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(xué)特性，廣泛應(yīng)用于制作光電子器件。對CdSe電學(xué)性質(zhì)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(dǎo)機(jī)理方面。隨著實(shí)驗(yàn)技術(shù)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。基于此，本文主要對交流阻抗譜法研究高壓下CdSe的電學(xué)性質(zhì)進(jìn)行分析探討。

關(guān)鍵詞：交流阻抗譜法;高壓;CdSe電學(xué)性質(zhì)

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(zhì)在高壓下的電學(xué)性質(zhì)，這對于高壓條件下的電學(xué)實(shí)驗(yàn)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(chǎn)生裝置中進(jìn)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(zhì)在更高壓力下的電信息.阻抗譜測量技術(shù)和金剛石對頂砧高壓技術(shù)的結(jié)合，為研究更高壓力下物質(zhì)的電學(xué)性質(zhì)以及晶界的電輸運(yùn)性質(zhì)提供了技術(shù)支持.CdSe是一種典型的II—VI族半導(dǎo)體，因其具有很好的光電性質(zhì)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(dá)到23.9GPa時(shí)的交流阻抗譜，并且得到了反映樣品本身電學(xué)性質(zhì)的晶體體電阻隨壓力的變化關(guān)系。

1 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)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(gè)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(zhǔn)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(gè)140μm×120μm的探測窗，以此實(shí)現(xiàn)電極和樣品之間的接觸.金剛石上微電路的詳細(xì)制備過程可參考文獻(xiàn)，實(shí)驗(yàn)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(yù)壓到20GPa，厚度大約為40μm，然后在壓痕中心打一個(gè)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(shè)計(jì)的好處在于除了用以連接外部測量儀器的兩根銅導(dǎo)線外沒有任何其他的附屬引線，避免了引線導(dǎo)致的附加阻抗.

實(shí)驗(yàn)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(jìn)行阻抗譜的測量.實(shí)驗(yàn)中選擇一個(gè)較弱的正弦電壓信號輸入，以避免輸入信號對樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響，并保持室內(nèi)溫度不變以確保樣品的穩(wěn)定性.實(shí)驗(yàn)測量的頻率范圍為0.01Hz～10MHz，最高壓力為23.9GPa.

2 結(jié)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(gè)彼此分開的半圓弧形狀，從左至右依次對應(yīng)著晶體內(nèi)傳導(dǎo)，晶界傳導(dǎo)和電極傳導(dǎo)過程.但在實(shí)際的測量中，電極傳導(dǎo)過程往往不出現(xiàn)，并且由于不同的樣品中晶界和晶體內(nèi)傳導(dǎo)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(gè)傳導(dǎo)過程，即高頻區(qū)（左邊）的晶體內(nèi)傳導(dǎo)和中頻區(qū)（右邊）的晶界傳導(dǎo).當(dāng)壓力增大到2.8GPa時(shí)CdSe的阻抗譜雖然仍顯示出兩個(gè)傳導(dǎo)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(shí)兩個(gè)弛豫峰也分開得比較明顯.隨著壓力的繼續(xù)增加，直至達(dá)到本實(shí)驗(yàn)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(jī)制，同時(shí)也可以體現(xiàn)不同傳輸機(jī)制對電性質(zhì)的貢獻(xiàn)，CdSe粉末在高壓下的電傳輸機(jī)制始終以晶體內(nèi)傳輸和晶界傳輸為主，但在不同的壓力區(qū)間，兩種傳輸機(jī)制對總阻抗的貢獻(xiàn)發(fā)生了變化.在壓力低于2.2GPa時(shí)，晶體內(nèi)傳輸和晶界傳輸對總阻抗的貢獻(xiàn)大體相當(dāng).但當(dāng)壓力增加到2.8GPa時(shí)，晶體內(nèi)傳輸占據(jù)了主要的作用，而晶界的作用明顯減小.結(jié)合CdSe在高壓下的結(jié)構(gòu)變化研究可知在3GPa左右，它發(fā)生了從纖鋅礦結(jié)構(gòu)到巖鹽礦結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)相變，正是這種結(jié)構(gòu)的變化使得晶體內(nèi)電阻和晶界電阻都發(fā)生了不同程度的改變，導(dǎo)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(guān)系，利用等效電路法對其在高壓下的阻抗譜進(jìn)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(dāng)頻率低于10MHz時(shí)，由樣品腔壁產(chǎn)生的寄生容抗高于103Ω，而寄生感抗從20kHz時(shí)的0.4Ω線性增加到1OMHz時(shí)的60Ω.由于在高壓下CdSe的阻抗較低，因此由腔壁產(chǎn)生的寄生容抗可以忽略不計(jì)，但需要從測得的樣品阻抗中去除由導(dǎo)線產(chǎn)生的寄生感抗，綜合考慮了這些因素后利用ZView程序?qū)y得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了擬合，獲得了CdSe晶體體電阻隨壓力的變化關(guān)系.在2.8GPa附近時(shí)，CdSe的電阻發(fā)生相對較大的變化，這是由CdSe從纖鋅礦結(jié)構(gòu)到巖鹽礦結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)相變引起的（這也是CdSe阻抗譜發(fā)生變化的原因）

3 結(jié)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(guān)系.結(jié)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(jié)構(gòu)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(gè)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(jié)果可以直接反映樣品本身電學(xué)性質(zhì)在壓力下的變化情況.

參考文獻(xiàn)

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