vestifmИзвестия Национальной академии наук Беларуси. Серия физико-математических наукProceedings of the National Academy of Sciences of Belarus. Physics and Mathematics Series1561-24302524-2415The Republican Unitary Enterprise Publishing House "Belaruskaya Navuka"vestifm-218Research ArticleФИЗИКАPHYSICSИЗМЕНЕНИЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МОНОКРИСТАЛЛОВ Cu2ZnSnS4 ПОД ДЕЙСТВИЕМ ЭЛЕКТРОННОГО ОБЛУЧЕНИЯCHANGE IN THE Cu2ZnSnS4 SINGLE CRYSTALS DIELECTRIC PROPERTIES INDUCED BY ELECTRON IRRADIATIONГуртовойВ. Г.HurtavyV. G.

научный сотрудник

Researcher

hurtavy@physics.byШелегА. У.ShelegA. U.

доктор физико-математических наук, профессор, главный научный сотрудник

D. Sc. (Physics and Mathematics), Professor, Chief Researcher

sheleg@physics.byНаучно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедениюScientific-Practical Materials Research Center of the National Academy of Sciences of Belarus201620012017047681Copyright © Гуртовой В.Г., Шелег А.У., 20172017Гуртовой В.Г., Шелег А.У.Hurtavy V.G., Sheleg A.U.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestifm.belnauka.by/jour/article/view/218

В интервале температур 100–300 К на частотах измерительного поля 103–106 Гц проведены исследования электропроводности и диэлектрической проницаемости монокристаллов Cu2ZnSnS4, как необлученных, так и облученных электронами c энергией 4 МэВ дозами 1015 и 1016 см–2. Показано, что абсолютные значения изученных характеристик возрастают при увеличении температуры. На кривых σ = f(T) обнаружены участки с разным наклоном, что свидетельствует о наличии нескольких типов проводимости в исследованных полупроводниках. Выявлена дисперсия диэлектрических свойств исследованных монокристаллов: с ростом частоты значения диэлектрической проницаемости уменьшаются, а удельной электропроводности – увеличиваются. Обнаружено существенное влияние облучения электронами на электропроводность и диэлектрическую проницаемость исследованных монокристаллов.Увеличение дозы облучения приводит к уменьшению диэлектрической проницаемости и значительному возрастанию электропроводности во всей исследованной области температур.

The quaternary compound Cu2ZnSnS4 was synthesized by the one-temperature method from the elementary components. Single crystals of Cu2ZnSnS4 were grown by chemical gas-transmission. Samples were prepared in the form of plane singlecrystal plates with a size of more than 2×5×0.5 mm. The electrical conductivity and dielectric properties of Cu2ZnSnS4 single crystals are investigated in the temperature range 100–300 K at the measuring field frequencies of 103–106 Hz. Non-irradiated samples and those irradiated by electrons with an energy of 4 MeV and doses of 1015 and 1016 cm-2are studied. It is shown that the absolute values of the studied characteristics increase with temperature. The curves σ = f(T) have the areas with different slopes, which indicates the presence of several types of conduction in the investigated semiconductors. The dispersion of the dielectric properties of the studied single crystals is revealed: as the frequency is increased, dielectric constant values decrease and, as electrical conductivity is increased, these values grow. Increasing the radiation decreases dielectric permittivity and causes a significant growth of electrical conductivity in the entire investigated temperature range.

четверные полупроводникидиэлектрическая проницаемостьудельная электропроводностьэлектронное облучениедисперсиянизкотемпературные исследованияquaternary semiconductorsdielectric constantelectrical conductivityelectron irradiationlow-temperature investigationsReferencesCompositional investigation of potassium doped Cu(In,Ga)Se2 solar cells with efficiencies up to 20.8 % / P. Jackson [et al.] // Phys. Status Solidi (RRL) – Rapid Research Letters. – 2014. – Vol. 8, N 3. – P. 219–222.Jackson P., Hariskos D., Wuerz R., Wischmann W., Powalla M. Compositional investigation of potassium doped Cu(In,Ga)Se2 solar cells with efficiencies up to 20.8%. Physica Status Solidi (RRL) – Rapid Research Letters, 2014, vol. 8, no. 3, pp. 219–222. doi: 10.1002/pssr.201409040.Properties of Cu(In,Ga)Se2 solar cells with new record efficiencies up to 21.7% / P. Jackson [et al.] // Phys. Status Solidi (RRL). – 2015. –Vol. 9, N 1. – P. 28–31.Jackson P., Hariskos D., Wuerz R., Kiowski O., Bauer A., Friedlmeier T.M., Powalla M. Properties of Cu(In,Ga)Se2 solar cells with new record efficiencies up to 21.7%. Physica Status Solidi (RRL) – Rapid Research Letters, 2015, vol. 9, no. 1, pp. 28–31. doi: 10.1002/pssr.201409520.The role of structural properties on deep defect states in Cu2ZnSnS4 studied by photoluminescence spectroscopy / M. Grossberg [et al.] // Appl. Phys. Lett. – 2012. – Vol. 101, N 10. – P. 102102–102104.Grossberg M., Krustok J., Raudoja J., Raadik T. The role of structural properties on deep defect states in Cu2ZnSnS4 studied by photoluminescence spectroscopy. Applied Physics Letters, 2012, vol. 101, no. 10, pp. 102102–102104. doi: 10.1063/1.4750249.Lydia, R. Sreedhara Reddy P. Structural and Optical Properties of Cu2ZnSnS4 Nanoparticles for Solar Cell Applications / R. Lydia // J. Nano- and Electron. Phys. – 2013. – Vol. 5, N 3. – P. 03017-1–03017-4.Lydia R., Sreedhara Reddy P. Structural and Optical Properties of Cu2ZnSnS4 Nanoparticles for Solar Cell Applications. Journal of Nano- and Electronic Physics, 2013, vol. 5, no. 3, pp. 03017-1– 03017-4.Optical properties of high quality Cu2ZnSnSe4 thin films / F. Luckert [et al.] // Appl. Phys. Lett. – 2011. – Vol. 99, N 6. – P. 062104.Luckert F., Hamilton D.I., Yakushev M.V., Beattie N.S., Zoppi G., Moynihan M., Forbes I., Karotki A.V., Mudryi A.V., Grossberg M., Krustok J., Martin R.W. Optical properties of high quality Cu2ZnSnSe4 thin films. Applied Physics Letters, 2011, vol. 99, no. 6, р. 062104. doi:10.1063/1.3624827.Spectroscopic ellipsometry study of Cu2ZnGeSe4 and Cu2ZnSiSe4 poly-crystals / M. Leon [et al.] // Mater. Chem. Phys. – 2013. – Vol. 141, N 1. – P. 58–62.Leon M., Levcenko S., Serna R., Nateprov A., Gurieva G., Merino J.M., Schorr S., Arushanov E. Spectroscopic ellipsometry study of Cu2ZnGeSe4 and Cu2ZnSiSe4 poly-crystals. Materials Chemistry and Physics, 2013, vol. 141, no. 1, pp. 58–62. doi:10.1016/j.matchemphys.2013.04.024.Compositionally Tunable Photoluminescence Emission in Cu2ZnSn(S1−xSex)4 Nanocrystals / A. Singh [et al.] // Angew. Chem. Int. Ed. – 2013. – Vol. 52, N 35. – P. 9120–9124.Singh A., Singh S., Levcenko S., Unold T., Laffir F., Ryan K.M. Compositionally Tunable Photoluminescence Emission in Cu2ZnSn(S1−xSex)4 Nanocrystals. Angewandte Chemie International Edition, 2013, vol. 52, no. 35, pp. 9120–9124. doi: 10.1002/anie.201302867.Beyond 11% Efficiency: Characteristics of State-of-the-Art Cu2ZnSn(S,Se)4 Solar Cells / T. K. Todorov [et al.] // Advanced Energy Materials. – 2013. – Vol. 3, N 1. – P. 34–38.Todorov T.K., Tang J., Bag S., Gunawan O., Gokmen T., Zhu Y., Mitzi D.B. Beyond 11% Efficiency: Characteristics of Stateof- the-Art Cu2ZnSn(S,Se)4 Solar Cells. Advanced Energy Materials, 2013, vol. 3, no. 1, pp. 34–38. doi: 10.1002/aenm.201200348.Кристаллографические и оптические характеристики тонких пленок твердых растворов Cu2ZnSn(SxSe1–x)4 / А. У. Шелег [и др.] // Журн. приклад. спектроскопии. – 2014. – Т. 81, № 5. – C. 704–709.Sheleg A.U., Hurtavy V.G., Mudryi A.V., Zhivulko V.D., Valakh M.Y., Yuhimchuk V.A., Babichuk I.S., Xie H., Saucedo E. Crystallographic and Optical Characteristics of Thin Films of Cu2ZnSn(SxSe1–x)4 Solid Solutions. Journal of Applied Spectroscopy, 2014, vol. 81, no. 5, pp. 776–781. doi:10.1007/s10812-014-0005-8.Определение структурных и оптических характеристик тонких пленок полупроводниковых соединений Cu2ZnSnS4 / А. У. Шелег [и др.] // Физика и техника полупроводников. – 2014. – Т. 48, № 10. – C. 1332–1338.Sheleg A.U., Hurtavy V.G., Mudryi A.V., Valakh M.Y., Yukhymchuk V.O., Babichuk I.S., Leon M., Caballero R. Determination of the structural and optical characteristics of Cu2ZnSnS4 semiconductor thin films. Semiconductors, 2014, vol. 48, no. 10, pp. 1296–1302. doi:10.1134/S1063782614100273.Шелег, А. У. Получение и рентгенографические исследования твердых растворов Cu2ZnSn(SxSe1–x)4 / А. У. Шелег, В. Г. Гуртовой, В. А. Чумак // Кристаллография. – 2015. – Т. 60, № 5. – C. 826–830.Sheleg A.U., Hurtavy V.G., Chumak V.A. Synthesis and X-ray diffraction study of Cu2ZnSn(SxSe1-x)4 solid solutions. Crystallography Reports, 2015, vol. 60, no. 5, pp. 758–762. doi:10.1134/S1063774515040203.Device characteristics of CZTSSe thin-film solar cells with 12.6% efficiency / W. Wang [et al.] // Adv. Energy Mat. – 2014. – Vol. 4, N 7. – P. 36–45.Wang W., Winkler M.T., Gunawan O., Gokmen T., Todorov T.K., Zhu Y., Mitzi D.B. Device characteristics of CZTSS e thin-film solar cells with 12.6% efficiency. Advanced Energy Materials, 2014, vol. 4, no. 7, pp. 36–45. doi: 10.1002/aenm.201301465.Пешиков, Е. В. Радиационные эффекты в сегнетоэлектриках / E. B. Пешиков. – 2-е изд. – Ташкент: Фан, 1986. – 138 с.Peshikov E.V. The Radiation Effects in Semiconductors. 2nd ed. Tashkent, Fan Publ., 1986. 138 p. (in Russian)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.