Проявление экситонов в спектрах низкотемпературной люминесценции твердых растворов оксидов цинка и никеля

Abstract

Исследованы спектры рентгенолюминесценции твердых растворов Zn₁–xNixO ряда составов, включая оксид никеля (x = 1), в окрестности линий I₁ и I₂ с энергиями 3,339 и 3,393 эВ. Ранее обнаружена сильная температурная зависимость этих линий, подобная проявляющейся при наблюдении донорных и акцепторных экситонов 3d-примесей в соединениях II–VI:3d, а также изменение соотношения интенсивности с повышением температуры и различная кинетика затухания, что позволило предположительно связать происхождение линий I₁ и I₂ с излучательным распадом экситонов, имеющих разную природу. На основании полученных в работе результатов было подтверждено, что ширина запрещенной щели данных соединений не зависит от состава растворов (т.е. от концентрации x), а в соединении NiO вблизи дна зоны проводимости имеется набор состояний никеля как d-, так и s-типа. На основании проведенного анализа электронного энергетического спектра, рассчитанного для исследованных твердых растворов Zn₁–xNixO, установлено, что одна из наблюдаемых линий спектра рентгенолюминесценции связана с экситоном s–pтипа, а другая — с экситоном p–d-типа.

Досліджено спектри рентгенолюмінесценції твердих розчинів Zn₁–xNixO, що мають різний склад, включаючи оксид нікелю (x = 1), поблизу ліній I₁ та I₂ з енергіями 3,339 та 3,393 еВ. Раніше було виявлено сильну температурну залежність цих ліній, яка подібна до виявленої при спостереженні донорних та акцепторних екситонів 3d-домішок в сполуках II–VI:3d, а також зміна співвідношення інтенсивності з підвищенням температури та різна кінетика загасання, що дозволило імовірно пов’язати походження ліній I₁ и I₂ з випромінювальним розпадом екситонів, які мають різну природу. На підставі отриманих в роботі результатів було підтверджено, що ширина забороненої щілини даних сполук не залежить від складу розчинів (тобто від концентрації x), а в сполуці NiO поблизу дна зони провідності є набір станів нікелю як d-, так і s-типу. На основі проведеного аналізу електронного енергетичного спектра, який розраховано для досліджених твердих розчинів Zn₁–xNixO, встановлено, що одна з ліній спектра рентгенолюмінесценції, яка спостерігається, пов’язана з екситоном s–p-типу, а інша — з екситоном p–d-типу.

The given paper is devoted to investigation of the x-ray luminescence spectra of Zn₁–xNixO solid solutions of a number of concentrations, including NiO (x = 1) around the lines I₁ and I₂ with energies of 3,339 and 3,393 eV correspondingly. Earlier a strong temperature dependence on these lines similar to the one manifesting itself during observation of the donor and acceptor excitons of 3d-impurities in II–VI:3d compounds had been discovered, along with the changing of ratio of intensities with the increasing of temperature and different decay kinetics, which allowed us to assume the origin of I₁ and I₂ lines with radiative annihilation of excitons with the different physical nature. The results achieved in the study allowed the authors to confirm the fact that the width of bandgap in the given compounds does not depend on their composition (i.e., on concentration x) and in NiO near the bottom of the conduction band a number of states of nickel of both d- and s-types exists. Basing on the conducted analysis of electronic energy spectrum, calculated for the investigated solid solutions Zn₁–xNixO it was concluded that one of the lines of the x-ray luminescence spectrum is connected with the exciton of the s–p-type, and the other with the exciton of the p–d-type.