Термоэлектрические, гальваномагнитные и магнитные свойства легированных монокристаллов (Bi1-xSbx)2Te3

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТИМЕНИ М.В. ЛОМОНОСОВА______________________________________________________________ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТНа правах рукописиТАРАСОВ Павел МихайловичТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ, ГАЛЬВАНОМАГНИТНЫЕ ИМАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ЛЕГИРОВАННЫХМОНОКРИСТАЛЛОВ (Bi1-xSbx)2Te3Специальность 01.04.09 −Физика низких температурАвтореферат диссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наук___________________________________________________________МОСКВА – 2009Работавыполненанакафедрефизикинизкихтемпературисверхпроводимости физического факультета Московского государственногоуниверситета имени М.В. Ломоносова.Научный руководитель:доктор физико-математических наук,профессор Кульбачинский ВладимирАнатольевичОфициальные оппоненты:доктор физико-математических наук,профессор Звягин Игорь Петровичдоктор физико-математических наук,профессор Ковалев Алексей НиколаевичВедущая организация:ГНЦ РФ "Гиредмет"г.

МоскваЗащита состоится “___” июня 2009 года в _______ на заседанииДиссертационного совета Д.501.001.70 Московского государственного университетаимени М.В. Ломоносова по адресу: 119991, ГСП-1, Москва, Ленинские горы, д.1,стр.35, конференц-зал Центра коллективного пользования МГУим. М.В. ЛомоносоваС диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУим М.В. ЛомоносоваАвтореферат разослан “___” _____________ 2009 годаУченый секретарь Диссертационногосовета Д.501.001.70 МГУ им. М.В. Ломоносовадоктор физико-математических наук,профессор2Г.С. ПЛОТНИКОВОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы исследования.

Полупроводниковые материалы на основетеллурида висмута и сурьмы в настоящее время являются самыми эффективнымипри комнатной температуре термоэлектриками и широко используются втермоэлектрических преобразователях энергии, холодильниках, термостатах.Поиск путей увеличения термоэлектрической эффективности этих веществ, кромефундаментального научного значения, имеет и прикладное значение для решенияпрактических задач получения низких температур термоэлектрическими методами.Впоследнеевремябылидостигнутысущественныедостижениявинформационных технологиях, микроэлектронике, где наряду с традиционнымиприборами с зарядовой связью стали использовать спин электрона.

За открытие ипрактическое применение эффекта гигантского магнетосопротивления в 2007 г.ученым А. Ферту (A.Fert) и П. Грюнбергу (P. Grunberg) была присужденаНобелевская премия по физике. При введении в кристаллическую решеткуполупроводника атомов магнитной примеси (например, марганца, хрома илижелеза) в небольшом количестве, так что прямое обменное взаимодействие междумагнитными атомами отсутствует, образуется так называемый разбавленныймагнитный полупроводник (РМПП). До настоящего времени было установлено,что РМПП на основе элементов III и V или II и IV групп периодической системыэлементов Д.И. Менделеева переходят при низких температурах в ферромагнитноесостояние.

При этом обменное взаимодействие магнитных атомов осуществляетсячерез свободные носители заряда. Это открывает возможности применения такихматериалов в спинтронике. Совсем недавно был открыт ферромагнетизм втеллуриде висмута с Fe, после чего в теллуриде сурьмы с V при низкихтемпературах.Обнаруженовлияниемагнитныхпримесейнатермоэдс,сопротивление, магнетизм, эффект Холла, эффект Шубникова-де Гааза и другиесвойства таких кристаллов.Исследование материалов,обладающих высокойэффективностью Z = α 2σ / k ( σ и kтеpмоэлектрической– электpо- и теплопpоводность, α -коэффициент теpмоэдс), в настоящее время особенно актуальна. Оптимальныевеличины параметров достигаются введением различных легирующих примесей.При этом для достижения большого Z необходимо изучить фундаментальные1физические свойства материала, такие как концентрация носителей тока, ихподвижность, анизотропия проводимости и анизотропия поверхности Ферми, и такдалее.Слоистые кристаллы на основе теллуридов висмута и сурьмы легколегируются.

При смешивании Bi2Te3 и Sb2Te3 в пропорции (1-x)/x получаетсясмешанный кристалл (Bi1-xSbx)2Te3. Аналогично можно получить смешанныйкристалл на основе двух халькогенидов одного и того же элемента V группысистемы Менделеева. Например, в случае Bi2Te3 и Bi2Se3 образуется смешанныйкристалл Bi2Te3-ySey.

Возможны различные сочетания из элементов Bi, Sb, As и Te,Se, S. Смешанные кристаллы представляют особый интерес, так как именно в нихнаблюдаются максимальные значения термоэлектрической эффективности Z, и длятехнических приложений используются именно они.В качестве легирующих примесей можно использовать In, Sn, Ge. Однако донастоящего времени практически не изучено влияние Ga на энергетический спектрсмешанных кристаллов (Bi1-xSbx)2Te3. В то же время известно, что легированиеоловом или индием теллурида висмута приводит к появлению примесной зоны.До настоящего времени отсутствовали данные о термоэлектрическойэффективности РМПП на основе теллурида сурьмы и влиянии магнитныхпримесей на осцилляционные свойства таких кристаллов.

Отсутствуют данные отермоэлектрических свойствах смешанных кристаллов (Bi1-xSbx)2Te3 легированныхгаллием. Не определена прямыми методами анизотропия поверхности Фермисмешанных монокристаллов р-(Bi1-xSbx)2Te3. До настоящего времени нет данных отермоэлектрической эффективности РМПП теллуридов и селенидов висмуталегированных железом.Объекты исследования. В работе исследованы образцы трех типов. Образцыпервого типа – это смешанные монокристаллы теллуридов висмута и сурьмы, какнелегированные, так и легированные галлием.

Второй тип – это монокристаллытеллурида сурьмы, легированные магнитной примесью хрома. Третий тип – этомонокристаллы теллурида и селенида висмута, легированные железом.Целью работы являлось: систематическое изучение влияния легированияхромом на гальваномагнитные, термоэлектрические, осцилляционные и магнитныесвойства слоистых монокристаллов Sb2Te3 в температурном интервале 1,7 – 300 К.Исследование угловых зависимостей экстремальных сечений поверхности Ферми с2помощью эффекта Шубникова-де Гааза с целью определения анизотропииповерхности Ферми и энеpгетического спектpа смешанных монокpисталлов р(Bi1-xSbx)2Te3.Изучениевлияниягаллиянатермоэлектрические,гальваномагнитные и осцилляционные свойства смешанных монокристаллов р(Bi1-xSbx)2Te3 и железа на термоэлектрические свойства монокристаллов р-Bi2Te3 иn-Bi2Se3.Основные положения, выносимые на защиту1.

Установлено, что хром, введённый в Sb2Te3, проявляет донорные свойства.Обнаружены ферромагнетизм в разбавленном магнитном полупроводнике Sb2xCrxTe3с легкой осью намагниченности вдоль оси С3 кристалла, аномальныйэффект Холла, отрицательное магнетосопротивление при низких температурах.Температура перехода в ферромагнитное состояние Тс растет при увеличениисодержания хрома, достигая Тс≈5.8 К при х=0.0215.2. Определена анизотропия поверхности Ферми прямыми измерениями угловыхзависимостей экстремальных сечений поверхности Ферми с помощью эффектаШубникова-де Гааза монокристаллов (Bi0.5Sb0.5)2Te3.3.

Показано, что в смешанных монокристаллах p-(Bi0.5Sb0.5)2Te3 легированиегаллием вызывает донорный эффект. Наблюдается сильное увеличение термоэдс итермоэлектрической эффективности при легировании галлием р-(Bi0.5Sb0.5)2Te3.4. В образцах p-Bi2Te3 и n-Bi2Se3 железо проявляет донорные свойства иувеличивает термоэдс в p-Bi2Te3, в то время как в n-Bi2Se3 термоэдс уменьшается.Научная новизнаПроведено систематическое изучение влияния легирования хромом нагальваномагнитные,термоэлектрическиеимагнитныесвойстваслоистыхкристаллов Sb2Te3. Обнаружен ферромагнетизм в разбавленном магнитномполупроводнике Sb2-xCrxTe3 с легкой осью намагниченности вдоль оси С3кристалла.

Показано, что легирование хромом теллурида сурьмы оказываетдонорное действие, понижая концентрацию дырок.СпомощьюэффектаШубникова-деГаазаопределенаанизотропияповерхности Ферми в смешанных монокpисталлах (Bi1-xSbx)2Te3. Изучено влияниегаллия на термоэлектрические, гальваномагнитные и осцилляционные свойствасмешанных монокристаллов р-(Bi1-xSbx)2Te3. Показано, что легирование галлиемприводит к аномальному увеличению термоэлектрической эффективности р-3(Bi1-xSbx)2Te3. Проведен анализ полученных экспериментальных данных исравнение с теоретическими зависимостями.Показано, что легирование железом увеличивает термоэдс р-Bi2Te3 иуменьшает термоэдс n-Bi2Se3. Термоэлектрическая эффективность в первом случаеуменьшается, а во втором практически не изменяется при комнатной температуреи возрастает в области температур T<50 K.Практическая значимостьПрактическая значимость диссертации определяется тем, что полученные внастоящей работе результаты способствуют развитию фундаментальных знаний оразбавленных магнитных полупроводниках на основе теллуридов висмута исурьмы и смешанных кристаллах (Bi1-xSbx)2Te3.