Экситоны в слоистых диэлектриках ZnI₂ и CdI₂:Zn

Abstract

Исследованы собственные электронные спектры поглощения в слоистых соединениях ZnI₂ и CdI₂ , легированных Zn, в спектральном интервале 3-5,9 эВ. В качестве образцов использованы тонкие текстурированные пленки, осажденные на кварцевые подложки. Установлено, что ZnI₂ в отличие от CdI₂ принадлежит к прямозонным диэлектрикам, несмотря на сходство кристаллических структур этих соединений. Введение атомов Zn в катионную подрешетку CdI₂ при концентрациях x ⩾1% приводит к исчезновению поглощения, связанного с непрямыми переходами, и возникновению сильной экситонной полосы на краю собственной полосы поглощения. Параметры экситонных полос (спектральное положение, полуширина Г, сила осциллятора f ) измерены в интервале температур 80-330 К. Измеренная темпеpатуpная зависимость Г типична для трехмерных экситонов в обоих соединениях. В ZnI₂ величина силы осциллятора уменьшается с ростом T из-за фактора Дебая-Валлера, в то время как в CdI₂:Zn увеличивается. Последний результат свидетельствует о запрещенном характере оптического прямого перехода на краю межзонного поглощения в CdI₂, частично разрешенного из-за экситон-фононного взаимодействия.

The fundamental electronic absorption spectra in the layered compounds ZnI₂ and Zn-doped CdI₂ are investigated in the spectral interval 3–5.9 eV. The samples are thin grain-oriented films deposited on quartz substrates. It is found that ZnI₂, unlike CdI₂, is a direct-gap insulator, despite the similarity of the crystal structures of these compounds. The introduction of Zn atoms into the cation sublattice of CdI₂ at concentrations x⩾1% leads to the vanishing of the absorption from indirect transitions and to the appearance of a strong exciton band at the fundamental absorption band edge. The parameters of the exciton bands (spectral position, half-width Γ, oscillator strength f) are measured in the temperature interval 80–330 K. The measured temperature dependence of Γ in both compounds is typical for three-dimensional excitons. In ZnI₂ the oscillator strength decreases with increasing T because of the Debye–Waller factor, while in CdI₂:Zn it increases. This last result is evidence of the forbidden character of the direct optical transition at the interband absorption edge in CdI₂, which is partially allowed because of the exciton–phonon interaction.