[논문]<tex> $Zn_{4}SnSe_{6}$</tex> 및 <tex> $Zn_{4}SnSe_{6}:Co^{2+}$</tex> 단결정에서 광학적 에너지 띠 및 열역학적 함수의 온도의존성 연구

김덕태; 김남오; 최영일; 김병철; 김형곤; 현승철; 김병인; 송찬일

[국내논문] $Zn_{4}SnSe_{6}$ 및 $Zn_{4}SnSe_{6}:Co^{2+}$ 단결정에서 광학적 에너지 띠 및 열역학적 함수의 온도의존성 연구
Temperature dependence of optical energy gaps and thermodynamic function of $Zn_{4}SnSe_{6}$ and $Zn_{4}SnSe_{6}:Co^{2+}$ single crystals 원문보기

김덕태 (동아인재대학) , 김남오 (조선이공대학) , 최영일 (조선이공대학) , 김병철 (조선이공대학) , 김형곤 (조선이공대학) , 현승철 (성화대학) , 김병인 (송원대학) , 송찬일 (조선대공과대학)

The ternary semiconducting compounds of the $A_{4}BX_{6}$(A=Cd, Zn, Hg; B=Si, Sn, Ge; X=S, Se, Te) type exhibit strong fluorescence and high photosensitivity in the visible and near infrared ranges, so these are supposed to be materials applicable to photoelectrical devices. These materials were synthesized and single crystals were first grown by Nitsche, who identified the crystal structure of the single crystals. In this paper. author describe the undoped and $Co^{2+}$-doped $Zn_{4}SnSe_{6}$ single crystals were grown by the chemical transport reaction(CTR) method using iodine of $6mg/cm^{3}$ as a transport agent. For the crystal. growth, the temperature gradient of the CTR furnace was kep at $700^{\circ}C$ for the source aone and at $820^{\circ}C$ for the growth zone for 7-days. It was found from the analysis of x-ray diffraction that undoped and $Co^{2+}$-doped $Zn_{4}SnSe_{6}$ compounds have a monoclinic structure. The optical absorption spectra obtained near the fundamental absorption edge showed that these compounds have a direct energy gaps. These temperature dependence of the optical energy gap were closely investigated over the temperature range 10[K]~300[K]

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문제 정의

그러나 균일한 조성을 갖는양질이 단결정 성장이 어렵기 때문에 많은 연구가 이루어지지 못하고 있다. 본 연구에서는 血4SnSee 단결정 및 cobalt 를 첨가한 血 4SnSe6:Co” (0.5mole%) 단결정의 광학적 특성 규명을 위한 기초 연구의 하나로 ZmSnSes 빛 ZmSnSeKC(户 (0.5mole%) 단결정에서 에너지 띠의 온도의존성을 규명하기 위해서 단결정을 화학수송법(CTR)으로 성장시키고 , X-ray 회절분 석으로부터 결정구조를 밝혀내고, 광흡수 특성과 광학적 에너지 띠 간격및 이형적 온도의존성을 규명하였으며 이로부터 기초적 열역학함수를 추정하였다.

제안 방법

ZmSnSee 및 Zn4SnSee:Co2*(0.5mole%) 단결정을 성장시키기 위해서 투명 석영관을 HF에 24시간 동안 유지시킨 후, 증류수로 깨끗이 세척된 두께 2硕><직경 IOjujX길이 400顾의 석영관 한쪽 끝을 봉입후 석영관 내부의 잔류 불순물을 제거하기 위하여 석영관 내부를 2 X loVtorr 의 진공으로 배기 시키면서 석영관 외벽에 약 WOO I 정도의 열을 가하여 내부의 유기물질을 제거하였다. 이와 같이 깨끗하게 세척된 성장용 투명석영관내에 고순도(99.
. 또한 광학적인 방법에 의한 에네지 띠 간격의 온도의존성으로부터 열역학적 함수인 entropy(Scv), heat capacity(Hcv), enthalpy(Ccv)값을 각각 추정하였다.
2网)을 이용하여 두께 250~500 姻까지 연마하였으며 광투과 창이 있는 원형 구리판에 부착하여 제작하였다. 에너지 며 간격의 온도 의존성을 구하기 위하여 기초흡수단 부근에서의 광흄수 스펙트럼을 저온장치 (Air Products, SH-4)를 부착한 UV-VIS-NIR spectrophotometer (Hitachi, U-3501) 를 사용하여 기 초흡수단 부근인 450 ~ 650 硕 의 파장 영 역에서 측정하였다. 이때 측정 온도는 10K~300K까지 변화시켰다.
5mole%) 단결정을 성장시키기 위해서 투명 석영관을 HF에 24시간 동안 유지시킨 후, 증류수로 깨끗이 세척된 두께 2硕><직경 IOjujX길이 400顾의 석영관 한쪽 끝을 봉입후 석영관 내부의 잔류 불순물을 제거하기 위하여 석영관 내부를 2 X loVtorr 의 진공으로 배기 시키면서 석영관 외벽에 약 WOO I 정도의 열을 가하여 내부의 유기물질을 제거하였다. 이와 같이 깨끗하게 세척된 성장용 투명석영관내에 고순도(99.9999%)의 Zn, Sn, Se를 화학당량비에 맞추어 칭량한 후, 준비된 석영관 안에 넣고, 수송물질로 사용된 iodinM순도 99.99%)과 함께 석영관 내부의 진공을 의 진공으로 봉입하여 길이가 150mii정도의 단결정 성장용 ampoule을 만들었다. 이때 수송물질로 사용되는 iodine의 양은 성장된 단결정의 질과 단결정 성장속도에 크게 영향을 끼친다.

대상 데이터

얻은 X선 회절무늬를 JCPDS카드에서 주어진 결정면의 간격과 피크 세기와 비교하여 측정된 회절무늬의 결정면들을 조사하고, Nelson-Rilley의 관계식[8]올 이용하여 격자상수 값을 주하였다. 광흉수 특성 측정용 시편은 성장된 단결정 자연면의 배면을 광학천 위에서 A12O₃분말(0.2网)을 이용하여 두께 250~500 姻까지 연마하였으며 광투과 창이 있는 원형 구리판에 부착하여 제작하였다. 에너지 며 간격의 온도 의존성을 구하기 위하여 기초흡수단 부근에서의 광흄수 스펙트럼을 저온장치 (Air Products, SH-4)를 부착한 UV-VIS-NIR spectrophotometer (Hitachi, U-3501) 를 사용하여 기 초흡수단 부근인 450 ~ 650 硕 의 파장 영 역에서 측정하였다.
이때 수송물질로 사용되는 iodine의 양은 성장된 단결정의 질과 단결정 성장속도에 크게 영향을 끼친다. 본 연구에서는 6mg/crf의 iodine올 사용하였다. 진공 봉입된 ampoule을 성장용 two-zone 수평전기로의 중앙부분에 넣고, lOOTTh 의 속도로 600 匸 까지 숭온시켜 24시간동안 유지하여, selenium 중기압의 급격한 중가와 금속과 selenium의 합성시 나타나는 반열반옹으로 인한 ampoule파괴를 방지하였으며, 다시 lOOP/h의 속도로 1000 10 까지 숭온시킨 후 48 시간 동안 합성한 후: 온도반전법[기으로 단결정 성장부를 깨끗이 처리하기 위하여 시료 중발부의 온도를 600 V, 결정 성장부의 온도를 800 C로 하여 다시 24 시간동안 유지하였다" 결정 성장부의 잔류불순물을 깨꿋이 제거 한' 후, 단결정을 성장시키기 위하여 시료증발부의 온도는 7航乙 성장부의 온도는 680 ■C 로 하여 7일간 성장시켰다.

성능/효과

그림 6에 보여주고 있다. 상온으로 갈수록 증가율이 일반적인 반도체 경우와 같이 감소하고 있으며 entropy값은 1(尸#μ估정도의 차원임을 확인할 수 있었다.

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