Диссертация (Влияние легирования на термоэлектрические свойства и эффект Шубникова – де Гааза твердых растворов теллуридов и селенидов висмута и сурьмы), страница 8

Крометого,исследовалсяэффектШубникова–деГааза(квантовыеосцилляциимагнетосопротивления) во всех вышеперечисленных монокристаллах и влияние на неголегирования образцов.Электрическое сопротивление образцов определялось четырехконтактным методомна постоянном токе на установке, блок-схема которой изображена на рис. 2-1.1. На этой жеустановке исследовался эффект Шубникова – де Гааза. Сверхпроводящий соленоид приТ=4.2 К позволял получать магнитные поля В до 6 Тл, а при откачке гелия до В=8 Тл. Этодавало возможность в исследуемых монокристаллах наблюдать начало социлляций ШдГ и вдальнейшем исследовать осцилляции на отобранных образцах в сильных магнитных полях.Измерения эффекта Шубникова – де Гааза в сильных магнитных полях с индукцией до 40 Тлв университете г.

Токио (Япония) при температуре 4.2 К. В этом случае использовалосьимпульсное магнитное поле (длительность импульса 10 мс); его величина измерялась спомощью специальной медной калиброванной микрокатушки. Подробнее методикуизмерений в импульсных магнитных полях можно прочитать в работах [32,33]. Приисследовании эффекта Шубникова – де Гааза магнитное поле всегда направлялось вдоль осиС3 монокристаллических образцов. При такой ориентации магнитного поля для теллуридоввисмута и сурьмы все шесть эллипсоидов шестиэллипсоидной поверхности Ферми (см. главу441) легких дырок совпадают, что позволяет наблюдать в осцилляциях только одну частоту.

Поэтой частоте легко рассчитываются концентрация дырок и энергия Ферми.Величина тока, пропускаемого через образец и создаваемого стабилизированнымисточником питания, обычно составляла 20-100 мA (Т, 7-14 на рис. 2-1.1). Направление токавыбиралось вдоль оси С2. Ток через образец и напряжение на нем регистрировались,соответственно, цифровыми ампервольтомметрами.Рис. 2-1.1 Блок -схема автоматизированной экспериментальной установки сцифровой записью температурных или магнетополевых зависимостей сопротивления спомощью вольтметров Ф-30.

1 – гелиевый криостат со сверхпроводящим соленоидом, 2 –персональный компьютерКоэффициент Зеебека для всех образцов измерялся в температурном интервале 7÷300К при температурном градиенте вдоль плоскостей скола. Схема установки для измеренийприведена на рис. 2-1.2. В зависимости от диапазона температур использовался дьюар сжидким азотом или гелием. Определение коэффициента Зеебека осуществлялось зондовымметодом. Образец помещался между двумя медными зажимами и припаивался к ним. Один45из зажимов находился в тепловом контакте с основной печкой, с помощью которой можнобыло изменять общую температуру образца.

Второй зажим был припаян к градиентнойпечке, создававшей градиент температуры (см. рис. 2-1.2). Каждая печка представляла собоймедный стержень, на который был намотан тонкий манганиновый провод. Получившаяся«катушка» сверху покрывалась слоем клея БФ-2.Рис. 2-1.2 Блок-схема установки для измерений сопротивления, коэффициентаЗеебека, теплопроводностиИ основная, и градиентная печки имели сопротивление 80 Ом. К концамманганинового провода припаивались медные провода (2-9 для градиентной печки и 3-10 для основной (см. рис. 2-1.2), которые через реостат и амперметр подключались к источникунапряжения.

Токи через печки, а, следовательно, температура и градиент температуры вобразце регулировались калиброванными источниками тока.Измерения теплопроводности, сопротивления и термоэдс проводились в специальнойвакуумнойвставке,нижняячастькоторойсхематическиизображенана рис. 2-1.3. Исследуемый образец находился в вакуумной камере (1) (давление порядка10-5 мм.рт. ст., вакуум создавался с помощью диффузионного насоса).

Образец (2)помещался внутрь теплового экрана (3). Температура образца контролировалась основным46резистивным нагревателем (4) и изменялась угольным термометром сопротивления ТСУ-2(5). Ток через термометр измерялся амперметром А, а потенциал – вольтметром V3.Температурный градиент создавался градиентным резистивным нагревателем (6) иизмерялся тепловыми зондами (7) на медной проволоке (8) (с известным коэффициентомтеплопроводности)инаобразце.Тепловыезондытермическисоединенымикротеплообменниками (9) с термопарами (10, 11) (будучи электрически изолированы отних) и припаяны к образцу и медной проволоке.

Потенциалы, измерявшиеся вольтметрамиV2 и V4, пропорциональны температурным градиентам на образце и на медной проволокесоответственно.Рис. 2-1.3. 1 – вакуумная камера, 2 – образец, 3 – тепловой экран, 4 – резистивныйнагреватель, 5 – термометр, 6 – градиентный резистивный нагреватель, 7 – тепловыезонды, 8 – медная проволока с известным поперечным сечением и расстоянием междуизмерительными точками теплового зонда, 9 – микротеплообменники, 10 и 11 –термопары.Теплопроводность образца κ s вычисляется как:κ S = κ CuV4 S Cu l SV2 lCu S S(2-1.1)47где κ Cu - теплопроводность меди, SCu , S S - площади поперечного сечения медной проволокии образца соответственно, lCu , lS - расстояние (тепловой поток через образец считаетсяравным тепловому потоку через медную проволоку).

Дополнительный вольтметр V1 измерялразность потенциалов на образце, требуемую для вычисления коэффициента Зеебека.Для измерения проводимости к образцу подключался источник тока, при этомизмерялось падение напряжения на образце при заданных значениях тока в цепи. Вся вставкапомещалась в криостат с жидким гелием, что позволяло исследовать все характеристики втемпературном интервале 7<T<300 K.Рис. 2-1.4 Фотография типичного образца с припаянными проводамиВ случае селенида висмута n-типа электронная часть поверхности Ферми для легкихэлектронов представляет собой один эллипсоид, что также дает возможность легкорассчитать концентрацию электронов и энергию Ферми. Образцы выращивались методомБриджменаизполикристаллическихматериалов.Характерныеразмерыобразцов1x1x5 мм.

К образцам микропаяльником припаивались токовые и потенциальные контакты,как показано на фотографии (рис. 2-1.4).§2.2 Образцы (BixSb1-x)2Te3 с оловомВ ходе работы были исследованы чистые и легированные Sn монокристаллыp-(Bi1-xSbx)2Te3 (x=0; 0,25;0,5), выращенные методом Бриджмена. Образцы выращивались изполикристаллических материалов в Физико-Техническом институте им. Иоффе (С.48Петербург). Образцы для измерений с характерными размерами 1x1x5 мм (самый крупныйразмер вдоль оси C2) после расщепления вдоль плоскостей спайности перпендикулярно осиC3 кристалла разрезались на электроэрозированном станке.

Электрические контактыприпаивались с помощью сплава BiSb. При измерении термоЭДС и теплопроводноститемпературный градиент и тепловой поток были направлены вдоль оси C2. Некоторыепараметры образцов приведены в табл. 2-2.1 [44].Таблица 2-2.1. Холловская концентрация дырок 1/eRH, сопротивления 4,2 при T=4,2 K ипри T=300 K, холловская подвижность H4,2 при T=4,2 K для (BixSb1-x)2-ySnyTe3Состав образцаSb2-ySnyTe3(Bi0,25Sb0,75)2ySnyTe3(Bi0,5Sb0,5)2-ySnyTe3y-позагрузке00,007500,0050,007500,0075yAAS*00,04700,00300,003400,00371/eRH(1019см-3)8,256,46,47,43,520,84.2(мкОм*см)38,867,647,468,67356148300(мкОм*см)26018145426292737435H4,2(м2/В*с)0,1960,0180,2050,1220,3200,020*AAS – atomic absorption spectroscopy (атомная абсорбционная спектроскопия)300EF(мэВ)104137699711044115Как видно из табл.

2-2.1, холловская концентрация дырок при легировании Snвозрастает, то есть Sn имеет акцепторный эффект. Для определения концентрации легкихдырок и энергии Ферми EF использовался эффект Шубникова-де Гааза при T=4,2 K всильных магнитных полях [45]. Концентрация олова y в образцах вначале определялась позагрузке (вторая колонка в табл. 2-2.1), а затем уточнялась в конкретно измеренном образцес помощью атомного адсорбционного анализа.§2.3 Образцы Bi2Te3 и Bi2Se3 с FeВ ходе работы были исследованы чистые и легированные Fe монокристаллыp-Bi2-xFexTe3 (x<0,08) и n-Bi2-xFexSe3 (x<0,6), выращенные методом Бриджмена вуниверситете г.

Пардубицы (Чешская республика). Образцы для измерений с характернымиразмерами 1x1x5 мм (с максимальным размером вдоль оси C2) после скола вдоль плоскостейспайности перпендикулярно оси C3 кристалла вырезались на электроэрозионном станке.Электрические контакты припаивались с помощью сплава BiSb. При измерении термоЭДС и49теплопроводности температурный градиент и тепловой поток были направлены вдоль осиC2. Кроме этого в образцах исследовался эффект Шубникова-де Гааза [9]. Изнаблюдающихся частот F этого эффекта можно рассчитать концентрации электронов nSdHили дырок pSdH в образцах и энергии ферми EF.

Некоторые параметры образцов дляp-Bi2-xFexTe3 и n-Bi2-xFexSe3 приведены в табл. 2-3.1.Таблица 2-3.1. Частоты F осцилляций Шубникова-де Гааза, энергии Ферми EF иконцентрации дырок pSdH для образцов Bi2-xFexTe3 и Bi2-xFexSe3x00,040,08p-Bi2-xFexTe3EFF(T)(мэВ)2637,81826,41116,7pSdH(1018см-3)7,54,42,2x00,020,06n-Bi2-xFexSe3EFF(T)(мэВ)150145162156242233nSdH(1018см-3)1,92,15,1§2.4 Образцы Sb2Te3 и Bi2Se3 c TlВ ходе работы исследовались чистые монокристаллы Sb2Te3 и Bi2Se3 и легированныеталлием: Sb2-xTlxTe3 (x=0.005; 0.015; 0.05) и Bi2-xTlxSe3 (x=0.01; 0.02; 0.04; 0.06).