Exzitonenemission von hexagonalem ZnS bei anregung mit 50-keV-elektronen

Exzitonenemission von hexagonalem ZnS bei anregung mit 50-keV-elektronen

J. Phys. Chem. Solids Pergamon Press 1965. Vol. 26, pp. 1517-1521. EXZITONENEMISSION ANREGUNG Printed in Great Britain. VON HEXAGONALEM ZnS BE1...

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J. Phys.

Chem. Solids

Pergamon

Press 1965. Vol. 26, pp. 1517-1521.

EXZITONENEMISSION ANREGUNG

Printed in Great Britain.

VON HEXAGONALEM

ZnS BE1

MIT 50-keV-ELEKTRONEN W. KLEIN

Institut fiir Elektronenmikroskopie

am Fritz-Haber-Institut Berlin-Dahlem (Received

31 March

der Max-Planck-Gesellschaft,

1965)

Abstract-The band edge emission of hexagonal ZnS single crystals has been investigated under excitation by 50-keV-electrons in the temperature range between 4 and 78°K. At the temperature of liquid helium 17 lines are found, which could be explained as due to one free and four bound excitons couoled with a varvina number of optical phonons. The temperature shift of some of these lines ismeasured up to 78°K. 1. EINLEITUNG SAMELSON und LEMPICK#

haben bei der Untersuchung des Emissionsspektrums von kubischem ZnS in der Nahe der Absorptionskante zwei Serien von Emissionslinien gefunden, wobei die eine Serie dem freien Exziton sowie dessen Phononenlinien zugeordnet werden konnte. Bei hexagonalem ZnS ist die Exzitonenstruktur bisher nur in Absorption@-@ und Reflexion,(sT7) jedoch nicht in Emission untersucht worden. Bei der VON KR~cER(*) im ZnSWurtzit im Wellenllngenbereich oberhalb von 3330 A gefundenen Emission handelt es sich offenbar urn eine Kantenemission, Phnlich der in CdS, die auf Gitterdefekte zuriickgefiihrt wird, nicht aber urn Exzitonenemission, denn die Photonenenergie des Grundzustandes des Exzitons betragt im hexagonalen ZnS bei 77°K 3,857 eV r\ 3213 A. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Exzitonenemission in hexagonalem ZnS bei der Temperatur des fliissigen Heliums unter Anregung mit SO-keV-Elektronenstrahlen. Bei dieser Anregungsart vermeidet man die Schwierigkeiten, die sich bei der Anregung mit UV-Licht dadurch ergeben, dass man das anregende Licht von der Lumineszenz zu trennen hat. Weiterhin hat man die Moglichkeit, hohe Anregungsdichten zu erzeugen. Dies ist vorteilhaft, da bei hohen Anregungsdichten die Exzitonen-emission gegeniiber der Storstellenlumineszenz begiinstigt

wird. Eine Erwarmung des Kristalls kann dabei vermieden werden, wenn man mit Elektronenstrahlimpulsen geringer Impulslange und niedriger Folgefrequenz arbeitet.

2. AF’PARATUR*

Als Elektronenstrahlquelle dient eine elektronenoptische Bank.(sJo) Eine erste elektromagnetische Linse fokussiert den Elektronenstrahl auf eine Praparatblende von 100 p Durchmesser. Eine zweite Linse bildet die Praparatblende elektronenoptisch in die Kristallebene ab. Durch Anderung der Beleuchtung der Praparatblende und der Vergrosserung ‘bei der elektronenoptischen Abbildung lasst sich die Elektronenstrahldichte in der Kristallebene variieren. Zur Erzeugung hoher Strahldichten wird der Elektronen-strahl auf Durchmesser eine F&he von ca. 60 p fokussiert. Urn eine Erwarmung des Kristalls bei hohen Elektronenstrahldichten zu verElektronenstrahlkurze meiden, werden impulse mit Hilfe von elektrostatischen Ablenkplatten, die sich vor der Praparatblende befinden, und eines Imp&generators erzeugt. Durch Wahl von Impulslange (ca. 0,s ,US) und Folgefrequenz (ca. 1 kHz) wird die Leistung so niedrig gehalten, dass keine Erwarmung eintreten kann. * Eine ausfiihrliche erfolgt in Kiirze.

1517

Beschreibung

der

Apparatur

151s

W.

KLEIN

Der Kristall befindet sich in einem Heliumkryostaten. Die Untersuchung der Lumineszenz erfolgt in Aufsicht. Zur Ausmessung der Emissionsspektren wird in Verbindung mit einem 12-stufigen Photomultiplier ein 4_QuarzprismenMonochromator (Fuess, Berlin) verwendet, dessen reziproke lineare Dispersion bei 3200 A 6 A/mm betragt. Bei Verwendung von 100 p-Spalten ergibt sich eine Aufhisung von 0,6 A.

3,7 bis 3,9 eV gemeinsam mit dem Reflexionsspektrums im linearen Masstab. Das Reflexionsspektrum weist die 3 bekannten Anomalien(s) des hexagonalen ZnS bei 3,872eV (23201 A), 3,899 eV (fi 3 179 A) und 3,988 eV (fi 3108 A) auf, die zu den drei mit A, B und C bezeichneten dicht beieinander liegenden Valenzbandern gehoren. Urn das erste Maximum des Emissionsspektrums auf der kurzwelligen Seite zu erkennen, sind in diesem Energiebereich die Lumineszenzwerte mit dem Faktor 10 multipliziert worden. 3. ERGEBNISSE UND DISKUSSION Dieses Maximum liegt, wie such die zum obersten Abbildung 1 zeigt in halblogarithmischer DarValenzband gehiirende Reflexionsanomalie, bei stellung das gesamte Emissionsspektrum eines 3,872 eV und ist damit als das freie A-Exziton idenhexagonalen ZnS-Kristalls bei der Temperatur tifiziert. Die vier folgenden scharfen Linien bei des fltissigen Heliums und der extrem hohen Elek3,860 eV (fi 3211 A), 3,851 eV (~5 3218 A), tronenstrahldichte von 0,2 A/cma. Dies entspricht3,848 eV (fi 3221 A) und 3,841 eV (i2 3227 A) einer Anregungsdichte von ca. 102Wlcm-3. (11) lassen sich nicht als Phononenlinien des A- oder Neben der kantennahen Emission im SpektralB- Exzitons erklaren. Es ist anzunehmen, dass bereich von 3,3 bis 3,9 eV besitzt der Kristall eine es sich bei diesen Linien, ahnlich wie in CdS, urn griine und eine blaue Bande. Unter diesen Exzitonen (Storstellenexzitonen) gebundene Anregungsbedingungen ist die kantennahe handelt, die daher in Anlehnung an die von Emission sehr vie1 intensiver als die StorstellenTHOMAS und HOPFIELD und RASS(~~) eingelumineszenz. Die Abb. 2 zeigt die komplizierte fiihrte Terminologie fur CdS vorllufig mit 54, Struktur des Emissionsspektrums im Bereich von J3, J2 und Jl bezeichnet werden. Weitere

-

Welledtinge

m

2.4

36

Photonenenergie ABB.

mit

[ebj

-

1. Emissionsspektrum eines hexagonalen?ZnS Kristalls angeregt 50-keV-Elektronen bei 5°K. (Strahldichte: 0,2 A/ems; ImpulslHnge: 4 - 10-7s ; Folgefrequenz : 1 kHz).

EXZITONENEMISSION

VON

Informationen iiber die Natur dieser Linien kijnnte man z.B. durch magneto-optische Untersuchungen erhalten, wie sie fur CdS von THOMAS und HOPFIELD durchgeftihrt wurden. Alle weiteren Linien lassen sich als die Phononenlinien des freien und der gebundenen Exzitonen erklaren, wobei im allgemeinen nur das longitudinale optische Phonon (LO) auftritt, dessen Energie ca. 43 meV betragt.(l4) Es fehlt

HEXAGONALEM

lediglich die Linie J4-LO, die man bei 3,816 eV zu suchen h%tte. Statt dessen erscheint eine Linie bei 3,823 eV, die sich als die Linie des gebundenen Exzitons J4, das mit einem transversalen optischen Phonon (TO) von 37 meV gekoppelt ist, erklaren lasst. In Tabelle 1 wird eine Aufstellung aller gefundenen Emissionslinien, sowie deren Bezeichnung wiedergegeben. Ein Teil der Struktur der Emission bleibt bis

i A

w

3.70

375

1519

ZnS

3.60

3.65

Photonenenergie

I Reflexion

390

1

3.96

cl

4.m

[eVj

ABB. 2. Emissions- und Reflexionsspektrum eines hexagonalen ZnS-Kristalls bei 5°K. Die Emission wurde mit SO-keV-Elektronen angeregt. (Strahldichte: 0,2 A/cm2; Impulsliinge 4-10-7s; Folgefrequenz: 1 kHz).

Tabelle 1

E(eV)

(A)

3,872 3.860

3201 3211 3218 3221 3227

3;851 3,848 3,841 3,828 3,823 3,810 3,807

3238 3242 3253 3256

Bez.

:;

J1 A-LO J4-TO J3-LO J2-LO

E(eV)

(A)

3,800 3,786 3,780 3,761 3,755 3,735 3,716 3,692

3262 3274 3279 3295 3301 3318 3335 3357

Bez.

Jl-LO A-2L0 ;;:;;GLo Jl-2L0 J4-TO-2L0 J2-3L0 J4-TO-3L0

W.

-.

A

.

KLEIN

._ L. \ .

J4

20

Lage der Kristalls.

40

60 Temper&v

80 pK]----

-

TemperaturabhSingigkeit der energetischen Exzitonenlinien eines hexagonalen ZnS(Strahldichte: 0,2 A/cmZ; Impulsl%nge 4.10-7s; Folgefrequenz: 1 kHz).

t__

Welledtinge

zur Temperatur des fhissigen Stickstoffs erhalten, so dass die energetische Lage einiger Linien als Funktion der Temperatur beobachtet werden konnte (Abb. 3). Wahrend bis zu 20°K keine merkliche Verschiebung eintritt, wurde zwischen 20 und 78°K eine Verschiebung der energetischen Lage von 8 bis 10 meV beobachtet. Voraussetzung fur die Ausbildung einer Exzitonenstruktur im Emissionsspektrum von ZnS ist offenbar eine saubere kristallographische Struktur. Abbildung 4 zeigt in halblogarithmischer Darstellung das Emissionsspektrum eines ZnS-Kristalls, das Maxima bei 2,77 eV (A 4480 A), 3,40 eV (fi 3650 A) und 3,73 eV (63330 A) aufweist, jedoch keine linienhafte Struktur besitzt. Das Reflexionsspektrum dieses Kristalls zeigt ebenfalls keine Struktur. Es ist lediglich bei 3,79 eV (fi 3270 A) eine schwache, verwaschene Reflexionsbande zu erkennen, die auf eine kubische Komponente in der Struktur hinweist.(s) Danach kann man nach Arbeiten von SHALIMOVA und Mo~ozowA~~~ such ohne riintgenographische Untersuchungen erkennen, dass es sich urn einen Kristall ungeordneter bzw. gemischter Struktur handelt.

c4]

Photonenenergie

&”

-p--

4. Emissionsspektrum eines ZnS-Kristalls angeregt mit SO-keV-Elektronen bei 5°K. (Strahldichte 0,2 A/cm;2 Impulsllnge: 4 * 10-7s ; Folgefrequenz : 1 kHz) .

ABB.

EXZITONENEMISSION

VON

Anerkennungen-Herrn Prof. Dr. E. RUSKA bin ich fiir die stete Fiirderung zu Dank verpflichtet. Fiir die Anregung zu dieser Arbeit sowie fiir zahlreiche Diskussionen da&e ich Herrn Prof. Dr. I. BROSER.Mein Dank gilt weiterhin Frau Dr. R. BROSER-WARMINSKYfiir die der ZnS-Kristalle sowie Herrn H. Uberlassung SCHLIEBE&d Herrn K. D~MPKE fiir technische Hilfe. Fiir die Unterstiitzung mit finanziellen Mitteln bin ich der Deutschen Fo&chungsgemeinschaft zu Dank verpflichtet.

LITERATUR 1. SAMELSONH. und LEMPICKIA., Phys. Rev. 125,901 (1962). 2. PIPER W. W., JOHNSONP. D. und MARPLE D. T. F., J. Phvs. Chem. Solids 8.457 (1959). 3. GROSS 6. F. und SUSLIN~ L. b., dpt. i Spektroskopiya 6, 70 (1959).

HEXAGONALEM

ZnS

1521

4. GROSS E. F., SUSLINA L. G. und KOMAROVSKIKH K. F., Opt. i. Spektroskopiya 8, 516 (1960); Opt. Spectry 8, 273 (1960). 5. WHEELERR. G. und MIKLOSZ J. C., Proc. of the 7th Intern. Confer. on Semiconductor Phvsics. _ , S.873. Dunod, Paiis (1964). 6. BIRMAN J. L., SAMELSON H. und LEMPICKI A., GT & E Research and Development Journal 1, 2 (1961). 7. SHALIMOVA K. V. und MOROZOWA N. K., Opt. Spectry 16.261; 16. 359: 16.470 (1964). 8. KR&ERF. A., Ph&& 7, i (1940). 9. RUSKAE.. Z. wiss. Mikr. u. mikr. Techn. 60. 261-262 (1951).’ 10. KLEIN W., Phys. Stat. Sol. 4, 605 (1964). 11. KLEIN W., Diss. Freie Univ. Berlin, 1962 (D 188). 12. THOMAS D. G. und HOPFIELDJ. J., Phys. Rev. 128, 2135 (1962). 13. RASS R., Diss. Freie Univ. Berlin, 1964 (erscheint 1965 in Phys. Stat. Sol.). 14. MARSHALL R. und MITRA S. S., Phys. Rev. 134, A1019 (1964).