Кинетические, магнитные свойства и квантовые осцилляционные эффекты в монокристаллах (Bi1-x Sb x )2 Te3 , легированных Ag, Sn и Fe

• Автор: Каминский, Александр Юрьевич
• Шифр специальности: 01.04.09
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2003
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 124 с. : ил

Оглавление
Введение I
Глава 1. Структура и свойства кристаллов (Вц_х5Ьх)2Тез
§1.1. Кристаллическая структура и энергетический спектр
§1.2. Роль точечных дефектов
§1.3. Влияние легирующих примесей
§1.4. Гальваномагнитные и термоэлектрические свойства
§1.5. Свойства смешанных кристаллов на основе ЬйгТез, 5Ь2Тез
Глава 2. Экспериментальная часть
§2.1. Методики измерений
A. Температурные зависимости сопротивления
B. Эффект Холла
C. Эффект Шубникова - де Гааза В. Коэффициент Зеебека
§2.2. Образцы
Глава 3. Гальваномагнитные, осцилляционные и термоэлектрические свойства кристаллов (В Ьх)2Тез<Лц3>
§3.1. Г альваномагнитные свойства
§3.2. Эффект Шубникова - де Гааза
A. Результаты измерений
B. Угловые зависимости сечений поверхности Ферми
C. Вычисление значений концентраций дырок и энергий Ферми
§3.3. Термоэлектрические свойства
Глава 4. Квантование холловского сопротивления и особенности транспортных свойств в образцах (Вц-^Ьх^^ПуТез
§4.1. Температурные зависимости сопротивления и коэффициента Холла
§4.2. Зависимости коэффициента Холла от магнитного поля
§4.3. Эффект Шубникова-де Гааза
§4.4. Квантованный эффект Холла
§4.5. Термоэлектрические свойства
Глава 5. Ферромагнетизм и низкотемпературные особенности гальваномагнитных свойств разбавленных магнитных полупроводников В12л-РехТез, В12хРех8ез
§5.1. Разбавленные магнитные полупроводники
§5.2.Температурные зависимости сопротивления и аномальный эффект Холла
§5.3 Магнитная восприимчивость и намагниченность
§5.4. Эффекты де Гааза - ван Альфена и Шубникова-де Г ааза
§5.5. Термоэлектрические свойства
Основные результаты и выводы
Заключение
Литература
Введение
Актуальность темы
Полупроводниковые материалы на основе теллурида висмута в настоящее время являются самыми эффективными и широко используемыми для термоэлектрических преобразователей энергии, холодильников, термостатов, работающих в интервале температур 200-350 К. Поиск путей увеличения термоэлектрической эффективности этих веществ, кроме фундаментального научного значения, имеет и прикладное значение, так как в последние годы для решения ряда практических задач возникла необходимость достижения температур ниже 150 К термоэлектрическими методами. Поэтому исследование материалов, обладающих высокой термоэлектрической эффективностью 2, в настоящее время особенно актуальна. Оптимальные величины параметров достигаются введением различных легирующих примесей. При этом необходимо получить фундаментальные физические свойства материала, такие как концентрация носителей тока, их подвижность, анизотропия проводимости и анизотропия поверхности Ферми, и так далее.
Для полупроводника с одним типом носителей тока термоэлектрическая эффективность определяется выражением
где сги к - соответственно электро- и теплопроводности, а - коэффициент термоэдс. В термоэлементах обычно создаются две ветви - р-типа и «-типа. В таком случае 2 определяется по следующей формуле (критерий Иоффе [1]):
2 =а2и/к,

CCfl | +1сср
« Ро(т*/т0)%!кь, (2)
(к„/ап)^ + (Кр/с-рУ

где индексы « ир относятся к л- ир-ве.твям термоэлемента, от* - эффективная масса плотности состояний, ото - масса свободного электрона, - подвижность носителей заряда с учетом вырождения, - теплопроводность кристаллической решетки. Это выражение связывает термоэлектрическую эффективность с величинами, которые определяются процессами рассеяния носителей заряда, а также особенностями зонной структуры материала. Максимальному значению 2 соответствует определенная концентрация носителей заряда, которая может изменяться отклонением от стехиометрии или легированием кристалла. Поэтому получение высокоэффективных термоэлектрических материалов на основе Е^гТез связано с изучением их физико-химических свойств, кинетических явлений, зонной структуры и влияния технологических условий на структуру и свойства материалов.
Слоистые кристаллы типа теллурида висмута легко легируются. Для сохранения стехиометрического состава примеси вводят в виде соединений; например, СсЗ и 1п вводятся в подрешетку висмута ВЬТе3 в виде СсЬТе3 или 1п2Те3, 8 - в подрешетку Те в виде Е^Бз, и так далее. При смешивании В12Те3 и 8Ь2Те3 в пропорции (1-х)/х получается смешанный кристалл (Вц_х8Ьх)2Те3. Аналогично можно получить смешанный кристалл на основе двух халькогенидов одного и того же элемента V группы системы Менделеева. Например, в случае В12Те3 и В128ез образуется смешанный кристалл ВЬТез.у8еу. Возможны различные сочетания из элементов Вр 8Ь, Ав и Те, 8е, 8. Смешанные кристаллы представляют особый интерес, так как именно в них наблюдаются максимальные значения термоэффективности 2, и для технических приложений используются именно они. ЕЕапример, для состава Bi2.xSbxTe3.ySev с х=0,12 и у= 0,36 получено значение 7=3,1x10"3 1/К при 7=300 К [2].
В качестве легирующих примесей обычно используется 1п, 8е, ве. Однако до настоящего времени практически не изучено влияние олова на энергетический
что при увеличении доли SbîTe3 в поликристаллических образцах Bi2Te3-Sb2Te3-Sb2Se3 уменьшаются коэффициент Зеебека а и электрическое сопротивление р кристаллов Для соединения ЗЬ2Тез характерна высокая концентрация дырок, поэтому уменьшение аир может сопровождаться увеличением дырочной концентрации. Действительно, с увеличением Sb2Te3 наблюдается увеличение холловской концентрации носителей тока, сопровождающееся небольшим уменьшением их подвижности. В то же время, значения а и р возрастают с увеличением доли Sb2Se3 в твердом растворе. При этом уменьшаются как холловская концентрация дырок, так и их подвижность. Уменьшение концентрации может быть вызвано образованием АСД типа Sbse и Bise, которые генерируют электроны. Аналогично, введение селена в твердый раствор Sb2Te3-Bi2Te3 приводит к уменьшению электропроводности, росту коэффициента термоэдс и снижению теплопроводности. При этом концентрация носителей тока понижается для образцов, содержащих более 50% Sb2Te3, так как селен, размещаясь в позициях Те, уменьшает количество антиструктурной сурьмы [101].
В твердых растворах второго типа подвижность р существенно выше в однозонных образцах, где заполнена одна зона, чем в тех образцах, где заполнены две зоны. Это объясняется отсутствием межзонного рассеяния. Было обнаружено, что величина s=AnpIàiT уменьшается при T Общая теплопроводность в теллуриде висмута и его твердых растворах складывается из теплопроводности кристаллической решетки (переноса тепла фононами), электронной теплопроводности (переноса тепла свободными носителями тока) и биполярной теплопроводности (парами: электрон-дырка в области собственной проводимости). При концентрации носителей тока,