Optical Properties of CdMnTe Film: Experimental and Theoretical Aspects

Abstract

Тонкі плівки CdTe є представниками кристалічної групи AIIBVI і демонструють поведінку напівпровідників. Вони є важливим напрямком досліджень через широке застосування в різних галузях оптоелектронних пристроїв. Краща можливість керувати в широкому енергетичному діапазоні, наприклад, шириною забороненої зони Eg для практичних застосувань існує при зміні вмісту CdTe-MnTe (від Eg = 1.46 еВ для CdTe до Eg = 3.1 еВ для MnTe). Названі сполуки можуть розглядатися як особливий клас бінарних напівпровідних сполук, що мають перспективні оптичні параметри. Плівки Cd1 – xMnxTe було отримано методом квазізамкненого об’єму. Осадження плівок проводилось з полікристалічного порошку Cd0.88Mn0.12Te на підкладку слюди. З аналізу дифрактограми для Cd1 – xMnxTe встановлено, що плівка є однофазною. Фаза – сполука CdTe (структурний тип – ZnS, просторова група – F43m). Детальний аналіз положення експериментальних рефлексів та їхніх інтенсивностей у порівнянні із теоретичними засвідчив дуже сильну переважну орієнтацію зерен фази Cd1 – xMnxTe у синтезованій плівці (текстуру). Спостерігаються рефлекси від площин з індексами Міллера hkl (xyz). Включення манганової компоненти є причиною збільшення параметрів гратки (порівняно з вихідним з'єднанням CdTe/слюда). З аналізу EDS було встановлено, що композиційний склад плівки становить Cd0.96Mn0.04Te. Уточнений параметр елементарної комірки a = 0.6485(3) нм і V = 0.2727(3) нм3. Наводяться результати дослідження спектрів пропускання та відбиття структури Cd0.96Mn0.04Te/слюда. Спектри пропускання та відбиття плівки демонструють періодичні коливання, які викликані особливістю підкладки. Спектральна залежність оптичного поглинання плівок Cd0.96Mn0.04Te у координатах (αhv) 2 – hv демонструє наявність основної грані поглинання. Найменше значення ширини забороненої зони для плівки Cd0.96Mn0.04Te становить 1,465 еВ і характеризується прямим міжзонним оптичним переходом. В рамках методу псевдопотенціалу теоретично вивчається динаміка зміни параметрів електронної підсистеми Cd1 – xMnxTe. З використанням співвідношень Крамерса-Кроніга отримані діелектрична проникність, спектр відбиття та спектральна залежність показника заломлення. Теоретичні та експериментальні результати задовільно корелюють між собою.

CdTe thin films are representatives of AIIBVI crystal group and show semiconductor behavior. They are an important research field because of their wide applications in various fields of optoelectronic devices. A better opportunity to manage in a wide energy range the band gap Eg for practical applications exists with varying the content of CdTe-MnTe (from Eg = 1.46 eV for CdTe to Eg = 3.1 eV for MnTe). The titled compounds may be considered as a particular class of binary semiconducting compounds possessing promising optical parameters. Cd1 – xMnxTe films were prepared on mica substrates by closed-space sublimation of polycrystalline Cd0.88Mn0.12Te powders. X-ray diffraction studies revealed that the as-deposited films had a zinc blende structure with a preferential (111), (222) (333) and (444) orientations. Included Mn components cause the increase in the lattice parameters (compared with parent compound CdTe/mica). From EDS analysis it was observed that composition of the film was Cd0.96Mn0.04Te. The lattice parameter was refined by X-ray diffraction: a = 0.6485(3) nm and V = 0.2727(3) nm3. Results of study of transmission and reflection spectra of the Cd0.96Mn0.04Te films-substrate combinations are present. The transmission and reflection spectra of the films exhibit periodic oscillations associated with the substrate. The spectral dependence of the optical absorption of Cd0.96Mn0.04Te films in the (αhv) 2 – hv coordinates demonstrates the presence of the fundamental absorption edge. The value of the optical band gap of the Cd0.96Mn0.04Te films was found to be equal to 1.465 eV and formed by direct interband optical transitions. Within the framework of the pseudopotential method, the dynamics of changing the parameters of the electronic subsystem of the Cd1 – xMnxTe is theoretically studied. Using the Kramers-Kronig relations, the dielectric permeability, reflective index and reflectivity spectra that satisfactorily correlate with the experimental data are obtained.