ZnGa2Se4:V3+光譜的理論研究

李東陽, 杜懋陸

（1. 西南民族大學(xué)預(yù)科教育學(xué)院, 四川 成都 610041; 2. 西南民族大學(xué)電信學(xué)院, 四川 成都 610041）

ZnGa2Se4:V3+光譜的理論研究

李東陽1, 杜懋陸2

（1. 西南民族大學(xué)預(yù)科教育學(xué)院, 四川 成都 610041; 2. 西南民族大學(xué)電信學(xué)院, 四川 成都 610041）

應(yīng)用區(qū)分t2和e軌道共價性的差異(包含靜電部分和晶場部分)并考慮了低對稱場的能量矩陣, 在考慮和忽略靜電參量B00的條件下, 分別研究了t2和e軌道共價性的差異對三元半導(dǎo)體ZnGa2Se4:V3+能級以及低對稱分裂的影響; 計算了ZnGa2Se4:V3+晶體的能級的低對稱分裂, 并與實驗值進行比較. 計算結(jié)果與實驗值符合很好. 研究發(fā)現(xiàn): 在對ZnGa2Se4:V3+晶體的光學(xué)性質(zhì)進行理論研究時, 在能量矩陣的靜電和晶場部分同時考慮t2和e軌道共價性的差異是非常有必要的; 晶場參量B00對ZnGa2Se4:V3+的能級有重要影響, 因此不能忽略.

V3+; ZnGa2Se4; 光譜

1 引言

含有過渡金屬離子的II-III2-VI4族三元半導(dǎo)體在光電器件方面具有廣闊應(yīng)用前景, 從而成為理論和實驗研究者的焦點. 具有四角對稱結(jié)構(gòu)的ZnGa2Se4半導(dǎo)體[1-2], 作為典型的II-III2-VI4族三元半導(dǎo)體, 也倍受研究者的關(guān)注. 在實驗方面, Kim 等[3]開展了V3+摻ZnGa2Se4晶體的光譜實驗, 測到V3+摻ZnGa2Se4晶體的光譜. 在理論方面, 傳統(tǒng)的晶體場理論因忽略了t2和e軌道共價性的差異, 對共價性很強的半導(dǎo)體已不再適用. 在能量矩陣的靜電部分引入不同的共價因子來區(qū)分t2和e軌道共價性的差異的工作已取得了一定的成功[4-7]. 然而, 這種方法忽略了晶場部分的t2和e軌道共價性的差異, 從而導(dǎo)致晶場參量B00對能級的影響被忽略. 此外, 由于低對稱局域結(jié)構(gòu)會導(dǎo)致立方對稱能級的進一步分裂, 中心金屬離子的局域?qū)ΨQ結(jié)構(gòu)也是研究晶體中過渡金屬離子光學(xué)性質(zhì)時必須考慮的因素[8]. 因此, 對ZnGa2Se4:V3+光譜的理論分析應(yīng)同時考慮t2和e軌道共價性的差異(包含靜電部分和晶場部分)和低對稱場的影響. 然而, 迄今卻鮮有相關(guān)報道見于刊物.

本文應(yīng)用區(qū)分t2和e軌道共價性的差異(包含靜電部分和晶場部分)并考慮了低對稱場的能量矩陣, 在考慮靜電參量B00和忽略靜電參量B00兩種條件下, 研究了t2和e軌道共價性的差異對三元半導(dǎo)體ZnGa2Se4:V3+能級及能級分裂的影響. 計算了ZnGa2Se4:V3+晶體的四角對稱分裂能級, 并與實驗值進行比較. 計算結(jié)果與實驗值符合很好.

2 t2和e軌道共價性差異對V3+:ZnGa2Se4晶體能級的影響

V3+:ZnGa2Se4晶體具有很強的共價性, 并具有四角對稱結(jié)構(gòu), 所以對ZnGa2Se4:V3+光譜的理論研究需要同時考慮t2和e軌道共價性的差異(包含靜電部分和晶場部分)和低對稱場的影響. 文獻[8]提供了區(qū)分t2和e軌道共價性的差異(包含靜電部分和晶場部分)并考慮了低對稱場的能量矩陣. 在該能量矩陣中,t2和e軌道共價性的差異通過共價參量Nt和Ne來描述. 在傳統(tǒng)的能量矩陣中, 晶場參量B00項總是能在計算中被相互抵消; 考慮了t2和e軌道共價性的差異之后, 能量矩陣中與晶場參量B00項的系數(shù)不相同, 在計算中不再能被抵消. 在忽略、考慮晶場參量B00兩種情況下, 我們分別討論t2和e軌道共價性的差異對ZnGa2Se4:V3+晶體能級的影響.

Nt和Ne之間差異程度在八面體坐標下可用參量ε描述為:

顯然, 當Nt和Ne之間差異增大時,ε也隨著增大; 反之, 當Nt和Ne之間差異減小時,ε也隨著減小. 應(yīng)用文獻[8]提供的能量矩陣, 我們可以得到ZnGa2Se4:V3+晶體能級隨著參量ε變化的圖像, 如圖1中(a)和(b)所示. (a)和(b)分別描述了晶場參量B00=0和B00≠0的時, 能級隨著參量ε的變化情況. 由于四角對稱下能級數(shù)目太多, 在此我們只選三重態(tài)能級進行討論. 對比(a)圖和(b)圖, 容易看出B00=0和B00≠0時, 能級隨著ε變化的趨勢大不相同. (a)圖中(晶場參量B00=0), 隨著ε的增加, 能級不斷減小; (b)圖中(晶場參量B00≠0), 情況卻完全相反: 隨著ε的增加, 能級也隨之增加.

晶場參量B00除了對能級有不可忽略的作用以外, 對能級的分裂也有重要影響. 我們知道D4對稱下的能級3A2和能級3E是由立方對稱下3T1對應(yīng)組態(tài)分裂而成, 因此由(a)圖很容易看出(晶場參量B00=0), 當對稱性從立方對稱降低至D4對稱時,ε的變化對3T1能級的低對稱分裂值影響很小, 而在(b)圖中, 即晶場參量B00≠0時,隨著ε的增加3T1能級的低對稱分裂值明顯在增加. 因此在研究ZnGa2Se4:V3+晶體的光學(xué)性質(zhì)時, 在晶場矩陣部分考慮t2軌道和e軌道共價性的差異是非常有必要的; 在共價晶體中, 晶場參量B00對能級以及能級的分裂都有重要的貢獻, 因而不能忽略.

圖1 ZnGa2Se4:V3+晶體能級隨著參量ε的變化. 圖a中, 晶場參量B00=0; 圖b中, 晶場參量B00=15000cm-1.3 ZnGa2Se4:V3+晶體的能級

文獻[1]和[2]提供了ZnGa2Se4晶體Zn-Se鍵鍵長2.44?, 鍵角54°. 由于晶場參量B00與鍵角無關(guān), 可由立方場下的能級擬合得出ZnGa2Se4:V3+共價參量和晶場參量分別為:

應(yīng)用所獲得的參數(shù)和能量矩陣[8], 可計算D4對稱下ZnGa2Se4: V3+晶體的能級如表2所示. 計算結(jié)果與實驗值符合得很好.

表1 ZnGa2Se4:V3+晶體的能級

3 小結(jié)

本文利用區(qū)分t2和e軌道共價性的差異(包含靜電部分和晶場部分)并考慮了低對稱場的能量矩陣, 在考慮和忽略靜電參量B00的條件下, 研究了t2和e軌道共價性的差異對ZnGa2Se4:V3+晶體能級和低對稱分裂的影響. 計算了ZnGa2Se4:V3+晶體的能級的低對稱分裂, 并與實驗值進行比較. 計算結(jié)果與實驗值符合得很好.

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Theoretical study on the absorption spectra for ZnGa2Se4:V3+

LI Dong-Yang, DU Mao-lu
(Southwest University for Nationalities, Chengdu 610041, P.R.C.)

This paper uses the energy matrix, considers the different covalence of t2and e orbitals in both the electrostatic repulsions and the crystal-field potential and the influence of low symmetry field, while taking and not taking the crystal field parameter B00into account, the effects of the covalence on the energy levels ofZnGa2Se4:V3+are investigated, respectively. The low symmetry splitting levels ofZnGa2Se4:V3+are calculated, and compared with the experimental data. It is found that the different covalence of t2and e orbitals in both electrostatic repulsions part and crystal-field potential part should be considered when the optical properties ofZnGa2Se4:V3+are studied; the crystal field parameter B00has an important contribution to the low symmetry splitting levels ofZnGa2Se4:V3+, and cannot be neglected. The calculated results are in good agreement with the experimental data.

V3+;ZnGa2Se4; absorption spectra

O48

A

1003-4271(2014)02-0261-04

10.3969/j.issn.1003-4271.2014.02.18

2013-10-11

李東陽(1983-), 男, 講師, open_please@163.com.

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項項目(11NZYQN37).