Оптическая спектроскопия слоистых полупроводников, полученных HTHP методом: поиск новых материалов для формирования атомарно-тонких p-n переходов

Слоистые полупроводники, в особенности дихалькогениды переходных металлов (ДПМ), представляют интерес, как для фундаментальных исследований экситонных явлений, спиновой физики, валитроники, так и для применения в атомарно тонких полупроводниковых приборах. Возможность комбинировать различные слоистые материалы в рамках вандерваальсовых (ВДВ) гетероструктур существенно расширяет их функционал и позволяет реализовывать новые принципы в полупроводниковой технологии. Настоящий проект ориентирован на проведение комплексных исследований, целью которых является подготовка исходных материалов с помощью сильнонеравновесных процессов синтеза при высоких давлениях (HTHP), создание на их основе атомарно тонких пленок p- и n- типов, затем на финальном этапе реализация ВДВ гетероструктур с атомарно тонким p-n переходом. Потребность в слоистых полупроводниках, с одной стороны, имеющих высокое структурное совершенство, с другой стороны допускающих реализацию в них проводимости различного знака определяет актуальность работы в части HTHP синтеза. В ходе проекта основной упор будет сделан на материалы группы MX2 (M =W, Sn и X = S, Se, Te), в том числе, легированные редкоземельными элементами (РЭ). Высокая степень неравновесности используемых ростовых процессов в сочетании с высокими давлениями, позволяют рассчитывать на успешное внедрение редкоземельных элементов непосредственно в монослои ДПМ. Выбор редкоземельных элементов в качестве легирующих примесей определяется как их потенциалом для реализации биполярной проводимости в ДПМ, так и возможностью бесконтактного контроля центров, сформированных РЭ, по их спектрам излучения. Для получения атомарно тонких пленок будет использоваться технология механического слоения. Отдельное внимание в проекте будет уделено возможности получения халькогенидов редкоземельных элементов с применением техники высоких давлений. Анализ литературных данных указывает на то, что наряду с уже известными материалами этой группы могут быть получены новые слоистые соединения, обладающие моноклинной симметрией. Принципиальное существование подобных соединений было предсказано теоретически. Полученные халькогениды переходных элементов будут апробированы в качестве исходной компоненты для легирования ДПМ в процессах HTHP синтеза. Для определения эффективности легирования слоистых полупроводников будет использоваться сочетание оптических и электро-физических методик. Появление свободного заряда в атомарно-тонких пленках полупроводников должно приводить к увеличению вклада трионных линий в спектрах низкотемпературной фотолюминесценции, а также перенормировке фононных мод, регистрируемых в спектрах комбинационного рассеяния света. Для редкоземельных элементов характерно наличие оптических переходов между 4f и 5d оболочками, тонкая структура которых чувствительна к окружению. Ожидается, что это обеспечит дополнительные возможности при оптическом контроле эффективности легирования. Исследование оптических свойств атомарно тонких пленок слоистых полупроводников в широком диапазоне температур (5–300 К) позволит определить природу излучения собственных и примесно-дефектных состояний. На основе тонких пленок MX2 легированных редкоземельными элементами будет реализована вандерваальсова гетероструктура с p-n переходом.