Диссертация (1102573), страница 7
Текст из файла (страница 7)
Полученные оценкиконцентрации мелких доноров сопоставимы по порядку величины с данными о концентрацииэлектронов в пленках n-ZnO (~1017cм-3), представленными в литературе [1].Вработе[62]былиисследованытемпературныезависимостисопротивленияполикристаллических пленок ZnO в интервале температур от 300 до 4,2К (рисунок 1.29).Пленки были синтезированы в условиях с разным содержанием кислорода. Сопротивлениепленок, изготовленных в условиях с меньшим содержанием кислорода, было меньше.Сопротивление пленок, изготовленных в среде с повышенной концентрацией кислорода,возрастало значительно сильнее (~104) при уменьшении температуры от 300 до 10К, чемсопротивление пленок, изготовленных при пониженном содержании кислорода (~2.5 раза)(рисунок 1.29).
В интервале от 30 до 90К температурная зависимость сопротивленияописывалась законом Мотта для прыжкового переноса с переменной длиной прыжка (рисунок1.29, б).34(а)(б)(в)Рисунок 1.29 Температурная зависимость сопротивления для пленок ZnO (а),аппроксимация температурной зависимости сопротивления законом Мотта длятрехмерной системы (б) и законом Шкловского- Эфроса (в), 1-7 – содержаниекислорода в процессе синтеза увеличивается от 0% до 1% [62]При понижении температуры ниже 30К в некоторых пленках, синтезированных в среде сповышенным содержанием кислорода, температурная зависимость сопротивления описываласьзаконом Шкловского-Эфроса (рисунок 1.29, в).
Температура, при которой наблюдался переходот закона Мотта к закону Шкловского-Эфроса, была выше для пленок, синтезированных всреде с большей концентрацией кислорода. Полученные значения величины кулоновской щелисоставляли от 0,6 до 3,87 мэВ, величина щели была больше для пленок, синтезированных всреде с большим содержанием кислорода.В пленках In2O3 и In2O3:Sn при низких температурах также наблюдался прыжковыймеханизм электропроводности [63-65]. При понижении температуры заметную роль начиналоиграть кулоновское взаимодействие локализованных электронов с заряженными примесными35центрами, и наблюдался переход от закона Мотта к закону Шкловского-Эфроса [63-65].
Вработе[64]исследоваласьтемпературнаязависимостьсопротивленияаморфныхиполикристалличных пленок In2O3. В температурной зависимости сопротивления аморфныхпленок In2O3 при температуре порядка 25К наблюдался переход от закона Мотта к законуШкловского-Эфроса.При прыжковом переносе магнитное поле может оказывать существенное влияние насопротивление за счёт подавления интерференции электронов. Данный эффект наиболеесущественен в случае, когда интерференция является основной причиной локализацииэлектронных состояний. [66] В этом случае подавление интерференции магнитным полемприводит к увеличению радиуса локализации электронных состояний и отрицательномумагнетосопротивлению [67].
Дальнейшее увеличение магнитного поля приводит к уменьшениювероятности туннелирования и росту сопротивления [60]. В системах с прыжковойпроводимостью с переменной длиной прыжка в магнитных полях (lB≫rloc) зависимостьсопротивления от магнитного поля, обусловленная данным эффектом, имеет вид:( ) = (0)exp (( )ℏ/),(1.20)где β=5/2016, B – магнитная индукция, rloc – радиус локализации волновой функции.В сильных магнитных полях (≪)( ) = (0)exp (0.92()ℏ(())/),(1.21)где EH – энергия активации в магнитном поле.При прыжковом механизме переноса ориентация спинов электронов в магнитном полетакже может приводить к изменению сопротивления и магнетосопротивлению. В частности,поляризация спинов электронов на донорных уровнях может вести к подавлению проводимостипо локализованным состояниям, допускающим двукратное заполнение электронами, чтоприводит к увеличению сопротивления [68].
Обменное взаимодействие электронов насостояниях, по которым осуществляется прыжковый перенос, с электронами примеси снескомпенсированным спином при наличии композиционного беспорядка может приводить куменьшениюплотностиэлектронныхсостоянийнауровнеФерми,иувеличениюсопротивления. В магнитном поле ожидается дополнительное уменьшение плотностисостояний на уровне Ферми и положительное магнетосопротивление [69]. Обменноевзаимодействие между электронами магнитной примеси и электронами, участвующими впрыжковом переносе, может также приводить к появлению щели в плотности состояний,которая схлопывается в магнитном поле.
Это должно приводить к уменьшению сопротивленияв магнитном поле [70]. Кроме того, наличие обменного взаимодействия может приводить к36формированию магнитных поляронов. В магнитном поле энергия связи таких поляроновдолжна уменьшаться, что должно приводить к отрицательному магнетосопротивлению [71].Перечисленные выше теоретические соображения и модели применялись при анализемагнетосопротивления плёнок ZnO и In2O3, в которых наблюдался прыжковый механизмпроводимости.Существенное влияние на прыжковую проводимость в плёнках ZnO могут оказыватьатомы с ненулевым магнитным моментом, такие как Mn и Co. В работах [72-74] в пленках ZnO,легированных магнитной примесью Со и Mn наблюдалось большое положительноемагнетосопротивление.
Величина магнетосопротивления увеличивалась при увеличенииконцентрации магнитной примеси [72].В работе [72] в пленках ZnO:Co наблюдалась температурная зависимость сопротивления,указывающая на прыжковый механизм переноса электронов. В пленках с концентрацией Co30% наблюдалось увеличение сопротивления в магнитных полях более 1 Тл до 800%.Магнитное поле в эксперименте было сонаправлено с током в образце, поэтому авторы работысвязывали наблюдавшееся магнетосопротивление с подавлением прыжкового переноса заряда вмагнитном поле за счет поляризации спинов.
Для описания магнетосопротивления в работе [72]использовалась модель, предложенная в работе [68]. В работе [68] рассматривается механизмпоявления положительного магнетосопротивления в системах с магнитной примесью припрыжковом переносе носителей заряда в предположении, что магнитное поле может влиять напрыжковуюэлектропроводность,непосредственнодействуянамагнитныймоментлокализованного электрона. В данной работе предложена модель, в которой магнитное полеможет подавлять прыжки по локализованным состояниям, уменьшая электропроводность.Показано, что, если энергия кулоновского отталкивания электронов на одном локализованномсостоянии (U) меньше ширины максимума плотности локализованных состояний вблизиуровня Ферми, то возможно двукратное заполнение локализованных уровней, по которымпроисходят прыжки.
В этом случае при прыжковой проводимости возможны прыжки междуоднократно заселенными состояниями A и В вблизи уровня Ферми, энергия которыхотличается на величину кулоновского отталкивания (рисунок 1.30), с учетом ориентации спина.Рисунок 1.30 Прыжковая проводимость при возможности двукратного заполнения уровнейВлияние магнитного поля приводит к преимущественной поляризации спинов на37состояниях A и B, что подавляет прыжковую проводимость по состояниям A и B и ведет кположительномумагнетосопротивлению.Вработе[68]полученовыражениедлямагнетопроводимости, в которой величина проводимости зависит от величины зеемановскогорасщепления:~exp {−( )где F(x) – универсальная функция переменной( )}=(/ ) /((1.22))Однако в предположении, что фактор Ланде g=2 -величина взаимодействия магнитногомомента электрона с магнитным полем (gμB) в магнитном поле 1Тл составляет 0.1мЭв, чтозначительно меньше тепловой энергии kT при температуре 4.2К, которая составляет 0.4мЭв.Таким образом, магнетосопротивление, описываемое моделью [68], может быть существеннымпри температуре ниже 1 К.
При использовании описанной модели для анализа наблюдаемогоположительного магнетосопротивления в работе [72] было получено, что экспериментальнаязависимость магнетосопротивления от магнитного поля для разных концентраций Co имеет вид( , )~( , )что согласуется с моделью [68] (рисунок 1.31).
Однако не наблюдаетсятеоретически предсказываемая температурная зависимость вида( , )~( , ). Кроме того,величина положительного магнетосопротивления увеличивается при увеличении содержанияCo, а это значит, что данное магнетосопротивление, скорее всего, связано с присутствиемпримеси Co. Так как Со в ZnO находится в зарядовом состоянии 2+ [18], то не являетсядонором, следовательно, влияние Co на электронный перенос в ZnO в магнитном полеобусловлено обменным взаимодействием. Модель [68] не рассматривает влияние магнитнойпримеси на перенос электронов.Рисунок 1.31 Магнетосопротивление пленок ZnO:Co с различным содержанием Co [72]В некоторых работах в пленках ZnO:Co наряду с большим положительным38магнетосопротивлением наблюдалсяаномальный эффект Холла. В пленках ZnO:Mnаномальный эффект Холла не наблюдается в [73] и в [75] (рисунки 1.32-1.33).
Следуетотметить, что аномальный эффекта Холла обычно наблюдается при наличии ферромагнитногоупорядочения в системе.Рисунок 1.32 Эффект Холла для пленокРисунок 1.33 Магнетосопротивление вZnO:Co и ZnO:Mn [73]пленках ZnO:Co и ZnO:Mn [73]Вероятнее всего положительное МС, наблюдавшееся совместно с аномальным эффектомХолла, не связано с ферромагнитным упорядочением в системе, на что указывает и тот факт,что насыщение положительного магнетосопротивления и аномальный эффект Холланаблюдались на разных интервалах магнитных полей [73,75].В работе [76] исследовались пленки ZnO:Co с различной концентрацией электронов.Концентрация электронов варьировалась из-за дополнительного легирования Al (рисунок 1.34).Было получено, что в пленках ZnO:Co с низкой концентрации электронов (~1018 см-3)наблюдалось положительное магнетосопротивление, при увеличении концентрации электроновдо (~1020) наблюдалось отрицательное магнетосопротивление (рисунок 1.34).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
