Electronic properties of the III-VI layer compounds GaS, GaSe and InSe

Summary

High-resolution reflectivity spectra of the layer compounds GaS, GaSe and InSe have been measured at RT between 4 and 32 eV by using synchroton radiation. The function (ħω)² ε₂ has been obtained by Kramers-Kronig analysis of the reflectivity spectra. Above 20 eV in GaS and GaSe and 17.5 eV in InSe the excitation of the Ga3d and In4d electrons, respectively, generates sharp structures associated with the density of states of the conduction bands, except for the first prominent peak (and its spin-orbit partner) that has been associated with a core exciton, the binding energy of which is (0.5 ± 0.2) eV in GaS and (0.3 ± 0.2) eV in GaSe, while in InSe the core exciton is not resolved from the In4d ionization continuum. The valence band excitations have been analysed in detail and the relevant structures have been associated with transitions beginning in deeper and deeper valence bands and terminating mostly in the lower groups of conduction bands.

Riassunto

Si sono misurati gli spettri di riflettività, a tcmperatura ambiente, dei composti lamellari GaS, GaSe ed InSe tra 4 e 32 eV per mezzo della radiazione di sincrotrone. Si è ottenuta la funzione (ħω)²ε₂ per mezzo dell’analisi di Kramers-Kronig di tali spettri. Al di sopra di 20 eV nel GaS e nel GaSe e di 17.5 eV nell’InSe l’eccitazione degli elettroni 3d del gallio e 4d dell’indio, rispettivamente, genera strutture molto pronunziate, associate con la densità degli stati delle bande di conduzione, ad esclusione del primo picco (e del suo partner spin-orbita) il quale è stato associato ad un eccitone di core, la cui energia di legame è (0.5 ± 0.2) eV nel GaS e (0.3 ± 0.2) eV nel GaSe. Nel caso dell’InSe l’eccitone di core non è risolto dal continuo della ionizzazione dei livelli 4d dell’indio. Inoltre sono state analizzate in dettaglio le eccitazioni delle bande di valenza e le strutture principali presenti negli spettri dei tre composti sono state associate a transizioni cbe hanno origine in bande di valenza sempre più profonde e raggiungono al più i gruppi più bassi di bande di conduzione.

Резюме

Используя синхротро нное излучение, измерены с высоким ра зрешением спектры от ражения слоев GaS, GaSe и InSe при RТ в области между 4 и 32 эВ. Получ слоев GaS, GaSe и InSe при RТ в облас ти между 4 и 32 эВ. Получен а функция (ħω)²ε₂ с помо щью анализа Крамерса-Кронига спектров отр ажения. Выше 20 эВ в GaS и GaSe и 17.5 эВ в InSe функция (ħω)²ε₂ с помощь ю анализа Крамерса-Кр онига спектров отраж ения. Выше 20 эВ в GaS и GaSe и 17.5 эВ в InSe возбуждение электр онов Ga3d и In4d, соответствен но, порождает острые с труктуры, связанные с плотностью сост спектров отражения. В ыше 20 эВ в GaS и GaSe и 17.5 эВ в InSe возб уждение электронов Ga3d и In4d, соответственно, по рождает острые струк туры, связанные с плот ностью состояний зон проводимости, за искл ючением первого пика (и его спин-орбитально го партнера), что связа возбуждение электро нов Ga3d и In4d, соответственн о, порождает острые ст руктуры, связанные с п лотностью состояний зон проводимости, за и сключением первого п ика (и его спин-орбитал ьного партнера), что св язано с экситоном ост ова, энергия связи кот орого составляет (0.5 ± 0.2) э В в а и (0.3 ± 0.2) эВ в GaSe, тогда ка к порождает острые стр уктуры, связанные с пл отностью состояний з он проводимости, за ис ключением первого пи ка (и его спин-орбиталь ного партнера), что свя зано с экситоном осто ва, энергия связи кото рого составляет (0.5 ± 0.2) эВ в а и (0.3 ± 0.2) эВ в GaSe, тогда как в InSe экситон остова не р азрешается от In4d иониз ационного континуум а. Подробно анализиру ются возбуж состояний зон провод имости, за исключение м первого пика (и его сп ин-орбитального парт нера), что связано с экс итоном остова, энерги я связи которого сост авляет (0.5 ± 0.2) эВ в а и (0.3 ± 0.2) эВ в GaSe, тогда как в InSe экситон остова не разрешаетс я от In4d ионизационного континуума. Подробно анализируются возбу ждения валентной зон ы и соответствующие с труктуры связаны с пе реходами из более глу боких валентных зон пика (и его спин-орбита льного партнера), что с вязано с экситоном ос това, энергия связи ко торого составляет (0.5 ± 0.2) эВ в а и (0.3 ± 0.2) эВ в GaSe, тогда к ак в InSe экситон остова н е разрешается от In4d ион изационного контину ума. Подробно анализи руются возбуждения в алентной зоны и соотв етствующие структур ы связаны с переходам и из более глубоких ва лентных зон в низшие г руппы зон проводимос ти. экситоном остова, эне ргия связи которого с оставляет (0.5 ± 0.2) эВ в а и (0.3 ± 0.2) эВ в GaSe, тогда как в InSe экс итон остова не разреш ается от In4d ионизацион ного континуума. Подр обно анализируются в озбуждения валентно й зоны и соответствую щие структуры связан ы с переходами из боле е глубоких валентных зон в низшие группы зо н проводимости. ± 0.2) эВ в а и (0.3 ± 0.2) эВ в GaSe, тогда как в InSe экситон остова не разрешается от In4d ио низационного контин уума. Подробно анализ ируются возбуждения валентной зоны и соот ветствующие структу ры связаны с перехода ми из более глубоких в алентных зон в низшие группы зон проводимо сти. разрешается от In4d иониз ационного континуум а. Подробно анализиру ются возбуждения вал ентной зоны и соответ ствующие структуры с вязаны с переходами и з более глубоких вале нтных зон в низшие гру ппы зон проводимости. анализируются возбу ждения валентной зон ы и соответствующие с труктуры связаны с пе реходами из более глу боких валентных зон в низшие группы зон про водимости. соответствующие стр уктуры связаны с пере ходами из более глубо ких валентных зон в ни зшие группы зон прово димости. более глубоких вален тных зон в низшие груп пы зон проводимости. проводимости.