交流阻抗谱法研究高压下CdSe的电学性质

李松

摘 要：硒化镉（CdSe）在常温常压下的带隙为1.7eV，具有较大的非线性光学特性，广泛应用于制作光电子器件。对CdSe电学性质的研究一直是人们感兴趣的课题，但以前的研究主要集中在CdSe高压相的传导机理方面。随着实验技术的不断发展，定量研究电阻率随压力的变化规律成为可能。基于此，本文主要对交流阻抗谱法研究高压下CdSe的电学性质进行分析探讨。

关键词：交流阻抗谱法;高压;CdSe电学性质

前言

交流阻抗谱法相对于直流法发展得较晚，但因其可将晶体和晶界的电信号区分开而很快被大家用来研究物质在高压下的电学性质，这对于高压条件下的电学实验研究是非常有意义的.然而以前大多数的高压阻抗谱测量都是在多面砧或活塞圆筒高压产生装置中进行的，大大限制了高压阻抗谱测量的压力范围，不能获得物质在更高压力下的电信息.阻抗谱测量技术和金刚石对顶砧高压技术的结合，为研究更高压力下物质的电学性质以及晶界的电输运性质提供了技术支持.CdSe是一种典型的II—VI族半导体，因其具有很好的光电性质而被广泛研究.在本文中，利用此装置测量了粉末CdSe在压力达到23.9GPa时的交流阻抗谱，并且得到了反映样品本身电学性质的晶体体电阻随压力的变化关系。

1 实验方法

实验中分别选择钼和三氧化二铝作为电极和绝缘材料.测量微电路的制作过程如下：首先利用射频磁控溅射系统在一个干净的金刚石砧面上沉积一层0.3μm厚的钼膜，在沉积过程中保持金刚石压砧的温度为600K，以提高钼膜与金刚石的粘附程度.然后利用光刻工艺，将钼膜刻蚀成准四电极形式的测量微电路，之后再溅射一层2μm厚的三氧化二铝膜覆盖在该微电路上，接着利用100℃的硫酸将金刚石平台中心区域的三氧化二铝膜腐蚀掉，形成了一个140μm×120μm的探测窗，以此实现电极和样品之间的接触.金刚石上微电路的详细制备过程可参考文献，实验中所用的金刚石直径为400μm并带有倒角.T一301钢用作垫片，先将其预压到20GPa，厚度大约为40μm，然后在压痕中心打一个直径约为150μm的孔用来封装样品.为了更好地绝缘，垫片上也沉积了一层2μm厚的三氧化二铝.这样设计的好处在于除了用以连接外部测量仪器的两根铜导线外没有任何其他的附属引线，避免了引线导致的附加阻抗.

实验中所用的CdSe多晶粉末购买于AlfaAesar公司，纯度为99.995.利用Solartron1260phase—gain—analyzer进行阻抗谱的测量.实验中选择一个较弱的正弦电压信号输入，以避免输入信号对样品内部结构的影响，并保持室内温度不变以确保样品的稳定性.实验测量的频率范围为0.01Hz～10MHz，最高压力为23.9GPa.

2 结果和讨论

2.1 对于粉末样品，其阻抗谱的Nyquist一般表现为三个彼此分开的半圆弧形状，从左至右依次对应着晶体内传导，晶界传导和电极传导过程.但在实际的测量中，电极传导过程往往不出现，并且由于不同的样品中晶界和晶体内传导对电传输的作用不同，阻抗谱表现出的也并不是完全彼此分开的完整半圆弧形状，这表明在此压力下CdSe中存在两个传导过程，即高频区（左边）的晶体内传导和中频区（右边）的晶界传导.当压力增大到2.8GPa时CdSe的阻抗谱虽然仍显示出两个传导过程的特征，但阻抗谱的形状出现了明显变化，即高频区的阻抗弧变得不完整，中频区的弧被明显地压缩，同时两个弛豫峰也分开得比较明显.随着压力的继续增加，直至达到本实验的最高压力23.9GPa，CdSe的阻抗谱仍保持著此特征.

2.2 阻抗谱的形状既可以体现样品中的传输机制，同时也可以体现不同传输机制对电性质的贡献，CdSe粉末在高压下的电传输机制始终以晶体内传输和晶界传输为主，但在不同的压力区间，两种传输机制对总阻抗的贡献发生了变化.在压力低于2.2GPa时，晶体内传输和晶界传输对总阻抗的贡献大体相当.但当压力增加到2.8GPa时，晶体内传输占据了主要的作用，而晶界的作用明显减小.结合CdSe在高压下的结构变化研究可知在3GPa左右，它发生了从纤锌矿结构到岩盐矿结构的结构相变，正是这种结构的变化使得晶体内电阻和晶界电阻都发生了不同程度的改变，导致了阻抗谱形状的明显变化.

2.3 为了定量获得CdSe的晶体电阻随压力的变化关系，利用等效电路法对其在高压下的阻抗谱进行了模拟.在阻抗测量中，寄生阻抗是无法避免的问题.通过断路和短路测试，发现当频率低于10MHz时，由样品腔壁产生的寄生容抗高于103Ω，而寄生感抗从20kHz时的0.4Ω线性增加到1OMHz时的60Ω.由于在高压下CdSe的阻抗较低，因此由腔壁产生的寄生容抗可以忽略不计，但需要从测得的样品阻抗中去除由导线产生的寄生感抗，综合考虑了这些因素后利用ZView程序对测得的实验数据进行了拟合，获得了CdSe晶体体电阻随压力的变化关系.在2.8GPa附近时，CdSe的电阻发生相对较大的变化，这是由CdSe从纤锌矿结构到岩盐矿结构的结构相变引起的（这也是CdSe阻抗谱发生变化的原因）

3 结论

利用交流阻抗谱法获得了粉末CdSe晶体体电阻随压力的变化关系.结果表明在2.8GPa附近CdSe的电阻出现了明显的降低，这是由于CdSe发生了从纤锌矿到岩盐矿的结构相变.在此压力后电阻随压力的变化不是很明显，但仍能在10.0GPa和17.0GPa附近观察到体电阻的异常改变，这两个压力下体电阻的变化很可能是由岩盐相CdSe的电子相变引起.相比于直流法，交流阻抗谱的测量结果可以直接反映样品本身电学性质在压力下的变化情况.

参考文献

[1]贺春元，刘丙国，杨中娟，等.交流阻抗谱法研究高压下CdS的电学性质[J].河南师范大学学报：自然科学版，2011，39（6）：55—58.

[2]杨洁，王月.粉末ZnS样品的高压原位阻抗谱研究[J].吉林师范大学学报：自然科学版，2011，32（1）：1-4.