ПЬЕЗОСПЕКТРОСКОПИЯ

ПЬЕЗОСПЕКТРОСКОПИЯ

- прецизионный метод исследования зависимости свойств твёрдых тел от внеш. давления методами оптич. спектроскопии. Особенно эффективна П. для изучения электронных свойств полупроводников, зависящих от их зонной структуры, в частности от ширины запрещённой зоны Т. к. зависит от межатомного расстояния (межатомной связи), то с увеличением давления p можно было бы ожидать роста Оказалось, что в прямозонных полупроводниках действительно обычно растёт (исключение - Те и халькогениды Pb ). В кристаллах с неск. минимумами ф-ции в зоне проводимости (- энергия электрона,- его импульс) для одних минимумов растёт, для других - убывает. Напр., при увеличении давления в Ge увеличивается с градиентом 7,5·10^-3 эВ/кбар (в InSb и GaAs - 12·10 эВ/кбар), но при r50 кбар X-минимум зоны проводимости становится ниже i-минимума, что означает уменьшение с ростом давления (рис.). Т. о., отрицат. значение означает, что величину начинает определять др. минимум, чем при нормальном давлении.

Изменение ширины запрещённой зоны в зависимости от давления для Si и Ge.

Теория, описывающая влияние давления на электронный спектр, построена для ковалентных и ионных кристаллов. Отражение и поглощение света в полупроводнике (а также фотопроводимость )определяются зависимостью диэлектрич. проницаемости от частоты w (см. Диэлектрики). Действительная e' и мнимая e " части ф-ции e(w) связаны с коэф. поглощения a и преломления n света соотношениями

(m - магн. проницаемость). Зависимость e(w) определяется электронами и ионами кристалла. Электронная часть диэлектрич. проницаемости +. В случае, когда энергия светового кванта превышает ширину запрещённой зоны полупроводника,, определяемое Крамерса- Кронига соотношением, меняется с давлением незначительно, а изменения даются ф-лой

Здесь т - масса электрона, М ₁, М ₂, М ₃ - гл. компоненты тензора приведённой массы М=(m _Э^-1+m _д^-1)^-1, m _э, m _д - гл. компоненты тензора эффективной массы электрона и дырки, е - заряд электрона, - вектор поляризации света, е- матричные элементы операторов импульса электронов (дырок). Множитель отражает зависимость плотности, состояний в зоне проводимости (валентной зоне) от энергии кванта. Матричные элементы е слабо зависят от давления (как и постоянная решётки). Незначительно меняются и эфф. массы носителей, т. е. М. Осн. влияние давления связано со сдвигом электронных уровней, определяющих плотность состояний. Давление позволяет не только сдвигать электронные уровни, но и изменять электронный спектр.

По спектральной зависимости коэф. поглощения света можно определить в исходном и деформированном кристаллах; изменяется с ростом давления примерно на b10^-5- 10^-6 эВ/кбар.

Вклад ионов в ф-цию e(w) слабо зависит от давления. Изменения отражают в осн. изменения фононного спектра с давлением. В случае ковалентных кристаллов частоты оптич. продольных LO- и поперечных TO -колебаний решётки растут с давлением, а частоты акустич. LA- и ТА -колебаний падают (см. Колебания кристаллической решётки). Изменение межатомного расстояния под действием давления меняет конфигурацию электронной оболочки колеблющихся атомов, поэтому меняется и эфф. заряд ионов (знак изменения возможен любой).

Все вышеперечисленные эффекты проявляются при однородном гидростатич. давлении. В то время как оно не меняет симметрию решётки, одноосное напряжение понижает симметрию системы и поэтому приводит к расщеплению первоначально вырожденных уровней. Новый тип симметрии кристалла зависит от направления, в к-ром приложено напряжение.

Одноосные напряжения изменяют симметрию зоны Бриллюэна. Поскольку нек-рые точки k в зоне становятся при этом неэквивалентными, приложение одноосного напряжения приводит к дополнит. расщеплению уровней. Это детально проверено при исследовании пьезопоглощения света у края межзонного перехода и пьезоотражения в др. критич. точках. Именно так была подтверждена интерпретация края поглощения в Ge и Si, где минимум зоны проводимости расположен в точке L и на оси D.

Метод П. эффективен при изучении симметрии примесных и экситонных состояний. В случае мелких примесей или слабосвязанных экситонов прежде всего существенно влияние напряжения на структуру энергетич. зон. Затем устанавливают, как это сказывается на связанных состояниях, происходящих от разл. критич. точек. У глубоких примесей энергия связи зависит больше от конфигурации ближайших атомов и ионов, чем от сдвигов зон. Поэтому влияние одноосного напряжения на примесные уровни тем сильнее, чем глубже потенциал примеси и чем больше локализованы волновые ф-ции.

Лит.: Ансельм А. И., Введение в теорию полупровод-ников, 2 изд., М., 1978; Вир Г. Л., Пикус Г. Е., Симметрия и деформационные эффекты в полупроводниках, М., 1972; Martinez G., Optical properties of semiconductors under pressure, в кн.: Handbook on semiconductors, v. 2 - Optical properties of solids, Amst.- [a. o.l, 1980; Snarma H. P., Shanker J., Vеrma M. P., Effect of hydrostatic pressure on the electronic dielectric constant of ionic crystals, "Phil. Mag.", 1976, v. 34, p. 163; Wendel H., Martin R. M., Charge density and structural properties of covalent semiconductors, "Phys. Rev. Lett.", 1978, v. 40, p. 950. С. Е. Есипов,

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988.