Фонон-поляритонні збудження в структурах MgZnO/6H-SiC
DOI:
https://doi.org/10.15407/ujpe65.2.162Ключові слова:
поверхневi поляритони, IЧ-спектроскопiя, оксид цинку, оксид магнiю, MgxZn1−xO, карбiд кремнiюАнотація
Для тонких плiвок MgxZn1−xO, нанесених на оптично-анiзотропних пiдкладках 6H-SiC, вперше було змодельовано спектри зовнiшнього iнфрачервоного вiдбивання в областi “залишкових променiв” плiвки та пiдкладки за орiєнтацiї електричного поля E⊥c з використанням взаємно узгоджених параметрiв, отриманих ранiше для монокристалiв оксиду магнiю, оксиду цинку та карбiду кремнiю. Показано, що змiни товщини плiвки i вмiсту Mg суттєво деформують спектр вiдбивання та зменшують вiдбивальну здатнiсть R(v). Використовуючи спiввiдношення Крамерса–Кронiга, визначено спектральнi областi, де вiдбивальна здатнiсть є чутливою до змiни товщини плiвки, ступеня легування плiвки та пiдкладки для структури MgxZn1−xO/6H-SiC. Основну увагу придiлено аналiзу даних для значення x = 0,2. Уперше теоретично продемонстровано iснування поверхневих поляритонiв для таких структур та побудовано поверхню порушеного повного внутрiшнього вiдбивання I(v)/I0(v), яка являє собою тривимiрне представлення коефiцiєнта пропускання зазначеної вище структури i залежить вiд частоти випромiнювання i кута падiння. Продемонстровано можливiсть дослiджень резонансної взаємодiї оптичних фононiв та плазмонiв плiвки та пiдкладки.
Посилання
A. Janotti, Ch.G. Van de Walle. Fundamentals of zinc oxide as a semiconductor. Rep. Prog. Phys. 72, 126501 (2009). https://doi.org/10.1088/0034-4885/72/12/126501
A. Ohtomo, M. Kawasaki, T. Koida, K.Masubuchi, H. Koinuma, Y. Sakurai, Y. Yoshida, T. Yasuda, Y. Segawa. MgxZn1−xO as a II-VI widegap semiconductor alloy. Appl. Phys. Lett. 71, 2466 (1998). https://doi.org/10.1063/1.121384
A. Ohtomo, K. Tamura, M. Kawasaki, T. Makino, Y. Segawa, Z.K. Tang, L.G.K. Wong, Y. Matsumoto, H. Koinuma. Room-temperature stimulated emission of excitons in ZnO/(Mg, Zn)O superlattices. Appl. Phys. Lett. 77, 2204 (2000). https://doi.org/10.1063/1.1315340
Y. Jin, B. Zhang, Y. Shuming, Y. Wang, J. Chen, H. Zhang, C. Huang, C. Cao, H. Cao, R.P.H. Chang. Room temperature UV emission of MgxZn1−xO films. Solid State Commun. 119, 409 (2001). https://doi.org/10.1016/S0038-1098(01)00244-7
T. Makino, Y. Segawa, A. Ohtomo, K. Tamura, H. Koinuma. Band gap engineering based on MgxZn1−xO ternary alloy films. Appl. Phys. Lett. 78, 1237 (2001). https://doi.org/10.1063/1.1350632
Th. Gruber, C. Kirchner, R. Kling, F. Reuss, A. Waag. Zn-MgO epilayers and ZnO-ZnMgO quantum wells for optoelectronic applications in the blue and UV spectral region. Appl. Phys. Lett. 84, 5359 (2004). https://doi.org/10.1063/1.1767273
Surface Acoustic Waves. Edited by A.A. Oliner (Springer-Verlag, 1978).
A.I. Morozov, V.V. Proklov, B.A. Stankovskii. Piezoelectric Transducers for Electronic Devices (Radio i Svyaz', 1981) (in Russian).
K.L. Chopra, S.R. Das. Thin Film Solar Cells (Springer, 1983). https://doi.org/10.1007/978-1-4899-0418-8
¨U. ¨Ozg¨ur, Ya.I. Alivov, C. Liu, A. Teke, M.A. Reshchikov, S. Do˘gan, V. Avrutin, S.-J. Cho, H. Morko¸c. A comprehensive review of ZnO materials and devices. J. Appl. Phys. 98, 041301 (2005). https://doi.org/10.1063/1.1992666
A.B. Djurisic, A.M.C. Ng, X.Y. Chen. ZnO nanostructures for optoelectronics: Material properties and device applications. Progr. Quant. Electron. 34, 191 (2010). https://doi.org/10.1016/j.pquantelec.2010.04.001
A. Moezzi, A.M. McDonagh, M.B. Cortie. Zinc oxide particles: Synthesis, properties and applications. Chem. Eng. J. 22, 185 (2012). https://doi.org/10.1016/j.cej.2012.01.076
A.I. Yevtushenko, G.V. Lashkaryov, V.Y. Lazorenko, V.A. Karpina, V.D. Khranovskyi. ZnO detectors of ultraviolet radiation. Fiz. Khim. Tverd. Tila 9, 869 (2008) (in Ukrainian).
R. Scheer, H.-W. Schock. Chalcogenide Photovoltaics: Physics, Technologies, and Thin Film Devices (Wiley-VCH, 2011). https://doi.org/10.1002/9783527633708
G. Shukla. ZnO/MgZnO p − n junction light-emitting diodes fabricated on sapphire substrates by pulsed laser deposition technique. J. Phys. D 42, 075105 (2009). https://doi.org/10.1088/0022-3727/42/7/075105
Y. Hu, B. Cai, Z. Hu, Y. Liu, Sh. Zhang, H. Zeng, The impact of Mg content on the structural, electrical and optical properties of MgZnO alloys: A first principles study. Current Applied Physics 15 (3), 423 (2015). https://doi.org/10.1016/j.cap.2015.01.015
S.P. Bharath Kasturi, V. Bangera, G.K. Shivakumar. Effect of cadmium incorporation on the properties of zinc oxide thin films. Appl. Nanoscience 8 (1-2), 187 (2018). https://doi.org/10.1007/s13204-018-0661-8
B.M. Mychalichko. General Chemistry Course: Theoretical Foundations (Znannya, 2009) (in Ukrainian).
Ye.F. Venger, O.V. Melnichuk, Yu.A. Pasechnyk. Spectroscopy of Residual Rays (Naukova Dumka, 2001) (in Ukrainian).
Ye.F. Venger, I.V. Venger, D.V. Korbutyak, N.O. Korsunska, L.Yu.Melnichuk, O.V.Melnichuk, L.Yu. Khomenkova. Surface polaritions in MgZnO/6H-SiC heterostructures. In Materials of the International Conference "Functional materials for innovative energy-FMIE-2019" (Kyiv, 2019), p. 4 (Y24).
U. Rau, D. Abou-Ras, T. Kirchartz. Advanced Characterization Techniques for Thin Film Solar Cells (Wiley-VCH, 2011). https://doi.org/10.1002/9783527636280
N.A. Kovtun, B.T. Boiko, G.S. Khripunov, V.R. Kopach. Electrical properties of transparent polycrystalline ZnO:Al films obtained by magnetron sputtering. Vopr. At. Nauki Tekhn. No. 10, 75 (1999).
N.V. Romanova. General and Inorganic Chemistry (VTF Perun, 1998) (in Ukrainian).
P.I. Baranskii, V.P. Klochkov, I.V. Potykevich, Semiconductor Electronics. Reference Book (Naukova Dumka, 1975) (in Russian).
A.V. Melnichuk, Yu.A. Pasechnik. Anisotropy of electron effective masses in silicon carbide. Fiz. Tverd. Tela 34, 423 (1992) (in Russian).
Chunming Jin. Growth and Characterization of ZnO and ZnO-Based Alloys MgxZn1−xO and MnxZn1−xO. Ph.D. Thesis (North Carolina State University, Raleigh, 2003).
I. Markevich, T. Stara, L. Khomenkova, V. Kushnirenko, L. Borkovska. Photoluminescence engineering in polycrystalline ZnO and ZnO-based compounds. AIMS Mater. Sci. 3, 508 (2016). https://doi.org/10.3934/matersci.2016.2.508
L. Borkovska, L. Khomenkova, I. Markevich, M. Osipyonok, O. Kolomys, S. Rarata, O. Oberemok, O. Gudymenko, A. Kryvko, V. Strelchuk. The effect of high temperature annealing on the photoluminescence of ZnMgO alloys. Phys. Status Solidi A 215, 1800250 (2018). https://doi.org/10.1002/pssa.201800250
D. Thapa, J. Huso, J. Lapp, N. Rajabi, J.L. Morrison, M.D. McCluskey, L. Bergman. Thermal stability of ultra-wide-bandgap MgZnO alloys with wurtzite structure. J. Materials Science: Materials in Electronics 29 (19), 16782 (2018). https://doi.org/10.1007/s10854-018-9772-y
Z. Xi-Jian, M. Hong-Lei, L. Yu-Xiang, W. Qing-Pu, M. Jin, Z. Fu-Jian, X. Hong-Di. The optical properties of MgxZn1−xO thin films. Chin. Phys. 15, 2385 (2006). https://doi.org/10.1088/1009-1963/15/10/033
K. Hoggas, C. Nouveau, A. Djelloul, M. Bououdina. Structural, microstructural, and optical properties of Zn1−xMgxO thin films grown onto glass substrate by ultrasonic spray pyrolysis. Appl. Phys. A 120, 745 (2015). https://doi.org/10.1007/s00339-015-9252-7
P.A. Ivanov, V.E. Chelnokov. Semiconductor silicon carbide: Technology and devices. Fiz. Tekh. Poluprovodn. 29, 1921 (1995) (in Russian).
E.F. Venger, A.V. Melnichuk, L.Ju. Melnichuk, Ju.A. Pasechnik. Anisotropy of the ZnO single crystal reflectivity in the region of residual rays. Phys. Status Solidi B 188, 823 (1995). https://doi.org/10.1002/pssb.2221880226
H. Karakachian, M. Kazan. Dependence of surface plasmon-phonon-polariton in 4H-SiC on free carrier concentration. J. Appl. Phys. 121, 093103 (2017). https://doi.org/10.1063/1.4977873
Ye.F. Venger, A.I. Yevtushenko, D.V. Korbutyak, L.Yu. Melnichuk, O.V. Melnichuk. Investigation of magnesium oxide by IR spectroscopy methods. In Physical and Mathematical Notes. Collection of Scientific Works No. 53 (2010) (in Ukrainian).
O. Melnichuk, L. Melnichuk, B. Tsykaniuk, Z. Tsybrii, P. Lytvyn, C. Guillaume, X. Portier, V. Strelchuk, Ye. Venger, L. Khomenkova, N. Korsunska. Investigation of undoped and Tb-doped ZnO films on Al2O3 substrate by infrared reflection method. Thin Solid Films 673, 136 (2019). https://doi.org/10.1016/j.tsf.2019.01.028
N. Korsunska, L. Borkovska, Yu. Polischuk, O. Kolomys, P. Lytvyn, I. Markevich, V. Strelchuk, V. Kladko, O. Melnichuk, L. Melnichuk, L. Khomenkova, C. Guillaume, X. Portier. Photoluminescence, conductivity and structural study of terbium doped ZnO films grown on different substrates. Mater. Sci. Semicond. Process. 94, 51 (2019). https://doi.org/10.1016/j.mssp.2019.01.041
O.V. Melnichuk, L.Yu. Melnichuk, N.O. Korsunska, L.Yu. Khomenkova, Ye. Venger. Optical and electrical properties of Tb-ZnO/SiO2 structure in the infrared spectral interval. Ukr. J. Phys. 64, 431 (2019). https://doi.org/10.15407/ujpe64.5.434
E.A. Vinogradov, N.N. Novikova, V.A. Yakovlev. Phonon-polariton near-field spectroscopy as a method for studying the optical properties of nanofilms. Usp. Fiz. Nauk 184, 653 (2014) (in Russian). https://doi.org/10.3367/UFNr.0184.201406g.0653
A.V. Melnichuk. The study of surface plasmon-phonon polaritons in SiC-6H single crystals using the ATR method. Poverkhnost Fiz. Khim. Mekhan. 7, 76 (1998) (in Russian).
Ye.F. Venger, L.Yu. Melnichuk, O.V. Melnichuk, Yu.A. Pasichnyk, O.I. Sukhenko. Surface plasmon-phonon polaritons of silicon carbide. Ukr. Fiz. Zh. 43, 598 (1998) (in Ukrainian).
A.V. Melnichuk, Yu.A. Pasechnik. Anisotropy effect on the dispersion of surface plasmon-phonon polaritons of silicon carbide. Fiz. Tverd. Tela 40, 636 (1998) (in Russian). https://doi.org/10.1134/1.1130355
M.A. Ilyin, F.F. Kukharskii, E.P. Rashevskaya, V.K. Subashiev. Effective masses of free electrons in silicon carbide. Fiz. Tverd. Tela 13, 2478 (1971) (in Russian).
E.F. Venger, I.V. Venger, N.O. Korsunska, L.Yu. Melnichuk, O.V. Melnichuk, L.Yu. Khomenkova. Optical properties of ternary alloys MgZnO in infrared spectrum. Semicond. Phys. Quant. Electr. Optoelectr. 21, 417 (2018).
J. Chen,W.Z. Shen. Long-wavelength optical phonon properties of ternary MgZnO thin films. Appl. Phys. Lett. 83, 2154 (2003). https://doi.org/10.1063/1.1610795
Downloads
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Ліцензійний Договір
на використання Твору
м. Київ, Україна
Відповідальний автор та співавтори (надалі іменовані як Автор(и)) статті, яку він (вони) подають до Українського фізичного журналу, (надалі іменована як Твір) з одного боку та Інститут теоретичної фізики імені М.М. Боголюбова НАН України в особі директора (надалі – Видавець) з іншого боку уклали даний Договір про таке:
1. Предмет договору.
Автор(и) надає(ють) Видавцю безоплатно невиключні права на використання Твору (наукового, технічного або іншого характеру) на умовах, визначених цим Договором.
2. Способи використання Твору.
2.1. Автор(и) надає(ють) Видавцю право на використання Твору таким чином:
2.1.1. Використовувати Твір шляхом його видання в Українському фізичному журналі (далі – Видання) мовою оригіналу та в перекладі на англійську (погоджений Автором(ами) і Видавцем примірник Твору, прийнятого до друку, є невід’ємною частиною Ліцензійного договору).
2.1.2. Переробляти, адаптувати або іншим чином змінювати Твір за погодженням з Автором(ами).
2.1.3. Перекладати Твір у випадку, коли Твір викладений іншою мовою, ніж мова, якою передбачена публікація у Виданні.
2.2. Якщо Автор(и) виявить(лять) бажання використовувати Твір в інший спосіб, як то публікувати перекладену версію Твору (окрім випадку, зазначеного в п. 2.1.3 цього Договору); розміщувати повністю або частково в мережі Інтернет; публікувати Твір в інших, у тому числі іноземних, виданнях; включати Твір як складову частину інших збірників, антологій, енциклопедій тощо, то Автор(и) мають отримати на це письмовий дозвіл від Видавця.
3. Територія використання.
Автор(и) надає(ють) Видавцю право на використання Твору способами, зазначеними у п.п. 2.1.1–2.1.3 цього Договору, на території України, а також право на розповсюдження Твору як невід’ємної складової частини Видання на території України та інших країн шляхом передплати, продажу та безоплатної передачі третій стороні.
4. Строк, на який надаються права.
4.1. Договір є чинним з дати підписання та діє протягом усього часу функціонування Видання.
5. Застереження.
5.1. Автор(и) заявляє(ють), що:
– він/вона є автором (співавтором) Твору;
– авторські права на даний Твір не передані іншій стороні;
– даний Твір не був раніше опублікований і не буде опублікований у будь-якому іншому виданні до публікації його Видавцем (див. також п. 2.2);
– Автор(и) не порушив(ли) права інтелектуальної власності інших осіб. Якщо у Творі наведені матеріали інших осіб за виключенням випадків цитування в обсязі, виправданому науковим, інформаційним або критичним характером Твору, використання таких матеріалів здійснене Автором(ами) з дотриманням норм міжнародного законодавства і законодавства України.
6. Реквізити і підписи сторін.
Видавець: Інститут теоретичної фізики імені М.М. Боголюбова НАН України.
Адреса: м. Київ, вул. Метрологічна 14-б.
Автор: Електронний підпис від імені та за погодження всіх співавторів.
.png){kind=small}
