Природа энергетических состояний в запрещенной щели Zn_1-xMn_xO
Соколов В.И., Груздев Н.Б., Важенин В.А., Фокин А.В., Королев А.В., Меньшенин В.В.

Received: July 15, 2019

DOI: 10.31857/S0044451020050077

PDF (368.8K)

Представлены результаты исследования оптического поглощения, сигналов ЭПР при оптическом возбуждении и магнитной восприимчивости гидротермальных монокристаллов Zn_1-xMn_xO. В спектрах поглощения поляризованного света при температурах 4.2 и 77.3 К наблюдаются узкие интенсивные линии a, b, c и d в диапазоне энергий квантов света 1.877-1.936 эВ. Спектр этих линий существенно отличается от спектров донорных и акцепторных экситонов для ZnO:Co и ZnO:Ni. Интенсивность разрешенных и запрещенных сигналов ЭПР ионов Mn²⁺(d⁵) не изменяется при воздействии светом в полосе примесного поглощения, тогда как сигналы ЭПР неконтролируемых ионов Fe³⁺(d⁵) при подсветке практически исчезают. Новые экспериментальные результаты для Zn_1-xMn_xO позволяют считать, что донорный уровень d⁵/d⁴ иона Mn²⁺ попадает в валентную зону, а в запрещенной щели Zn_1-xMn_xO существуют несколько антисвязывающих состояний (dangling bond hybrid, DBH) за счет гибридизации 3d-орбиталей иона Mn²⁺ с p-орбиталями ближайших ионов кислорода O^2-. Переходы электронов из DBH-состояний в зону проводимости формируют широкую полосу примесного поглощения Zn_1-xMn_xO, ниже края которой наблюдаются линии a, b, c и d, названные донорными экситонами [(h_loc+d⁵)e], возникающими в результате кулоновского связывания свободного s-электрона и дырки, локализованной на гибридизованных DBH-состояниях (p+d⁵). Обнаружение донорных экситонов [(h_loc+d⁵)e] открывает перспективу детального изучения DBH-состояний в запрещенной щели, что важно для фотокатализа с использованием видимого диапазона света.