Властивості сполук впровадження водню, барію і йоду на основі шаруватих кристалів InSe та GaSe

14. Боледзюк В.Б. Влияние интеркалирования водородом на оптические свойства -InSe и -GaSe / В.Б. Боледзюк, З.Д. Ковалюк, М.Н. Пырля // Альтернативная энергетика и экология. - 2005. - Т.31, №11. - С. 22-25.

15. Ковалюк З.Д. Влияние гидрогенизирования на оптические и электрические свойства кристаллов GaSe и InSe / З.Д. Ковалюк, В.М. Каминский, В.Б. Боледзюк, М.Н. Пырля, И.В. Минтянский, А.В. Заслонкин, В.В. Нетяга // Альтернативная энергетика и экология. - 2008. - №8. - С. 67-72.

16. Kovalyuk Z.D. Hydrogen intercalation in InSe and GaSe semiconductors / Z.D. Kovalyuk, M.M. Pyrlya, V.B. Boledzyuk // Journal of Optoelectronics and Advanced Materials, INOE. - 2003. - Vol.5, №4. - P. 869-873.

Анотація

Боледзюк В.Б. Властивості сполук впровадження водню, барію і йоду на основі шаруватих кристалів InSe та GaSe. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.10 - фізика напівпровідників та діелектриків - Чернівецький національний університет імені Юрія Федьковича Міністерства освіти і науки України, Чернівці, 2010.

Дисертація присвячена дослідженню оптичних та електричних властивостей сполук впровадження на основі шаруватих кристалів. Досліджено процеси впровадження водню в шаруваті кристали, його стан та локалізацію в кристалічній ґратці в залежності від кількості впровадженого водню. Встановлені й пояснені концентраційні залежності положення основного екситонного максимуму і напівширини екситонної смуги поглинання водневих, барієвих та йодних інтеркалатів InSe і GaSe. Експериментально показана можливість використання кристалів InSe та GaSe в якості матеріалів для зберігання водню і встановлена концентраційна залежність оборотності впровадження водню у відсотках. Розроблена методика отримання нанорозмірних шаруватих кристалів InSe і GaSe ультразвуковим диспергуванням, встановлена залежність розмірів отриманих наночасток від природи диспергуючого середовища. Методом імпедансної спектроскопії досліджено діелектричні характеристики наноматеріалів InSe і GaSe та їх водневих інтеркалатів.

Ключові слова: інтеркаляція, сполука А³В⁶, наноматеріали, водень, барій, йод, екситонний максимум, оптичні властивості, діелектричні характеристики.

Abstract

V.B.Boledzyuk. Properties of insertion compounds hydrogen, barium and iodine based on layered InSe and GaSe crystals. - Manuscript.

Thesis for a Candidate's degree of Physics and Mathematics by speciality 01.04.10 - physics of semiconductors and dielectrics. - Yurij Fed'kovych Chernivtsi National University of the Ministry of education and science of Ukraine, Chernivtsi, 2010.

The thesis is devoted to investigations of optical and electric properties of insertion compounds on the basis of layered crystals. The processes of insertion of impurity into the layered crystals, its state and localization in the crystal lattice are investigated in dependence on amount of interstitial impurity. Non-monotonous concentration dependences of the energy position of the main excitonic maximum and half-width of the excitonic absorption band for hydrogen, barium and iodine intercalates of InSe and GaSe are detected and explained. A possibility to have used layered InSe and GaSe single crystals as materials for storage of hydrogen is established experimentally, and a concentration dependence of the reversibility (expressed in per cent) of hydrogen insertion is determined.

A technique is developed and conditions are established for obtaining nanodimensional layered InSe and GaSe crystals by ultrasonic dispersion. The dependence of dimensions of the obtained nanoparticles on nature of dispersive medium is determined. By using the method of impedance spectroscopy the dielectric characteristics are investigated for InSe and GaSe nanoparticles and their hydrogen intercalates.

Keywords: intercalation, III-VI compounds, nanomaterials, hydrogen, barium, iodine, excitonic maximum, optical properties, dielectric characteristics.

Аннотация

Боледзюк В.Б. Свойства соединений внедрения на основе слоистых кристаллов InSe и GaSe. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.10 - физика полупроводников и диэлектриков. - Черновицкий национальный университет, Министерства образования Украины, Черновцы, 2010.

Диссертация посвящена исследованию оптических и электрических свойств соединений внедрения на основе слоистых кристаллов InSe, GaSe. Проведено исследование различных способов внедрения водорода в InSe и GaSe. Установлено, что атомарный водород входит в межслоевое пространство кристалла и образует молекулы Н₂. При х=2,0 и Т<80 К состояние водорода может интерпритироватся как «квазижидкий монослой». При дальнейшем увеличении концентрации, водород начинает внедрятся в структуру слоя кристаллической решётки, вследствие чего возникает сильное отталкивание между молекулами Н₂. Для водородных интеркалатов InSe и GaSe выявлены концентрационные зависимости энергетического положения основного экситонного максимума Е_екс, полуширины экситонной полосы Г_екс, а также их сдвигов в высокоэнергетическую область. Приводится объяснение данного экспериментального факта на основании увеличения деформационных напряжений в слоистых кристаллах. Установлено, что сдвиг Е_екс возникает также из-за возрастания диэлектрической постоянной кристалла ₀ вследствие появления водорода между слоевыми пакетами. Увеличение параметра экситонной анизотропии вызывает 2D-локализацию экситонов в плоскости слоя и увеличение энергии связи экситона, что обуславливает стабилизацию размеров последнего.

Установлено, что предварительное лазерное облучение монокристаллических образцов GaSe перпендикулярно плоскости слоев приводит к увеличению величины сдвига Е_екс для интеркалированных образцов H_xGaSe. В тоже время, этот эффект не проявляется при предварительном облучении GaSe параллельно плоскости слоев. Данный факт объясняется увеличением вследствие лазерного облучения концентрации дефектов и свободных носителей заряда, а также увеличением рассеивания электронов на дефектах. Исследованы процессы термостимулированного выделения водорода из соединений внедрения на основе InSe и GaSe и установлена концентрационная зависимость обратимости внедрения Н₂ в процентах. Происходит постепенное увеличение данного параметра от 68% (х=0,02) до 78% (х=2,0).

Предложен способ получения наноразмерных слоистых кристаллов методом ультразвуковой диспергации микронных порошков. Полученные нанокристаллы гомогенные за типом структуры без примесей посторонних фаз, размеры полученных наночастиц зависят от среды диспергирования и удельной акустической мощности. Установлено увеличение проводимости наноразмерных InSe и GaSe в сравнении с исходными микронными порошками.

Методом импедансной спектроскопии изучены диэлектрические свойства моно- и нанокристаллов InSe, GaSe и их водородных интеркалатов. Частотные зависимости комплексной ёмкости водородсодержащих соединений InSe и GaSe описываются универсальным степенным законом С^*=В(j)^n-1 с показателем 0<n<1, что обусловлено коллективным взаимодействием локализованных носителей заряда. Экспериментальные значения низкочастотной диэлектрической проницаемости и времени релаксации подтверждают существование в исследуемых материалах разных видов поляризуемости. Ход частотных зависимостей водородных интеркалатов наноматериалов InSe и GaSe, обусловлен наличием ростовых размерных дефектов в InSe и GaSe, влиянием межкристаллических границ и деформаций наноструктур (при внедрении водорода) на процессы электропереноса в исследуемых образцах.

Электронно-зондовым микроанализом соединений внедрения на основе слоистых кристаллов InSe, GaSe обнаружено, что внедрение бария и йода в приповерхностные слои матрицы происходит интенсивнее, чем во внутренний объем образца. Интеркалирование InSe, GaSe барием и йодом приводит к сдвигу экситонного максимума в высокоэнергетическую область, а также расширению экситонной полосы поглощения. Кроме того, в <Ba>InSe обнаружен дополнительный максимум, который имеет не экситоную природу и отсутствует в «чистом» InSe. Установлено образование в зоне проводимости соединения <Ba>InSe «минизоны проводимости» исходного кристалла и резонансного уровня примеси внедрения, то есть происходит перестройка энергетического спектра интеркалированного соединения. При этом в системе «примесь-кристалл» реализовывается сильное взаимодействие, которое обусловлено ионизацией примеси и передачей электронов кристаллической матрице. Для соединения <Ba>GaSe (0х1,0) выявлены немонотонные концентрационные зависимости энергетического положения Е_екс (n=1) и Г_екс, а также рассчитаны зонные и экситонные параметры GaSe и <Ba>GaSe.

Оптические исследования I_xInSe (0<х<1,0) показали немонотонность кривых зависимостей Е_екс и Г_екс от количества внедренного йода. Сдвиг энергетического положения экситонного максимума объясняется механизмом переноса заряда. Появление горизонтального участка на кривой Е_екс(х) согласуется с моделью создания пространственных цепочек внедренной примеси, поскольку в данной области концентрации интеркалянта прекращается притягивание электронов, так как цепочные структуры йода нейтральны по отношению к матрице. При более высоком содержании йода (х>0,8) интеркалянт «генерирует» структурные дефекты матрицы, что сопровождается дальнейшим увеличением ширины запрещенной зоны.

Ключевые слова: интеркаляция, соединения А³В⁶, наноматериалы, водород, барий, йод, экситонный максимум, оптические свойства, диэлектрические характеристики.

Размещено на Allbest.ru