Термоэлектрические, гальваномагнитные и магнитные свойства легированных монокристаллов (Bi1-xSbx)2Te3 (1105019), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Совокупность данных о влияниилегированиягаллием,гальваномагнитныехромомсвойстваиижелезомэнергетическийнатермоэлектрические,спектрнеобходимадляоптимизации устройств и приборов на основе теллуридов висмута и сурьмы.Применение исследованных примесей Ga, Cr, Fe увеличивает термоэдс, амагнитные примеси Cr, Fe могут быть использованы для создания новыхтвердотельныхприборовсуправлениеммагнитнымполем.Результатыисследований могут быть положены в основу разработки перспективнойтехнологииполученияматериаловсзаданнымисвойстваминабазеполупроводников типа теллуридов висмута и сурьмы.Апробация работы. Основные результаты данной работы докладывались нанаучных конференциях: XXV International Conference on Thermoelectricity, Wien,Austria, (2006); Всероссийской Научной Конференции Студентов-Физиков:ВНКСФ-11,Екатеринбург 2005; ВНКСФ-13, Ростов-на-Дону – Таганрог 2007;ВНКСФ-14, Уфа (2008); 34 Совещании по физике низких температур, Ростов-наДону – Лоо (2006); VIII Российская конференция по физике полупроводников,Екатеринбург (2007).Публикации.
Содержание работы отражено в 13 публикациях. Список работприведен в конце автореферата.Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав,заключения и списка цитированной литературы из 128 наименований. Диссертациясодержит 110 страниц, включая 56 рисунков и 12 таблиц.4СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении обоснована актуальность тематики диссертационной работы,описаны изучаемые объекты исследования, сформулированы цели и задачиработы, методы исследования, новизна и практическая значимость работы, а такжевыносимые на защиту положения.
Приводятся сведения об апробации работы исписок публикаций по теме работы.В первой главе приведен обзор литературы по физическим свойствамразбавленных магнитных полупроводников на основе смешанных кристаллов (Bi1xSbx)2Te3.Представлены основные теоретические и экспериментальные данные окристаллическойструктуреиэнергетическомспектре,гальваномагнитныхсвойствах и аномальном эффекте Холла, рассмотрена роль точечных дефектов.Кристаллы Bi2Te3 как и Sb2Te3 обладают пространственной симметриейD35d ( R 3 m) .
Гексагональную решетку часто представляют в виде набора трехквинтетов – сложных слоев, каждый из которых в свою очередь состоит измоноатомных слоев, причем в пределах слоя одинаковые атомы уложены вгексагональную плоскую решетку. Эти слои чередуются в последовательности Te1Bi-Te2-Bi-Te1, где Te1 и Te2 – атомы теллура в разных позициях. Между квинтетамидостаточно большое расстояния и достаточно слабая Ван-дер-Ваальсова связь, чтоопределяет слабую механическую прочность и легкое скалывание образцов поплоскости спайности (перпендикулярной оси С3 кристалла).В энергетическом спектре кристалла Bi2Te3 имеются две валентные зоны:зона легких и тяжелых дырок, а также две зоны проводимости. Все онирасполагаются в разных точках зоны пространства квазиимпульсов.
Наличие зонытяжелых дырок следует из изучения гальваномагнитных эффектов в теллуридевисмута и подтверждается из сравнения данных эффекта Шубникова-де Гааза сданными эффекта Холла в этом материале. Зона тяжелых дырок расположена нижезоны легких дырок согласно экспериментальным данным на ∆Е≈25 мэВ. Величиназапрещенной зоны Eg при комнатной температуре в Bi2Te3 и Sb2Te3 былаопределена различными методами, например по температурной зависимостисопротивления, оптическими методами. Наиболее точные данные полученынедавнопрямымиизмерениямиспомощьютуннельнойспектроскопии.Туннельные исследования показали, что ширина запрещенной зоны теллурида5висмута при комнатной температуре Eg≈0,20 эВ и увеличивается до 0,25 эВ припонижении температуры до 4,2 К.
В теллуриде сурьмы по туннельным измерениямEg≈0.25 эВ (при T=300 К) и εg≈0.26 эВ (при T=4.2 К).Описывается шестиэллипсоидная поверхность Ферми монокристаллов Bi2xSbxTe3,различия энергетического спектра для Bi2Te3 и Sb2Te3. Рассматриваютсямагнитные свойства разбавленных магнитных полупроводников на основе Bi2Te3 иSb2Te3,аномальныйтермоэлектрическиеэффектсвойства.Холла,влияниеРассматриваютсямагнитныхпримесейразбавленныенамагнитныеполупроводники на оcнове теллуридов висмута и сурьмы, исследованию которых ипосвящена данная диссертация. В разбавленных магнитных полупроводниках наоснове Bi2Te3 и Sb2Te3 наблюдается аномальный эффект Холла (АЭХ).
Считается,что АЭХ в ферромагнитных материалах включает вклады, связанные сассиметричным рассеянием (“skew scattering”), боковым смещением (“side jump”) ифазой Берри.Установлено, что в теллуридах висмута и сурьмы с магнитнойпримесью АЭХ определяется ассиметричным рассеянием.Интерес к изучению свойств соединений на основе теллуридов и селенидоввисмутаисурьмывызываетсяцелымрядомпричин.Во-первых,этиполупроводники обладают высокой термоэлектрической эффективностью ишироко используются в термоэлектрических преобразователях, холодильниках ииных термоэлектрических устройствах. Во-вторых, они являются объемными, и вотличие от пленок (например (Ga,Mn)As, (In,Mn)As) и при легировании магнитнойпримесьюявляютсяравновеснымиразбавленнымимагнитнымиполупроводниками.
В-третьих, при введении в теллуриды висмута и сурьмы такихпримесей, как Cr, V, Mn, Ti, достигается высокая однородность образцов, ненаблюдается присутствие второй фазы.Во второй главе описано изготовление, строение и свойства изучаемыхобразцов, а также методики их исследования. Рассказывается об использованных вработе методиках измеренийтемпературных зависимостейсопротивления,магнетосопротивления и эффекта Холла, описана экспериментальная установкадля автоматических измерений температурных зависимостей сопротивления,осцилляций Шубникова – де Гааза и эффекта Холла. Приводятся параметры6кристаллической решетки и объемы элементарной ячейки, полученные изрентгеновских измерений.Дано описание методик магнитных измерений при помощи СКВИДмагнетометра при температурах 1,7-300К, а также методика измерений эффектаШубникова-де Гааза в сильных импульсных магнитных полях до 38 Тл.Приведено описание созданной установки для измерения температурныхзависимостейтермоэдс,теплопроводности,электросопротивлениявтемпературном интервале 7<T<300 K и методика расчета термоэлектрическойэффективности Z.Приводитсярядпараметров исследованныхобразцов.Исследовалисьобразцы смешанных кристаллов (Bi1-xSbx)2Te3 (х=0,25; 0,5; 0,75; 1).
Изучалосьвлияние Ga на гальваномагнитные, термоэлектрические и осцилляционныесвойства образцов р-BiSbTe3. Исследовались магнитные, гальваномагнитные иосцилляционные свойства образцов Sb2Te3 с примесью Cr. Кроме этого изучалисьтермоэлектрические свойства монокристаллов Bi2-xFexTe3 и Bi2-xFexSe3.Третьяглавапосвященаисследованиюгальваномагнитных,осцилляционных и термоэлектрических свойств кристаллов (Bi1-xSbx)2Te3 ивлиянию легирования Ga на свойства монокристаллов BiSbTe3. Проведеноисследование угловых зависимостей экстремальных сечений поверхности Ферми спомощью эффекта Шубникова-де Гааза при вращении направления поля вплоскостиС1С3монокристалла(Bi0.5Sb0.5)2Te3иопределенаанизотропияповерхности Ферми Smax/Smin=3,8.В нелегированных образцах BiSbTe3 наблюдаются две основные частотыосцилляций от зоны легких дырок, а также их вторая и третья гармоники.
Двечастоты связаны с тем, что при вращении магнитного поля в плоскости С1С3 6эллипсоидов поверхности Ферми разбиваются на две группы – 2 и 4эквивалентных эллипсоида. Из экспериментальных данных можно сделать вывод отом, что в смешанных кристаллах осцилляции от второй валентной зоной тяжелыхдырок не проявляются. Пример осцилляций Шубникова - де Гааза при различныхзначениях угла при вращении магнитного поля в плоскости C1C3 приведены на рис.1.Теоретические зависимости угловых зависимостей экстремальных сеченийповерхности Ферми были построены для шести эллипсоидов поверхности Ферми7'со значениями параметров обратных эффективных масс α 11' = 2.26 , α 22= 32.5 ,α 33' = 11 .
Экспериментальные данные хорошо согласуются с теоретическимизависимостями при значении анизотропии S max / S min = 3,8 для угла наклонаэллипсоидов к базисной плоскости θ = 39 o и приведены на рис. 2.5а)BiSbTe3-194ρ (mΩ)4o19o29338245o51o600,040,060,080,10ooo740,02oo0,121/B (1/T)Рис.
1 Осцилляции Шубникова – де Гааза при различной ориентации магнитногополя в плоскости С1С35317-2S(10 m )4210-300306090120 150 1800φ,Рис. 2 Угловые зависимости эктремальных сечений поверхности Ферми: точки –эксперимент, сплошные линии – теория8Значение коэффициента Зеебека α для всех образцов почти линейноснижается с уменьшением температуры.
Максимальное значение α=220 µV/K былоизмерено для образца BiSbTe3 при комнатной температуре, и оно снижалось до 35µV/K при охлаждении образца до 77 К.Температурные зависимости сопротивления легированных Ga образцовBiSbTe3 приведены на рис. 3. В области температур Т>100 К они имеют степеннойвид с показателем степени порядка 2. Отклонение показателя степени от 1.5 можетбыть связано с температурной зависимостью эффективной массы.
Отметим, чтолегирование Ga не изменяет тип рассеяния носителей тока. Увеличениесодержания Ga в смешанных кристаллах BiSbTe3 приводит к заметномуувеличениюсопротивленияпривсехтемпературахиз-зауменьшенияρ (mΩ∗cm)концентрации дырок.13-BiSbTe3{2at%Ga}2-BiSbTe3{0.3at%Ga}1-BiSbTe3320.11110T (K)100Рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
