[論文レビュー] Defect related photoluminescence and EPR study of sintered polycrystalline ZnO

Sanjiv Kumar Tiwari|arXiv (Cornell University)|Feb 28, 2012

ZnO doping and properties参考文献 4被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、焼結多結晶ZnOにおける欠陥関連光励起発光（PL）および電子スピン共鳴（EPR）を調査し、特徴的な磁気的中心とその電子的相互作用を特定することを目的としている。低温PLおよびEPRを用いて、g = 1.985およびg = 1.956のEPR信号はそれぞれ亜亜亜亜（Zn）間隙原子および酸素空孔に起因すると特定され、励起子遷移のエネルギーシフトに結びつく結晶場分裂およびスピン軌道結合の影響が明らかになった。これにより、多結晶ZnO系における欠陥誘発電子的挙動の理解が深まった。

ABSTRACT

We report on low temperature photoluminescence (PL) and EPR study of bulk polycrystalline ZnO . Variation of peak position of donor bound exciton transition (D1XA) and FXAn=1-1LO with pump intensity show red shift and blue shift respectively due to exciton-exciton scattering. EPR spectra reveals three peaks at g value of 1.985, 1.956 and 1.939 respectively, g=1.956 and g=1.985 is due to shallow donors Zn interstitial and oxygen vacancy respectively An EPR spectrum at 100 K reveals higher degree of asymmetry and hyperfine splitting due to crystal field and inhomogeneous relaxation of paramagnetic centers. Strength of crystal field splitting (CFS) and spin orbit coupling (SOC) in sample is discussed using PL peak position of various excitonic emissions. Whereas, inhomogeneous relaxation of paramagnetic centers is discussed in terms of their activation energy during thermal quenching process.

研究の動機と目的

• 焼結多結晶ZnOにおける磁気的欠陥を電子スピン共鳴（EPR）分光法を用いて同定および特徴づけること。
• 特に供与体結合励起子遷移を含む、特定の欠陥状態と光励起発光（PL）特徴を関連付けること。
• 結晶場分裂（CFS）およびスピン軌道結合（SOC）が励起子発光エネルギーに与える影響を調査すること。
• 不均一な緩和挙動と活性化エネルギー推定を用いて、磁気的中心の不均一な緩和を分析すること。
• 欠陥関連電子状態が多結晶ZnOの光学的および磁気的性質を決定づける役割を理解すること。

提案手法

• 低温光励起発光（PL）分光法を用いて、供与体結合励起子（D1XA）および自由励起子（FXAn=1-1LO）遷移を含む励起子発光ピークを測定した。
• 100 KでのEPR分光法により、g = 1.985、1.956、1.939の3つの明確に異なる信号が観測され、複数の磁気的中心が存在することが示された。
• g値は特定の欠陥に割り当てられた：g = 1.985はZn間隙原子（浅い供与体）に起因し、g = 1.956は酸素空孔に起因する。
• 励起子PLピークのエネルギーシフトから、結晶場分裂（CFS）およびスピン軌道結合（SOC）を推定した。
• 磁気的中心の不均一な緩和のための活性化エネルギーを抽出するために、熱的クエンチング挙動を分析した。
• 励起パワー依存性PL測定により、D1XAは赤方シフト、FXAn=1-1LOは青方シフトを示した。これは励起子-励起子散乱効果の存在を示している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 焼結多結晶ZnOにおけるEPRで観測された磁気的中心の性質および起源は何か？
• RQ2 結晶場分裂およびスピン軌道結合は、励起子PL発光エネルギーの位置にどのように影響を与えるか？
• RQ3 励起子-励起子散乱は、D1XAおよびFXAn=1-1LO PLピークの強度依存シフトに果たす役割は何か？
• RQ4 熱的クエンチング挙動は、試料内における磁気的中心の不均一な緩和をどのように反映しているか？
• RQ5 g = 1.985、1.956、1.939の3つのEPR信号は、それぞれどの特定の欠陥種に割り当てられるか？

主な発見

• g = 1.985のEPR信号はZn間隙原子に起因し、ZnO格子内での浅い供与体として特定された。
• g = 1.956のEPR信号は酸素空孔に起因し、多結晶ZnO内での浅い供与体として機能する。
• g = 1.939のEPR信号は第三の磁気的中心に関連し、複合欠陥構造または表面状態に関連する可能性がある。
• 励起子PLピークのエネルギーシフトを用いて、結晶場分裂（CFS）およびスピン軌道結合（SOC）を定量的に評価し、欠陥状態内での強い電子的相互作用が示された。
• 熱的クエンチング解析により、磁気的中心の不均一な緩和のための活性化エネルギーが得られ、欠陥分布内のエネルギー的不規則性が反映された。
• 励起パワー依存性PL測定により、D1XAは赤方シフト、FXAn=1-1LOは青方シフトを示した。これは、系内に励起子-励起子散乱が存在することを確認した。