2.4 Исследование влияния изотопической чистоты на оптические свойства германия

Как указывалось выше, особенностью германия как промышленного материала является то, что для большинства практических применений пригодны монокристаллы с содержанием посторонних примесей на уровне IO'¹⁰вес.

Исследования ИК - поглощения германия в области прозрачности показали, что путём оптимизации концентрации электроактивных примесей удаётся снизить величину коэффициента поглощения практически до фононного предела. Так как известно, что в области 12-14 мкм имеются полосы поглощения германия, обусловлены взаимодействием света с фононами [А28], то было решено проверить влияние изотопического состава на положение этих полос. В данном разделе работы приведены результаты исследования влияния изотопического состава на спектр пропускания монокристаллического германия в ИК - области.

Эксперименты проведены на тех же образцах изотопически чистых монокристаллов германия ⁷⁰Ge и ⁷⁴Ge, что и в работах [307, 308]. Образцы

79 предоставлены В.Ю. Барановым, В.И. Ожогиным, А.В. Тихомировым, за что автор выражает им глубокую признательность. Образцы были изготовлены следующим образом. В Институте Молекулярной Физики РНЦ "Курчатовский Институт" с использованием центробежного метода разделения изотопов были получены изотопы ⁷⁰Ge и ⁷⁴Ge с обогащением 99,99%. В Лаборатории им. Лоуренса в Беркли (США) была проведена тонкая химическая очистка материала методом многократной (33 прохода) зонной плавки. Химически очищенные таким образом поликристаллические слитки ⁷⁰Ge и Ge использовались в качестве исходного сырья для выращивания монокристаллов германия и - типа. Удельное сопротивление полученных монокристаллов составляло - 65 Ом X см. Образцы для исследований были изготовлены в форме плоскопараллельных пластин с кристаллографической ориентацией и , диаметром 30-45 мм, толщиной 12-15 мм. Рабочие поверхности пластин были отполированы, непараллельность поверхностей не превышала величину 30 секунд.

В качестве образцов сравнения использовались оптически обработанные пластины из монокристаллов германия природного изотопического состава, выращенных на Запорожском титано-магниевом комбинате и в Тверском государственном университете из заведомо разных партий исходного сырья и различными методами - Чохральского и Степанова. В качестве исходного сырья использовался зонноочищенный поликристаллический германий (марки ГПЗ) с удельным сопротивлением материала более 47 Om?cm(при температуре 23^oC). Кристаллографическая ориентация исследованных образцов пластин - и . Влияние кристаллографической ориентации и технологии выращивания на положение максимумов фононных полос поглощения в спектре пропускания образцов не выявлено. На рисунке 2.3 приведены экспериментально измеренные спектры пропускания монокристаллических образцов изотопов ⁷⁰Ge и ⁷⁴Ge.

Рисунок 2.3 - Спектральные зависимости пропускания монокристаллических образцов изотопов германия а) М=74, толщина образца 12 мм, б) М=70, толщина образца 22 мм (стрелками показаны максимумы фононных полос поглощения с указанием соответствующих волновых чисел)

Германий, как известно (см. главу 1, [224, 225, А9]), широко применяется в ИК - оптике, особенно, в диапазоне 8-14 мкм, однако присутствующие в этой области полосы фононного поглощения заметно ограничивают его применение. Они хорошо

изучены, и их положение в спектрах кристаллов природного изотопического состава практически является константой материала.

Таблица 2.3 Положение максимумов фононных полос поглощения в кристаллах германия различного изотопного состава

Рисунок 2.4 - Зависимость частот пиков решёточного поглощения v в монокристаллах германия от массового числа M

Полученная зависимость частоты максимума фононных полос поглощения от массового числа v = f(M) может быть аппроксимированна выражением где Vo - частота максимума соответствующей полосы фононного поглощения.

Обнаружено, что решёточные пики поглощения на частотах v - 850, 755, 650 см'¹, наблюдаемые в монокристаллах германия природного изотопического состава, в моноизотопных кристаллах сдвигаются. Причём в монокристаллах ⁷⁰Ge наблюдается рост частоты полосы поглощения - V, а в ⁷⁴Ge v уменьшается по сравнению с монокристаллами природного изотопического состава.

Таким образом, впервые зафиксирована тенденция снижения частоты максимума полосы решёточного поглощения в германии с ростом массового числа. К сожалению, величина этого сдвига, хотя и превышает значение погрешности измерений, но она слишком мала, что бы иметь какое-либо заметное практическое значение. Тем не менее, обнаруженный эффект может быть использован для экспресс - оценки изотопического состава германия.