Соединения типа AIIBVI

Соединения типа AII–BVI (ZnS, CdTe, HgSe, ZnO и др.) образованы элементами II группы периодической системы (Zn, Cd, Hg) и элементами VI группы (S, Se, Te, O). Они характеризуются смешанным ковалентно-ионным типом химической связи, где роль ионной компоненты существенно возрастает по мере увеличения электроотрицательности аниона. В отличие от соединений типа AIIIBV, здесь анион обладает более высокой электроотрицательностью, что определяет выраженный ионный характер связи, а следовательно — и ряд уникальных физических свойств.

Кристаллическая структура этих соединений, как правило, реализуется в двух типах решёток:

  • сфалерит (кубическая) — характерна для ZnS, CdSe, CdTe;
  • вюрцит (гексагональная) — встречается у ZnO, частично у CdS;
  • структуры типа NaCl (кубическая гранецентрированная) — реализуются при высоких давлениях или температурах, особенно для HgS, PbS и подобных соединений.

Координационное число в структурах сфалерита и вюрцита равно 4, что указывает на тетраэдрическое окружение атомов. В NaCl-подобных структурах оно равно 6, что связано с более высоким ионным характером связи.

Энергетическая зонная структура

Соединения AII–BVI относятся к полупроводникам с прямой или непрямой запрещённой зоной. Ширина запрещённой зоны изменяется в широком диапазоне:

  • широкозонные полупроводники: ZnO (~3,3 эВ), ZnS (~3,7 эВ) — прозрачны в видимой области, используются в оптоэлектронике и лазерной технике;
  • среднезонные: CdS (~2,4 эВ), CdSe (~1,7 эВ);
  • узкозонные: HgTe (почти нулевая ширина зоны), HgSe, которые в нормальных условиях могут проявлять металлические свойства.

Особое значение имеют твердые растворы на основе этих соединений. Так, сплав CdTe–HgTe образует основу для детекторов инфракрасного излучения, так как позволяет плавно варьировать ширину запрещённой зоны в диапазоне от ~1,5 до 0 эВ.

Оптические свойства

Одним из важнейших свойств соединений AII–BVI является их высокая прозрачность в широких спектральных диапазонах — от ультрафиолета (ZnO, ZnS) до дальнего инфракрасного (HgCdTe).

  • Фотолюминесценция особенно ярко выражена у ZnS и CdS, что сделало их основными материалами для люминофоров и квантовых точек.
  • Нелинейные оптические эффекты в этих материалах позволяют использовать их в лазерной технике.
  • Экситонные эффекты в ZnO и CdS заметны даже при комнатной температуре, что связано с высокой энергией связи экситона (более 50 мэВ).

Электрические свойства и дефектная структура

Электропроводность соединений AII–BVI чувствительна к дефектам кристаллической решётки. В большинстве случаев собственная проводимость носит n-тип, что связано с избытком атомов металла и наличием вакансий по анионной подрешётке.

  • Для CdTe характерно p-легирование с помощью примесей меди, натрия или арсена, что позволяет создавать p–n переходы.
  • ZnO трудно легировать по p-типу, что ограничивает использование этого материала в качестве базы для гетероструктур.
  • HgCdTe является особым случаем: его электрические свойства определяются как составом, так и распределением вакансий ртути.

Фононные свойства и теплопроводность

Ионный характер связи в этих соединениях обусловливает наличие выраженной полярной оптической ветви фононного спектра. Это приводит к сильному взаимодействию носителей заряда с фононами, что определяет низкую подвижность электронов в сравнении с элементарными полупроводниками (Si, Ge).

Теплопроводность у ZnS и ZnO относительно высока, что связано с прочностью кристаллической решётки. В CdTe и особенно HgCdTe она значительно ниже, что ограничивает работу приборов на их основе при высоких мощностях.

Прикладное значение

Соединения AII–BVI представляют собой важнейший класс полупроводников, находящих применение в самых разных областях:

  • Оптоэлектроника: фотоприёмники, лазеры, светодиоды.
  • Солнечная энергетика: CdTe является одним из ключевых материалов для тонкоплёночных солнечных элементов.
  • Инфракрасная техника: твердые растворы HgCdTe позволяют создавать высокочувствительные матричные детекторы ИК-излучения, применяемые в тепловизорах и космических приборах.
  • Люминофоры и дисплеи: ZnS и CdS используются как люминесцентные материалы в экранах и источниках света.
  • Квантовые точки: нанокристаллы CdSe, CdTe, ZnS находят применение в биомедицинской визуализации и нанофотонике.

Особые случаи и новые направления исследований

  • Топологические изоляторы: HgTe в виде тонких плёнок на CdTe является одним из первых экспериментально реализованных топологических изоляторов.
  • Дефектная инженерия: управление концентрацией вакансий и межузельных атомов позволяет тонко регулировать проводимость и оптические свойства.
  • Гетероструктуры и сверхрешётки: комбинации CdTe/HgTe или ZnO/ZnS дают новые возможности в проектировании оптоэлектронных приборов.
  • Наноструктуры: квантовые точки, нанопроволоки и тонкие плёнки из AII–BVI демонстрируют эффекты размерного квантования, что расширяет спектр их применения в современной наноэлектронике.
Оглавление