Выпускная работа специалиста




НазваниеВыпускная работа специалиста
страница1/4
Дата публикации18.07.2013
Размер0.5 Mb.
ТипВыпускная работа
zadocs.ru > Физика > Выпускная работа
  1   2   3   4


Федеральное агенство по образованию
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Тверской государственный университет
Физико-технический факультет
Кафедра приклодной физики

Соло Георгий Александрович
Влияние редкоземельных элементов на оптические свойства германия
Выпускная работа специалиста

Научный руководитель:

Смирнов Ю.М., к-т ф-м. н.
Научный консультант:

Блохина Г.С.

Допущен к защите «__»_________200_г.
Заведующий кафедрой:

Смирнов Ю.М., к-т ф-м. н.


Тверь 2008г


Введение..................................................................................................3

1. Литературный обзор...........................................................................5

1.1 Оптические свойства...................................................................6

1.2 Поглощение в германии..............................................................9

1.3 Редкоземельные элементы.........................................................14

1.4 Размещение лантаноидов в соответствии с их электронным

строением и периодическим законом Менделеева..................17

2. Теоретическая часть..........................................................................22

2.1 Методы определения коэфициентов пропускания

и поглощения....................................................................................22

2,2 Закон Бугера-Ламберта-Бера......................................................13

3. Экспериментальная часть..................................................................26

3.1 Четырехзондный метод...............................................................26

3.2 Точечно-контактный метод определения типа

проводимости.....................................................................................28

3.3 Приготовление образцов для оптических исследований.........30

3.4 Спектрофотометр инфракрасный ИКС-29................................33

3.5 Расчет коэффициента поглощения и ход эксперимента........36

Выводы....................................................................................................41

Литература...............................................................................................42

ВВЕДЕНИЕ

Монокристаллы германия применяются в качестве оптического материала для линз и входных окон устройств. Для этих приборов требуются оптически совершенные образцы с минимальными световыми потерями и максимальной оптической однородностью, работающие в диапазоне длин волн 2,5-14мкм.

Германий является одним из наиболее изученных материалов ИК оптики. В нем прекрасно сочетаются механические и физико-химические свойства. Он обладает высокой твердостью, что позволяет получать высокоточные оптические поверхности. Оптические элементы из германия удобны в эксплуатации: не взаимодействуют с атмосферной влагой, нетоксичны, прочны. Благодаря успешному решению проблемы промышленного производства крупногабаритных монокристаллов, появилась возможность их более широкого использования в оптических устройствах самого различного назначения.

Германий прозрачен в области 1,8—23 мкм. Удается создавать кристаллы, имеющие в области 2—11 мкм коэффициент поглощения

α-10-2 см-1. Область максимальной прозрачности Ge представляет большой интерес для практики, так как она почти перекрывает два окна прозрачности атмосферы 3—5 мкм и 8—14 мкм, в районе которых работает большинство ИК-приборов.

Также преимуществом германия по сравнению с другими кристаллами, на­пример ионными, являются такие характеристики, как минимальное изменение показателя преломления с температурой, малый коэффициент теплового расширения, большая теплоемкость, высокие критические температуры, технологичность оптической обработки, высокая тепло­проводность, которая имеет тенденцию увеличиваться с уменьшением ионной составляющей связи.

Поведение редкоземельных металлов (РЗМ) в полупроводниковом германии в последнее время вызывает все больший интерес, связанный с использованием РЗМ для снижения концентрации кислорода в чистом полупроводнике германии, т.к. именно кислородные комплексы оказывают наибольшее влияние на поглощение. Еще одним аспектом вызывающим интерес к этой проблеме является то, что элементы ряда лантана можно расположить по группам и подгруппам таблицы Менделеева в зависимости от заполнения d- и f-оболочек и в зависимости от этого лантаноиды по разному вступают в соединения с германием, от чего в свою очередь зависят оптические характеристики германия.

В данной работе исследуется оптическое поглощение монокристалла германия, легированного несколькими редкоземельными металлами на длине волны 10,6 мкм, с целью выявления зависимости оптических свойств германия от влияния того или иного элемента и на основе этого вынести предположение о месте лантаноидов в таблице Менделеева.

^ 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

Германий - химический элемент IV группы периодической системы элементов. Атомный номер 32, атомная масса 72,59. Природный германий состоит из 5-ти стабильных изотопов с массовыми числами 70, 72, 75, 74, 76. Конфигурация внеш­них электронных оболочек 4S2P2.

В свободном виде - вещество с цветом поверхности от серебристого до чёрного, существует в одной аморфной и не­скольких кристаллических модификациях. Имеет высокую тем­пературу плавления Тпл=936К.

Германий прозрачен для ПК-излучения с дайной волны свыше 2мкм, поэтому он является перспективным исходным ма­териалом для изготовления различных полупроводниковых ус­тройств. Германиевые приборы при малых габаритах и весе от­личаются высоким КПД, малым потреблением мощности, длитель­ным сроком службы и т. д.

Германий - типичный полупроводник с шириной запрещённой зоны 0,66эВ (при 300К). В химических соединениях про­являет степени окисления: +4(основная) и +2, при комнатной температуре химически устойчив к действию кислорода и воды, при нагревании реагирует со многими простыми веществами, в частности, с кислотами и щелочами.

Германий используется как полупроводниковый материал (в виде монокристаллов, аморфных плёнок) в электронике, по­лупроводниковых детекторах и приборах, измеряющих напряжён­ность постоянных и переменных магнитных полей, для изготов­ления плёночных сопротивлений, покрытий с высокой отража­тельной способностью, высокочувствительных термометров, для измерения температур, близких к абсолютному нулю.

^ 1.1 ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

При прохождении излучения через плоскопараллельную пластинку часть потока отразится, часть поглотится, часть будет пропущена и, наконец, часть будет испытывать многократные отражения между поверхностями пластин.

Германий обладает оптическими свойствами и характеризуется следующими коэффициентами:

  • А) коэффициент поглощения (α) – отношение поглощенного лучистого потока к падающему потоку.

Поглощение – это ослабление излучения при прохождении через среду в результате взаимодействия его со средой и превращения лучистой энергии в другие виды энергии.

  • Б) коэффициент пропускания (τ) – отношение пропущенного лучистого потока к падающему лучистому потоку

Пропускание – прохождение излучения сквозь среду без изменения частоты его монохроматических составляющих.

  • В) коэффициент отражения (ρ) – отношение отраженного лучистого потока к падающему лучистому потоку.

Отражение – это возвращение излучения поверхностью раздела двух сред с различными коэффициентами преломления.

  • Г) коэффициент преломление – это отношение скорости электромагнитного излучения в среде к скорости электромагнитного излучения в вакууме.

  • Первые три характеристики связаны между собой:

α+ρ+τ=1

Основные виды погло­щения в полупроводниках:

1. ^ Собственное, или фундаментальное, поглощение света приводит к переходу электрона из связанного состояния в свободное, т. е. из валентной зоны в зону проводимости. Собственное поглощение воз­можно при условии, что . Оно наблюдается в видимой и ближней инфракрасной областях в зависимости от ширины запре­щенной зоны.

2. ^ Примесное поглощение вызвано ионизацией атомов примеси, т. е. или переходом электронов от атома примеси в зону проводи­мости, или из валентной зоны на уровни примеси.

3. ^ Поглощение свободными носителями заряда обусловлено их движением под действием электрических полей световой волны. На ускорение свободных носителей заряда волна отдает часть своей энергии, что приводит к ослаблению волны.

4. Световая волна вступает во взаимодействие с колебаниями решетки, изменяя число оптических фононов. Это поглощение имеет название поглощения колебаниями решетки или решеточным поглощением.

5. Если происходит образование связанной пары электрон-дырка, то такое поглощение называют экситонным.

6. Внутризонное поглощение наблюдается в веществах, имеющих сложную структуру зон, подобно валентной зоне германия или кремния.

7. Поглощение света совокупностью свободных электронов и дырок называют плазменным поглощением.

В нашей работе измерения проводятся в области 10,6 мкм. При длине волны выше 10,6 мкм поглощение излучения становится большим, а при некотором значении λ, и вовсе весь свет задерживается кристаллом германия. Это так называемое фононное или решеточное поглощение. Квант лучистой энергии на данных длинах волн расходуется на увеличение амплитуды колебании кристаллической решетки вещества. При дальнейшем увеличении длины волны излучение почти полностью переходит в энергию решетки. При этом кристалл начинает нагреваться это может привести даже к его разрушению.

На длинах волн меньше 2 мкм излучение также плохо проходит через кристалл германия. Здесь уже главную роль играет собственное поглощение, когда энергия света расходуется на возбуждение энергетических уровней атома. Для перехода из стационарного состояния с меньшей энергией в состояние с большей энергией атома необходима энергия Е2 – Е1 =hν. На промежутке длин волн от 2,38 мкм до 10,6 мкм этой энергии недостаточно для возбуждения электронов либо атомов, но при λ меньше 2,38 мкм энергия излучения способна возбудить данный энергетический уровень атома. Данная энергия будет идти на возбуждение и, следовательно, плохо проходить через кристалл.

Также существенную роль при поглощении играют дефекты в кристалле германия. Монокристаллы пропускают свет чуть лучше поликристаллов. К тому же у них полоса пропускания гораздо шире. Это объясняется тем, что некоторая часть излучения рассеивается на границах зерен поликристалла.
.

^ 1.2 ПОГЛОЩЕНИЕ В ГЕРМАНИИ

К оптическим материалам предъявляют жесткие требования, и основным показателем здесь является минимальный коэффициент поглощения на определенной длине волны.

Усилия технологов и физиков направлены на улучшение этой наиболее существенной характеристики ИК – материалов.

По литературным данным обычного заводского германия: см-1. Разброс в качестве кристаллов очень велик. Сейчас существует несколько методов получения германия для ИК – оптики с существенно меньшими потерями. Это дополнительная очистка сырья, она приводит к уменьшению до см-1.

Отчего же зависит поглощение – от всех внешних воздействий, которые способны изменить состояние атомов основного вещества, примесей, дефектов, колебаний решетки. Коэффициент поглощения зависит от материала и от длины волны света . Чем меньше длина волны, тем больше поглощение.

Пусть на поверхность образца падает световой поток интенсивности N0. По мере проникновения в глубь полупроводника интенсивность будет изменяться за счет поглощения. Чем больше величина , тем резче спадает интенсивность лучистого потока от поверхности в глубь материала. Закон, по которому плотность потока убывает с координатой, имеет вид:



Поглотилось в образце

при , - мал и - мал

при , в е раз

при , поток полностью поглощается.

Когда мала, энергия фотона обратно пропорциональна длине волны:



Чем больше энергия падающего излучения, тем больше вероятность разорвать электронную связь атомов кристаллической решетки и образовать электронно-дырочные пары. Т.к. атомов решетки очень много, то следует ожидать большего поглощения.

По мере увеличения , будет падать. (энергия образования электронно-дырочной пары) соответствует границе собственного поглощения . Для германия =1,72 мкм. Фотоны с энергией образовывать электронно-дырочные пары уже не способны. Однако в полупроводниках всегда присутствуют примеси, имеющие более слабую связь с решеткой и имеющие гораздо меньшую концентрацию, чем концентрация атомов полупроводника. Следует ожидать, что , соответствующая примесному поглощению, будет гораздо меньше, чем в случае собственного поглощения. Но будет зависеть еще и от концентрации примеси, чем больше концентрация, тем ниже .

Вся примесь ионизирована, но с другой стороны свободные электроны и дырки в кристалле сами способны поглощать фотоны. Дело в том, что увеличение с ростом при вызвано поглощением света на свободных носителях. Волна часть своей энергии отдает на ускорение движения свободных носителей. Атомы примеси она ионизировать не может, т.к. они уже ионизированы.

Теперь подробнее рассмот­рим поглощение в германии. Зависимости поверхностного и объемного поглощения в германии на 10,6 мкм от и состояния поверх­ности измерены с помощью адиабатической калориметрии. Установ­лено, что при обычной оптической полировке (Al2О3) до 50% полного поглощения в образце толщиной 1 см может быть припи­сано поверхности. Последующая полировка коллоидным кварцем уменьшала этот поверхностный вклад в полное поглощение до 10%. Остаточное поверхностное поглощение не было обусловлено лету­чими примесями, которые можно было удалить вакуумированием. Было установлено, что оптимальное удельное сопротивление гер­мания, имеющего наименьший коэффициент объёмного поглощения при комнатной температуре находится в диапазоне 10-40 Ом см.

Установлено также, что поверхностное поглощение образцов германия, изготовленных с помощью механической обработки ал­мазным инструментом может быть ниже, чем для образцов, нор­мированных коллоидным кварцем, хотя во многих случаях оно бы­ло значительно большим.

Для полупроводника может быть представлен:



- поглощение, обусловленное основными межзонными электрон­ными переходами (характерен для коротковолновой области).

- фононное поглощение (характерен для длинноволновой гра­ницы полосы пропускания).

и - механические поглощения, обусловленные перехода­ми свободных носителей в валентной зоне и зоне проводимости.

- сечение дырочного поглощения

- электронного

и - концентрации электронов и дырок соответственно.

) - примесные поглощения (в объёме и на поверхности кристалла). Поглощение, обусловленное свободными носителями, может иметь место по всей области прозрачности и проявляться в виде широ­кого, не имеющего резко выраженных особенностей спектра, описываемого выражением:



, где x = 1,53,5 ,в зависимости от материала.

Для германия х~2.

В полупроводнике коэффициент поглощения, обусловленный свободными носителями может быть изменён путем внесения примесей с соответствующим типом проводимости (т.е. изменяя N или p) , т. к. Капрон и Брилл определили (по измерению коэффициента ) при 10,6 мкм, как функцию ти­па проводимости (N и p) и удельного сопротивления , ко­торое связано с конфигурацией и концентрацией носителей.



где и - подвижность электронов и дырок в зоне проводимости и валентной зоне.

е - заряд электрона.

Значения , полученные этими авторами от > 0,4см-1 (p - min , =5 Ом cм) до 0,02 см-1 ( N – min, =10 Ом см).

Концентрации примесей, используемые для изменения и умень­шения вклада свободных носителей в полное поглощение, обычно значительно ниже, чем концентрации необходимые для того, что­бы вызывать заметное поглощение, обусловленное самими примесями.

В действительности высокая степень чистоты, необходимая для достижения требуемых электрических свойств и контролиру­емого поглощения, обусловленного свободными носителями в та­ких полупроводниках как германий, означает, что в объёме материала, обусловленное примесями вряд ли является сущест­венным.

В большинстве случаев примесное поглощение обусловлено влиянием оптической обработки материала. Примеси вносятся в поверхностный слой в процессе шлифовки и полировки, что приводит к значительно большему .

измерялся с помощью адиабатической калориметрии, при использовании СО2 - лазера.

Подготовка образцов. Образцы выравнивались посредством по­лировки корундовым порошком или карбидом кремния. Затем полиро­вались на битумном притире с помощью оксида алюминия класс А (0,3 мкм) или В (0,05 мкм).

При этом вклад поверхностного поглощения в полное поглощение > 30%.

Опыт показал, что при таком способе полировки (оксидом алю­миния или коллоидным кварцем, или же алмазным аэрозолем) невоз­можно получить точные значения коэффициента объёмного поглоще­ния.

Необходимо найти метод полировки, который вносит незначи­тельный вклад в . Если полированные оксидом Аl образцы дополнительно отполированы коллоидным кварцем на фетровом при­тире, тогда поверхностное поглощение уменьшается до – 9%.

При измерении на ИКС возникают дополнительные ошибки из-за неколлинеарности падающего излучения, что затрудняет вычисление коэффициента отражения и, что более важно, для материалов с та­ким большим "n", как германий, вызывает дефокусировку изоб­ражения на входной щели монохроматора.

Полировка Ge алмазом, в виде аэрозоля (аэрозольной взве­си частиц 0,1 мкм в органическом растворителе) не позволи­ла получить такое низкое поверхностное поглощение, как при по­лировке коллоидным кварцем.

  1   2   3   4

Добавить документ в свой блог или на сайт

Похожие:

Выпускная работа специалиста iconМетодические указания к выполнению выпускной квалификационной работы по педагогике
Выпускная квалификационная работа это самостоятельная письменная работа учебно-исследовательского характера (теоретическая и опытно-экспериментальная)....

Выпускная работа специалиста iconВыпускная квалификационная работа
...

Выпускная работа специалиста iconМосковский финансово-промышленный университет
Дипломный проект – это выпускная квалификационная работа, выполняемая во время последнего года обучения

Выпускная работа специалиста iconВыпускная квалификационная работа
Тема выпускной квалификационной работы: Аттестация типовых рабочих мест для предприятий текстильной промышленности

Выпускная работа специалиста iconКраткое содержание работы. Выпускная квалификационная работа состоит из трех частей
«Анализ ассортимента и качества фруктово-ягодных кондитерских изделий, реализуемых в ОАО тс«Сорока»

Выпускная работа специалиста iconПояснительная записка Введение
Выпускная работа, являясь завершающим этапом в учебном процессе, должна показать готовность учащегося квалифицированно решать теоретические...

Выпускная работа специалиста iconОбщие требования к вкр (выпускная квалификационной работа)
Вкр должна содержать следующие разделы: титульный лист, оглавление, введение, основную часть, заключение, список литературы (составляется...

Выпускная работа специалиста iconМетодическое пособие по направлению 140600. 62 “Электротехника, электромеханика...
Выпускная работа на степень бакалавра должна продемонстрировать умение соискателя анализировать актуальные научные проблемы, решать...

Выпускная работа специалиста iconРегламентирует структуру
Выпускная квалификационная работа – один из видов индивидуальной самостоятельной учебной деятельности сту­дента, выполняемый на заключительном...

Выпускная работа специалиста iconМетодические рекомендации по подготовке, написанию и защите выпускной...
Выпускная квалификационная работа (далее – вкр) документоведа представляет собой законченную общую или локальную оргпроектную разработку...

Вы можете разместить ссылку на наш сайт:
Школьные материалы


При копировании материала укажите ссылку © 2013
контакты
zadocs.ru
Главная страница

Разработка сайта — Веб студия Адаманов