Автореферат (Влияние легирования на термоэлектрические свойства и эффект Шубникова – де Гааза твердых растворов теллуридов и селенидов висмута и сурьмы), страница 4

Это указывает на изменение механизма рассеяния в образцах,легированных Fe от рассеяния на акустических фононах к рассеянию на ионизированныхпримесях. Безразмерная термоэлектрическая эффективность ZT немного уменьшается вp-Bi2-xFexTe3 в температурном интервале 7 К<T<300 К при увеличении содержания железа.В n-Bi2-xFexSe3.

ZT увеличивается при увеличении содержания Fe в диапазоне температур7-100 К.Глава 5 посвящена изучению влияния легирования таллием на термоэлектрическиесвойства Sb2Te3, Bi2Se3. Для монокристаллов Sb2-xTlxTe3 (x=0; 0.005; 0.015; 0.05) и Bi2-xTlxSe3(x=0.01; 0.02; 0.04) был исследован эффект Шубникова-де Гааза в сильных магнитных полях приориентации магнитного поля вдоль оси С3.

По этим данным были рассчитаны концентрациилегких дырок в Sb2-xTlxTe3 и электронов в Bi2-xTlxSe3, а также энергии Ферми. Установлено, что вSb2-xTlxTe3 таллий проявляет донорные свойства (концентрация дырок уменьшается), в то времякак в Bi2-xTlxSe3 он проявляет акцепторные свойства (концентрация электронов уменьшается).Такое поведение объясняется изменением дефектности кристаллов, которые определяютисходную концентрацию носителей заряда, при легировании Tl.Последовательно приводятся данные для термоЭДС Sb2Te3, Bi2Se3 с Tl.

Приводятсятемпературные зависимости сопротивления, обсуждается теплопроводность, термоэлектрическаяэффективность, параметр рассеяния. В результате легирования безразмерная термоэлектрическаяэффективность возрастает до ZT=0.34 при 300 К для образца Sb1.95Tl0.05Te3 с максимальнымзначением легирования Tl 1at% по сравнению с ZT=0.15 для чистого Sb2Te3. Проводимостьn-Bi2Se3 уменьшается при легировании таллием, теплопроводность незначительно уменьшается,коэффициент Зеебека возрастает по модулю с ростом легирования. Термоэлектрическаяэффективность при легировании возрастает, достигая значения 0.14 при 290 К для образцаBi2-xTlxSe3с максимальным легированием Tl 1.2at%.Данные эффекта Шубникова – де Гааза можно также использовать для расчетаподвижностей носителей заряда и их изменения при легировании в исследованных твердыхрастворах Bi2-xTlxSe3 и Sb2-xTlxTe3.

При определении подвижностей носителей заряда необходиморазличать транспортные и квантовые времена релаксации. Транспортное время релаксации14импульса электрона τt определяется средним временем между упругими актами рассеяния напримесях, существенно изменяющих направление импульса, и может быть записано в виде1τtπ= ∫ σ (ϕ )(1 − cos ϕ )dϕ , где σ(ϕ) пропорционально вероятности рассеяния в единицу времени на0угол ϕ. Квантовое время жизни (одночастичное время релаксации) получается при усреднениивремени между любыми событиями рассеяния и дается выражением1τqπ= ∫ σ (ϕ )dϕ .Из-за0множителя (1-cosϕ) в выражении для τt, транспортное время рассеяния может отличаться отквантового.

Для изотропного рассеяния, например, на фононах, эти времена рассеяния равны.Однако для кулоновского рассеяния на ионизированных примесях σ(ϕ) велик при рассеянии нанебольшие углы, поэтому τt может быть в несколько раз больше τq. Анализ зависимостиамплитуды осцилляций Шубникова - де Гааза от магнитного поля дает возможность определитьквантовые подвижности носителей заряда µ q = eτ q /m ∗ .Можно показать, что ширина Фурье-пика∆f (полная ширина на половине высоты) определяет квантовую подвижность µ q = 3 / ∆f . Нарис. 3 приведены осцилляции Шубникова-де-Гааза для Bi2-xTlxSe3.

Кривые, соответствующиеразным образцам, смещены по оси у для наглядности. На рис. 4 приведены Фурье спектрыосцилляций ШдГ для образцов Bi2Se3 и Bi1.9Tl0.04Se3, показаны соответствующие ширины пиковR, mOhm∆f0 и ∆f0.04.16Bi1.96Tl0.04Se3 (Tl0.8at%)14Bi1.98Tl0.02Se3 (Tl0.4at%)12Bi1.99Tl0.01Se3 (Tl0.2at%)1,0a)Bi2Se3Bi1.96Tl0.04Se0,80,60,4Bi2Se31005∆ f0∆ f0.040,2101520253035400,0B, TРис. 3100f (T)200Рис.

4Как видно из рис. 4 в образцах Bi2-xTlxSe3 легирование таллием приводит к сужению Фурьепика, что соответствует увеличению подвижности электронов при легировании. Это связано суменьшением дефектности образцов. В Sb2-xTlxTe3 подвижность дырок при легированииуменьшается, что также связано с изменением дефектности.15Диссертационная работа заканчивается основными результатами и выводами, заключениеми списком цитируемой литературы.Основные результаты и выводы1.Исследованытермоэлектрическиесвойствамонокристалловp-(BixSb1-x)2Te3легированных оловом.

В монокристаллах p-(BixSb1-x)2Te3 легированных оловом теплопроводностьуменьшается во всем температурном интервале в результате дополнительного рассеянияэлектронов и фононов на атомах примеси. Показано, что легирование оловом монокристаллов(BixSb1-x)2Te3 приводит к уменьшению как электронной, так решеточной компонентытеплопроводности kL при низких температурах.2. Обнаружено, что введение олова в монокристаллы p-(BixSb1-x)2Te3 увеличиваетэлектропроводность при комнатной температуре, в то время как при низких температурах онауменьшается.

Такое влияние легирования Sn при высоких температурах можно объяснитьувеличением концентрации дырок. При низких температурах уменьшение электропроводностикристаллов p-(BixSb1-x)2Te3 является аномальным, так как она уменьшается при увеличенииконцентрации дырок при легировании Sn. Наблюдаемый эффект может быть объяснен резкимуменьшением подвижности дырок из-за увеличения вероятности процессов межподзонногорассеяния дырок при попадании уровня Ферми в подзону тяжёлых дырок.3. При легировании оловом коэффициент Зеебека кристаллов p-(Bi1-xSbx)2Te3 уменьшается.Данноеуменьшение,качественносогласуетсясувеличениемконцентрациидырок.Минимальный коэффициент Зеебека при легировании оловом наблюдается в кристаллах(Bi0,5Sb0,5)2Te3,гденаиболеесильновыраженэффектаномальногоуменьшенияэлектропроводности, обусловленный заполнением зоны тяжёлых дырок. Это указывает на то, чтоуменьшение коэффициента Зеебека при легировании оловом обусловлено не только увеличениемконцентрации дырок, но и изменением плотности состояний на уровне Ферми и характерарассеяния дырок при заполнении зоны тяжёлых дырок.4.

Исследованы термоэлектрические и гальваномагнитные свойства p-Bi2-xFexTe3,n-Bi2-xFexSe3 в интервале температур 7<T<300 K. Обнаружено, что, введение Fe в Bi2Te3увеличивает коэффициент Зеебека S, то время как при увеличении содержания Fe в n-Bi2-xFexSe3S уменьшается. Термоэлектрическая эффективность в n-Bi2-xFexSe3 возрастает в областитемператур T<50 K при легировании железом. Эти изменения связаны как с изменениемконцентрации носителей заряда, так и характера рассеяния.165. Для монокристаллов Sb2Te3 и Bi2Se3 легированных таллием был исследован эффектаШубникова-де Гааза при температуре 4,2 К и рассчитаны энергии Ферми и концентрацииосновныхносителейзаряда.Измеренытемпературныезависимостисопротивления,коэффициента Зеебека, теплопроводности в диапазоне температур 77<T<300 K.6. Обнаружено, что при легировании таллием частота осцилляций Шубникова – де Гаазауменьшается, следовательно, уменьшается сечение поверхности Ферми легких дырок в Sb2Te3 иэнергия Ферми.

В результате концентрация дырок уменьшается при увеличении концентрациилегирующей примеси таллия. Таким образом, таллий проявляет донорные свойства в Sb2Te3.Такое влияние таллия связано с изменением полярности связей в Sb2-xTlxTe3 и измененииконцентрации точечных дефектов, ответственных за концентрацию носителей заряда в Sb2Te3. Поданным эффекта Шубникова – де Гааза в n-Bi2Se3 таллий проявляет акцепторные свойства: сповышением концентрации таллия уменьшается сечение электронной поверхности Ферми,энергия Ферми и концентрация электронов.7.

Проводимость Sb2Te3 при легировании Tl уменьшается незначительно, значениетеплопроводности меньше в легированных Tl образцах, коэффициент Зеебека повышается сростом степени легирования. Эти изменения вызваны изменением концентрации и характерарассеяния носителей заряда. В результате легирования безразмерная термоэлектрическаяэффективность возрастает до ZT=0.34 при 300 К для образца Sb1.95Tl0.05Te3 с максимальнымзначением легирования Tl 1at% по сравнению с ZT=0.15 для чистого Sb2Te3.8. Проводимость n-Bi2Se3 уменьшается при легировании таллием, теплопроводностьнезначительно уменьшается, коэффициент Зеебека возрастает по модулю с ростом легирования.Термоэлектрическая эффективность при легировании возрастает, достигая значения 0.14 при 290К для образца с максимальным легированием Tl 1.2at%.9.