氮化镓低温高压光谱研究
发布时间：2021-03-20 12:00
本工作采用自主设计的低温高压装置,在77 K的低温条件下对纤锌矿型GaN进行了高压拉曼光谱、高压光致发光（PL）光谱以及第一性原理计算研究。拉曼光谱数据表明GaN的拉曼振动模在77 K下发生蓝移约5 cm-1,但由温度引起的蓝移现象随压强的增加逐渐消失。PL光谱测量得到GaN在77 K常压下带隙为3.470 eV,并且随着压力增加带隙增大。采用第一性原理杂化泛函HSE方法,得到了同样的变化趋势。GaN的激子(ΓBX)特征峰能量随着压强的增加而增加,拟合得到77 K的条件下激子能量随压强变化关系为:E（P）=3.470+2.89×10-2P+1.1×10-3P2 eV。
【文章来源】：光散射学报. 2020,32(03)
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
(a)低温高压装置图;(b)低温高压原位测量系统
纤锌矿结构的GaN,布里渊区中心有6个拉曼活性振动模,可表示为Γ=A1(TO)+A1(LO)+E1(TO)+E1(LO)+E2(low)+E2(high)。由于某些拉曼振动模在低温下振动强度相对较弱,因此我们的实验只观察到A1(TO)、A1(LO)、E1(TO)和E2(high)这4个拉曼活性振动。关于六方GaN的拉曼振动模认定已经有了广泛的研究[31-33]。图2(a)给出了六方GaN在77 K不同压强下的拉曼光谱图以及各振动模的原子振动方式。在77 K低压时,A1(TO)、E1(TO)、E2(high)和A1(LO)的拉曼峰值分别为539 cm-1,564.4 cm-1,573.6 cm-1,752 cm-1。随着压强增加,GaN的拉曼峰逐渐向高波数方向移动。为了进一步分析不同压强下温度对GaN声子振动模的影响,本工作分别研究了77 K和297 K下A1(TO)、E1(TO)、E2(high)和A1(LO)随压强的变化趋势。如图2(b)所示,在低压的条件下,相比于297 K,GaN的拉曼峰在77 K下蓝移约5 cm-1。这是由于温度的降低加强了声子的非简谐振动和声子间的非简谐耦合作用,根据简谐振动的频率(ν)与恢复力系数(β)的关系,ν∝β 1 /2,随着温度降低,恢复力系数也会增加,反映晶格振动频率的拉曼峰向高波数方向移动,即发生蓝移现象。但是,随着压强的增加,两个温度下的拉曼峰逐渐靠拢;由温度引起的蓝移现象在较高压强条件下基本消失。这可能由于高压条件下,压强对晶格振动的影响比温度对晶格热振动的影响更加显著。3.2 低温高压PL光谱研究
图3(a)给出了本工作GaN在77 K各压强下的典型PL光谱图,在77 K时,本工作的PL数据与Xu等人[36]的工作较符合。在77 K下,随着压强的增加,PL谱图特征峰能量逐渐增大。这是因为在压强的作用下,GaN的原子间距减小,原子之间的相互作用力增强,价电子摆脱价键的束缚变成自由电子所需能量增加,因此Eg变大,激子辐射能量增加。对于GaN,其物理压强对Eg的作用效果与部分其他金属取代Ga原子所形成的金属氮化物如InN(Eg为1.97 eV)、AlN(Eg为6.026eV)[37]有相似效果。在不改变物理压强的前提下,通过掺杂不同比例的其他金属,调控其“化学预压”,从而达到与物理压强相同的效果,进而调控多元体系禁带宽度。此外,PL谱图中每个压强下都有一个尖锐、强度较大的峰和其他强度较弱,峰型宽化的鼓包,这是由各种激子复合作用而成的。对比Xu等人[36]和Shan等人[21]的工作,本工作将最右边的峰位认定为束缚激子ΓBX。为了进一步研究ΓBX与Eg之间的变化趋势,在图3(b)中给出了0～8 GPa下ΓBX和HSE计算的Eg值并与前人的工作[21,38]进行了对比。由于系统He-Cd激光(325 nm)的激励能量为3.81 eV,当压强大于7.5 GPa时,信号峰会超出观测范围。从图3(b)可以看到,HSE计算出的Eg值虽然比实验低一些,但和ΓBX都在随着压强的增加而增加。在静水压压强下,半导体的自由激子或浅束缚激子的辐射衰减发射线和带隙以相同的速率移动。电子停留在导带边缘或与导带边缘相关的浅施主态轨道上,并且束缚在库仑场中的激子空穴拥有价带边缘对称性 [21]。因此图中ΓBX与GaN吸收边确定的带隙(Eg)有相同的压强依赖性。由于温度升高,GaN峰位会出现红移现象,该工作测试温度(77 K)比前人的工作(7 K)略高,因此本工作所得峰位值比前人的略低。表1 使用方程E(P)=E(0)+αP+βP2 拟合的六方GaN的PL峰能量和压强系数。E(0)为零压下的特征峰的能量,α为一阶压强系数dE/dP、β为二阶压强系数d2E/dP2Table.1 Energy and pressure coefficients of the PL peaks of the hexagonal GaN using the quadratic relation E(P)=E(0）+αP+βP2,where E(0)is the zero-pressure energy，αandβare the first-order and the second-order pressure coefficients,respectively Peak E(0)(eV) α(meV/GPa) β(meV/GPa2) Ref ΓBX(77 K) 3.470(10) 28.9(70) 1.1(10) This work Eg(HSE) 2.869(10) 44.2(56) -1.39(1) This work D0X (7 K) 3.470(1) 43.7(2) Ref.38 ΓBX (10 K) 3.4808 38.6 -0.8 Ref.21 I2 (10 K) 3.473(3) 41.5(15) -0.3(2) Ref.22
【参考文献】：
期刊论文
[1]立方聚合氮（cg-N）的高压低温拉曼光谱研究[J]. 刘珊,蒲梅芳,张峰,雷力. 光散射学报. 2019(03)
[2]立方聚合氮（cg-N）的高温高压合成[J]. 雷力,蒲梅芳,冯雷豪,戚磊,张雷雷. 高压物理学报. 2018(02)
[3]高压下Al0.86Ga0.14N半导体合金“双模”拉曼声子行为研究[J]. 张雷雷,雷力,胡启威,冯雷豪,戚磊,蒲梅芳. 高压物理学报. 2017(05)
本文编号：3090966
【文章来源】：光散射学报. 2020,32(03)
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
(a)低温高压装置图;(b)低温高压原位测量系统
纤锌矿结构的GaN,布里渊区中心有6个拉曼活性振动模,可表示为Γ=A1(TO)+A1(LO)+E1(TO)+E1(LO)+E2(low)+E2(high)。由于某些拉曼振动模在低温下振动强度相对较弱,因此我们的实验只观察到A1(TO)、A1(LO)、E1(TO)和E2(high)这4个拉曼活性振动。关于六方GaN的拉曼振动模认定已经有了广泛的研究[31-33]。图2(a)给出了六方GaN在77 K不同压强下的拉曼光谱图以及各振动模的原子振动方式。在77 K低压时,A1(TO)、E1(TO)、E2(high)和A1(LO)的拉曼峰值分别为539 cm-1,564.4 cm-1,573.6 cm-1,752 cm-1。随着压强增加,GaN的拉曼峰逐渐向高波数方向移动。为了进一步分析不同压强下温度对GaN声子振动模的影响,本工作分别研究了77 K和297 K下A1(TO)、E1(TO)、E2(high)和A1(LO)随压强的变化趋势。如图2(b)所示,在低压的条件下,相比于297 K,GaN的拉曼峰在77 K下蓝移约5 cm-1。这是由于温度的降低加强了声子的非简谐振动和声子间的非简谐耦合作用,根据简谐振动的频率(ν)与恢复力系数(β)的关系,ν∝β 1 /2,随着温度降低,恢复力系数也会增加,反映晶格振动频率的拉曼峰向高波数方向移动,即发生蓝移现象。但是,随着压强的增加,两个温度下的拉曼峰逐渐靠拢;由温度引起的蓝移现象在较高压强条件下基本消失。这可能由于高压条件下,压强对晶格振动的影响比温度对晶格热振动的影响更加显著。3.2 低温高压PL光谱研究
图3(a)给出了本工作GaN在77 K各压强下的典型PL光谱图,在77 K时,本工作的PL数据与Xu等人[36]的工作较符合。在77 K下,随着压强的增加,PL谱图特征峰能量逐渐增大。这是因为在压强的作用下,GaN的原子间距减小,原子之间的相互作用力增强,价电子摆脱价键的束缚变成自由电子所需能量增加,因此Eg变大,激子辐射能量增加。对于GaN,其物理压强对Eg的作用效果与部分其他金属取代Ga原子所形成的金属氮化物如InN(Eg为1.97 eV)、AlN(Eg为6.026eV)[37]有相似效果。在不改变物理压强的前提下,通过掺杂不同比例的其他金属,调控其“化学预压”,从而达到与物理压强相同的效果,进而调控多元体系禁带宽度。此外,PL谱图中每个压强下都有一个尖锐、强度较大的峰和其他强度较弱,峰型宽化的鼓包,这是由各种激子复合作用而成的。对比Xu等人[36]和Shan等人[21]的工作,本工作将最右边的峰位认定为束缚激子ΓBX。为了进一步研究ΓBX与Eg之间的变化趋势,在图3(b)中给出了0～8 GPa下ΓBX和HSE计算的Eg值并与前人的工作[21,38]进行了对比。由于系统He-Cd激光(325 nm)的激励能量为3.81 eV,当压强大于7.5 GPa时,信号峰会超出观测范围。从图3(b)可以看到,HSE计算出的Eg值虽然比实验低一些,但和ΓBX都在随着压强的增加而增加。在静水压压强下,半导体的自由激子或浅束缚激子的辐射衰减发射线和带隙以相同的速率移动。电子停留在导带边缘或与导带边缘相关的浅施主态轨道上,并且束缚在库仑场中的激子空穴拥有价带边缘对称性 [21]。因此图中ΓBX与GaN吸收边确定的带隙(Eg)有相同的压强依赖性。由于温度升高,GaN峰位会出现红移现象,该工作测试温度(77 K)比前人的工作(7 K)略高,因此本工作所得峰位值比前人的略低。表1 使用方程E(P)=E(0)+αP+βP2 拟合的六方GaN的PL峰能量和压强系数。E(0)为零压下的特征峰的能量,α为一阶压强系数dE/dP、β为二阶压强系数d2E/dP2Table.1 Energy and pressure coefficients of the PL peaks of the hexagonal GaN using the quadratic relation E(P)=E(0）+αP+βP2,where E(0)is the zero-pressure energy，αandβare the first-order and the second-order pressure coefficients,respectively Peak E(0)(eV) α(meV/GPa) β(meV/GPa2) Ref ΓBX(77 K) 3.470(10) 28.9(70) 1.1(10) This work Eg(HSE) 2.869(10) 44.2(56) -1.39(1) This work D0X (7 K) 3.470(1) 43.7(2) Ref.38 ΓBX (10 K) 3.4808 38.6 -0.8 Ref.21 I2 (10 K) 3.473(3) 41.5(15) -0.3(2) Ref.22
【参考文献】：
期刊论文
[1]立方聚合氮（cg-N）的高压低温拉曼光谱研究[J]. 刘珊,蒲梅芳,张峰,雷力. 光散射学报. 2019(03)
[2]立方聚合氮（cg-N）的高温高压合成[J]. 雷力,蒲梅芳,冯雷豪,戚磊,张雷雷. 高压物理学报. 2018(02)
[3]高压下Al0.86Ga0.14N半导体合金“双模”拉曼声子行为研究[J]. 张雷雷,雷力,胡启威,冯雷豪,戚磊,蒲梅芳. 高压物理学报. 2017(05)
本文编号：3090966
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