1. Вступ
Одним із ключових параметрів, що визначають ефективність напівпровідникових матеріалів, є ефективні маси носіїв заряду, таких як електрони та дірки. Ефективна маса носіїв визначає їхню рухливість у кристалічній гратці, впливаючи на електропровідність, теплопровідність та інші електронні властивості матеріалу.
Ультрафіолетова електронна спектроскопія з кутовим розділенням(УФЕСКР) є одним з методів для вивчення електронної структури твердих тіл. Ця техніка дозволяє безпосередньо вимірювати кінетичну енергію електронів, які емітуються з поверхні матеріалу під дією ультрафіолетового випромінювання. Отримані дані дозволяють будувати зонну структуру матеріалу та визначати енергетичну дисперсію електронів, що є критично важливим для розрахунку ефективних мас носіїв заряду[1].
У цьому дослідженні ми використовували УФЕСКР для визначення ефективних мас носіїв заряду в In₄Se₃. Вимірювання проводились у двох різних напрямках на поверхні сколювання кристала, що дозволяє дослідити анізотропію електронних властивостей матеріалу.
2. Експериментальна частина
УФЕСКР і відповідні спектри з кутовим розділенням, отримано з використанням плоскополяризованого синхротронного випромінювання, диспергованого 3 метровим тороїдним монохроматором (3m TGM). Вимірювання проводили в НВВ камері з використанням півсферичного енергоаналізатора електронів з кутовим розділенням +-0,5-1°. Сумарна роздільна здатність емітованих фотоелектронів за енергіями близька до 80 меВ при низьких енергіях фотонів 15-40 еВ. Експерименти з ФЕСКР проводили при куті падіння фотонів ψ=45° відносно нормалі до поверхні (s+p-поляризований ВУФ) і з кутами збору фотоелектронів відносно нормалі θ, які вказані у кожному випадку записаного спектру. Всі енергії зв’язку відраховані від рівня Фермі кристалу, з’ясувавши роботу виходу ПС (100) In4Se3 відносно чистого золота (позитивний електрод).
Рис.1. Принципи УФЕС/УФЕСКР. а) Енергетична діаграма, яка демонструє емісію фотоелектронів, як з енергетично глибоких остовних (EiLF), так і рівнів ВЗ (заштриховані стани електронів ВЗ) (внизу) та енергетичні спектри електронів, емітованих з ВЗ – N(E)) (вверху); б) Геометрія та основні параметри фотоемісії: hv – енергія фотонів і поляризація випромінювання p) ̂ та геометрія падіння (Ψ,ŋ ) випромінювання на ПС (100) In4Se3 по відношенню до нормалі n) ̂, проведеної до неї. Емісія електронів з ПС під кутом θ,φ з кінетичною енергією Ек та зі спіном σ ̂. Заштрихована область торця зразка відображає глибину аналізу d(E), що співмірна довжині вільного пробігу λ(E) збуджених у зразку фотоелектронів і товщині шару ШК In4Se3.[2]
Електронні спектри Ek// ПС (100) розраховуються за експериментальними спектрами УФЕСКР вздовж напрямку <001> In-ланцюжків та перпендикулярно до них – <010>, тобто в ПЗБ по Г ̅–Х ̅ або ж вздовж Г ̅–Y ̅ напрямків відповідно: k// за рівнянням (2), а енергія зв’язку Eзв – за рівнянням (1), використовуючи відомі енергії падаючих ВУФ-квантів hv [4], УФЕС-спектри (кінетичні енергії емітованих фотоелектронів Eкіn.) та роботу виходу eφ електронів (4,3 еВ) ПС (100) In4Se3. Енергія зв’язку Eзв визначається з рівняння (1):
де: Eзв – енергетична відстань від рівня Фермі EF до певного енергетичного рівня поверхневої валентної зони, що фотоіонізується.
Використовуючи рівняння (2), можна одержати електронні спектри Ek// [3] в ПЗБ вздовж Г ̅–Х ̅ та Г ̅–Y ̅ напрямків:
де: k// – горизонтальна складова (в площині (100) ПС) хвильового вектора k фотоелектрона, емітуючого з кристалу; θ – кут емісії (кут збору електронів енергоаналізатором), а Ekin – їх кінетична енергія.
Результати та обговорення
На рис. 2 наведені дисперсії Ek// електронів ВЗ у ПЗБ вздовж Г ̅–Х ̅ та Г ̅–Y ̅ напрямків, одержані з УФЕСКР ПС (100) In4Se3 при 295 K, hv=25 еВ та hv=23 еВ відповідно з використанням рівнянь (1) та (2).
Згідно рис.2(a), відстань від центру приведеної ПЗБ (Г ̅) до центру другої ~=1,6+-0,05 Å-1, в той же час, край першої ПЗБ є при 0,81+-0,05 Å-1. Це передбачає параметр x(с) прямої ґратки 3,92+-0,1 Å, що близько до відомої сталої ґратки с=4,08 Å, вказуючи на адекватність експериментальних результатів і проведених за ними розрахунків. З експериментально одержаної дисперсії, визначена в околі точки Г ̅(k=0), ефективна маса електрона становить 1,62me.
Рис. 2. Дисперсія Ek// електронів ВЗ у ПЗБ вздовж напрямку Г ̅–Х ̅ (а) та Г ̅–Y ̅ (б)
Одержані для напрямку Г ̅–Y ̅ електронні спектри дають розмір ПЗБ за цим напрямком ~= 0,51+-0,2 Å-1, або характерний параметр y(b) прямої ґратки 12,2+-0,1 Å, що близький до сталої ґратки b=12,31 Å. З експериментально одержаної дисперсії, визначена в околі точки Г ̅(k=0), ефективна маса електрона становить 0,43me.
Якщо ж виходити з порівняння експериментальних ширин дисперсійних смуг Ek// для напрямків Г ̅–Х ̅ та Г ̅–Y ̅, відповідно, вздовж In-ланцюжків та перпенди-кулярно до них (рис. 2) стає зрозумілим, що ефективні маси електронів у напрямку Г ̅–Y ̅ є набагато меншими (при k→0), ніж вздовж In-ланцюжків (Г ̅–Х ̅).
Висновки
Показано, що ПС (100) In4Se3, характеризується значною анізотропією електронних спектрів E(k) ВЗ у площині сколу (100), тобто в поверхневій зоні Бріллюена (ПЗБ). Дисперсійні залежності Ek// у ПЗБ вздовж In-ланцюжків, передбачають існування електронів з ефективними масами в ~4 рази більшими, ніж перпендикулярно до них.
Список використаної літератури
1. Hüfner, S. (2003). Photoelectron Spectroscopy: Principles and Applications. Berlin: Springer. ISBN: 978-3-540-43271-0.
2. Damascelli, A., Hussain, Z., & Shen, Z.-X. Angle-resolved photoemission studies of the cuprate superconductors. Reviews of Modern Physics, 2003, vol. 75, no. 2, pp. 473-541. DOI: 10.1103/RevModPhys.75.473.
3. Damascelli, A. Probing the electronic structure of complex systems by ARPES. Physica Scripta, 2004, vol. 2004.T109, pp. 61. DOI: 10.1238/Physica.Topical.109a00061.
4. Makar, T. R., Dziuba, V. I., Nenchuk, T. M., Tuziak, O. Ya., Galiy, P. V. Electronic energy structure of the (100) In₄Se₃ surfaces at different preparation and treatment in ultraviolet photoelectron spectroscopy study. Physics and Chemistry of Solid State, 2024, vol. 25, №1, pp. 114-119.
5. Makar, T. R., Dziuba, V. I., Nenchuk, T. M., Galiy, P. V., et al. The surface segregation of indium on the (100) In₄Se₃ surface in the spectra of scanning tunneling spectroscopy (STS). Світ наукових досліджень, 2023, №17, pp. 257-264.
|
Голосування 
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License
Знайшли помилку? Виділіть помилковий текст мишкою і натисніть Ctrl + Enter