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"10.29235/1561-2430-2022-58-2-245-254vestifm-648Research ArticleФИЗИКАPHYSICSСпонтанное, стимулированное излучение и лазерная генерация в кристаллах и тонких пленках CuInSe2Spontaneous, stimulated emission and laser generation in crystals and thin films of CuInSe2МудрыйА. В.MudryiA. V.

Мудрый Александр Викторович – кандидат физико-математических наук, главный научный сотрудник лаборатории оптической спектроскопии полупроводников

ул. П. Бровки, 19, 220072, Минск

Alexander V. Mudryi – Ph. D. (Physics and Mathematics), Chief Researcher of the Laboratory of Optical Spectroscopy of Semiconductors

19, P. Brovka Str., 220072, Minsk

mudryi@physics.byЖивулькоВ. Д.ZvivulkoV. D.

Живулько Вадим Дмитриевич – кандидат физико-математических наук, заведующий лабораторией оптической спектроскопии полупроводников

ул. П. Бровки, 19, 220072, Минск

Vadim D. Zvivulko – Ph. D. (Physics and Mathematics), Head of the Laboratory of Optical Spectroscopy of Semiconductors

19, P. Brovka Str., 220072, Minsk

zhivulko@physics.byБородавченкоО. М.BorodavchenkoO. M.

Бородавченко Ольга Михайловна – научный сотрудник лаборатории оптической спектроскопии полупроводников

ул. П. Бровки, 19, 220072, Минск

Olga M. Borodavchenko – Researcher of the Laboratory of Optical Spectroscopy of Semiconductors

19, P. Brovka Str., 220072, Minsk

borodavchenko@physics.byЯкушевМ. В.YakushevM. V.

Якушев Михаил Васильевич – доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник, лаборатория наноквантовой спинтроники

ул. С. Ковалевской, 18, 620108, Екатеринбург

Michael V. Yakushev – Dr. Sc. (Physics and Mathematics), Chief Researcher of the Laboratory of Nanoquantum Spintronics

18, S. Kovalevskaya Str., 620108, Ekaterinburg

michael.yakushev@strath.ac.ukПавловскийВ. Н.PavlovskiiV. N.

Павловский Вячеслав Николаевич – кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник Центра «Полупроводниковые технологии и лазеры»

пр. Независимости, 68-2, 220072, Минск

Viacheslav N. Pavlovskii – Ph. D. (Physics and Mathematics), Leading Researcher of the Center "Semiconductor Technologies and Lasers"

68-2, Nezavisimosti Ave., 220072, Minsk 

v.pavlovskii@ifanbel.bas-net.byЛуценкоЕ. В.LutsenkoE. V.

Луценко Евгений Викторович – кандидат физико-математических наук, заместитель заведующего Центром «Полупроводниковые технологии и лазеры»

пр. Независимости, 68-2, 220072, Минск

Evgenii V. Lutsenko – Ph. D. (Physics and Mathematics), Deputy Head of the Center "Semiconductor Technologies and Lasers"

68-2, Nezavisimosti Ave., 220072, Minsk

e.lutsenko@ifanbel.bas-net.byЯблонскийГ. П.YablonskiiG. P.

Яблонский Геннадий Петрович – доктор физико-математических наук, заведующий Центром «Полупро водниковые технологии и лазеры»

пр. Независимости, 68-2, 220072, Минск

Gennadii P. Yablonskii – Dr. Sc. (Physics and Mathematics), Head of the Center "Semiconductor Tech nologies and Lasers"

68-2, Nezavisimosti Ave., 220072, Minsk

g.yablonskii@ifanbel.bas-net.byНаучно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедениюScientific-Practical Materials Research Center of the National Academy of Sciences of BelarusИнститут физики металлов имени М. Н. Михеева Уральского отделения наук Российской академии наукMikheev Institute of Metal Physics of Ural Branch of the Russian Academy of SciencesИнститут физики имени Б. И. Степанова Национальной академии наук БеларусиB. I. Stepanov Institute of Physics of the National Academy of Sciences of Belarus202205072022582245254Copyright © Мудрый А.В., Живулько В.Д., Бородавченко О.М., Якушев М.В., Павловский В.Н., Луценко Е.В., Яблонский Г.П., 20222022Мудрый А.В., Живулько В.Д., Бородавченко О.М., Якушев М.В., Павловский В.Н., Луценко Е.В., Яблонский Г.П.Mudryi A.V., Zvivulko V.D., Borodavchenko O.M., Yakushev M.V., Pavlovskii V.N., Lutsenko E.V., Yablonskii G.P.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/648

Представлены результаты исследования спектров излучения кристаллов и тонких пленок CuInSe2 при непрерывном (2 Вт/см2) и наносекундном импульсном лазерном возбуждении в диапазоне плотности мощности возбуждения ~1–100 кВт/см2 и температурах 10–160 К. Обнаружено, что в кристаллах CuInSe2 стимулированное излучение возникает в спектральной области 1,033 эВ с минимальным уровнем пороговой накачки 9,8 кВт/см2, а при уровнях накачки 36–76 кВт/см2 наблюдается лазерное излучение. Установлено, что для тонких пленок CuInSe2, сформированных на стеклянных подложках с предварительно осажденным на стекло слоем молибдена (структура CuInSe2/Mo/стекло), характерно появление только стимулированного излучения в области энергий 1,014–1,097 эВ с минимальным уровнем пороговой накачки 30 кВт/см2 при температуре 10 К. Обсуждаются механизмы возникновения стимулированного и лазерного излучения в соединении CuInSe2.

Представлены результаты исследования спектров излучения кристаллов и тонких пленок CuInSe2 при непрерывном (2 Вт/см2) и наносекундном импульсном лазерном возбуждении в диапазоне плотности мощности возбуждения ~1–100 кВт/см2 и температурах 10–160 К. Обнаружено, что в кристаллах CuInSe2 стимулированное излучение возникает в спектральной области 1,033 эВ с минимальным уровнем пороговой накачки 9,8 кВт/см2, а при уровнях накачки 36–76 кВт/см2 наблюдается лазерное излучение. Установлено, что для тонких пленок CuInSe2, сформированных на стеклянных подложках с предварительно осажденным на стекло слоем молибдена (структура CuInSe2/Mo/стекло), характерно появление только стимулированного излучения в области энергий 1,014–1,097 эВ с минимальным уровнем пороговой накачки 30 кВт/см2 при температуре 10 К. Обсуждаются механизмы возникновения стимулированного и лазерного излучения в соединении CuInSe2.

CuInSe2кристаллытонкие пленкифотолюминесценциястимулированное излучениелазерное излучениеCuInSe2кристаллытонкие пленкифотолюминесценциястимулированное излучениелазерное излучениеReferencesDielectric function of Cu(In,Ga)Se2-based polycrystalline materials / S. Minoura [et. al.] // J. Appl. Phys. – 2013. – Vol. 113, № 6. – P. 063505-1–063505-14. https://doi.org/10.1063/1.4790174Minoura S., Kodera K., Maekawa T., Miyazaki K., Niki S., Fujiwara H. Dielectric function of Cu(In,Ga)Se2-based polycrystalline materials. Journal of Applied Physics, 2013, vol. 113, no. 6, p. 063505 (14 pp.). https://doi.org/10.1063/1.479074Optical properties and band gap energy of CuInSe2 thin films prepared by two-stage selenisation process / M. V. Yakushev [et. al.] // J. Phys. Chem. Solids. – 2003. – Vol. 64, № 9–10. – P. 2005–2009. https://doi.org/10.1016/S00223697(03)00089-1Yakushev M. V., Mudryi A. V., Gremenok V. F., Zalesski V. B., Romanov P. I., Feofanov Y. V., Martin R. W., Tomlinson R. D. Optical properties and band gap energy of CuInSe2 thin films prepared by two-stage selenisation process. Journal of Physics and Chemistry of Solids, 2003, vol. 64, no. 9–10, pp. 2005–2009. https://doi.org/10.1016/S0022-3697(03)00089-1Band gap energies of bulk, thin-film, and epitaxial layers of CuInSe2 and CuGaSe2 / S. Chichibu [et. al.] // J. Appl. Phys. – 1998. – Vol. 83, № 7. – P. 3678–3689. https://doi.org/10.1063/1.366588Chichibu S., Mizutani T., Murakami K., Shioda T., Kurafuji T., Nakanishi H., Niki S., Fons P. J., Yamada A. Band gap energies of bulk, thin-film, and epitaxial layers of CuInSe2 and CuGaSe2. Journal of Applied Physics, 1998, vol. 83, no. 7, pp. 3678–3689. https://doi.org/10.1063/1.366588Aida, Y. Cu-rich CuInSe2 solar cells with a Cu-poor surface / Y. Aida, V. Depredurand, J. K. Larsen // Prog. Photovolt. Res. Appl. – 2015. – Vol. 23, № 6. – P. 754–764. https://doi.org/10.1002/pip.2493Aida Y., Depredurand V., Larsen J. K., Arai H., Tanaka D., Kurihara M., Siebentritt S. Cu-rich CuInSe2 solar cells with a Cu-poor surface. Progress in Photovoltaics: Research and Applications, 2015, vol. 23, no. 6, pp. 754–764. https://doi.org/10.1002/pip.2493Efficiency improvement of near-stoichiometric CuInSe2 solar cells for application in tandem devices / T. Feurer [et. al.] // Adv. Energy Mater. – 2019. – Vol. 9, № 35. – P. 1901428-1–1901428-6. https://doi.org/10.1002/aenm.201901428Feurer T., Carron R., Sevilla G. T., Fu F., Pisoni S., Romanyuk Y. E., Buecheler S., Tiwari A. N. Efficiency improvement of near-stoichiometric CuInSe2 solar cells for application in tandem devices. Advanced Energy Materials, 2019, vol. 9, no. 35, p. 1901428 (6 pp.). https://doi.org/10.1002/aenm.201901428Effects of heavy alkali elements in Cu(In,Ga)Se2 solar cells with efficiencies up to 22.6 % / P. Jackson [et. al.] // Phys. Stat. Sol. PRL. – 2016. – Vol. 10, № 8. – P. 583–586. https://doi.org/10.1002/pssr.201600199Jackson P., Wuerz R., Hariskos D., Lotter E., Witte W., Powalla M. Effects of heavy alkali elements in Cu(In,Ga)Se2 solar cells with efficiencies up to 22.6 %. Physica Status Solidi RRL, 2016, vol. 10, no. 8. pp. 583–586. https://doi.org/10.1002/pssr.201600199High excitation photoluminescence effects as a probing tool for the growth of Cu(In,Ga)Se2 / M. Moret [et. al.] // Proc. SPIE. – 2015. – Vol. 9358. – P. 9358-A1–9358-A7. https://doi.org/10.1117/12.2076938Moret M., Briot G., Gil B., Lepetit T., Arzel L., Barreau N. High excitation photoluminescence effects as a probing tool for the growth of Cu(In,Ga)Se2. Proceedings of SPIE, 2015, vol. 9358, p. 9358A1 (7 pp.). https://doi.org/10.1117/12.2076938Stimulated emission and lasing in Cu(In,Ga)Se2 thin films / I. E. Svitsiankou [et. al.] // J. Phys. D: Appl. Phys. – 2016. – Vol. 49, № 9. – P. 095106-1–095106-5. https://doi.org/10.1088/0022-3727/49/9/095106Svitsiankou I. E., Pavlovskii V. N., Lutsenko E. V., Yablonskii G. P., Mudryi A. V., Zhivulko V. D., Yakushev M. V., Martin R. W. Stimulated emission and lasing in Cu(In,Ga)Se2 thin films. Journal of Physics D: Applied Physics, 2016, vol. 49, no. 9, p. 095106 (5 pp.). https://doi.org/10.1088/0022-3727/49/9/095106Potassium fluoride postdeposition treatment with etching step on both Cu-rich and Cu-poor CuInSe2 thin film solar cells / F. Babbe [et. al.] // Phys. Rev. Mater. – 2018. – Vol. 2, № 10. – P. 105405-1–105405-9. https://doi.org/10.1103/physrevmaterials.2.105405Babbe F., Elanzeery H., Melchiorre M., Zelenina A., Siebentritt S. Potassium fluoride postdeposition treatment with etching step on both Cu-rich and Cu-poor CuInSe2 thin film solar cells. Physical Review Materials, 2018, vol. 2, no. 10, pp. 105405 (9 pp.). https://doi.org/10.1103/physrevmaterials.2.105405Tomlinson, R. D. Fabrication of CuInSe2 single crystals using melt-growth techniques / R. D. Tomlinson // Solar Cells. – 1986. – Vol. 16. – P. 17–26. https://doi.org/10.1088/0379-6787(86)90072-4Tomlinson R. D. Fabrication of CuInSe2 single crystals using melt-growth techniques. Solar Cells, 1986, vol. 16, pp. 17–26. https://doi.org/10.1088/0379-6787(86)90072-4Thermal expansion of CuInSe2 in the 11–1,073 K range: An X-ray diffraction study / W. Paszkowicz // Appl. Phys. A. – 2014. – Vol. 116, № 2. – P. 767–780. https://doi.org/10.1007/s00339-013-8146-9Paszkowicz W., Minikayev R., Piszora P., Trots D., Knapp M., Wejciehowski T., Baceewicz R. Thermal expansion of CuInSe2 in the 11–1,073 K range: An X-ray diffraction study. Applied Physics A. Materials Science Processing, 2014, vol. 116, no. 2, pp. 767–780. https://doi.org/10.1007/s00339-013-8146-9Optical properties of high-quality CuInSe2 single crystals / A. V. Mudryi [et. al.] // Appl. Phys. Lett. – 2000. – Vol. 77, № 16. – P. 2542–2544. https://doi.org/10.1063/1.1308525Mudryi A. V., Bodnar I. V., Viktorov I. A., Gremenok V. F., Yakushev M. V., Tomlinson R. D., Hill A. E., Pilkington R. D. Optical properties of high-quality CuInSe2 single crystals. Applied Physics Letters, 2000, vol. 77, no. 16, pp. 2542– 2544. https://doi.org/10.1063/1.1308525Magneto-photoluminescence study of radiative recombination in CuInSe2 single crystals / M. V. Yakushev [et. al.] // J. Phys. Chem. Solids. – 2003. – Vol. 64, № 9–10. – P. 2011–2016. https://doi.org/10.1016/S0022-3697(03)00090-8Yakushev M. V., Feofanov Y., Martin R. W., Tomlinson R. D., Mudryi A. V. Magneto-photoluminescence study of radiative recombination in CuInSe2 single crystals. Journal of Physics and Chemistry of Solids, 2003, vol. 64, no. 9–10, pp. 2011–2016. https://doi.org/10.1016/S0022-3697(03)00090-8Excitation power and temperature dependence of excitons in CuInSe2 / F. Luckert [et. al.] // J. Appl. Phys. – 2012. – Vol. 111, № 9. – P. 093507-1–093507-8. https://doi.org/10.1063/1.4709448Luckert F., Yakushev M. V., Faugeras C., Karotki A. V., Mudryi A. V. Excitation power and temperature dependence of excitons in CuInSe2. Journal of Applied Physics, 2012, vol. 111, no. 9, p. 093507 (8 pp.). https://doi.org/10.1063/1.4709448Excited states of the excitons in CuInSe2 single crystals / M. V. Yakushev [et. al.] // Appl. Phys. Lett. – 2010. – Vol. 97, № 15. – P. 152110-1–152110-3. https://doi.org/10.1063/1.3502603Yakushev M. V., Luckert F., Faugeras C., Karotki A. V., Mudryi A. V., Martin R. W. Excited states of the excitons in CuInSe2 single crystals. Applied Physics Letters, 2010, vol. 97, no. 15, p. 152110 (3 pp.). https://doi.org/10.1063/1.3502603The hunt for the third acceptor in CuInSe2 and Cu(In,Ga)Se2 absorber layers / F. Babbe et. al. // J. Phys. Condens. Matter. – 2019. – Vol. 31, № 42. – P. 425702-1–425702-9. https://doi.org./10.1088/1361-648X/ab2e24Babbe F., Elanzeery H., Wolter M. H., Santhosh K., Siebentritt S. The hunt for the third acceptor in CuInSe2 and Cu(In,Ga)Se2 absorber layers. Journal of Physics: Condensed Materials, 2019, vol. 31, no. 42, pp. 425702-1–425702-9. https:// doi.org./10.1088/1361-648X/ab2e24Photoluminescence, stimulated and laser emission in CuInSe2 crystals / I. E. Svitsiankou [et. al.] // Appl. Phys. Lett. – 2021. – Vol. 119, № 21. – P. 212103-1–212103-5. https://doi.org/10.1063/5.0060076Svitsiankou I. E., Pavlovskii V. N., Lutsenko E. V., Yablonskii G. P., Mudryi A. V., Borodavchenko O. M., Zhivulko V. D., Martin R. W., Yakushev M. V. Photoluminescence, stimulated and laser emission in CuInSe2 crystals. Applied Physics Letters, 2021, vol. 119, no. 21, p. 212103 (3 pp.). https://doi.org/10.1063/5.0060076Kawashima, T. Optical constants of CuGaSe2 and CuInSe2 / T. Kawashima, S. Adachi. // J. Appl. Phys. – 1998. – Vol. 84, № 9. – P. 5202–5209. https://doi.org/10.1063/1.368772Kawashima T., Adachi S. Optical constants of CuGaSe2 and CuInSe2. Journal of Applied Physics, 1998, vol. 84, no. 9, pp. 5202–5209. https://doi.org/10.1063/1.368772

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