Моделирование оптических свойств и электронной структуры трёх фаз углерода и пористого кремния

Актуальность темы

Одной из фундаментальнейших проблем физики твёрдого тела является исследование электронной структуры в широкой области энергии собственного поглощения (от энергии запрещённой зоны Е&до нескольких десятков эВ). Известно большое количество экспериментальных методов изучения этой проблемы: по спектрам отражения R и характеристических потерь электроновline-1 в широкой области энергии (от ~1 до ~50 эВ), спектрам диэлектрической проницаемости в узком диапазоне (е- 1-^5 эВ). Наиболее корректную и полную информацию предоставляют спектры зеркального отражения. Все другие методы существенно уступают ему. Но спектры отражения содержат косвенную информацию даже для энергий переходов. Существует также большое количество теоретических расчётов зон для разнообразных материалов с использованием самых разных моделей (или приближений). Однако, теоретические модельные расчёты даже для простейших материалов очень отличаются друг от друга. Для выполнения корректных расчётов моделей зон не хватает данных по фундаментальным параметрам электронной структуры. В то же время, в широкой области энергии накоплен богатый экспериментальный базис, в первую очередь по спектру отражения R (E), из которого до сих пор не извлечена эта важнейшая информация.

Наиболее полная информация об электронной структуре содержится в обширном комплексе оптических фундаментальных функций, которых более десятка. Для широкой области энергии экспериментально удаётся измерить лишь спектры R, -Ime" 1 иIm (l+e)~', а спектры 8[ и 82 (и показатели преломления п и поглощения к, коэффициент поглощения ц) измеряются в узком диапазоне энергий — в области прозрачности, вблизи края собственного поглощения или в области 1−5 эВ, а их измерение в широкой области энергии затруднительно из-за отсутствия соответствующих методикизмерение функций Imc 1 илиIm (l+sy~' требует очень дорогих опытных установок, а точность этих спектров, но интенсивности и энергии (~0.2-Ю.5 эВ) сравнительно невысока, особенно, — в области краевого поглощения. Это означает, что расчёты при моделировании зон вынуждены использовать данные (энергии максимумов), взятые из R (E), а не из е2(Е), как было бы правильнее, ибо, только энергии максимумов Ъг{Е) точно соответствуют энергиям электронных переходов. Но энергии максимумов спектров R (E) и zi (Е) могут отличаться на —0.1—1.0 эВ, что заведомо вносит в расчёт зон большую погрешность. Помимо этого, экспериментальные данные для аналогичных образцов разных работ могут заметно различаться. Как правило, в теоретических работах на основе зон вычисляется только одна функция? г (Е) из всего обширного комплекса. Иногда бывает, что она неплохо согласуется по общей форме с опытно-расчётной функцией ^{Е). Однако, при сравнении теоретико-расчётных с опытными (и опытно-расчётными) спектрами остальных оптических функций (R, ц и др.), часто проявляются существенные различия. Это означает, что, сравнивая все (а не одну) оптические функции, можно наглядно увидеть границы применимости теоретических зонных расчётов. Знание спектров оптических функций их обширного комплекса позволяет с самых общих позиций объяснять и предсказывать оптические свойства, а также определять область применения материалов и параметры приборов на их основе.

Экспериментальные кривые являются интегральными, т. е. суммируют вклады элементарных полос переходов. Это приводит к тому, что кроме явно наблюдаемых переходов, заметная часть переходов скрыта в интегральных кривых и явно в виде максимумов не наблюдается. Поэтому существует важная задача — выявление скрытых в интегральных кривых переходов и определение их параметров. Важнейшими параметрами полос являются энергия перехода Е-&bdquoего сила осциллятора ft (пропорциональна площади полосы Sj и её интенсивности), полуширина Г, — и высота /,• в максимуме полосы перехода. Интенсивность перехода (или пропорциональные ей f" S,) невозможно экспериментально определить в широкой области энергии, а известные теоретические методы определения /, часто слишком упрощены и неточны.

Самыми популярными материалами в физике твёрдого тела являются алмаз, графит, аморфный углерод и кремний. Они являются классическими модельными материалами в теории электронной структуры твёрдых тел с простейшим типом межатомных связей. В последнее время приобрёл большую популярность пористый кремний (и нанокластеры кремния). Известно множество экспериментальных и многочисленных теоретических исследований их энергетических уровней разными методами [1−6]. Но, несмотря на это, результаты расчётов зон и спектров многих работ заметно различаются.

Для кристаллов зонная теория построена на некоторых упрощениях и, тем не менее, моделирование их электронной структуры во всей зоне Бриллюена очень сложная проблема. Аморфные материалы, в отличие от кристаллов, характерны ближним порядком в расположении атомов, т. е. отсутствием подобной кристаллам строгой периодичности положений атомов на большом протяжении. Это ещё больше усложняет проблему электронной структуры и пока нет аналога зонной теории для аморфных тел.

Пористый кремний (PSi) получают травлением объёмного кристаллического кремния (c-Si), который является одним из самых распространённых и дешёвых материалов на планете и технология его получения хорошо разработана. Образцы PSi, в отличие от с—Si, приобретают ряд полезных качеств — интервал непрямых переходов lE-Egi-E%x значительно уменьшен, интенсивность краевого поглощения на несколько порядков больше, площадь поверхности стала огромной (до -800 м2/см3). Основные отличия оптических и электронных свойств PSi (а также нанокластеров кремния nSi) от с—Si связаны с квантовыми размерными эффектами. Поэтому к PSi и nSi проявлены большой прикладной и теоретический интерес. Поскольку PSi является многокомпонентной средой, состоящей, в основном, из пор и матрицы o-Si, то определённый интерес представляют индивидуальные спектры матрицы.

Заметим, что именно в широкой области энергии собственного поглощения из всех известных экспериментальных оптических спектров по каждому материалу известны лишь единичные и больше работ посвящено более узкому диапазону энергий (R5 эВ). До сих мор неизвестны ни полный набор оптических функций, ни важнейшие параметры полос-переходов. Во многих теоретических работах часто приводятся либо зоны алмаза и графита. либо спектры 82 и, реже — зоны со спектром 8 г. В них отсутствует сравнение теоретикои опытно-расчётных спектров для всего их обширного комплекса, т. е. неясно — насколько теоретическое моделирование выполнено удачно и в чём оно имеет недостатки.

Цель работы. Главная цель — решение двух классических фундаментальных задач спектроскопии: 1) получение спектров всего обширного их комплекса и 2) разложение спектров 82 на элементарные компоненты и определение их важнейших параметров (энергии и интенсивности). Дополнительная цель — 3) сравнить опытно-расчётные комплексы между собой и с теоретическими комплексами и 4) предложить возможную природу выделенных переходов с использованием наиболее корректных схем теоретических зон.

Положения, выносимые на защиту. 1) Усовершенствованный метод определения спектров комплексов оптических фундаментальных функций изученных материалов.

2) Метод расчёта спектров оптических функций матрицы пористого кремния.

3) Беспараметрический метод разложения диэлектрической проницаемости на элементарные компоненты и определения их основных параметров.

4) Природа установленных компонент оптических полос переходов алмаза и графита по модели междузонных переходов.

5) Установлены большие различия между оптическими спектрами объёмного кремния к матрицы пористого кремния, обусловленные квантовыми размерными эффектами.

Методы исследования. Для решения первой задачи применили наиболее общепринятые методы, которые основаны на использовании опытных спектров R (E) иIms~'(?) в широкой области энергии, а также si{E) и г (Е) в узкой области спектра.

Вторую фундаментальную задачу спектроскопии решали однозначно без использования подгоночных параметров с помощью моделирования разложения 8 г (£) на элементарные компоненты методом объединённых диаграмм Арганда. Он основан на модели изолированных симметричных лорентцевских осцилляторов и одновременном использовании сразу двух спектров — гг (£) и z (E).

При расчёте спектров матрицы o-Si пористого кремния PSi использовали теорию эффективной среды в простейшем приближении Бруггемана и в предположении двухфазности PSi (только поры и о—Si).

Использованные компьютерные программы созданы сотрудниками отдела спектроскопии твёрдых тел УНИЭ УдГУ и неоднократно применялись и проверялись.

Научная новизна. 1) Впервые решена первая фундаментальная задача спектроскопии для алмаза, графита, некристаллического углерода (g-C, а-С, а-С:Н), пористого кремния PSi и его матрицы o-Si, т. е. получены их наиболее полные комплексы спектров оптических фундаментальных функций в широкой области энергии собственного поглощения.

2) Определены энергии максимумов и интенсивности полос спектров всех вариантов комплексов оптических функций. Установлены особенности спектров (сходства, различия, корректность) разных вариантов комплексов. Основные их отличия от теоретических спектров показывают необходимость корректного учёта вероятности переходов и учёта экситонов.

3) Впервые интегральные спектры 82 всех опытно-расчётных комплексов трёх важнейших фаз углерода и матрицы o-Si разложены на элементарные компонентыкроме нескольких явно наблюдаемых максимумов на интегральных спектрах установлено в несколько раз больше полос переходовопределены важнейшие параметры полос переходов (энергии, интенсивности).

4) Предложена возможная природа установленных полос переходов на основе известных теоретических схем зон (для алмаза и графита).

Научная и практическая значимость. 1) Полученные результаты по оптическим свойствам и электронной структуре для алмаза, графита, некристаллического углерода (g С, а-С, а-С:Н), пористого кремния PSi и его матрицы o-Si позволяют более полно и детально проводить обсуждение их свойств и параметров приборов на их основе, а также теоретические расчёты зон и спектров г2(E), в том числе, степень корректности схем зон. Знание наиболее истинных схем зон и теоретических спектров на их основе позволяет предсказывать неизученные свойства материалов.

2) В данной работе собрана самая полная и глубокая информация как по комплексам опытно-расчётных спектров и их теоретических расчётов, так и по электронной структуре изученных материалов (параметры и природа переходов, зоны, спектры).

Личный вклад. Автор выполнил расчёты спектров комплексов оптических функций и провёл моделирование разложения интегральных спектров ег (£). Постановка цели и задач. подбор литературных данных, обсуждение и анализ полученных результатов выполнены совместно с Соболевым В. В. и Соболевым В.Вал.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях:

• 4-я (1999) и 5-я (2001) Рос. Унив.-акад. н.-практ. конференции (Ижевск, УдГУ).

• XIII-ая Урал, междунар. зимняя школа (Екатеринбург, ИФМ УрО РАН, 1999).

• Всероссийская научная конф. «Физика полупроводников и полуметаллов» (С.-Петербург. РГПУ им. Герцена, 2002).

• Междунар. конф. «Физические процессы в неупорядоченных полупроводниковых структурах» (Ульяновск, УлГУ, 1999).

• Междунар. конф. «Оптика, оптоэлектроника и технологии» (Ульяновск, УлГУ, 2001 и 2002).

• Междунар. конф. «Физико-химические процессы в неорганических материалах (ФХП-9)» (Кемерово, КемГУ, 2004).

• III междунар. н.-техническая конф. «Фундаментальные и прикладные проблемы физики» (Саранск, Мордов. гос. пед. ин-т, 2001).

• П-ая (2000) и Ш-я (2002) междунар. конф. «Аморфные и микрокристаллические полупроводники» (С.-Петербург, ФТИ РАН).

• Совещание «Нанофотоника» (Н. Новгород, ИФМ РАН, 2000).

• 7-ой междунар. симпозиум «Порядок, беспорядок и свойства оксидов» ODPO-2004, (Сочи, 2004).

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликованы 25 научных работ: 9 статей, 7 трудов и 9 тезисов.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, библиографического списка использованной (146 ссылок) и опубликованной по теме работы (25 ссылок) литературы и дополнительного тома из семи приложений. Всего в работе 371 страница, 105 рисунков и 62 таблицы, в том числе, в приложениях — 89 страниц, 5 рисунков и 42 таблицы.

7.4. Выводы.

1) Для пористого кремния (PSi) и его матрицы (o-Si) впервые решена первая фундаментальная задача спектроскопии, т. е. получены наиболее полные комплексы спектров оптических функций (КОФ). Всего определено 31 вариант, полученных с использованием экспериментальных и теоретических спектров: семи е (пористость Р= 19−60%, электропроводимость р±типа) и пяти 8 (54−77%%, р-тип) в области 1.5−5 эВ [118,119] для PSi и o-Si (по 12 КОФ) — двух R (70%, р-тип) ((1−2)-(16−27) эВ) [122,123] для PSi (2 КОФ) и o-Si (3 КОФ) и двух ете0р (0-(10−20) эВ) [129,132] для нанокластеров кремния nSi (2 КОФ).

2) Проведён анализ всех вариантов КОФ для c-Si, PSi, o-Si и nSi по отдельности и между собой. a) Основное влияние увеличения пористости образцов PSi [118,119] обоих типов электропроводности (ри р±типов) на спектры матрицы o-Si всех вариантов КОФ состоит: 1) в сильном «синем» смещении ДВКСП и 2) исчезновении аналога длинноволнового максимума c-Si, по-видимому, при Р>30%. Аналогично пористость повлияла на все эффективные спектры PSi. b) Спектры o-Si (и PSi) образцов разных работ [119] и [118] очень различаются по интенсивности аналогов. При одинаковой пористости и исходной электропроводности двух образцов [118] и [119] (31%, р-тип, 10~2 Ом-см) спектры КОФ на основе [118] сильно завышены (особенно, при ?<3.5 эВ), что привело даже к занижению энергии ДВКСП o-Si относительно c-Si. Спектр o-Si образца [118] с большой пористостью (57%) по интенсивности соответствует o-Si образца [119] с гораздо меньшей пористостью (31%), чем с аналогичной. То же для высокоомных образцов (р-тип) этих двух работ. c) Данные для большой пористости (Р-10%, р-тип) двух КОФ, полученные с использованием R [122,123], очень заметно различаются (особенно, при -10−20 эВ) по интенсивностиДВКСП o-Si образца [123] находится при меньших энергиях относительно c-Si, а образца [122] (с теми же параметрами) — при больших. Значимые различия спектров могут быть связаны с различиями в технологии получения образцов PSi, разными методами измерения и методами последующей математической обработки. d) Установлены большие различия спектров o-Si высокопористого образца PSi [122] (Р=70%, р-тип) и c-Si в ШОЭСП (0−20 эВ). Принципиальные отличия: 1) в области резкого спада интенсивности R и ц образцов c-Si (9−20 эВ) у спектров матрицы o-Si находится очень интенсивная, дублетная и широкая полоса, 2) очень интенсивная и дублетная полоса c-Si (58 эВ) у матрицы o-Si отсутствует, 3) заметное смещение ДВКСП o-Si в область больших энергий относительно c-Si. Теоретические спектры нанокластеров кремния nSi (Sis3) хорошо согласуются с опытно-расчётными данными o-Si в области 2−6 эВ и, особенно, по положению ДВКСП. Это подтверждает предположение о проявлении квантовых размерных эффектов o-Si. е) Спектры теоретических вариантов КОФ двух нанокластеров nSi (Sis3 [129] и [132] Si6o) сильно различаются по интенсивности и форменапример, ДВКСП Sieo на ~1 эВ меньше, чем в c-Si, а в Sig3 — при больших энергиях. Различие может быть связано, в основном, с типом структурных моделей nSi и методами расчётов.

3) Анализ спектров отражения дополнительных возможных сред (a-Si, a-SiO*, a-SiHx) в PSi показал, что влияние этих сред на спектры PSi и o-Si, видимо, слабое.

4) Интегральные спектры o-Si десяти вариантов КОФ разложены на элементарные компоненты. Вместо двух-трёх явно наблюдаемых пиков интегральных спектров установили 6−9 (р±тип) и 3, 7 или 16 (р-тип) компонент (их количество зависит от использованной ширины области энергий, различий интегральных спектров и параметров образцов). Определены их основные параметры. Т. е. для o-Si впервые решена вторая фундаментальная задача спектроскопии. Установленные компоненты е2(£) o-Si обусловлены междузонными переходами или метастабильными экситонами a) С увеличением пористости образцов PSi [119] до 31% (р±тип) аналоги самых интенсивных трёх компонент c-Si (?" i~3.44, ?2−3.78 и £з~4.25 эВ) в o-Si почти неизменны по положению (±0.04 эВ) относительно c-Si и их интенсивность убывает в -2 раза, а при больших пористостях (до 60%) смещаются в область больших энергий до -0.1-Ю.2 эВ при дальнейшем спаде интенсивности (в -1.5−2 раза). b) Аналоги c-Si (?2,3) в o-Si образцов PSi [119] (р-тип) оказались смещёнными в область больших энергий на ~0.10-Ю. 16 эВ относительно c-Si и Е — в область меньших энергий на -0.2 эВ. Их интенсивность в o-Si уменьшилась (?1,3) в -2 раза при ?=57^-77%% или возросла (?=57%), не изменилась (66%) или уменьшилась (77%) в -10 раз (?2). c) По сравнению с o-Si р±типа (60%), интенсивность аналогов c-Si (?1,2,3) в o-Si р-типа (57%) больше в -2.2 (?1), -3.1 (?2) и -22 раза (?3) — при этом, компонента ?2 (а не ?3) является самой интенсивной (сильнее в -1.2 раза, чем в c-Si). d) Переход от c-Si к o-Si при большой пористости образцов PSi [122] (?=70%, р-тип) привёл к уменьшению в ~11 (?3) или увеличению в -1.2−2 раза (?1,2) интенсивностей аналогов c-Si (?i, 2,3). Другие два аналога c-Si (при -3.6 и -4.0 эВ) в o-Si сильно (в -4 раза) возрастают по интенсивности. Естественно предположить, что основные различия спектров компонент c-Si и o-Si связаны с квантовыми размерными эффектами.

5) Полученные результаты позволяют глубже и детальнее анализировать электронную структуру и оптические свойства o-Si, создают основу для дальнейших более совершенных теоретических моделей зон микрокристаллов и наноструктур.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1) Впервые решена первая фундаментальная задача спектроскопии алмаза, графита, стеклоуглерода (g-C), аморфного углерода (а-С, а-С:Н), пористого кремния PSi и его матрицы o-Si: определены наиболее полные комплексы спектров оптических функций (КОФ) в широкой области энергии собственного поглощения. Всего определено 59 вариантов, полученных на основе экспериментальных и теоретических спектров: трёх R в области 5.5-(24−31) эВ для алмаза (3 КОФ) — одного R (0.006−0.13 эВ) и трёх R, двухIms-1 и двух етеор ((0−3)-(26−40) эВ) для графита при Е XС (7 КОФ) — одного R (2−10.5 эВ) и одного R. двухIms" и двух &-теор ((0:6)—(30:40) эВ) для графита при ЕЦС (6 КОФ) — одного R (0.006−0.13 эВ) и двух R (0-(26−82) эВ) для g^C (2 КОФ) — одного к и двухIms-1 ((0−0.5)-(60−80) эВ) для а-С (3 КОФ) — одного е (1.4−5 эВ) и шестиIms-1 ((0−0.5)-(60−80) эВ) для а-С:Н (7 КОФ) — семи е (пористость Р= 19−60%, электропроводимость р±типа) и пяти е (54−77%%, р-тип) (1.5−5 эВ) для PSi и o-Si (по 12 КОФ) — двух R (70%, р-тип) ((1−2)-(16−27) эВ) для PSi (2 КОФ) и o^Si (3 КОФ) и двух 8теор (0-(10−20) эВ) для нанокластеров кремния nSi (2 КОФ).

2) Варианты КОФ сопоставлены для каждого материала и между ними для пяти углеродных фаз. Определены интенсивности и энергии максимумов их спектров и энергии пиков полос объёмных Еру и поверхностных ?" ps плазмонов. Величины спектров ц (£) самых интенсивных полос превышают ~106 см-1.

Алмаз. Энергии основных пиков Ет спектров ц (£) составляют -7.4, -7.9, -12.4, -24.2 эВ и широкая полоса находится при -14−21 эВэнергии плазмонов определены точнее (?pV~31.4 и? pS~21.2 эВ), чем известно из опытных EELS-данных и меньше их на -1−3 эВ;

Графит. Величины? т (р.) установлены при -4.8, -14, -15.1, -16, -19, -25 (Е ХС) и -4.7, -6.1, -11.3, -14.8, -17.4, -32 эВ (Ё || С) — для плазмонов пи (л+ст)-типов ?pv~7.0 (л) и -26.8 (л+ст), ?ps~6.3 (тг) и -20.4 эВ (л+ст) для Ё ХС и? pv~4.5 (л) и -18.8 (л+ст), ?ps~4.3 (л) и -18.2 эВ (л+ст) для ЕЦС, которые хорошо согласуются с известными опытными, определёнными с меньшей точностью (АЕ-0.5 эВ) — g-C, а-С, а-С:Н. Значения? т (ц) имеются при -5.0 и -15.5 (g-C), -14.3 для двух и -19.2 для третьего вариантов (а-С), -6.5 эВ и (в зависимости от доли водорода) -15.7, -16.4, -16.5, -17.8 и -19.2 эВ (а-С:Н) — кроме этих пиков в а-С и а-С:Н есть ещё одна-две слабовыраженные полосы-ступеньки в области 1−5 эВдля плазмонов получили? pv~5.6 (л) и -20.7 (л+ст), ?ps~5.2 (л) и -16.4 эВ (л+ст) для g-C, ?pv~5.5 (л), -22.0 (л+ст) и? ps~4.8 (л), -17.7 эВ (л+ст) для а-С, которые меньше известных опытных значений на -2—4 эВ для (л+ст)плазмонов образцов а-С.

Различия спектров всех КОФ связаны, в основном, с качеством поверхности образцов и их составом, методами измерения и обработки полученных результатов. Наибольшие их различия: проявились по интенсивности (13−20 эВ, алмаз) — структурности и интенсивности аналогов (12−25 эВ, графит, Е L С), причём, в спектрах КОФ на основеIms-1, в отличие от КОФ по R, есть дополнительная интенсивная полоса при ~14 эВпри Е || С спектры КОФ на основе R, в отличие от трёх КОФ (поIms" 1) в области 0−14 эВ, сильно занижены по интенсивностиспектры g-C (и а-С) двух КОФ мало различаются по форме.

Алмаз и графит. Основное отличие спектров графита (Е L С) от алмаза — это наличие очень интенсивной полосы в области прозрачности и очень глубокого минимума при ДВКСП алмаза, а самый интенсивный пик при -15.1 эВ больше на -2.5 эВ.

Графит. Смена поляризации (Е LС —>Е || С) смещает самую интенсивную полосу при -15.1 эВ к меньшим энергиям на -3.8 эВ, преобразует полосу при -4.8 эВ в явный дублет с пиками при -4.7 и -6.1 эВ. g-C, а-С, а-С:Н. Длинноволновый пик а-С при -1.4 эВ (s2, R) меньше по энергии на -3 эВ и интенсивнее, чем в g-C. Вклад свободных носителей при Е< 1 эВ есть только у g-C. Увеличение доли водорода (15−60%%) в а-С:Н сдвигает одну полосу а-С к большим (от -1.4 до -6.3 эВ) энергиям и вторую — к меньшим (от ~13.6 до -11.3 эВ).

Графит, g-C и а-С. Спектры графита (Е L С) и g-C весьма сходны по общей форме и положению обеих характерных интенсивных полос в областях -4.8, -15.1 (графит) и -5.0, -15.5 эВ (g-C), а у а-С, в отличие от них, длинноволновая полоса меньше на -3 эВ и нет вклада свободных носителей заряда при Е< 1 эВ. c-Si и o-Si. Основное влияние пористости Р обоих типов электропроводимости (р±, р-типов) на спектры КОФ o-Si — сильное «синее» смещение ДВКСП и исчезновение аналога длинноволнового пика c-Si, видимо, при Р>30% (аналогично эффективным спектрам PSi). Установлены большие различия спектров o-Si высокопористого образца (Р=70%) и c-Si: в области резкого падения интенсивности R и ц c-Si (9−20 эВ) у матрицы o-Si есть очень интенсивная полосанаоборот, очень интенсивная полоса c-Si (5−8 эВ) у o-Si отсутствует.

3) Заметные отличия теоретических спектров s2 алмаза и графита от установленных нами данных обусловлены, в основном, некорректным теоретическим расчётом вероятностей переходов. Очень большие расхождения между спектрами матрицы o-Si пористого кремния и объёмного кристаллического кремния c-Si в области 5−20 эВ и согласие теоретических спектров s2 нанокластеров кремния с нашими расчётными при Е<6 эВ свидетельствует о проявлении в o-Si квантовых размерных эффектов.

4) Впервые интегральные спектры е2(£) алмаза, графита, g-C, а-С, а-С:Н и o-Si разложены на элементарные компоненты. Вместо двух-трёх максимумов е2 установлено в несколько раз больше компонент (количество которых зависит от использованной ширины области энергий, различий интегральных спектров и параметров образцов): 12 или 13 (алмаз), 14−17 (Ё±С)и 11−15 (Ё||С) (графит), 10 или 16 (g-C), 10 или 12 (а-С), 10−13 (а-С:Н), 6−9 (р±тип) и 3, 7 или 16 (р-тип) (o-Si). Определены их важнейшие параметрыэнергии и интенсивности (решена вторая фундаментальная задача спектроскопии данных материалов).

5) Все установленные компоненты е2(£) алмаза, графита и o-Si обусловлены междузонными переходами или метастабильными экситонами и для g-C, а-С, а-С:Нпереходами между максимумами плотностей состояний (Nv и NQ) или метастабильными экситонами. Варианты разложения сопоставлены друг с другом. Между ними установлены аналоги по энергии. При этом, общее относительное распределение интенсивности компонент различается слабо, а наибольшие различия некоторых из них, в основном, имеются по интенсивности. Сходство некоторых компонент разложения разных фаз углерода по энергии является формальным.

Алмаз. Самые интенсивные три компоненты е2(£) находятся при -10.5, -11.8 и -14.4 эВ, а другие слабее самой интенсивной при -11.8 эВ в -4−5 (-9.1, -11.1, -12.4, -16.3, -17.3, -18.8 и -23.8 эВ) и -8−22 раза (-7.3, -7.8, -8.4, -9.8, -12.8 эВ). Половина из осцилляторов всех трёх вариантов слабо отличается по параметрам.

Графит. Наиболее интенсивные компоненты расчётов (Е±С) находятся при -3.1, -4.2, -4.5 и -12.7, -13.5, -13.9, -14.8 эВпри ?>10 эВ самые интенсивные из них, рассчитанные на основеlme" 1 (-12.7 эВ) и по R (-14.8 эВ), сильно не совпадают по энергии. В вариантах поlme-1 (Е||С) они имеются при -4.4, -10.8, -12.3 эВ, аналоги которых в варианте по R в -3−23 раза слабее. Смена поляризации (Е±С—>Е||С), в основном, привела к исчезновению четырёх интенсивных компонент (-3.1, -4.2, -13.5, -14.8 эВ), а компонента при -10.8 эВ стала самой интенсивной. g-C. а-С, а-С:Н. Максимумы самых интенсивных компонент находятся при -4.2, -11.3, -12.8, -14.7, -16.8 (g-C), -4.3, -6.7, -9.6, -11.8, -13.7, -15.0, -17.8 (а-С) и -11.4−12.8, -15.2−16.2 эВ (а-С:Н). Половина компонент вариантов на основеlme-1 и к (Е) у а-С слабо различается по интенсивности, а остальная — сильно (до -2 раз). Общие относительные распределения интенсивности компонент трёх фаз при ?>10 эВ различаются слабо. Интенсивности всех полос g-C меньше, чем в а-С, особенно в области 6−10 эВ. Понижение доли водорода в а-С:Н уменьшает энергию пяти длинноволновых (?<7 эВ) осцилляторов и увеличивает энергию двух самых интенсивных (от ~11.4 до -12.8, от -15.2 до -16.2 эВ).

Графит и алмаз. Два самых интенсивных осциллятора графита при Е||С (-10.5, -11.8 эВ) и алмаза (-10.8, -12.3 эВ) близки по энергии, а при Е1С (-12.7, -13.5 эВ) смещены к большим энергиям на -1−2 эВ. Другие компоненты графита (Е1С, 10−20 эВ) и алмаза (7−20 эВ) по относительному распределению площадей полос формально сходны, но интенсивные осцилляторы графита при -3.1, -4.2, -4.5 эВ расположены в области прозрачности алмаза и слабые при -6.0, -7.3, -10.7 эВ — в области ДВКСП алмаза.

Графит. g-C и а-С. Результаты разложений г2(£) у графита (Е1С) и g-C по энергии компонент и общему относительному распределению их интенсивностей весьма близки, но интенсивности основных компонент графита существенно большие. В области очень слабых переходов графита и g-C (-7−10 эВ) в спектрах а-С есть две интенсивные компоненты (-6.7, -9.6 эВ). При ?<7 эВ интенсивность полос в графите в несколько раз сильнее, чем у аналогов g-C и а-С. При ?>10 эВ самые интенсивные полосы-аналоги графита и g-C близки с а-С по энергии, но заметно различаются по интенсивности. c-Si и o-Si. С увеличением пористости образцов PSi до 31% (р±тип) аналоги самых интенсивных трёх компонент c-Si (?i~3.44, ?2−3.78 и £з~4.25 эВ) в o-Si неизменны по положению и их интенсивность убывает в -2 разапри больших пористостях (до 60%) смещаются в область больших энергий до -0.1+0.2 эВ при дальнейшем спаде интенсивности (в -1.5−2 раза). По сравнению с o-Si р±типа (60%), интенсивность аналогов c-Si (?1,2,3) в о-Si р-типа (57%) больше в -2.2 (?1), -3.1 (?2) и -22 раза (?3) — при этом, компонента Е2 (а не £з) является самой интенсивной (сильнее в -1.2 раза, чем в c-Si).

Переход от c-Si к o-Si при большой пористости образцов PSi (Р=70%, р-тип) привёл к уменьшению в -11 (?3) или увеличению в -1.2−2 раза (?1,2) интенсивностей аналогов c-Si (?1,2,3) — Естественно предположить, что основные различия спектров компонент c-Si и o-Si связаны с квантовыми размерными эффектами.

6) Предложена природа 12-ти (алмаз, 7−24 эВ), 20-ти (Е1С) и 16-ти (Е||С) (графит, 4−35 эВ) полос осцилляторов с использованием известных схем пяти теоретических зон, рассчитанных методами OPW, NEPP, HRG FP, FPLMTO и DVMLCAO. Согласно многим схемам зон природа отдельных полос переходов может быть разной, что обусловлено отличием дисперсии зон разных теоретических моделей.

7) Полученные результаты представляют принципиально новую обширную информацию для существенно более глубокого обсуждения электронной структуры алмаза, графита, аморфного углерода (g-C, а-С, а-С:Н) и нанокристаллов кремния и выполнения новых более корректных теоретических расчётов зон, экситонов и оптических спектров.