Диссертация (1102573), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Получено выражение для квантовой поправки кпроводимости, обусловленной слабой локализацией, действительное для плёнок произвольнойтолщины при изменении магнитного поля и температуры. Полученные в работе результатымогут иметь практическое применение при решении задач по повышению электропроводностиплёнок оксида цинка, легированного галлием, кобальтом и оксида индия, легированногооловом.На защиту выносятся следующие положенияПри легировании галлием электропроводность плёнок ZnO:Ga, осаждённых из газовойфазы в окислительных условиях, и подвижность электронов в них достигает максимальногозначения при содержании галлия близком к 7 ат.%.
При таком содержании галлия преобладаетзонный механизм электропроводности, а статистика электронов вырождена при температурахдо 295 К.В поликристаллических плёнках ZnO:Ga, осаждённых в условиях пирогидролиза, вдиапазоне температур 4,2-295К наблюдается прыжковая проводимость с переменной длинойпрыжка. При увеличении содержания галлия плотность локализованных электронныхсостояний на уровне Ферми увеличивается, а радиус локализации состояний изменяется слабо.Отрицательное магнетосопротивление в исследованных плёнках оксида цинка,легированного галлием, синтезированных в окислительных условиях, и пленках оксида индия,8легированного оловом, синтезированных из оксидных мишеней, может быть описанополученным в работе выражением для магнетосопротивления, обусловленного слабойлокализацией, действительным при изменении размерности пленки по отношению к явлениюслабой локализации под действием магнитного поля.Температурные зависимости времени релаксации фазы волновой функции электронов,полученные при аппроксимации отрицательного магнетосопротивления плёнок оксида цинка,легированного галлием, и оксида индия, легированного оловом, описываются степеннымифункциями с показателем степени, соответствующим электрон-электронному механизмурелаксации фазы.
При этом экспериментальные значения времени релаксации фазы волновойфункции в несколько раз меньше теоретических для электрон-электронного и электронфононного механизмов релаксации.Положительное магнетосопротивление в плёнках оксида цинка, легированногокобальтом, с прыжковым механизмом проводимости может быть, в ограниченном интервалемагнитных полей, объяснено уменьшением плотности электронных состояний на уровне Фермив магнитном поле вследствие обменного взаимодействия между электронами проводимости ислучайно расположенными атомами кобальта. Полученное из анализа магнетосопротивлениязначение радиуса локализации электронных состояний близко к радиусу мелких доноров в ZnO.Достоверность и надёжность результатовОсновные результаты и выводы диссертации получены в результате анализаэкспериментальных данных.
Экспериментальные данные получены на достаточном количествеисследованныхобразцов.Достоверностьполученныхэкспериментальныхданныхподтверждается их воспроизводимостью и использованием надежных и проверенных методик.Анализ экспериментальных данных проводился на основе большого количества литературныхданных с использованием современных моделей и теоретических подходов. Всё перечисленноеподтверждает достоверность полученных результатов и выводов диссертацииАпробация работыРезультаты диссертации представлялись на следующих Международных и Российскихконференциях: 1) 35 Совещание по физике низких температур, Черноголовка, 2009; 2) 7Курчатовская молодежная научная школа, РНЦ "Курчатовский институт", 2009; 3) InternationalConference of functional materials, Partenit, 2009; 4) 36 Совещание по физике низких температур,Санкт-Петербург, 2012; 5) ХIХ Международная зимняя школе по физике полупроводников,9Екатеринбург, 2012; 6) ХХ Международная зимняя школа по физике полупроводников,Екатеринбург, 2014; 7) Moscow International Symposium on Magnetism, Moscow, 2014; 8) 27thInternational Conference on Low Temperature Physics, Buenos-Aires, Argentina, 2014; 9) 5thInternational Symposium on Transparent Conductive Materials, Platanias, Greece, 2014; 10),Российская конференция по физике и астрономии Санкт-Петербург, 2014.Публикации и личный вклад автораРезультаты диссертации опубликованы в 5 статьях в реферируемых журналах, в 2-хтрудах и 14 тезисах конференций.Автором внесен основной творческий вклад в диссертацию.
Экспериментальные данные поисследованию электрофизических и гальвано-магнитных свойств плёнок оксида цинка,легированного кобальтом и галлием, и пленок оксида индия, легированного оловом,представленные в диссертации, получены автором лично.
Анализ и систематизацияэкспериментальных данных проведены непосредственно автором диссертации.10Глава 1 Структура, электронные, электрофизические и гальваномагнитныесвойства ZnO, ZnO:Ga, ZnO:Co, In2O3, In2O3:Sn1.1 Кристаллическая и электронная структура ZnO и In2O31.1.1 Кристаллическая структура ZnO, ZnO:Ga, ZnO:CoОксидцинкаявляетсяполупроводникомгруппыAIIBVI.Существуеттрикристаллические модификации структуры оксида цинка - вюрцит, сфалерит (тип цинковаяобманка) и галит (тип каменная соль).соль Стабильной кристаллической структурой оксида цинкапри нормальных условиях является вюрцит (рисунок(1.1) [1] В работе [[2] предсказывается, чтооксид цинка должен переходить из структуры типа каменной соли (галита) в структуру типахлорида цезия (CsCl) (объемоцентрированная кубическая кристаллкристаллическая структура) придавлении порядка 260 ГПа. Структура вюрцита имеет гексагональную элементарную ячейку, вкоторой атомы цинка находятся в тетраэдрическом окружении атомов кислорода.
Параметрырешетки оксида цинка а=3.250 Å, с=5.206 Å [3].OZn -Рисунок 1.11 Кристаллическая решетка ZnO типа вюрцит [1]На практике оксид цинка наиболее часто используют в виде плёнок толщиной отдесятков до сотен нанометров. В зависимости от типа подложки и условий осажденияпостоянные решётки в плёнках могут несколько отличатьсяотличаться от постоянных решетки вобъёмных кристаллах [1].Согласно экспериментальным данным, ZnO является полупроводником с электроннымтипом проводимости. КонцентрацияКонцент ция электронов при комнатной температуре в нелегированномZnO составляет порядка 1016 см-3, что в литературее объясняют наличием собственных точечныхдефектов и примесей [2].
К точечным дефектам в ZnO, в частности, относят вакансии11кислорода, междуузельный цинк, междуузельный кислород.На рисунке 1.2 показаны, рассчитанные в работе [4] зависимости энергии образованиявакансии кислорода в ZnO.Рисунок 1.2 Энергия образованияРисунок 1.3 Вакансия кислорода в решеткевакансии кислорода в различныхZnO и положение соответствующегозарядовых состояниях, в условияхэнергетического уровня в запрещенной зонеизбытка цинка [4][4]Согласно существующим теоретическим расчетам при положении уровня Ферми вблизипотолка валентной зоны наиболее стабильными являются вакансии кислорода в зарядовомсостоянии 2+. В условиях n-типа проводимости при положении уровня Ферми вблизи дна зоныпроводимости стабильным является нейтральное зарядовое состояние вакансии кислорода.Порог перехода (V2+/V0) лежит на ~1 эВ ниже дна зоны проводимости, поэтому вакансиикислорода не могут поставлять электроны в зону проводимости при комнатной температуре(рисунок 1.2).
Вакансии кислорода в зарядовом состоянии 2+ обладают высокой энергиейобразования и формируют глубокие донорные уровни в запрещенной зоне на 0,5-0,8 эВ вышепотолка валентной зоны (рисунок 1.3). Таким образом, вакансии кислорода вероятнее всего неявляются основным источником собственной электронной проводимости в ZnO [5-6], что такжеподтверждается экспериментально [7].Междуузельный цинк может играть роль мелкого донора в ZnO. В вюрцитемеждуузельный Zn обычно находится в октаэдрическом окружении трех атомов Zn и трехатомов O.
Стабильным зарядовым состоянием междуузельного Zn является состояние 2+.Однако даже в условиях высокой концентрации Zn междуузельный цинк имеет высокуюэнергию образования в ZnO n-типа, когда уровень Ферми расположен вблизи дна зоны12проводимости (рисунок 1.4), поэтому в ZnO n-типа данный тип дефектов присутствует в малыхконцентрациях и не может быть основным источником электронов в ZnO n-типа [7].OZn – O на позиции ZnOi (oct) – междуузельный O воктоэдрическом окруженииOi(split) - междуузельный O и один изближайших атомов O вместе занимаютпозицию в кристаллической решеткеZnO – Zn на позиции OZni – междуузельный ZnVZn – вакансия ZnVO – вакансия OРисунок 1.4 Энергия образования собственных дефектов в ZnO в зависимости отположения уровня Ферми в условиях избытка Zn [7]К собственным дефектам в оксиде цинка также относят вакансии цинка.
Появлениевакансии цинка влечет за собой разрыв связей с четырьмя атомами кислорода, вследствие чегообразуются двукратно заполненное состояние в валентной зоне и три частично заполненныхсостояния в запрещенной зоне вблизи потолка валентной зоны. Данный вид дефектов имеетнизкую энергию образования в ZnO n-типа и является дефектом акцепторного типа [7]. Другиесобственные дефекты такие как межузельный кислород, цинк в позиции кислорода и кислородв позиции Zn имеют высокую энергию образования поэтому в равновесных условиях неформируются в большом количестве в ZnО (рисунок 1.4) [7].
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
