
21. № 39. P. 395502.
2.
Deligoz E., Colakoglu K., Ciftci Y. // Physica B, 2006. V. 373. P. 124 –
130.
3.
Ingale A., Rustagi F.C. //Phys. Rev. B, 1998.
V.58. P. 7197 – 7204.