Vibrational dynamics in semiconductor compounds and alloys

Eckner, Stefanie GND

In this work, the binary III-V semiconductors GaP, GaAs, GaSb, InP, InAs, und InSb, and the ternary alloys (In,Ga)P and (In,Ga)As were studied using temperature dependent extended x-ray absorption fine structure spectroscopy (EXAFS) measurements. In the alloy systems, the element-specific effective bond-stretching force constants were determined as a function of composition. To broaden the fundament of the conclusions, literature values of the ternary II-VI alloy Zn(Se,Te) were incorporated in the discussion. Different trends with composition are visible for (In,Ga)P on the one hand and (In,Ga)As and Zn(Se,Te) on the other hand. Strikingly, most of the six bond species under study (Ga-P, In-P, Ga-As, In-As, Zn-Se, and Zn-Te) exhibit the same relative change in bond-stretching force constant as a function of the relative change in bond length. Additionally, exactly the same relation is known from the literature as describing pressure-dependent EXAFS measurements of CdTe. The composition-dependent change of bond-stretching force constants in ternary zinc-blende semiconductor alloys is therefore caused mainly by the forced bond length change occurring in these materials. In addition to the bond-stretching force constants, effective bond-bending force constants were determined for the binary materials. Either type of force constants can be described as a function of ionicity and reduced mass of the interatomic bond. In the analysis great care has been taken to properly assess the uncertainties of the results. The comprehensive testing scenarios required to do this, also enable a general evaluation of the potential of the determination of bond force constants from temperature-dependent EXAFS measurements.

In dieser Arbeit wurden die binären III-V-Halbleiter GaP, GaAs, GaSb, InP, InAs, und InSb, sowie die ternären Mischverbindungen (In,Ga)P und (In,Ga)As mithilfe temperaturabhängiger EXAFS-Messungen untersucht. Für die Mischverbindungen wurden die elementspezifischen effektiven Kraftkonstanten für das Strecken und Stauchen der Bindungen als Funktion der Komposition bestimmt. In die Diskussion der Ergebnisse wurden zusätzlich Literaturwerte der II-VI-Mischverbindung Zn(Se,Te) einbezogen. Es ergeben sich unterschiedliche Kompositionsabhängigkeiten für (In,Ga)P auf der einen und (In,Ga)As und Zn(Se,Te) auf der anderen Seite. Interessanterweise zeigen die meisten der sechs untersuchten Bindungsarten (Ga-P, In-P, Ga-As, In-As, Zn-Se, und Zn-Te) die gleiche relative Änderung der Kraftkonstanten als Funktion der relativen Bindungslängenänderung. Darüber hinaus stimmt dieser Verlauf mit den Literaturergebnissen einer druckabhängigen EXAFS-Untersuchung an CdTe überein. Es konnte damit gezeigt werden, dass die Kompositionsabhängigkeit der elementspezifischen effektiven Kraftkonstanten für das Strecken und Stauchen der Bindungen in ternären Mischverbindungen mit Zinkblende-Struktur hauptsächlich durch die erzwungene Bindungslängenänderung hervorgerufen wird. Für die binären Materialien wurden neben der effektiven Kraftkonstante für das Strecken und Stauchen der Bindung auch die effektive Kraftkonstante für die Änderung der Bindungswinkel ermittelt. Beide Kraftkonstanten lassen sich durch jeweils eine Funktion der Ionizität und der reduzierten Masse der Bindung beschreiben. Großer Wert wurde im Rahmen der Auswertung auf eine korrekte Abschätzung aller Ergebnisunsicherheiten gelegt. Die dafür notwendigen umfassenden Testszenarien ermöglichen dabei auch eine Einschätzung der prinzipiellen Möglichkeiten, die temperaturabhängige EXAFS-Messungen zur Bestimmung interatomarer Kraftkonstanten bieten.

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Eckner, Stefanie: Vibrational dynamics in semiconductor compounds and alloys. Jena 2019.

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