交流阻抗譜法研究高壓下CdSe的電學性質

李松

摘 要：硒化鎘（CdSe）在常溫常壓下的帶隙為1.7eV，具有較大的非線性光學特性，廣泛應用于制作光電子器件。對CdSe電學性質的研究一直是人們感興趣的課題，但以前的研究主要集中在CdSe高壓相的傳導機理方面。隨著實驗技術的不斷發(fā)展，定量研究電阻率隨壓力的變化規(guī)律成為可能?；诖耍疚闹饕獙涣髯杩棺V法研究高壓下CdSe的電學性質進行分析探討。

關鍵詞：交流阻抗譜法;高壓;CdSe電學性質

前言

交流阻抗譜法相對于直流法發(fā)展得較晚，但因其可將晶體和晶界的電信號區(qū)分開而很快被大家用來研究物質在高壓下的電學性質，這對于高壓條件下的電學實驗研究是非常有意義的.然而以前大多數(shù)的高壓阻抗譜測量都是在多面砧或活塞圓筒高壓產生裝置中進行的，大大限制了高壓阻抗譜測量的壓力范圍，不能獲得物質在更高壓力下的電信息.阻抗譜測量技術和金剛石對頂砧高壓技術的結合，為研究更高壓力下物質的電學性質以及晶界的電輸運性質提供了技術支持.CdSe是一種典型的II—VI族半導體，因其具有很好的光電性質而被廣泛研究.在本文中，利用此裝置測量了粉末CdSe在壓力達到23.9GPa時的交流阻抗譜，并且得到了反映樣品本身電學性質的晶體體電阻隨壓力的變化關系。

1 實驗方法

實驗中分別選擇鉬和三氧化二鋁作為電極和絕緣材料.測量微電路的制作過程如下：首先利用射頻磁控濺射系統(tǒng)在一個干凈的金剛石砧面上沉積一層0.3μm厚的鉬膜，在沉積過程中保持金剛石壓砧的溫度為600K，以提高鉬膜與金剛石的粘附程度.然后利用光刻工藝，將鉬膜刻蝕成準四電極形式的測量微電路，之后再濺射一層2μm厚的三氧化二鋁膜覆蓋在該微電路上，接著利用100℃的硫酸將金剛石平臺中心區(qū)域的三氧化二鋁膜腐蝕掉，形成了一個140μm×120μm的探測窗，以此實現(xiàn)電極和樣品之間的接觸.金剛石上微電路的詳細制備過程可參考文獻，實驗中所用的金剛石直徑為400μm并帶有倒角.T一301鋼用作墊片，先將其預壓到20GPa，厚度大約為40μm，然后在壓痕中心打一個直徑約為150μm的孔用來封裝樣品.為了更好地絕緣，墊片上也沉積了一層2μm厚的三氧化二鋁.這樣設計的好處在于除了用以連接外部測量儀器的兩根銅導線外沒有任何其他的附屬引線，避免了引線導致的附加阻抗.

實驗中所用的CdSe多晶粉末購買于AlfaAesar公司，純度為99.995.利用Solartron1260phase—gain—analyzer進行阻抗譜的測量.實驗中選擇一個較弱的正弦電壓信號輸入，以避免輸入信號對樣品內部結構的影響，并保持室內溫度不變以確保樣品的穩(wěn)定性.實驗測量的頻率范圍為0.01Hz～10MHz，最高壓力為23.9GPa.

2 結果和討論

2.1 對于粉末樣品，其阻抗譜的Nyquist一般表現(xiàn)為三個彼此分開的半圓弧形狀，從左至右依次對應著晶體內傳導，晶界傳導和電極傳導過程.但在實際的測量中，電極傳導過程往往不出現(xiàn)，并且由于不同的樣品中晶界和晶體內傳導對電傳輸?shù)淖饔貌煌?，阻抗譜表現(xiàn)出的也并不是完全彼此分開的完整半圓弧形狀，這表明在此壓力下CdSe中存在兩個傳導過程，即高頻區(qū)（左邊）的晶體內傳導和中頻區(qū)（右邊）的晶界傳導.當壓力增大到2.8GPa時CdSe的阻抗譜雖然仍顯示出兩個傳導過程的特征，但阻抗譜的形狀出現(xiàn)了明顯變化，即高頻區(qū)的阻抗弧變得不完整，中頻區(qū)的弧被明顯地壓縮，同時兩個弛豫峰也分開得比較明顯.隨著壓力的繼續(xù)增加，直至達到本實驗的最高壓力23.9GPa，CdSe的阻抗譜仍保持著此特征.

2.2 阻抗譜的形狀既可以體現(xiàn)樣品中的傳輸機制，同時也可以體現(xiàn)不同傳輸機制對電性質的貢獻，CdSe粉末在高壓下的電傳輸機制始終以晶體內傳輸和晶界傳輸為主，但在不同的壓力區(qū)間，兩種傳輸機制對總阻抗的貢獻發(fā)生了變化.在壓力低于2.2GPa時，晶體內傳輸和晶界傳輸對總阻抗的貢獻大體相當.但當壓力增加到2.8GPa時，晶體內傳輸占據(jù)了主要的作用，而晶界的作用明顯減小.結合CdSe在高壓下的結構變化研究可知在3GPa左右，它發(fā)生了從纖鋅礦結構到巖鹽礦結構的結構相變，正是這種結構的變化使得晶體內電阻和晶界電阻都發(fā)生了不同程度的改變，導致了阻抗譜形狀的明顯變化.

2.3 為了定量獲得CdSe的晶體電阻隨壓力的變化關系，利用等效電路法對其在高壓下的阻抗譜進行了模擬.在阻抗測量中，寄生阻抗是無法避免的問題.通過斷路和短路測試，發(fā)現(xiàn)當頻率低于10MHz時，由樣品腔壁產生的寄生容抗高于103Ω，而寄生感抗從20kHz時的0.4Ω線性增加到1OMHz時的60Ω.由于在高壓下CdSe的阻抗較低，因此由腔壁產生的寄生容抗可以忽略不計，但需要從測得的樣品阻抗中去除由導線產生的寄生感抗，綜合考慮了這些因素后利用ZView程序對測得的實驗數(shù)據(jù)進行了擬合，獲得了CdSe晶體體電阻隨壓力的變化關系.在2.8GPa附近時，CdSe的電阻發(fā)生相對較大的變化，這是由CdSe從纖鋅礦結構到巖鹽礦結構的結構相變引起的（這也是CdSe阻抗譜發(fā)生變化的原因）

3 結論

利用交流阻抗譜法獲得了粉末CdSe晶體體電阻隨壓力的變化關系.結果表明在2.8GPa附近CdSe的電阻出現(xiàn)了明顯的降低，這是由于CdSe發(fā)生了從纖鋅礦到巖鹽礦的結構相變.在此壓力后電阻隨壓力的變化不是很明顯，但仍能在10.0GPa和17.0GPa附近觀察到體電阻的異常改變，這兩個壓力下體電阻的變化很可能是由巖鹽相CdSe的電子相變引起.相比于直流法，交流阻抗譜的測量結果可以直接反映樣品本身電學性質在壓力下的變化情況.

參考文獻

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