Диссертация (Влияние легирования на термоэлектрические свойства и эффект Шубникова – де Гааза твердых растворов теллуридов и селенидов висмута и сурьмы), страница 2

Показано, чтолегирование оловом монокристаллов (Bi1-xSbx)2Te3 приводит к уменьшению как электроннойke, так решеточной компоненты теплопроводности kL при низких температурах.2. Обнаружено, что введение олова в монокристаллы p-(Bi1-xSbx)2Te3 увеличиваетэлектропроводность при комнатной температуре, в то время как при низких температурахона уменьшается. Такое влияние легирования Sn при высоких температурах можнообъяснить увеличением концентрации дырок, а при низких температурах – заполнениемзоны тяжелых дырок и изменением их подвижности.3.

При легировании оловом коэффициент Зеебека кристаллов p-(Bi1-xSbx)2Te3уменьшается. Данное уменьшение качественно согласуется с увеличением концентрациидырок. Сильнее всего коэффициент Зеебека при легировании оловом уменьшается вмонокристаллах Bi0,5Sb0,5Te3, 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.4. Исследованы термоэлектрические и гальваномагнитные свойства p-Bi2-xFexTe3,и 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 величина S уменьшается. Термоэлектрическая эффективность в n-Bi2-xFexSe38возрастает в области температур T<50 K при легировании железом.

Эти изменения связаныкак с изменением концентрации носителей тока, так и характера рассеяния.5.Обнаружено,чточастотаосцилляцийэффектаШубникова-деГааза,а,следовательно, и концентрация дырок, уменьшается в Sb2Te3 при легировании Tl. Таллийпроявляет донорные свойства в Sb2Te3. Такое влияние таллия связано с изменениемполярности связей в указанных соединениях и изменении концентрации точечных дефектов,ответственных за исходную концентрацию дырок в Sb2Te3. В n-Bi2Se3 частота осцилляцийэффекта Шубникова-де Гааза, а, следовательно, и концентрация электронов такжеуменьшается при легировании Tl , то есть таллий проявляет акцепторные свойства, что такжесвязано с изменением концентрации заряженных точечных дефектов, ответственных заначальную концентрацию электронов.6.

Проводимость Sb2Te3 при легировании Tl уменьшается незначительно, значениетеплопроводности меньше в легированных Tl образцах, коэффициент Зеебека повышается сростом степени легирования. Эти изменения вызваны изменением концентрации дырок ихарактера их рассеяния. Все это приводит к росту термоэлектрической эффективности доZT=0.34 при 300 К для образца Sb1.95Tl0.05Te3 (это максимальное значение легированияталлием 1at%) по сравнению с ZT=0.15 для чистого Sb2Te3.7.

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 таллием 1.2at%.8. Параметр рассеяния как для монокристаллов Sb2Te3, так и для Bi2Se3 в рамкаходнозонной изотропной модели увеличиваются на всем интервале температур приувеличении степени легирования Tl, что свидетельствует о снижении рассеяния наакустических фононах и увеличению роли рассеяния на ионизированной примеси.99. По данным эффекта Шубникова – де Гааза в Sb2Te3 подвижности дырокуменьшаются, в то время как подвижности электронов в и Bi2Se3 увеличиваются прилегировании таллием.

Эффект связан с изменением количества заряженных точечныхдефектов и характера рассеяния носителей заряда в указанных монокристаллах.Положения, выносимые на защиту1.Вмонокристаллахp-(Bi1-xSbx)2Te3,легированныхоловомтеплопроводностьуменьшается во всем температурном интервале в результате дополнительного рассеянияэлектроновифононовнаатомахпримеси.Показано,чтолегированиеоловоммонокристаллов (Bi1-xSbx)2Te3 приводит к уменьшению как электронной ke, так решеточнойкомпоненты теплопроводности kL при низких температурах.2.

Обнаружено, что введение олова в монокристаллы p-(Bi1-xSbx)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 легировании. При низких температурахизменяется подвижность дырок из-за заполнения зоны тяжелых дырок при легировании иизменении рассеяния.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.4.Термоэлектрическиеигальваномагнитныесвойстваp-Bi2-xFexTe3иn-Bi2-xFexSe3 в интервале температур 7<T<300 K показывают что введение Fe в Bi2Te310увеличивает коэффициент Зеебека, то время как при увеличении содержания Fe в nBi2-xFexSe3 коэффициент уменьшается. Термоэлектрическая эффективность в n-Bi2-xFexSe3возрастает в области температур T<50 K при легировании железом.

Эти изменения связаныкак с изменением концентрации носителей тока, так и характера рассеяния.5. 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 в Sb2xTlxTe3и 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 сечение электроннойповерхности Ферми уменьшается, падает энергия Ферми и концентрация электроновуменьшается.6. 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 Sb2Te3.7. 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%.8. Параметр рассеяния как для монокристаллов Sb2Te3, так и для Bi2Se3 в рамкаходнозонной изотропной модели увеличивается на всем интервале температур при11увеличении степени легирования Tl, что свидетельствует о снижении рассеяния наакустических фононах и увеличению роли рассеяния на ионизированной примеси.9.

С помощью эффекта Шубникова – де Гааза установлено, что в Sb2Te3 подвижностидырок уменьшаются, в то время как подвижности электронов в и Bi2Se3 увеличиваются прилегировании таллием. Эффект связан с изменением количества заряженных точечныхдефектов и характера рассеяния носителей заряда в указанных монокристаллах.Практическая ценностьПрактическая значимость работы обусловлена тем, что в ней получены результаты повлиянию различных примесей на энергетический спектр и электрофизические параметрытермоэлектрических материалов: теллуридов висмута и сурьмы, селенида висмута и твердыхрастворов висмут-сурьма-теллур. Совокупность данных о влиянии легирования таллием,оловом и железом на энергетический спектр, гальваномагнитные и термоэлектрическиесвойства этих материалов необходима для оптимизации устройств и приборов на основетеллуридов и селенидов висмута и сурьмы.