Диссертация (Влияние легирования на термоэлектрические свойства и эффект Шубникова – де Гааза твердых растворов теллуридов и селенидов висмута и сурьмы), страница 13
Описание файла
Файл "Диссертация" внутри архива находится в папке "Влияние легирования на термоэлектрические свойства и эффект Шубникова – де Гааза твердых растворов теллуридов и селенидов висмута и сурьмы". PDF-файл из архива "Влияние легирования на термоэлектрические свойства и эффект Шубникова – де Гааза твердых растворов теллуридов и селенидов висмута и сурьмы", который расположен в категории "". Всё это находится в предмете "физико-математические науки" из Аспирантура и докторантура, которые можно найти в файловом архиве МГУ им. Ломоносова. Не смотря на прямую связь этого архива с МГУ им. Ломоносова, его также можно найти и в других разделах. , а ещё этот архив представляет собой кандидатскую диссертацию, поэтому ещё представлен в разделе всех диссертаций на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук.
Просмотр PDF-файла онлайн
Текст 13 страницы из PDF
5-5.3а), что указывает на изменениехарактера рассеяния в пользу рассеяния на ионизированных примесях. В Sb2-xTlxTe3 влияниелегирования таллием на указанные выше изменения характера рассеяния согласуются сизменением проводимости при легировании, показанную на рис. 5-2.2. Проводимость83уменьшается существенно быстрее, чем энергия Ферми (концентрация дырок). Этовозможно только если подвижность дырок уменьшается при легировании таллием.Температурная зависимость проводимости становится более слабой, то есть в рассеяниедобавляется еще вклад от рассеяния на ионизированных примесях.При легировании атомы таллия замещают в кристалле Sb2Te3 сурьму.
А поскольку онине имеют достаточно электронов на p-уровне для создания σ-связи, то они отдают два 6sэлектрона на p-орбиталь, а s-орбиталь остается пустой. Таким образом, замена таллиемсурьмы приводит к формированию незаряженных дефектов. Получившиеся дефектыне приносят вклад в концентрацию дырок, но поскольку таллий имеет меньшуюэлектроотрицательность по сравнению с сурьмой, связь между дефектами и атомамителлура, т.е., более полярная, чем связь Sb-Te. Иными словами, положительныйзаряд возникает в точечных дефектах:связи.Наэтихположительныхзарядах, который увеличивает отношение ионизацииивозникаетдополнительноерассеяние,увеличивающее параметр рассеяния r. Более высокая ионизация приводит в результате кподавлению формирования антиструктурных дефектов(ответственных за высокуюначальную концентрацию дырок), которые возникают в условиях почти полностьюнеполяризованной связи в решетке [124].84Основные результаты и выводы1.Исследованылегированныхоловом.теплопроводностьтермоэлектрическиеВсвойствамонокристаллахуменьшаетсявовсеммонокристалловp-(BixSb1-x)2Te3температурномp-(BixSb1-x)2Te3легированныхинтервалеволовомрезультатедополнительного рассеяния электронов и фононов на атомах примеси.
Показано, чтолегирование оловом монокристаллов (BixSb1-x)2Te3 приводит к уменьшению как электронной,так решеточной компоненты теплопроводности 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 температурахона уменьшается. Такое влияние легирования Sn при высоких температурах можнообъяснить увеличением концентрации дырок. При низких температурах уменьшениеэлектропроводности кристаллов p-(BixSb1-x)2Te3 является аномальным, так как онауменьшается при увеличении концентрации дырок при легировании Sn. Наблюдаемыйэффект может быть объяснен резким уменьшением подвижности дырок из-за увеличениявероятности процессов межподзонного рассеяния дырок при попадании уровня Ферми вподзону тяжёлых дырок.3.
При легировании оловом коэффициент Зеебека кристаллов p-(Bi1-xSbx)2Te3уменьшается. Данное уменьшение, качественно согласуется с увеличением концентрациидырок. Минимальный коэффициент Зеебека при легировании оловом наблюдается вкристаллах (Bi0,5Sb0,5)2Te3, где наиболее сильно выражен эффект аномального уменьшенияэлектропроводности, обусловленный заполнением зоны тяжёлых дырок. Это указывает нато, что уменьшение коэффициента Зеебека при легировании оловом обусловлено не толькоувеличением концентрации дырок, но и изменением плотности состояний на уровне Ферми ихарактера рассеяния дырок при заполнении зоны тяжёлых дырок.854. 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 nBi2-xFexSe3 S уменьшается. Термоэлектрическая эффективность в n-Bi2-xFexSe3 возрастает вобласти температур T<50 K при легировании железом. Эти изменения связаны как сизменением концентрации носителей заряда, так и характера рассеяния.5. Для монокристаллов Sb2Te3 и Bi2Se3 легированных таллием был исследован эффектаШубникова-де Гааза при температуре 4,2 К и рассчитаны энергии Ферми и концентрацииосновных носителей заряда.
Измерены температурные зависимости сопротивления,коэффициента Зеебека, теплопроводности в диапазоне температур 77<T<300 K.6. Обнаружено, что при легировании таллием частота осцилляций Шубникова – деГааза уменьшается, следовательно, уменьшается сечение поверхности Ферми легких дырок вSb2Te3 и энергия Ферми. В результате концентрация дырок уменьшается при увеличенииконцентрации легирующей примеси таллия. Таким образом, таллий проявляет донорныесвойства в Sb2Te3.
Такое влияние таллия связано с изменением полярности связей вSb2-xTlxTe3 и изменении концентрации точечных дефектов, ответственных за концентрациюносителей заряда в Sb2Te3. По данным эффекта Шубникова – де Гааза в n-Bi2Se3 таллийпроявляет акцепторные свойства: с повышением концентрации таллия уменьшается сечениеэлектронной 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 Sb2Te3.868. Проводимость n-Bi2Se3 уменьшается при легировании таллием, теплопроводностьнезначительно уменьшается, коэффициент Зеебека возрастает по модулю с ростомлегирования.
Термоэлектрическая эффективность при легировании возрастает, достигаязначения 0.14 при 290 К для образца с максимальным легированием Tl 1.2at%.9. Параметр рассеяния как для монокристаллов Sb2Te3, так и для Bi2Se3 в рамкаходнозонной изотропной модели увеличивается на всем интервале температур приувеличении степени легирования Tl, что свидетельствует о снижении рассеяния наакустических фононах и увеличению роли рассеяния на ионизированной примеси.10.
С помощью эффекта Шубникова – де Гааза установлено, что в Sb2Te3 подвижностидырок уменьшаются, в то время как подвижности электронов в Bi2Se3 увеличиваются прилегировании таллием. Эффект связан с изменением количества заряженных точечныхдефектов и характера рассеяния носителей заряда в указанных монокристаллах.87ЗаключениеВ заключение хотелось бы поблагодарить моего научного руководителя, профессораВладимира Анатольевича Кульбачинского за предоставление интересной темы длядиссертационной работы и помощь при работе, Владимира Геннадьевича Кытина забольшую помощь, оказанную мне в проведении экспериментов, Романа АнатольевичаЛунина за помощь в математической обработке результатов исследований, а также всехсотрудников кафедры физики низких температур и сверхпроводимости за внимание иподдержку, способствующие выполнению данной работы.88Литература1.
Шалимова К.В., Физика полупроводников // Шалимова К.В. – Энергоатомиздат, Москва,1985. – 392 с.2. Ансельм А.И., Введение в теорию полупроводников // Ансельм А.И. – Москва, 1978. – 616с.3. Анатычук Л.И., Термоэлементы и термоэлектрические устройства // Анатычук Л.И Киев,1979.
– 763 с.4. Гольцман Б.М., Кудинов В.А., Полупроводниковые термоэлектрические материалы наоснове Bi2Te3 // Гольцман Б.М., Кудинов В.А. – М.: Наука, 1972. – 320 с.5. Wang G., Cagin T., Electronic structure of the thermoelectric materials Bi2Te3 and Sb2Te3 fromfirst-principles calculations // Phys. Rev. B. – 2007. – V.76 – P.075201.6. Олешко Е.В., Королышин В.Н., Квазирелятивистский зонный спектр селенида висмута //ФТП.
– 1985. – 19(10). – C.1839-1841.7. Олешко Е.В., Королышин В.Н., Электронные свойства слоистых полупроводниковыхкристаллов группы A2V B3VI // Украинский физический журнал. – 1986. – T.31 – №6, C.919-924.8. Pacher P., Toussaint G., Electronic strucuture and bonding in bismuth telluride // Phys. Lett. A. –1989. – 135. – №3. – P.223-226.9. Mishra S.K., Satpathy S., Jepsen O., Electronic structure and thermoelectric properties ofbismuth telluride and selenide // J. Phys.:Condens. Matter. – 1997. – 9. – P.461-470.10. Greanya V.A., Tonjes W.C., Liu R., Olson C.G., Chung D.-Y., Kanatzidis M.G., Electronicstructure of Bi2Te3 studied by angle-resolved photoemission // Phys. Rev.
B. – 2000. – V.62. –№24. – 16425-9.11. Larson P., Mahanti S.D., Kanatzidis M.G., Electronic structure of Bi2Te3 and BaBiTe3 // Phys.Rev. B. – 2000. – V.61. – №12. - 8162-8171.8912. Larson P., Greanya V.A., Tonjes W.C., Liu R., Mahanti S.D., Olson C.G., Electronic structureof Bi2X3 (X=S, Se, T) compounds: Comparison of theoretical calculations with photoemissionstudies // Phys. Rev. B.
– 2000. – V.65 – 085108–1–085108-9.13. Larson P., Effect of p1/2 corrections in the electronic structure of Bi2Te3 compounds // Phys.Rev. B. – 2003. – V.68 – 155121-1–155121-8.14. Youn S.J., Freeman A.J., First-principles electronic structure and its relation to thermoelectricproperties of Bi2Te3 // Phys. Rev. B. – 2001. – V.63 – 085112-1–0851124.15.
Королышин В.Н., Товстюк К.Д., Свойства симметрии энергетических зон кристалловромбоэдрической сингонии // Украинский физический журнал – 1972 – 17(11) – C.1819-1826.16. Kulbachinskii V. A., Kaminsky A. Yu., Lunin R. A., Kindo K., Narumi Y., Suga K., KawasakiS., Sasaki M., Miyajima N., Lostak P. and Hajek P.; Quantum oscillations of Hall resistance,magnetoresistance in a magnetic field up to 54 T and the energy spectrum of Sn doped layeredsemiconductors p-(Bi1−xSbx)2Te3 // Semicond. Sci. Technol. – 2002 – V.17 – P.1133–1140.17. Thonhauser T., Scheidemantel T.J., Sofo J.O., Badding J.V., and Mahan G.
D.; Thermoelectricproperties of Sb2Te3 under pressure and uniaxial stress // Phys. Rev. B. – 2003. – V.68 – 085201.18. Mishra S. K., Satpathyyz S. and Jepsen O.; Electronic structure and thermoelectric properties ofbismuth telluride and bismuth selenide // J. Phys.: Condens. Matter. – 1997. – V.9 – P.461–470.19. Shigetomi S., Mori S., Electrical properties of Bi2Te3 // J. Phys. Soc. Jap. – 1956.