JPS63207186A - 可視光領域光素子用材料 - Google Patents
可視光領域光素子用材料Info
- Publication number
- JPS63207186A JPS63207186A JP62039236A JP3923687A JPS63207186A JP S63207186 A JPS63207186 A JP S63207186A JP 62039236 A JP62039236 A JP 62039236A JP 3923687 A JP3923687 A JP 3923687A JP S63207186 A JPS63207186 A JP S63207186A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- superlattice
- gap
- light region
- transition type
- transition
- Prior art date
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- Pending
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- Semiconductor Lasers (AREA)
- Led Devices (AREA)
Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
〔産業上の利用分野〕
本発明は、可視光領域において効率の高い光素子用半導
体材料に関するものである。
体材料に関するものである。
これまで、可視光領域の発光素子には、間接遷移型半導
体であるGaPに窒素を添加することによってアイソエ
レクトロニックトラップを形成し、これを介した光遷移
が利用されてきた。しかし、この過程においては遷移確
率はレーザ発振を起こし得る程大きくなることはない。
体であるGaPに窒素を添加することによってアイソエ
レクトロニックトラップを形成し、これを介した光遷移
が利用されてきた。しかし、この過程においては遷移確
率はレーザ発振を起こし得る程大きくなることはない。
また、過去に、本発明と同種の材料からなる超格子を用
いた半導体装置が出願(特開昭59−197187)さ
れている。そこで主張されている超格子構造は、一超格
子周期中に含まれるGaP分子層数をm、AβP分子層
数をnとしたとき、2≦m≦7 2≦n≦7 n+m≦12 という条件を満足するというものである。
いた半導体装置が出願(特開昭59−197187)さ
れている。そこで主張されている超格子構造は、一超格
子周期中に含まれるGaP分子層数をm、AβP分子層
数をnとしたとき、2≦m≦7 2≦n≦7 n+m≦12 という条件を満足するというものである。
しかしながら、この条件の意義は物理的には明確でなく
、実際に計算した結果、直接遷移型半導体になっていな
いものや、直接遷移型半導体ではあっても光との相互作
用が弱く量子効率の良い材料となりえない構造などを含
んでいることがわかった。特に、実施例として挙げられ
ているn=m=4という場合の発光効率は後述のように
著しく低い(直接遷移型半導体より3桁程度小)ことが
予測される(第2図参照)。従って、このような条件設
定は材料や素子の作製において参考とすることはできな
い。
、実際に計算した結果、直接遷移型半導体になっていな
いものや、直接遷移型半導体ではあっても光との相互作
用が弱く量子効率の良い材料となりえない構造などを含
んでいることがわかった。特に、実施例として挙げられ
ているn=m=4という場合の発光効率は後述のように
著しく低い(直接遷移型半導体より3桁程度小)ことが
予測される(第2図参照)。従って、このような条件設
定は材料や素子の作製において参考とすることはできな
い。
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、そ
の目的とするところは、通常のI/V族直接遷移型半導
体より大きな可視光領域のバンドギャップを持ち、かつ
光との相互作用が大きい、従って高効率な光素子を実現
するための半導体材料を提供することにある。
の目的とするところは、通常のI/V族直接遷移型半導
体より大きな可視光領域のバンドギャップを持ち、かつ
光との相互作用が大きい、従って高効率な光素子を実現
するための半導体材料を提供することにある。
このような目的を達成するために本発明は、間接遷移型
半導体を超格子構造にすることにより又は間接遷移型半
導体の超格子構造に圧力を印加することにより間接遷移
型半導体を直接遷移型半導体に転移させるようにしたも
のである。
半導体を超格子構造にすることにより又は間接遷移型半
導体の超格子構造に圧力を印加することにより間接遷移
型半導体を直接遷移型半導体に転移させるようにしたも
のである。
本発明に係わる可視光領域光素子用材料においては、遷
移確率が増強される。
移確率が増強される。
間接遷移型半導体が光遷移を起こすためには、フォノン
散乱などによる運動量供給が不可欠である。このため、
間接遷移過程は二次の過程で表わされ、その遷移確率は
通常小さな値を示す。一般に、II[/V族半導体にお
いて、可視光領域の光のエネルギーに対応するバンドギ
ャップを有する材料は間接遷移型半導体である。従って
、これまで可視光領域の発光素子には間接遷移型半導体
であるGaPに窒素を添加することによってアイソエレ
クトロニックトラップを形成し、これを介した光遷移が
利用されてきた。しかし、この過程においては遷移確率
はレーザ発振を起こし得る程大きくなることはない。
散乱などによる運動量供給が不可欠である。このため、
間接遷移過程は二次の過程で表わされ、その遷移確率は
通常小さな値を示す。一般に、II[/V族半導体にお
いて、可視光領域の光のエネルギーに対応するバンドギ
ャップを有する材料は間接遷移型半導体である。従って
、これまで可視光領域の発光素子には間接遷移型半導体
であるGaPに窒素を添加することによってアイソエレ
クトロニックトラップを形成し、これを介した光遷移が
利用されてきた。しかし、この過程においては遷移確率
はレーザ発振を起こし得る程大きくなることはない。
本発明は、可視光領域光素子用材料において、間接遷移
型半導体に対して超格子構造を導入したり、圧力を印加
したりすることにより、間接遷移型半導体を直接遷移型
半導体に転移させ、これにより遷移確率を増強するもの
である。
型半導体に対して超格子構造を導入したり、圧力を印加
したりすることにより、間接遷移型半導体を直接遷移型
半導体に転移させ、これにより遷移確率を増強するもの
である。
まず、間接遷移型半導体に対して超格子構造を導入する
場合について説明する。超格子構造の形成は、共に間接
遷移型半導体であるGaPとARPを(001)方向に
成長させることにより行なう。
場合について説明する。超格子構造の形成は、共に間接
遷移型半導体であるGaPとARPを(001)方向に
成長させることにより行なう。
すなわち、GaP/Aj2P(001)超格子の形成で
ある。ここで、これらの材料は共にX点に伝導帯の底を
持ち、バンドギャップはそれぞれ2635および2.5
0eVである。また、これらの材料は非常に近い格子定
数を有しており、はとんど格子整合した超格子の作製が
可能である。
ある。ここで、これらの材料は共にX点に伝導帯の底を
持ち、バンドギャップはそれぞれ2635および2.5
0eVである。また、これらの材料は非常に近い格子定
数を有しており、はとんど格子整合した超格子の作製が
可能である。
超格子等の構造の導入に基づく間接遷移/直接遷移間の
移転はバンドフォルディング効果およびバンドミキシン
グ効果によっておこされるが、従来の提案(前記特開昭
59−197187)は、このうちバンドミキシング効
果を全く無視しており、物理的には無意味な描像の下で
行なわれてきた。本発明は実際の理論計算に基づき全プ
リルアンゾーンにおけるバンド構造を確認した上での提
案である。
移転はバンドフォルディング効果およびバンドミキシン
グ効果によっておこされるが、従来の提案(前記特開昭
59−197187)は、このうちバンドミキシング効
果を全く無視しており、物理的には無意味な描像の下で
行なわれてきた。本発明は実際の理論計算に基づき全プ
リルアンゾーンにおけるバンド構造を確認した上での提
案である。
超格子の解析の前提条件を次に示す。
■ 伝導帯再現の精度を向上させるため、通常のSP”
基底に励起S状態S″′を加えた5p3s”強結合法を
用いた。このことは、例えば「フォーグル、ヒャルマル
ソンおよびダウ著、物理化学固体誌、44巻、365頁
、 1983J (P、Vogl、11.tljarm
arson&J、D、Dow、 J、Phys、Che
m、5olids、 44. p、365.1983)
に記載されている。
基底に励起S状態S″′を加えた5p3s”強結合法を
用いた。このことは、例えば「フォーグル、ヒャルマル
ソンおよびダウ著、物理化学固体誌、44巻、365頁
、 1983J (P、Vogl、11.tljarm
arson&J、D、Dow、 J、Phys、Che
m、5olids、 44. p、365.1983)
に記載されている。
■ 従来の解析の精度を上げる目的で、第2近接相互作
用まで考慮した。
用まで考慮した。
すなわち、超格子の解析は各分子層(陽イオンと陰イオ
ンの対の層、 cation−anion−pair)
に対応する二次元波動函数を基底として、 1ψ〉=Σr((2)1φ(m)〉+Σf (n) l
φ(n)〉・・・・(1)明細書の浄W(内容に変更な
し H= 吐 も q 口二ン ぞく−シく暮k (町 (+1 ( なる波動函数を用いて次式(2)のハミルトニアン(H
amiltonian) Hを対角化することに相当す
る。ハミルトニアンのマトリクスエレメントは、(3)
〜(7)式に示す5×5のサブマトリクスを含んでいる
。
ンの対の層、 cation−anion−pair)
に対応する二次元波動函数を基底として、 1ψ〉=Σr((2)1φ(m)〉+Σf (n) l
φ(n)〉・・・・(1)明細書の浄W(内容に変更な
し H= 吐 も q 口二ン ぞく−シく暮k (町 (+1 ( なる波動函数を用いて次式(2)のハミルトニアン(H
amiltonian) Hを対角化することに相当す
る。ハミルトニアンのマトリクスエレメントは、(3)
〜(7)式に示す5×5のサブマトリクスを含んでいる
。
(5)式は分子層内第2近接相互作用を表わし、(6)
式、(7)式は第1近接相互作用、(8)式は分子層間
第2近接相互作用を表わす。
式、(7)式は第1近接相互作用、(8)式は分子層間
第2近接相互作用を表わす。
解析結果として、第1図に、この超格子の構造変化によ
る間接遷移/直接遷移間の転移のようすを示す。第1図
では、m+n≦10(m:GaP分子層数、n:Aj2
P分子層数)の範囲のすべての組合せのうちで直接遷移
型半導体になっている構造を○で示しである。従って、
第1図の○で示された構造の超格子だけが光素子(特に
発光素子)用材料として有効である。しかし、直接遷移
型半導体になっていることはこの材料が有効であるため
の必要条件にすぎず、加えてこの材料と光との相互作用
の大きさを評価しなければならない。
る間接遷移/直接遷移間の転移のようすを示す。第1図
では、m+n≦10(m:GaP分子層数、n:Aj2
P分子層数)の範囲のすべての組合せのうちで直接遷移
型半導体になっている構造を○で示しである。従って、
第1図の○で示された構造の超格子だけが光素子(特に
発光素子)用材料として有効である。しかし、直接遷移
型半導体になっていることはこの材料が有効であるため
の必要条件にすぎず、加えてこの材料と光との相互作用
の大きさを評価しなければならない。
第2図に、物質と光との相互作用の大きさを表わすパラ
メータである振動子強度fの超格子構造依存性を示す。
メータである振動子強度fの超格子構造依存性を示す。
第2図において、横軸は超格子の周期m十n (原子層
)を示し、縦軸は振動子強度fを示し、点線Sはバルク
のGaPのrlsV〜rlcの振動子強度fを示す。ま
た、○、・はm+n=奇数の場合、△、ムはm+n−偶
数の場合を示し、○、△は、m+n=Nのとき、m、n
のすべての組合せのうち最大の振動子強度fを与える組
合せの値を示す。・、ムは、同様に、最小の振動子強度
fを与える組合せの値を示す。第2図から、m、nがそ
れぞれ奇数でかつm+nが小さい程、振動子強度fが大
きく、従って、光との相互作用が大きく光素子用材料と
して有効であることがわかる。
)を示し、縦軸は振動子強度fを示し、点線Sはバルク
のGaPのrlsV〜rlcの振動子強度fを示す。ま
た、○、・はm+n=奇数の場合、△、ムはm+n−偶
数の場合を示し、○、△は、m+n=Nのとき、m、n
のすべての組合せのうち最大の振動子強度fを与える組
合せの値を示す。・、ムは、同様に、最小の振動子強度
fを与える組合せの値を示す。第2図から、m、nがそ
れぞれ奇数でかつm+nが小さい程、振動子強度fが大
きく、従って、光との相互作用が大きく光素子用材料と
して有効であることがわかる。
次に、これらの超格子のバンドギャップの構造依存性を
第3図に示す。第3図において、横軸は一超格子周期中
に含まれるAβP原子層の数nを示し、縦軸はバンドギ
ャップを示す。また、○はm + n = 4の場合、
ムはm+n=sの場合、×はm+n=1Qの場合、Δは
m+n=20の場合、Oはm+n=30の場合を示す。
第3図に示す。第3図において、横軸は一超格子周期中
に含まれるAβP原子層の数nを示し、縦軸はバンドギ
ャップを示す。また、○はm + n = 4の場合、
ムはm+n=sの場合、×はm+n=1Qの場合、Δは
m+n=20の場合、Oはm+n=30の場合を示す。
第3図から、Ga P / A I P超格子のバンド
ギャップはGaPのバンドギャップ2.35eVとAj
2Pのバンドギヤ・ツブ2.50の間にあり、おおよそ
緑色領域に属することがわかる。結局、上の事柄から、
(m、n)が(LL)、(1、3L(L5L(3,3)
、(5,1)、(L7)、(3,5)、(5,3L(7
,1)という構造のG a P / A j2 P (
001)超格子が可視光領域光素子用材料として有効で
ある。
ギャップはGaPのバンドギャップ2.35eVとAj
2Pのバンドギヤ・ツブ2.50の間にあり、おおよそ
緑色領域に属することがわかる。結局、上の事柄から、
(m、n)が(LL)、(1、3L(L5L(3,3)
、(5,1)、(L7)、(3,5)、(5,3L(7
,1)という構造のG a P / A j2 P (
001)超格子が可視光領域光素子用材料として有効で
ある。
次に、間接遷移型半導体の超格子構造に圧力を加えて直
接遷移型半導体に転移させる場合について説明する。半
導体に圧力を加えたときバンド構造は変化するが、その
変化の仕方はプリルアンゾーンの位置に依存する。特に
、超格子のように、それ自体が異方性を持っている場合
、印加する圧力の方向によってハンド構造をある程度人
為的に変化させることができる。
接遷移型半導体に転移させる場合について説明する。半
導体に圧力を加えたときバンド構造は変化するが、その
変化の仕方はプリルアンゾーンの位置に依存する。特に
、超格子のように、それ自体が異方性を持っている場合
、印加する圧力の方向によってハンド構造をある程度人
為的に変化させることができる。
第4図〜第6図に、GaP/AffiP(001)超格
子に、超格子軸方向、静水的又は超格子面内方向にl
Q k b a rの圧力を印加したときの間接遷移/
直接遷移間の転移の様子を示す。第4図〜第6図におい
て、○は直接遷移型の構造を示し、◎は、第1図と第4
図〜第6図の比較から明らかなように、圧力印加により
間接遷移型から直接遷移型に転移する構造を示す。また
、◎は、−1格子周期中に含まれる(GaP分子層数、
A/!P分子層数)の組合せとして、m、nが奇数で、
かつm+n<12であり、超格子面内に平行な方向又は
静水的に圧力を印加した場合の構造を示す。
子に、超格子軸方向、静水的又は超格子面内方向にl
Q k b a rの圧力を印加したときの間接遷移/
直接遷移間の転移の様子を示す。第4図〜第6図におい
て、○は直接遷移型の構造を示し、◎は、第1図と第4
図〜第6図の比較から明らかなように、圧力印加により
間接遷移型から直接遷移型に転移する構造を示す。また
、◎は、−1格子周期中に含まれる(GaP分子層数、
A/!P分子層数)の組合せとして、m、nが奇数で、
かつm+n<12であり、超格子面内に平行な方向又は
静水的に圧力を印加した場合の構造を示す。
第4図〜第6図から、超格子軸方向に圧力を印加した場
合は間接遷移型になるものが多く、静水的又は超格子面
内方向に圧力を印加した場合には直接遷移型になるもの
が多くなることがわかる。
合は間接遷移型になるものが多く、静水的又は超格子面
内方向に圧力を印加した場合には直接遷移型になるもの
が多くなることがわかる。
このように、Ga P/AA P(001)超格子では
、静水的又は超格子面内方向に圧力を印加することによ
り、有効な構造の自由度を増すことができる。
、静水的又は超格子面内方向に圧力を印加することによ
り、有効な構造の自由度を増すことができる。
上記実施例では、G a P / A 7IP超格子に
限定した解析をもとにして、光素子用材料として有効な
超格子構造を提案したが、一般に井戸層に間接遷移型半
扉体を用いた超格子においても基本的には同様な振舞が
見られる。例えば、G a P / Z n5Se、A
EP/ZnSSe、、Si/GaP、A1 A s /
Z n S eのような半導体材料の組合せによる超
格子が光素子用材料として有用である。
限定した解析をもとにして、光素子用材料として有効な
超格子構造を提案したが、一般に井戸層に間接遷移型半
扉体を用いた超格子においても基本的には同様な振舞が
見られる。例えば、G a P / Z n5Se、A
EP/ZnSSe、、Si/GaP、A1 A s /
Z n S eのような半導体材料の組合せによる超
格子が光素子用材料として有用である。
以上説明したように本発明は、間接遷移型半導体を超格
子構造にすることにより又は間接遷移型半導体の超格子
構造に圧力を印加することにより間接遷移型半導体を直
接遷移型半導体に転移させたことにより、通常のI[[
/V族直接遷移型半導体よりも大きな可視光領域のバン
ドギャップを有すると共に光との相互作用を大きくでき
るので、高効率な光素子を実現することができる効果が
ある。
子構造にすることにより又は間接遷移型半導体の超格子
構造に圧力を印加することにより間接遷移型半導体を直
接遷移型半導体に転移させたことにより、通常のI[[
/V族直接遷移型半導体よりも大きな可視光領域のバン
ドギャップを有すると共に光との相互作用を大きくでき
るので、高効率な光素子を実現することができる効果が
ある。
第1図はGa P/Aj2 P(001)超格子の構造
変化による間接遷移/直接遷移間の転移の様子を示す説
明図、第2図はGaP/AIP超格子のr点における振
動子強度の構造依存性を示すグラフ、第3図はGa P
/A/! P(001)超格子の直接ギャップの大きさ
の構造依存性を示すグラフ、第4図〜第6図はGa P
/A6 P(001)超格子に超格子軸方向、静水的又
は超格子面内方向に10kbarの圧力を印加したとき
の間接遷移/直接遷移間の転移の様子についての解析結
果を示す説明図である。
変化による間接遷移/直接遷移間の転移の様子を示す説
明図、第2図はGaP/AIP超格子のr点における振
動子強度の構造依存性を示すグラフ、第3図はGa P
/A/! P(001)超格子の直接ギャップの大きさ
の構造依存性を示すグラフ、第4図〜第6図はGa P
/A6 P(001)超格子に超格子軸方向、静水的又
は超格子面内方向に10kbarの圧力を印加したとき
の間接遷移/直接遷移間の転移の様子についての解析結
果を示す説明図である。
Claims (3)
- (1)間接遷移型半導体を超格子構造にすることにより
又は間接遷移型半導体の超格子構造に圧力を印加するこ
とにより前記間接遷移型半導体を直接遷移型半導体に転
移させたことを特徴とする可視光領域光素子用材料。 - (2)超格子はGaP/AlP(001)の超格子であ
り、一超格子周期中に含まれるGaP分子層数mとAl
P分子層数nとの組合せ(m、n)が(1、1)(1、
3)、(1、5)、(3、3)、(5、1)、(1、7
)、(3、5)、(5、3)、(7、1)であることを
特徴とする特許請求の範囲第1項記載の可視光領域光素
子用材料。 - (3)超格子はGaP/AlP(001)の超格子であ
り、一超格子周期中に含まれるGaP分子層数mとAl
P分子層数nとの組合せとして、m、nが奇数であり、
m+n≦12であることを特徴とする特許請求の範囲第
1項記載の可視光領域光素子用材料。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62039236A JPS63207186A (ja) | 1987-02-24 | 1987-02-24 | 可視光領域光素子用材料 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62039236A JPS63207186A (ja) | 1987-02-24 | 1987-02-24 | 可視光領域光素子用材料 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS63207186A true JPS63207186A (ja) | 1988-08-26 |
Family
ID=12547494
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP62039236A Pending JPS63207186A (ja) | 1987-02-24 | 1987-02-24 | 可視光領域光素子用材料 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS63207186A (ja) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS57187986A (en) * | 1981-05-15 | 1982-11-18 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | Semiconductor light emitting element |
| JPS59197187A (ja) * | 1983-04-07 | 1984-11-08 | エヌ・ベ−・フイリツプス・フル−イランペンフアブリケン | 半導体装置 |
| JPS61244086A (ja) * | 1985-04-22 | 1986-10-30 | Sharp Corp | 半導体レ−ザ素子 |
-
1987
- 1987-02-24 JP JP62039236A patent/JPS63207186A/ja active Pending
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS57187986A (en) * | 1981-05-15 | 1982-11-18 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | Semiconductor light emitting element |
| JPS59197187A (ja) * | 1983-04-07 | 1984-11-08 | エヌ・ベ−・フイリツプス・フル−イランペンフアブリケン | 半導体装置 |
| JPS61244086A (ja) * | 1985-04-22 | 1986-10-30 | Sharp Corp | 半導体レ−ザ素子 |
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