Isolated hydrogen in II-VI zinc-chalcogenide widegap semiconductors modelled by the muon analogue

Abstract

We have investigated the behaviour of isolated hydrogen in II -VI zinc chalcogenide widegap semiconductors, by means of the positive-muon analogue. A broad program of muon-spin rotation, relaxation and resonance measurements was undertaken for monocrystalline samples of ZnSe, upon adequate characterization (particularly on the electrical transport properties, by means of Hall-effect and resistivity measurements). Two compact paramagnetic muonium states Mu I and Mu II were identified and the interconversion process was characterized. Capture of a second electron by Mu II, forming the negative ion Mu¯II was observed as well. This charged state becomes thermally unstable above 60 K and we relate this to possible ionization to the conduction band and estimate the corresponding acceptor level. In adition to ZnSe, monocrystalline samples of ZnS and ZnTe were investigated. Only one paramagnetic state is observed in ZnS, whose behaviour is shown to be much similar to that of Mu II in ZnSe. In ZnTe, only a diamagnetic state is observed, which we suggest corresponds to a deep donor in this material. Finally, a global configuration and energy level model is presented for muonium/hydrogen in II-VI semiconductors.

Neste trabalho investigou-se o comportamento, através da analogia com o muão positivo, do hidrogénio isolado em materiais calcógenos de zinco com propriedades semicondutoras e intervalo largo de energias proibidas, da fammília II-VI. Foi realizado um programa amplo de medidas experimentais de rotação, relaxação e ressonância do spin do muão em amostras monocristalinas de ZnSe devidamente caracterizadas (particularmente do ponto de vista das propriedades de transporte eléctrico, através de medidas de efeito de Hall e resistividade eléctrica). Identificou-se dois estados paramagnéticos compactos de muónio, Mu I e Mu II, e caracterizou-se o processo de interconversão. Observou-se ainda a captura de um segundo electrão pelo estado Mu II, formando o ião negativo Mu¯II. Este estado negativamente carregado é instável para temperaturas superiores a 60 K, possivelmente ionizando para a banda de condução, tendo sido determinado o presumível nivel aceitador correspondente. Para além de ZnSe, investigou-se também amostras monocristali nas de ZnS e ZnTe. Observa-se apenas um estado de muónio paramagnético em ZnS, cujo comportamento se verificou ser muito semelhante ao do estado Mu II existente em ZnSe. Em ZnTe observa-se um estado diamagnético que sugerimos corresponder a um dador profundo neste material. Finalmente, apresenta-se um modelo global para as configurações e níveis de energia do muónio/hidrogénio nos semiconductores da família II-VI.