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 примесного поглощения с пороговой энергией 2.1 eV, которая трактовалась многими авторами как результат перехода с донорного уровня 4 5 dd иона 2 Mn в зону проводимости. В данной работе представлены результаты исследования спектров поглощения и сигналов фото-ЭПР в гидротермальных монокристаллах ZnO:Mn (концентрация марганца 19 10*7.1 3 cm ). В спектрах поглощения при температурах 77.3 K и 4.2 K для  (  CE ) - и  ( CE ) – поляризаций света впервые обнаружено несколько линий различной интенсивности в диапазоне энергий 1.877 – 1.936 eV [1]. Линии отстоят приблизительно на 200 meV от края полосы примесного поглощения. Наиболее интенсивные узкие линии  a и  a при  2.4 KT наблюдаются при энергиях 1.883 и 1.877 eV соответственно. Эти и следующие за ними линии  b и  b при  3.77 KT уширяются и ослабляются, а линии  c ,  c , d и d при такой температуре практически не видны. Было исследовано влияние подсветки на парамагнитный резонанс (фото-ЭПР) центров 2 Mn в монокристаллах ZnO:Mn при температуре 120 K на частоте 9400 MHz. При подсветке в полосу примесного поглощения свет проникал на всю глубину образца и все ионы 2 Mn находились в поле излучения. Интенсивности сигналов ЭПР центров 2 Mn при подсветке в пределах экспериментальной погрешности оставались постоянными. Данные фотоЭПР совместно с полученными данными по измерению магнитной восприимчивости позволяют утверждать, что исследуемые образцы представляют собой практически идеальный диэлектрик с изолированными ионами 2 Mn , в запрещённой щели которого нет уровня 4 5 dd . Этот уровень лежит в валентной зоне, а в запрещённую щель выталкиваются антисвязывающие состояния, возникающие за счет гибридизации 3d - орбиталей иона 2 Mn с p - орбиталями ближайших ионов кислорода 2 O . Узкие линии, обнаруженные нами в спектрах оптического поглощения монокристаллов 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:Mn открывают возможности для детального изучения гибридизованных состояний. Именно переходы электронов под влиянием света с этих состояний в зону проводимости формируют полосу примесного поглощения в ZnO:Mn.