Термоэлектрические, гальваномагнитные и магнитные свойства легированных монокристаллов (Bi1-xSbx)2Te3, страница 3

3 Температурные зависимости сопротивления (Bi0.5Sb0.5)2Te3{Ga} в логарифмическоммасштабеТаким образом Ga действует, как донор, хотя и является элементом IIIгруппы Периодической системы элементов, что связано с изменением количестваточечных дефектов, ответственных за исходную концентрацию дырок, прилегировании галлием.Легирование Ga увеличивает коэффициент Зеебека, незначительно прилегировании 0.3ат% Ga и почти в 2 раза при легировании 2ат% Ga. Одной из9наиболее вероятных причин такого аномального роста термоэдс может быть ростплотности состояний на уровне Ферми за счет образования примесной зоны сделокализованными состояниями с большой эффективной массой при легированииGa, как это наблюдалось при легировании Sn и In в теллуридах висмута или в PbTe,легированном Tl. Теплопроводность кристаллов изменяется незначительно прилегировании галлием, электрическое сопротивление растет.

Все это приводит ктому,что значение безразмерной термоэлектрической эффективности ZTсущественно увеличивается при легировании галлием, как показано на рис. 4.1.0BiSbTe3BiSbTe3 {0.3at% Ga}BiSbTe3 {2at% Ga}0.8ZT0.60.40.20.0-0.20100200300T (K)Рис. 4 Зависимость безразмерной термоэлектрической эффективности ZT от температуры вмонокристаллах BiSbTe3{Ga}В четвёртой главе описывается магнитные, гальваномагнитные свойства,эффект Шубникова-де Гааза и термоэлектрические свойства монокристаллов Sb2xCrxTe3.Для всехобразцов сопротивление уменьшается при понижениитемпературы и выходит на насыщение при низких температурах.

В температурноминтервале 150-300 K зависимости имеют степенной вид с показателем степени 1,2.Отклонение от значения 1.5 вероятно связано с зависимостью эффективной массыот температуры в этом температурном интервале. Сопротивление в легированныххромом образцах увеличивается, хотя в образце с большим содержанием хрома ононесколько меньше. Сопротивление в легированных образцах возрастает из-за10уменьшения концентрации дырок, а также из-за добавочного рассеяния дырок налокализованных магнитных моментах ионов хрома.В исследуемых образцах обнаружен ферромагнетизм с температурами КюриTc≈5,8К при содержании хрома 0,43 ат.%, а при 0,23 ат.% ≈2,0К. Наблюдаетсяотрицательное магнетосопротивление в слабых магнитных полях и аномальныйэффект Холла – отклонение холловского сопротивления от линейной зависимостив слабых магнитных полях.Обнаружена магнитная анизотропия, осью легкого намагничивания являетсяось С3 кристалла (перпендикулярно слоям).

Намагниченность насыщения сточностью эксперимента соответствует ≈3 µ B на один ион Cr. Эти данныесвидетельствуют о том, что хром находится в состоянии Cr3+ со значением спинаS=3/2. На рис. 5 в качестве примера приведена зависимость магнитного момента отмагнитного поля для образца Sb2Te3 c 0,43ат% Cr.4B C2M(µB/Cr)2 Sb2Te3 0.43%Cr0-2B C3-4-2-10B(T)12Рис. 5 Зависимость намагниченности при Т=1.7 К от магнитного поля В для двухориентаций BC3 и BC2 для образца Sb2Te3 с 0.43 ат% CrИз измерений эффекта Шубникова-де Гааза были получены концентрациилегких дырок, которые уменьшаются при легировании хромом.

Донорное действиеCr в области исследованных небольших концентраций связано с его влиянием наполярность связей. Слабая полярность связей Sb-Te приводит к наличию большогоколичества антиструктурных дефектов в решетке (атомы Sb замещают атомы Te).Легирование Cr изменяет полярность связей, что приводит к изменениюконцентрации заряженных точечных дефектов, и, следовательно, к изменениюконцентрации дырок.11На рис. 6 приведены температурные зависимости термоэдс исследованныхмонокристаллов Sb2-xCrxTe3.

Термоэдс легированных хромом образцов притемпературах выше 100 К существенно превышает термоэдс нелегированногообразца.Вобластитемператур10-15 Квтемпературнойзависимостикоэффициента Зеебека наблюдается пик, соответствующий пику теплопроводностии связанный с фононным увлечением. С использованием экспериментальныхтемпературных зависимостей коэффициента Зеебека были получены зависимостипараметра рассеяния от температуры. При температурах ниже 100 К параметррассеяния приближается к значению r=-1/2, характерному для рассеяния наакустических фононах (r =3/2 в случае рассеяния на ионизированных примесях и r= 1/2 для рассеяния на полярных оптических фононах).140Sb2Te3120Sb1.98Cr0.02Te3Sb1.96Cr0.04Te3α(µV/K)100806040200050100150200250300T(K)Рис.

6 Температурные зависимости коэффициента Зеебека α для образцов Sb2-xCrxTe3 сразличным содержанием хромаВ пятой главе описываются магнитные и термоэлектрические свойства pBi2-xFexTe3 и n-Bi2-xFexSe3. Повышение концентрации железа в образцах pBi2-xFexTe3 приводит к увеличению сопротивления и коэффициента Холла, в товремя как увеличение концентрации железа в n-Bi2-xFexSe3 уменьшает исопротивление, и коэффициент Холла.

Таким образом, Fe в обоих случаях ведетсебя как донор.Температурная зависимость восприимчивости подчиняется закону КюриВейса с парамагнитной температурой Кюри θ≈27 К. Положительный знак12парамагнитной температуры Кюри θ говорит о взаимодействии ферромагнитноготипа между атомами магнитной примеси в образце. Ферромагнетизм в Bi2-xFexTe3проявляется при низких температурах, осью легкого намагничивания является осьС3 кристалла.Для монокристаллов p-Bi2-xFexTe3 и n-Bi2-xFexSe3 измерены температурныезависимости коэффициента Зеебека, теплопроводности и сопротивления втемпературном интервале 5<T<300 K.В случае квадратичного закона дисперсии и изотропного временирелаксации τ = τ 0 ε r коэффициент Зеебека имеет видα (T ) =∞k B  (2r + 5) Fr +3 / 2 (η )− η  , где Fs (η ) = ∫ [ x s /(e x −η + 1)]dx – интеграл Ферми.e  (2r + 3) F0r +1 / 2 (η )Здесь r – параметр, характеризующий механизм рассеяния: r = −1 / 2 для рассеянияна акустических фононах, r = 1 / 2 для рассеяния на оптических фононах, r = 3 / 2для рассеяния на ионизованной примеси.

По экспериментальным данным,использую вышеприваеденную формулу, были получены зависимости параметрарассеяния от температуры. Получено, что при промежуточных температурахпараметр рассеяния приближается к значению r=-1/2.При температуре 300 K, коэффициент Зеебека увеличивается в p-теллуридевисмута при легировании железом, в то время как в n-селениде висмута спримесью железа коэффициент Зеебека уменьшается. Это связано в первуюочередь с изменением концентрации носителей заряда. Термоэдс изменяется почтилинейно при понижении температуры.

Термоэлектрическая эффективность ZT прилегировании железом практически не изменилась в n-селениде висмута припромежуточных температурах и увеличилась при T<50 K. В p-теллуриде висмутаТермоэлектрическая эффективность уменьшилась из-за существенного увеличениясопротивления образцов.13ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ1 – Изучен эффект Шубникова-де Гааза в смешанных монокристаллах (Bi1xSbx)2Te3,определена анизотропия поверхности Ферми, которая составляетSmax/Smin=3,8. Осцилляции от второй зоны тяжелых дырок не проявляются во всемисследованном диапазоне магнитных полей и углов.2 - Исследовано влияние примеси Ga на температурные зависимостисопротивления, эффект Шубникова – де Гааза монокристаллов (Bi1-xSbx)2Te3.Установлено, что элемент третьей группы периодической системы элементов Д.И.Менделеева Ga проявляет донорные свойства, то есть начальная концентрациядырок уменьшается при легировании.

Это связано с подавлением образованияточечных дефектов, ответственных за исходную высокую концентрацию дырок,при легировании Ga.3 – Изучено влияние Ga на теплопроводность и коэффициент Зеебекасмешанных монокристаллов (Bi1-xSbx)2Te3 в широком температурном интервале.Установлено, что легирование Ga смешанных монокристаллов (Bi1-xSbx)2Te3аномально повышает коэффициент Зеебека, что можно объяснить ростомплотностисостоянийзасчетобразованияпримеснойзоны,приэтомтермоэлектрическая эффективность увеличивается.4 – В разбавленных магнитных полупроводниках Sb2-xCrxTe3 обнаруженпереход в ферромагнитное состояние при температуре Кюри Тс, которая растет сростом концентрации хрома, достигая Тс≈5,8 К при содержании хрома 0,43 ат%.Наблюдается отрицательное магнетосопротивление и аномальный эффект Холлапри низкихтемпературах, что характерно для разбавленныхполупроводников.Обнаруженамагнитнаяанизотропия.намагниченности направлена вдоль кристаллографической оси С3.14магнитныхЛегкаяось5 – Из эффекта Шубникова-де Гааза в кристаллах Sb2-xCrxTe3 рассчитанызначения энергий Ферми и концентраций дырок, которые уменьшаются прилегировании, то есть Cr проявляет донорные свойства в исследованном диапазонеконцентраций.6 – Исследованы термоэлектрические свойства монокристаллов Sb2-xCrxTe3.Обнаружено, что, введение Cr в Sb2Te3 увеличивает коэффициент Зеебека притемпературах выше 100 К.7 – Исследованы термоэлектрические свойства монокристаллов p-Bi2-xFexTe3и n-Bi2-xFexSe3.