Журнал экспериментальной и теоретической физики, 2024, № 6

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК
ЖУРНАЛ
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ
И ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ
ТОМ 165, ВЫПУСК 6
ОСНОВАН В МАРТЕ 1873 ГОДА
ИЮНЬ 2024
ВЫХОДИТ 12 РАЗ В ГОД
МОСКВА
РАН
ЖУРНАЛ ИЗДАЕТСЯ ПОД РУКОВОДСТВОМ ОТДЕЛЕНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ НАУК РАН
СОДЕРЖАНИЕ
АТОМЫ, МОЛЕКУЛЫ, ОПТИКА
Роль нефелоксетического эффекта для иона Fe2+ в матрицах селенида цинка и теллурида кадмия 
...............................................................................................Кривобок В.С., Аминев Д. Ф., За- 
зымкина Д. А., Ушаков В. В., Нариц А. А., Козловский В. И., Коростелин Ю. В. 757
Сравнение излучения электрона в линейно и циркулярно поляризованных гауссовых полях............
............................................................................................................Боровский А. В., Галкин А. Л. 
767
Электромеханические автоколебательные системы с гибкими автоэлектронными эмиттерами .......
....................................................................................................................Клещ В. И., Образцов А. Н. 
776
Молекулы из отталкивающихся атомов, адсорбированных на поверхности и нити ............................
.................................................. Максимычев А. В., Меньшиков Л. И., Меньшиков П. Л. 784
ЯДРА, ЧАСТИЦЫ, ПОЛЯ, ГРАВИТАЦИЯ И АСТРОФИЗИКА
Поляризационные свойства черных дыр и кротовых нор ..............................................Чернов С. В. 788
Generalized Einstein-Rosen bridge inside black holes ..................Dokuchaev V. I., Prokopev K. E. 800
ТВЕРДЫЕ ТЕЛА И ЖИДКОСТИ
Механизмы диффузии железа в a-Ti .............Горев Н. Д., Бакулин А. В., Кулькова С. Е. 807
Особенности поляризованной люминесценции неоднородного ансамбля локализованных экситонов 
...................................................................................................... Котова Л. В., Кочерешко В. П. 818
© Российская академия наук, 2024
© Редколлегия журнала ЖЭТФ (составитель), 2024
755

ЖЭТФ, том 165, вып. 6, 2024
ПОРЯДОК, БЕСПОРЯДОК И ФАЗОВЫЕ ПЕРЕХОДЫ 
В КОНДЕНСИРОВАННЫХ СРЕДАХ
Влияние облучения ионами Xe с энергией 167 МэВ на сверхпроводящие свойства ВТСП-лент второго поколения ...............................................................................................Дегтяренко П. Н.,
Скуратов В. А., Васильев А. Л., Овчаров А. В., Петржик А. М., Семина В. К., Гаврилкин C. Ю., Новиков М. С., Малявина А. Ю., Амеличев В. А., Цветков А. Ю. 827
ЭЛЕКТРОННЫЕ СВОЙСТВА ТВЕРДЫХ ТЕЛ
Quantum transport through the graphene-silicene nanoribbons junction .....................................................
.................................................Najarsadeghi M., Fouladi A. A., Rostami A. Z., Pahlavan A. 833
Захват электронов и дырок на состояния вакансий ртути с испусканием одиночного оптического 
фонона при рекомбинации Шокли - Рида -Холла в узкозонных твердых растворах HgCdTe ... 
... Козлов Д. В., Румянцев В. В., Янцер А. А., Морозов С. В., Гавриленко В. И. 840
СТАТИСТИЧЕСКАЯ И НЕЛИНЕЙНАЯ ФИЗИКА, 
ФИЗИКА «МЯГКОЙ» МАТЕРИИ
Нелинейные колебания слабопроводящей жидкости в переменном электрическом поле в рамках маломодового приближения ................................................Некрасов О. О., Картавых Н. Н. 848
Диэлектрические и плазменно-диэлектрические черенковские усилители субтерагерцового диапазона на релятивистских электронных пучках большой плотности ........................................................
............................................................................. Ершов А. В., Карташов И. Н., Кузелев М. В. 857
Модель солитонной турбулентности высокочастотных флуктуаций частично замагниченной плазмы 
........................................................................................................ Ковалева И. Х., Ковалев А. Т. 870
Изучение плотной плазмы свинца . . Апфельбаум Е. М., Кондратьев А. М., Рахель А. Д. 876
Алфавитный указатель тома 165 за 2024 г................................................................................................... 889
Предметный указатель тома 165 за 2024 г.................................................................................................... 897
756

ЖЭТФ, 2024, том 165, вып. 6, стр. 757-766
© 2024
РОЛЬ НЕФЕЛОКСЕТИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА ДЛЯ ИОНА Fe2+ В 
МАТРИЦАХ СЕЛЕНИДА ЦИНКА И ТЕЛЛУРИДА КАДМИЯ
В.С. Кривобок а,ь*
,  Д. Ф. Аминев а, Д. А. Зазымкина а, В. В. Ушаков а, А. А. Нариц a,
В. И. Козловский a, Ю. В. Коростелин a
a Физический институт им. П. Н. Лебедева Российской академии наук 
119991, Москва, Россия
b Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)
141701, Долгопрудный, Московская обл., Россия
Поступила в редакцию 12 сентября 2023 г., 
после переработки 23 января 2024 г.
Принята к публикации 29 января 2024 г.
Для электронной подсистемы ионов переходных металлов, встроенных в кристаллическую решетку или 
сформировавших комплекс с лигандами, наблюдается эффективное уменьшение межэлектронного отталкивания по сравнению со свободными ионами, которое в современной литературе упоминается как нефе- 
локсетический эффект. В данной работе исследуется роль нефелоксетического эффекта при формировании электронного спектра ионов Fe2+ в матрицах CdTe и ZnSe. Экспериментальная оценка соответствующих поправок осуществлена на основе анализа двух переходов — хорошо известного 5T2(5D) ^ 5E(5D), 
позволяющего зафиксировать величину кристаллического поля, и менее изученного 3Ti(3H) ^ 5E( 5D). 
Обнаружение бесфононной линии данного перехода в CdTe:Fe позволило сравнить свойства двух люминесцентных систем и продемонстрировать, что для иона Fe2+ в CdTe роль нефелоксетического эффекта 
заметно возрастает. На основе полученных экспериментальных данных в сочетании с расчетами в рамках 
теории кристаллического поля уточнены значения параметров Рака для ионов Fe2+ в матрицах CdTe и 
ZnSe. Продемонстрированная в работе роль нефелаксетического эффекта для ионов Fe2+ в двух схожих 
по структуре матрицах важна как для практических задач, связанных с совершенствованием ИК-лазерных 
систем, так и для разрешения некоторых фундаментальных вопросов квантовой химии.
DOI: 10.31857/S0044451024060014
1. ВВЕДЕНИЕ
Полупроводники группы II-VI с кубической 
структурой, легированные переходными элементами, находят широкое применение при создании 
перестраиваемых [1] и импульсных [2] лазеров 
среднего ИК-диапазона. Дальнейший прогресс 
лазерных технологий, направленный на совершенствование имеющихся лазерных систем [3, 4] или 
разработку новых подходов для получения лазерной 
генерации [5], требует более детального понимания 
механизмов формирования электронного спектра 
ионов переходных элементов в кристаллических
E-mail: kolob7040@gmail.com 
матрицах. Среди них наибольшее внимание уделяется железу и хрому [6-8]. Последовательное 
решение данной задачи могло бы опираться на 
современные расчеты ab-initio, которые позволяют 
установить не только структуру и электронный 
спектр люминесцентных центров, но и изучить 
возможные сценарии их образования [9]. Тем не 
менее к настоящему моменту возможности данного 
похода часто оказываются весьма ограниченными 
вследствие того, что для внедренных ионов переходных элементов велико влияние как корреляции 
межэлектронного движения, так и существование 
большого числа альтернативных электронных конфигураций, вносящих вклад в полную электронную 
плотность [10]. В этом контексте большое внимание уделяется обсуждению многоэлектронных 
поправок в рамках теории кристаллического поля, 
в частности, обсуждается роль так называемого 
нефелоксетического эффекта [11,12].
757

В.С. Кривобок, Д. Ф. Аминев, Д. А. Зазымкина и др.
ЖЭТФ, том 165, вып. 6, 2024
где B, C — параметры Рака для иона в кристаллической решетке, а B0, C0 — параметры Рака для 
свободного иона. Считается, что при в1 ~ 1 роль 
нефелоксетического эффекта второстепенна и становится существенной, если в1 заметно меньше единицы [12]. В случае кубических полупроводников 
II-VI одной из перспективных систем для исследования нефелоксетического эффекта являются ионы 
железа в селениде цинка [18,19]. Это связано с тем, 
что для оптически активного иона Fe2+ в ZnSe известны по крайней мере два разных перехода с хорошо исследованной тонкой структурой: 5T2 (5D) ^
■5E (5D) [19,20] и 3T1 (3H) ^ 5E (5D) [21]. Первый переход позволяет определить роль кристаллического поля, в то время как второй — определить 
диапазон допустимых значений параметров Рака и 
оценить роль нефелоксетического эффекта.
С точки зрения теории кристаллического поля нефелоксетический эффект проявляется как эффективное уменьшение параметров Рака (B, C), 
определяемых структурой электронных оболочек, 
при переходе от свободного иона к иону, встроенному в кристаллическую решетку [12]. Данную тенденцию можно трактовать как эффективное уменьшение отталкивания между электронами. Иначе говоря, при наличии окружения возникает поправка, 
обусловленная многоэлектронными эффектами, физический смысл которой можно качественно описать как делокализацию одноэлектронных орбиталей и взаимодействие электронов центра с окружением. Соответственно, экспериментальное исследование нефелокситического эффекта позволяет не 
только уточнить параметры электронного спектра 
излучательного центра, но и дать некоторую количественную оценку роли корреляции многоэлектронного движения, возникающей из-за наличия лигандов. Последнее обстоятельство представляет значительный интерес, в частности, для установления 
точности активно развиваемых теоретических подходов [13], сочетающих в себе удобство формулировки, присущее теории лигандного поля [14], с высокоточными методами квантовой химии [15,16], позволяющих дать самосогласованное описание корреляционных эффектов и вкладов спин-орбитального 
и спин-спинового взаимодействий.
Наряду с хорошо известным ZnSe:Fe интерес вызывает близкая по свойствам система CdTe:Fe, также имеющая кубическую решетку, но характеризующаяся большим значением постоянной решетки, 
меньшим значением параметра Dq и, по-видимому, 
более существенной ролью многоэлектронных эффектов. Последнее определяется тем, что матричные компоненты Cd и Te существенно тяжелее Zn 
и Se [22]. Для CdTe:Fe тонкая структура перехода 
5T2 (5D) ^ 5E (5D) исследована в работе [23]; переход 3T1(3H) ^ 5E (5D) в этой системе ранее не 
исследовался.
Несмотря на активное изучение нефелоксети- 
ческого эффекта для целого ряда химических соединений [11,17], его роль остается малоизученной 
для ионов переходных элементов в кристаллических 
матрицах, в том числе для практически важного 
случая полупроводников группы II-VI с кубической 
структурой. Экспериментальные исследования материалов данной группы осложняются тем, что оказывается необходимой спектроскопическая информация о нескольких (по крайней мере двух) переходах с участием разных электронных оболочек. Данная особенность определяется тем, что для фиксации нефелоксетического эффекта в рамках теории 
кристаллического поля необходимо определить как 
саму величину кристаллического поля (Dq), так и 
точные значения параметров Рака (B, C). Отличие 
данных параметров от значений, характерных для 
свободного иона, и будет определять роль нефелок- 
сетического эффекта.
В данной работе на основе измерений низкотемпературной фотолюминесценции мы идентифицировали переход 3T1(3H) ^ 5E(5D) для системы CdTe:Fe. Полученные данные позволили экспериментально определить значение параметра в1 
для данной системы и экспериментально продемонстрировать разную роль многоэлектронных поправок, определяющих нефелоксетический эффект для 
внутренних оболочек иона Fe2+, в матрицах CdTe и 
ZnSe. Полученная в работе оценка нефелаксетиче- 
ского эффекта может помочь не только в разработке 
ИК-лазерных систем, но и при разрешении некоторых общих вопросов, связанных с многоэлектронными эффектами в квантовомеханических расчетах.
В последнее время для количественного описания нефелоксетического эффекта используется параметр [11]
758

ЖЭТФ, том 165, вып. 6, 2024
Роль нефелоксетического эффекта...
2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКА 
ЭКСПЕРИМЕНТА
од InGaAs c трансимпедансным предусилителем (с 
охлаждаемым сопротивлением). В среднем инфракрасном диапазоне применялся охлаждаемый КРТ- 
приемник MCT D313. Для регистрации фотоотклика фотодиода InGaAs и КРТ-приемника мы применяли синхронное детектирование, реализованное на 
основе синхронного детектора Princeton instruments 
SR 830.
Для возбуждения ФЛ-переходов с уровня 
Для исследований были отобраны образцы 
поликристаллического ZnSe, легированные Fe2+ 
методом термодиффузии, которые демонстрировали параметры лазерной генерации, близкие к 
рекордным [24]. Данные образцы в форме параллелепипедов были вырезаны из поликристаллической 
друзы с однородной микроструктурой. Затем на 
поверхность образцов наносилась пленка железа, 
и образцы подвергались отжигу в атмосфере Ar 
при температуре 1000-1100оС в течение 240 ч. Для 
измерений люминесценции использовались грани 
параллелепипедов, расположенные перпендикулярно к поверхности, на которую наносилась пленка 
железа. Вдоль данных граней наблюдался заметный градиент концентрации легирующего железа 
[25]. Структурная и оптическая характеризация 
выбранных образцов ZnSe:Fe описаны в работе [26].
Кристалл CdTe лазерного качества, легированный железом, был выращен в ФИАН при помощи 
оригинального метода [27]. Методика основана на 
парофазном переносе примесей в атмосфере He в 
процессе свободного роста кристалла. Основными 
особенностями технологии является использование 
двух отдельных источников — поликристаллического материала II-IV и примеси, а также индивидуальный контроль скорости потока материалов II-IV и 
легирующей примеси. Исследованный кристалл был 
вырезан из були, выращенной в атмосфере He при 
температуре 1250 К. Во время охлаждения печи буля отжигалась 24 часа при температуре 1080 К. Концентрация ионов железа составляла 4-1018 см-3.
3T1(3H) в ZnSe:Fe использовалась вторая гармоника тведотельного Nd:YAG-лазера с длиной волны 
532 нм. Такое возбуждение позволяет эффективно 
заселяет уровень 3T1(3H) [21]. Также при таком 
возбуждении заселенность уровня 5T2(5D) будет 
определяться переходом 3T1(3H) ^ 5T2(5D), а 
интенсивность ФЛ-линии 5T2(5D) ^ 5E(5D) будет 
сравнительно невысокой. Поэтому для возбуждения 
ФЛ-перехода 5T2(5D) ^ 5E(5D) эффективнее использовать лазер с энергией кванта меньше энергии 
перехода 3Ti(3H) ^ 5E(5D). Мы использовали 
полупроводниковый InGaAs-лазер с длиной волны 
возбуждения 995 нм и мощностью 200 мВт. Тот же 
лазер использовался для возбуждения основного 
ФЛ-перехода в образце CdTe:Fe. Для возбуждения люминесценции с лежащих выше состояний 
использовался полупроводниковый InGaAl-лазер с 
длиной волны излучения 660 нм. В данном лазере 
реализована возможность управления излучением 
при помощи внешнего сигнала. Это позволяет 
при помощи генератора импульсов реализовать 
импульсное возбуждение образца и, таким образом, измерять кинетику люминесценции. Для 
управления полупроводниковым лазером 660 нм 
мы использовали генератор импульсов Г5-72. В 
подавляющем большинстве случаев была выбрана 
длительность импульса 200 мкс, частота следования импульсов 480 Гц. Данный режим выбран для 
регистрации относительно долговременных спадов 
ФЛ, характерных для внутрицентровых переходов. 
Ширина фронта импульса не превышала 100 нс, 
что вполне достаточно для измерения сравнительно 
медленной кинетики люминесценции Fe2+ при 
гелиевых температурах.
3. НИЗКОТЕМПЕРАТУРНАЯ
ЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ Fe2+ В CdTe И ZnSe
Измерения низкотемпературной фотолюминесценции (ФЛ) образцов проводились в широком спектральном диапазоне от 0.9 до 5.5 мкм (1.4-0.22 эВ). 
Для измерения спектров в ближнем ИК-диапазоне 
до 1.1 мкм использовалась установка на основе монохроматора Acton (Princeton Instruments) с охлаждаемой кремниевой матрицей. Для работы в области больших длин волн использовалась установка на 
основе модернизированного монохроматора ИКС-31 
со сменными дифракционными решетками. В схеме 
регистрации использовались различные приемники, 
обеспечивающие максимальную чувствительность в 
своем диапазоне. В спектральной области 1-1.7 мкм 
для регистрации сигнала использовался фотоэлектронный умножитель Hamamatsu H10330B-75, работающий в режиме счета фотонов. В диапазоне 
1.1-2.4 мкм использовался охлаждаемый фотодиФрагменты спектров низкотемпературной фотолюминесценции исследуемых образцов, демонстрирующие внутрицентровые переходы Fe2+ в CdTe и 
ZnSe, представлены на рис. 1. Свободный ион желе759

В.С. Кривобок, Д. Ф. Аминев, Д. А. Зазымкина и др.
ЖЭТФ, том 165, вып. 6, 2024
0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 
Photon energy (eV)
Рис. 1. Обзорные спектры низкотемпературной фотолюминесценции для ионов Fe2+ в кристаллах ZnSe (сверху) 
и CdTe (снизу) при температуре 7 К. Используемые длины 
волн возбуждения приведены на рисунке
Рис. 2. Схема расщепления энергетических 3H- и 5D- 
уровней Fe2+ в тетраэдрическом поле (диаграмма Танабе- 
Сугано). Вертикальные пунктирные линии соответствуют 
значением параметра Dq для CdTe и ZnSe
за Fe2+ имеет конфигурацию d6 основным состоянием которого является 5D, а первым возбужденным 
батических эффектов, их количество указывает на 
тетраэдрическую координацию иона Fe2+, а энергетическое положение обеспечивает возможность более или менее корректного восстановления параметров Рака в матрице ZnSe. В свою очередь, переход 3T1(3H) ^ 5T2(5D) на первый возбужденный подуровень обсуждался в работах [21, 28]. Положение синей границы для соответствующей линии 
излучения согласуется со структурой электронного 
спектра, вытекающей из спектроскопии переходов 
3T1(3H) ^ 5E( 5D) и 5T2(5D) ^ 5E(5D). Характерные времена затухания сигнала люминесценции для 
переходов 3Ti(3H) ^ 5E( 5D) и 3Ti(3H) ^ 5T2(5D), 
определяемые релаксацией из состояния 3Ti (3H), 
порядка сотни микросекунд [29].
— 3H. В данной работе обсуждается спектр ионов 
Fe2+, замещающих Zn(Cd) в решетке ZnSe (CdTe). 
В этом случае примесь находится в тетраэдрическом поле, которое вызывает расщепление исходных 
уровней, см. рис. 2. Из теории кристаллического поля, подтвержденной экспериментальными исследованиями электронного спектра, см., например, [19], 
следует, что при учете только электрического поля основное состояние 5D расщепляется на два терма, 5E и 5T2, а возбужденный терм расщепляется 
на три уровня, 3H ^ 3T1, 3E, 3T2. Переход между 
нижними уровнями 5T2(5D) ^ 5E(5D), хорошо изучен. Как для CdTe:Fe [23], так и для ZnSe [19] разрешается серия бесфононных линий, которые позволяют довольно точно определить энергетический 
сдвиг между уровнями 5E и 5T2.
Для кристаллов ZnSe, исследованных в данной 
работе, спектр люминесценции, соответствующий 
переходу 3T1 (3H) ^ 5T2(5D), показан в центре верхней части рис. 1. Тонкая структура спектра в области, соответствующей бесфононным компонентам 
перехода 3T1(3H) ^ 5E( 5D), показана отдельно 
на рис. 3. Наличие нескольких бесфононных пиков в области 1.379-1.387 эВ определяется расщеплением состояний 3T1 (3H) и 5E(5D) за счет спин- 
орбитального взаимодействия первого и второго порядков [28]. Спектральные положения бесфононных 
линий систематизированы в табл. 1.
В отличие от ZnSe, для теллурида кадмия ранее уверенно был зарегистрирован только переход 
Еще из ранних работ для ZnSe:Fe известна широкая полоса излучения с максимумом в районе 980 
нм [18]. Эксперименты с оптическим детектированием магнитного резонанса однозначно указывают на 
связь данной полосы с переходом 3T1(3H) ^ 5E( 5D) 
иона Fe2+ [18]. Недавно использование низких температур в сочетании с кристаллами ZnSe:Fe высокого качества позволило зарегистрировать шесть бес- 
фононных компонент тонкой структуры для перехода 3T1(3H) ^ 5E( 5D), ширина каждой из которых не превышает 0.3 мэВ [28]. Само наличие данных компонент исключает заметную роль неадиа5T2(5D) ^ 5E(5D) [23]. Тонкая структура этого пе760

ЖЭТФ, том 165, вып. 6, 2024
Роль нефелоксетического эффекта...
Рис. 4. Спектр фотолюминесценции CdTe:Fe, записанный 
Рис. 3. Тонкая структура спектра излучения для кристалла ZnSe:Fe в области бесфононного (ZPL) перехода 
в условиях импульсного возбуждения при температуре 7 К. 
Задержка относительно конца возбуждающего лазерного 
импульса составляет 1.4 мс. Бесфононный переход (ZPL) 
расположен в районе 1.22 эВ
3Ti(3H) ^ 5E( 5D) при температуре 5К. Для возбуждения ФЛ используется излучение с длинной волны 532 нм. 
LO/TO и LA/TA обозначают фононные повторения с участием соответственно оптических и акустических фононов
того, возможен вклад в излучение ионов железа, находящихся в другом зарядовом состоянии.
рехода указывает на то, что, как и в ZnSe, координация иона Fe2+ близка к тетраэдрической. Следовательно, длинноволновый сдвиг перехода 5T2(5D) ^ 
^5E(5D) [23] в CdTe по сравнению с ZnSe определяется уменьшением величины расщепления кристаллическим полем (параметр Dq). Для исследованных кристаллов CdTe:Fe линия излучения, соответствующая переходу 5T2(5D) ^ 5E(5D), показана 
на рис. 1 внизу слева.
В отличие от внутрицентровой люминесценции, 
обычное примесно-дефектное излучение в полупроводниках с прямым краем фундаментального поглощения характеризуется нано- или микросекундны- 
ми временами затухания. Поэтому для отделения 
люминесцентного фона мы провели измерения ФЛ 
с временным разрешением. Пример спектра излучения, полученного при сравнительно больших временах задержки около 1.4 мс, показан на рис. 4. Видно, 
что в данном спектре регистрируется основная полоса с максимумом 1.1 эВ, длиноволновая особенность 
в районе 0.9 эВ и слабая коротковолновая компонента с максимумом 1.22 эВ. Исходя из сравнительно 
больших времен затухания, можно утверждать, что 
все перечисленные компоненты представляют собой 
внутрицентровую ФЛ.
В работе [30] упоминается о возникновении новых полос излучения c максимумами излучения 1.13 
и 1.03 эВ, после имплантации железа в CdTe и последующего отжига. В этой работе также приведена оценка времени затухания излучения 30 мкс, что 
позволяет сделать вывод о связи этих полос с внут- 
рицентровыми переходами ионов железа. Однако о 
природе соответствующего центра никаких предположений в [30] высказано не было.
Как видно на рис. 1, в исследованных кристаллах 
Для оценки нефелоксетического эффекта, как и 
в случае ZnSe:Fe, наибольший интерес представляет спектральное положение бесфононного перехода 
(переходов). В случае спектра ФЛ на рис. 4 основным кандидатом на роль бесфононного перехода является, очевидно, узкая компонента в районе 1.22 
эВ. Как и в случае ZnSe (рис. 3), данная линия может иметь тонкую структуру, которая не разрешается в наших экспериментах. Для подтверждения сделанной интерпретации нами была измерена кинетика люминесценции полосы 1.1. эВ и узкой компоненCdTe:Fe полоса излучения 1.2-0.75 эВ имеет сложную форму и можно предположить, что она образована наложением двух полос — более интенсивной с 
максимумом 1.1 эВ и менее интенсивной с максимумом около 0.9 эВ. Данное предположение строится 
на аналогии со спектром излучения Fe2+ в ZnSe, см. 
верхнюю часть рис. 1. Однако на этот спектральный 
диапазон может накладываться излучение структурных дефектов CdTe, см., например, [31]; кроме 
761

В.С. Кривобок, Д. Ф. Аминев, Д. А. Зазымкина и др.
ЖЭТФ, том 165, вып. 6, 2024
В кристаллах CdTe, исследованных в данной работе, присутствие оптически активных ионов железа Fe2+ подтверждается наличием интенсивной люминесценции, соответствующей переходу 5T2(5 D) ^ 
-0.06 
-0.04 
-0.02 
0.00 
0.02 
0.04 
0.06 
0.08
Time (ms)
5E(5D), см. рис. 1. Тем не менее возможным альтернативным кандидатом на роль обсуждаемой люминесцентной системы в CdTe могли бы быть ионы Fe3+. Как показывают оценки (см. Приложение), 
первое возбужденное состояние для иона Fe3+ расположено в районе 2 эВ. Это существенно выше, 
чем спектральное положение полос на рис. 4 (около 1.1-1.2 эВ). Кроме того, в описанных выше экспериментах мы использовали оптическое возбуждение с энергией кванта, превышающей край фундаментального поглощения CdTe. В этом случае возбуждающее излучение поглощается в тонком приповерхностном слое и прямое (внутрицентровое) возбуждение Fe3+ маловероятно ввиду малого значения сечения для соответствующего процесса. Наиболее эффективный механизм возбуждения состоит, 
по-видимому, в захвате фотовозбужденного электрона ионом Fe3+ и затем релаксации в одно из 
возбужденных состояний иона Fe2+ [21]. Ион Fe3+ 
в решетке CdTe формирует кулоновский потенциал, аналогичный водородоподобному донору в CdTe 
(свойства водородоподобных доноров в CdTe описаны, в частности, в работе [32]). Поэтому при гелиевых температурах следует ожидать эффективного 
захвата электронов с последующим формированием слабосвязанных (водородоподобных) состояний. 
В то же время ион Fe2+ не формирует дальнодей- 
ствующего притягивающего потенциала для дырок, 
поэтому процесс, при котором происходит захват 
дырки ионом Fe2+ с последующим формированием 
иона Fe3+ в возбужденном состоянии, представляется маловероятным.
Рис. 5. Кинетики возгорания (верхняя панель) и затухания (нижняя панель) сигнала фотолюминесценции, записанные в двух различных спектральных областях при возбуждении кристалла CdTe:Fe импульсами прямоугольной 
формы. Первая область (серые кривые) соответствует бес- 
фононному (ZPL) переходу на рис. 4, вторая область — 
фрагменту широкой полосы в районе 1.1 эВ. Температура 
5 К, длина волны лазерного возбуждения 660 нм
Таким образом, в условиях эксперимента при 
возбуждении выше края фундаментального поглощения следует ожидать внутрицентровой люминесценции именно ионов Fe2+. В этом случае качественный анализ, основанный на диагрммах Танабэ-Су- 
гано, позволяет однозначно отождествить бесфонон- 
ную компоненту 1.22 эВ и полосу 1.1 эВ с переходом 
3T1(3H) ^ 5E( 5D). Таким образом, из представленных выше спектроскопических данных следует, 
что переход 3Ti(3H) ^ 5E( 5D) между внутренними оболочками иона Fe2+ в ZnSe и CdTe, формирует схожие по структуре спектры излучения, состоящие из бесфононного пика (пиков) и широкой 
полосы, возникающей за счет взаимодействия с фононной подсистемой. При этом спектральное полоты в районе 1.22 эВ при температуре 7 К. Результаты измерений иллюстрирует рис. 5 (верхняя панель) 
(возгорание ФЛ) и рис. 5 (нижняя панель) (гашение 
ФЛ). Как видно на данных рисунках, наблюдается 
схожий характер возгорания и тушения сигнала, что 
подтверждает отношение узкой линии 1.22 эВ и широкой полосы 1.1 эВ к одной и той же люминесцентной системе. Таким образом, можно утверждать, 
что пик 1.22 эВ действительно является бесфонон- 
ным переходом, а полоса 1.1 эВ возникает в результате взаимодействия с фононной подсистемой.
762

ЖЭТФ, том 165, вып. 6, 2024
Роль нефелоксетического эффекта...
Таблица 1. Энергетические значения переходов, наблюдаемых в эксперименте для ZnSe:Fe и CdTe:Fe 
(значения приведены в см -1)
5T2( 5d) ^ 5E( 5d)
3T1(3H) ^ 5T2( 5d)
3T1 (3H) ^ 5E( 5d)
ZnSe:Fe
2700-2950
7140
11155
CdTe:Fe
2197
6250
8695
жение бесфоннонного пика (или центр тяжести серии пиков) согласуется с качественным анализом в 
рамках диаграмм Танабэ-Сугано. Спектроскопические данные по бесфононным переходам с участием 
состояний 5T2 (5D), 5E (5D), 3T1 (3H), полученные 
в настоящей работе и взятые из работ [28,31], систематизированы в табл. 1
расчете используются интегралы Слэтера Fj, которые из-за сложности проведения вычислений ab 
initio для ионов в кристаллической матрице, дающих результаты с точностью, приближающейся к 
спектроскопической, обычно остаются параметрами 
теории и определяются из эксперимента [33]. Рака ввел новые обозначения для интегралов Слэте- 
ра, которые удобно использовать как полуэмпири- 
ческие параметры при решении задачи [33],
9F2 - 5F4
4. РОЛЬ НЕФЕЛОКСЕТИЧЕСКОГО 
ЭФФЕКТА Fe2+ В CdTe И CdTe
(2)
441 
С
5F 4
(3)
~бТ'
Как следует из рис. 2 а и табл. 1, в отличие от 
качественных рассуждений, количественный анализ 
спектроскопических данных на основе диаграмм Та- 
набэ-Сугано для свободных ионов Fe2+ наталкивается на определенные противоречия. Спектральное положение бесфононных линий для перехода 
Как уже отмечалось выше, параметр Dq определяет расстояние между нижними уровнями 5E 
и 5 T2 и поэтому однозначно определяется из экспериментальных данных. Параметры В и С для 
свободного иона Fe2+ приведены в справочниках: 
В0 = 917см-1, С0 = 4040см-1 [34]. При интерпретации экспериментальных данных феноменологический учет нефелоксетических эффектов может 
быть осуществлен за счет использования параметров Рака B и C, значения которых отличается от 
таковых для свободных ионов. Фактически, это соответствует эффективному уменьшению межэлектронного отталкивания. Для иона в решетке данные 
параметры могут также быть вычислены ab initio и 
поэтому являются удобными при разработке и адаптации достаточно сложных современных теорий.
5T2 (5D) ^ 5E (5D) соответствует 10Dq и, таким образом, характеризует величину кристаллического 
поля. Как видно из. табл. 1, величина кристаллического поля в ZnSe на 20-25 % выше, чем в CdTe. 
Из диаграммы Танабэ-Сугано на рис. 2 а сразу следует, что в CdTe переход 3T1(3H) ^ 5E( 5D) должен смещаться в коротковолновую область по сравнению с ZnSe. В то же время из экспериментальных 
данных следует обратная тенденция — соответствующая линия демонстрирует выраженный длиноволновый сдвиг. Мы предполагаем, что данное расхождение иллюстрирует увеличение нефелоксетическо- 
го эффекта при переходе от ZnSe к CdTe. Отметим, что если принять уменьшение энергии состояния 3T1 (3H) по отношению к 5E(5D) и 5T2 (5D) за 
счет нефелоксетического эффекта, то наблюдаемая 
для CdTe полоса в районе 0.9 эВ попадает как раз в 
ту область, где должно регистрироваться излучение 
перехода 3T1(3H) ^ 5T2(5D).
Полученные нами экспериментальные данные 
позволили уточнить значения параметров B и C для 
иона Fe2+, внедренного в решетки ZnSe и CdTe. На 
рис. 6 приведен разброс допустимых значений параметров B и C для нашей задачи, которые дают энергетический сдвиг между 5E(5D) и 3T1(3H) 
примерно 1.383 эВ в ZnSe (рис. 3) и примерно 1.078 
эВ в CdTe. Как видно, диапазон подходящих пар 
значений в случае ZnSe: С = 2550 — 2800 см-1, 
В = 590 — 783 см-1. Данные значения были выбраны в соответствии с правилом (закономерностью) соотношения С/В = 4 — 4.5 [26]. Кроме тоСогласно теории кристаллического поля, вычисления значений расщепления энергетических уровней можно провести с параметром расщепления 
кристаллическим полем Dq (ligand field splitting) 
для материала матрицы и параметрами, определяющими межэлектронное взаимодействие [33]. При 
763