Исследование проводимости полупроводниковых структур методом импедансной спектроскопии (1103206), страница 2
Текст из файла (страница 2)
В частности, вслучае поликристалла важно иметь в виду возможные вклады в проводимостьот объема зерна Zb и межкристаллитной границы Zgb, каждый из которых может7быть описан в рамках приближения эквивалентных схем параллельным RCконтуром. Форма соответствующего годографа определяется соотношениемпараметров Rb, Cb, Rgb и Cgb двух контуров и при значительном различиисоответствующих временных констант b Rb Cb и gb R gb C gb будет иметь виддвух последовательных полуокружностей. Часто два контура в спектреимпеданса поликристалла не разрешаются. В условиях отсутствия прямогоэкспериментального указания на наличие двух контуров может оказатьсяцелесообразным в качестве аппроксимирующей эквивалентной схемы выбратьнаиболее простую: единичный RC-контур с параметрами R и C, зависящими отчастоты.В неоднородных структурах часто наблюдаются аномально высокиезначения емкости С, уменьшающиеся с повышением частоты.
При частотахниже 1012 Гц подобные явления не могут быть обусловлены ни одним из трехизвестныхтипов решеточной поляризации. Подобные диэлектрическиеаномалиисвязываютсэффектомМаксвелла-Вагнераиобъясняютформированием обедненных носителями заряда слоев на границе сред сразличной проводимостью. Наличие распределенной емкости не позволяетинтерпретироватьэкспериментальныезначенияСкакхарактеристикуматериала и не допускает использования простейших формул для корректногорасчета его диэлектрической проницаемости [3]. В случае поликристалловэффекты подобного типа могут проявляться вследствие процессов поляризациив межкристаллитной области.
Привести к огромным экспериментальнымзначениям С может также возникновение барьерной емкости на контакте. Воизбежаниеошибоквопределениидиэлектрическойпроницаемостиисследуемых материалов важно учесть возможный вклад контакта в результатизмерения проводимости, проанализировав данные полученные для различныхконтактных конфигураций и геометрических параметров исследуемого образца.Во второй главе рассказано о реализации различных экспериментальныхметодик, описаны экспериментальные установки и измерительные камеры, спомощью которых были получены приведенные в работе результаты,8обсуждаются вопросы, связанные с проверкой возможного влияния контактовна экспериментальные данные.Измерение проводимости в переменных полях проведены на установке набазе измерителя QuadTech 1920 Precision LCR Meter в диапазоне частот 20 Гц –1 МГц и интервале температур от 4,2 К до 300 К.
Высокотемпературныеимпеданс-спектры получены на установке на базе измерителя NovocontrolAlfa-A Analyzer в диапазоне частот 0,1 Гц – 1 МГц в температурном интервале300 К – 1273 К.Температурныехарактеристикинаавтоматизированныезависимостисопротивленияпостоянномустановкахтокесиизмерялисьприменениемвольт-амперныенакакстандартныхдвух-,такичетырехконтактной (с токовыми и потенциальными контактами) схемы.Посколькуизмеренияимпедансапроводилосьпреимущественнодвухконтактным методом, то в каждом случае влияние контакта на результатизмерений тщательно проверялось, и выбирались условия, в которыхконтактное сопротивление мало.
В данной главе в качестве примерапроанализированы экспериментальные спектры импеданса образцов сложныхоксидов Sr0.75-xCaxY0.25Co0.25Mn0.75O3- (0 ≤ х ≤ 8), полученные в результатеизмеренийсконтактами,нанесеннымивразличнойгеометрическойконфигурации и изготовленными из разного материала.В третьей главе представлены основные результаты, полученные длярядаполупроводниковыхструктур:керамическихобразцовтвердогоэлектролита Zr0.84Y0.16O1.92, керамики на основе полупроводникового клатратаварьируемогосоставаPb0.82Ge0.08Te(Ga).продемонстрироватьSn24P19.3IxBr8-x,Разнообразиеэффективность0 ≤ х ≤ 8,выбранныхмонокристалловобъектовимпеданс-спектроскопиипозволяеткакприисследовании образцов, в которых микроструктура может влиять на транспортносителей, так и при изучении монокристаллических полупроводников, вкоторых, однако, может оказаться существенной роль примесной подсистемы.Некоторые из перечисленных соединений являются новыми перспективными9функциональными материалами (клатраты, сложные оксиды), другие изучалисьв той или иной степени ранее (теллурид свинца-германия, оксид цирконияиттрия).Проводимость по объему зерна и межкристаллитной границе в керамикена основе Zr0.84Y0.16O1.92.
Диоксид циркония является хорошо изученнымдиэлектриком с шириной запрещенной зоны около 5 эВ и, благодаря высокойионной проводимости, применяется для создания мембран газовых сенсоров.Кубическая структура флюорита, которой обладает диоксид циркония привысокихтемпературах,являетсянестабильнойприТ < 2570 К.Стабилизировать кубическую фазу можно путем допирования диоксидациркония, например, оксидом иттрия. При этом происходит повышениекислород-ионной проводимости за счет увеличения числа анионных вакансий.Несмотрянато,чтосвойствакакнестабилизированного,такистабилизированного диоксида циркония хорошо изучены, характеризациясинтезированных образцов для конкретных прикладных задач и оптимизацияих параметров является актуальной проблемой.В данной работе проводились исследования методом импедансспектроскопии керамических образцов твердого электролита Zr0.84Y0.16O1.92 какэлементов для изготовления структур с несущим слоем на его основе дляпотенциального применения в твердо-оксидных топливных элементах [4].Синтез образцов был проведен прессованием и последующим отжигомпорошка Zr0.84Y0.16O1.92 при температуре 1500oC в течение 12 часов.
Наполученные дисковые образцы наносились контакты на основе платиновойпасты методом трафаретной печати. Изготовление и характеризация структурыобразцов, а также нанесение контактов было проведено на Химическомфакультете МГУ.Годографы импеданса (рис. 1), измеренные при температуре ниже 750 К,свидетельствуютоприсутствиинесколькихвкладоввпроводимость,соответствующих транспорту в объеме зерна, по межкристаллитной границе, атакже диффузионному переносу, по-видимому, связанному с движением ионов10кислорода в градиенте концентрации вблизи границы твердого электролита иэлектрода. Увеличение скорости диффузионных процессов при повышениитемпературы приводит ктому, что при Т > ~750 Крегистрируемый фрагментгодографа может быть полностьюассоциированпроцессамитвердыйнасграницеэлектролит-кон-такт.
Величина смещенияимпеданс-спектров по осиZ' при Т > 700 К соответствует омическому сопротив-Рис. 1. Годографы импеданса образцаZr0.84Y0.16O1.92при различных температурах.лению твердого электролита RYSZ. Как для величины RYSZ, так и длясопротивленияинтерфейсахарактернаактивационнаятемпературнаязависимость при Т > 1000 K. На примере представленных результатовдемонстрируется эффективность импеданс-спектроскопии для определениявкладов элементов микроструктуры в полную проводимость.ПроводимостьполикристаллическихполупроводниковыхклатратовSn24P19,3IxBr8–x, 0 ≤ x ≤ 8 в переменных электрических полях. Кристаллическаяструктура Sn24P19.3BrxI8-х классифицируется как клатрат-I [5].
Атомы олова ифосфора формируют трехмерный каркас, составленный из додекаэдров ичетырнадцатигранных тетракайдекаэдров (рис. 2). Часть позиций фосфоразанимают вакансии. В полостях каркаса расположены гостевые атомыгалогенов,которыекристаллическойтеплопроводящихстабилизируютструктуры,иструктуру.допускающейэлектропроводящихБлагодаряособенностямнезависимуюоптимизациюсвойств,данноесоединениерассматривается как перспективный термоэлектрический материал. РасчетызоннойструктурыклатратаSn24P19.3IxBr8-xметодамиквантовойхимиипозволяют классифицировать соединение как узкощелевой полупроводник с11шириной запрещенной зоны от 20 мэВ [5]. Структура энергетического спектраопределяется составом и свойствами каркаса, однако внедренные гостевыеатомы, деформируя полости, могут опосредованно влиять на характеристикиэнергетического спектра.
Так как атомы йода имеют больший атомный радиуспо сравнению с атомами брома, то предполагается, что статистически болеевероятно заполнение больших пустот, тетракайдекаэдров, атомами йода, аменьших, додекаэдров, – атомами брома. В связи с этим можно ожидать, чтоизменение соотношения атомов галогенов может вызвать согласованныеизменения в зонном спектре.СинтезобразцовSn24P19.3BrxI8-х(0 ≤ x ≤ 8) был проведен двухстадийнымотжигомстехиометрическойSn+P+SnBr2+SnI4ссмесипоследующимеепрессованием. Для получения компактныхкерамическихобразцовиспользовалсяметод импульсного плазменного спекания.Синтезированные образцы были охарактеризованы с помощью рентгеноструктур-Рис. 2.
Кристаллическая структураклатрата Sn24P19.3BrxI8-х.ного и рентгенофазового анализа. Синтез и характеризация образцоввыполнены на Химическом факультете МГУ.В области температур выше 25 К проводимость образцов имеетактивационный характер. Значения энергии активации Eа, рассчитанные сиспользованием соотношения ~ expE a kT , монотонно возрастают от18 мэВ до 77 мэВ по мере увеличения содержания брома. Наличие корреляциимежду значениями энергии активации и составом клатрата может быть связанос тем, что атомы галогенов имеют разные ионные радиусы и замещение атомоввлияет на характер деформации каркаса.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
