1.1 Переваги твердого розчину Cd1-xMnxTe як детекторного матеріалу та деякі його структурні характеристики

 

 

Останнім часом  як альтернатива  традиційному  твердому  розчину Cd1-xZnxTe для створення детекторів жорсткого випромінювання, що працюють при кімнатних температурах, все більшу увагу привертає твердий розчин Cd1-xMnxTe [2-4]. На користь використання саме цього розчину як детекторного матеріалу свідчать такі його особливості:

низький коефіцієнт сегрегації Mn (k≈1) у Cd1-xMnxTe, що дозволяє виготовляти напівпровідникові шари з рівномірним розподілом домішки за об’ємом кристалу;

для Cd1-xMnxTe зміна довжини зв’язків при зміні складу матеріалу є у два рази меншою ніж у Cd1-xZnxTe;

матеріал має дуже високий питомий опір, r>1010 Ом;

існує можливість ефективного регулювання ширини ЗЗ розчину за рахунок введення домішки (12-15 меВ на 1 атм % Mn в порівнянні із 6,7 мeВ/aтм. % Zn), при цьому вона може змінюватися від 1,46 до 2,12 еВ; Введення 5-6% Mn (приблизно удвічі менше ніж Zn) дозволяє отримати матеріал з Eg ~1,60 eV (рис.1.1), який має питомий опір 1010-1011 Ом см, одночасно зберігаються великі значення добутку часу життя носіїв заряду на їх рухливість tm;

в цьому матеріалі менша ймовірність утворення преципітатів телуру та двійників (рис. 1.2), які виступають рекомбінаційними центрами.

 

Все перераховане робить розчин Cd1-xMnxTe досить перспективним матеріалом для детекторів рентгенівського та гамма випромінювання. Однак, кількість досліджень присвячених вивченню цього матеріалу поки що є досить малою. Окрім вказаного, завдяки деяким фізико-хімічним особливостям, твердий розчин Cd1-xMnxTe з малим вмістом марганцю та Eg~1,5 еВ також розглядається альтернативою телуриду кадмію при використанні в однобар’єрних тонкоплівкових фотоперетворювачах сонячної енергії [5]. Матеріал з шириною ЗЗ Eg~1,7 еВ є перспективним як поглинаючий шар прозорих тандемних сонячних елементів [2]. Крім цього, завдяки своїм магнітним властивостям, твердий розчин Cd1-xMnxTe перспективний матеріал спінтроніки [7-9].

            Добре відомо, що телурид кадмію при нормальному тиску має кубічну гранецентровану структуру типу цинкової обманки, в той час як MnTe при температурі нижче 1216 К [10] характеризується гексагональною структурою типу NiAs [11]. Між собою CdTe і MnTe утворюють обмежений ряд твердих розчинів, оскільки мають різну кристалічну структуру. Протяжність області твердих розчинів на основі MnTe не перевищує 2 мол. % при 1073 К [12]. Насичений розчин MnTe в CdTe за результатами різних робіт складає від 72,5 мол. % [13] до 77 мол. % [14], і цей склад практично не залежить від температури (рис. 1.3). Твердий розчин Cd1-xMnxTe має кубічну кристалічну гратку до значень x~0,7 [15]. Вигляд цієї гратки наведено на рис. 1.4.

            Комплексне вивчення кристалів Cd1-xMnxTe з вмістом Mn x=0,05, 0,10, 0,15 и 0,20 було проведено у [15]. Типові рентгенограми від сполук наведені на рис.1.5. Авторами встановлено, що кристали мали кубічну структуру, їми розрахований період гратки матеріалу та положення атомів Cd, Mn та Te у гратці. Значення періоду a в залежності від вмісту марганцю отримані у [15] наведені у таблиці 1.1. Видно, що стала гратки розчину зменшується при збільшені вмісту марганцю, що пов’язане із тим, що іонні радіуси заміщуючих іонів R(Mn2+) – 0,092 нм є на 0,03 нм меншими ніж радіуси заміщеного кадмію R(Cd2+) – 0,095 нм [16].

 

 

Таблиця 1.1 — Параметри гратки сполуки Cd1-xMnxTe [16]

 

            Авторами [16]  також досліджені  спектри  відбиття  від    кристалів Cd1-xMnxTe та за ними визначена оптична ширина ЗЗ матеріалу з різним вмістом марганцю (табл.1.1). Встановлено, що при кімнатних температурах цю залежність можна представити у вигляді Eg=1,462+1,504x. Отримані авторами значення Eg твердого розчину добре корелюють з даними отриманими електричними методами та наведеними Косяченко [17].