Природа энергетических состояний в запрещённой щели оксида цинка, легированного марганцем / Груздев Н.Б., Соколов В.И., Важенин В.А., Фокин А.В., Королёв А.В., Меньшенин В.В.

В спектрах оптического поглощения ZnO:Mn давно наблюдается широкая полоса примесногопоглощения с пороговой энергией 2.1 eV, которая трактовалась многими авторами как результатперехода с донорного уровня4 5 dd иона 2 Mn в зону проводимости. В данной работе представленырезультаты исследования спектров поглощения и сигналов фото-ЭПР в гидротермальныхмонокристаллах ZnO:Mn (концентрация марганца 19 10*7.1 3cm ). В спектрах поглощения притемпературах 77.3 K и 4.2 K для ( CE ) - и ( CE ) –поляризаций света впервые обнаружено несколько линийразличной интенсивности в диапазоне энергий 1.877 –1.936 eV [1]. Линии отстоят приблизительно на 200 meV от края полосы примесного поглощения. Наиболееинтенсивные узкие линии a и a при 2.4 KTнаблюдаются при энергиях 1.883 и 1.877 eVсоответственно. Эти и следующие за ними линии b и bпри 3.77 KT уширяются и ослабляются, а линии c , c, d и d при такой температуре практически не видны.Было исследовано влияние подсветки напарамагнитный резонанс (фото-ЭПР) центров 2 Mn вмонокристаллах ZnO:Mn при температуре 120 K начастоте 9400 MHz. При подсветке в полосу примесного поглощения свет проникал на всю глубинуобразца и все ионы 2 Mn находились в поле излучения. Интенсивности сигналов ЭПР центров 2 Mnпри подсветке в пределах экспериментальной погрешности оставались постоянными. Данные фотоЭПР совместно с полученными данными по измерению магнитной восприимчивости позволяютутверждать, что исследуемые образцы представляют собой практически идеальный диэлектрик сизолированными ионами 2 Mn , в запрещённой щели которого нет уровня4 5 dd . Этот уровеньлежит в валентной зоне, а в запрещённую щель выталкиваются антисвязывающие состояния,возникающие за счет гибридизации 3d - орбиталей иона 2 Mn с p - орбиталями ближайших ионовкислорода 2 O . Узкие линии, обнаруженные нами в спектрах оптического поглощениямонокристаллов ZnO:Mn являются проявлением экситонов донорного типа ])[( 15 epd ,возникающих в результате кулоновского связывания свободного s -электрона и дырки,локализованной на )( 5 pd гибридизованных орбиталях. Обнаруженные новые линии в ZnO:Mnоткрывают возможности для детального изучения гибридизованных состояний. Именно переходыэлектронов под влиянием света с этих состояний в зону проводимости формируют полосупримесного поглощения в ZnO:Mn.