WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ М.В. ЛОМОНОСОВА ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

На правах рукописи

ТАРАСОВ Павел Михайлович ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ, ГАЛЬВАНОМАГНИТНЫЕ И МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ЛЕГИРОВАННЫХ МОНОКРИСТАЛЛОВ (Bi1-xSbx)2Te3 Специальность 01.04.09 - Физика низких температур

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

_ МОСКВА – 2009

Работа выполнена на кафедре физики низких температур и сверхпроводимости физического факультета Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова.

Научный консультант: доктор физико-математических наук, профессор Кульбачинский Владимир Анатольевич

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Звягин Игорь Петрович доктор физико-математических наук, профессор Ковалев Алексей Николаевич

Ведущая организация: ГНЦ РФ "Гиредмет" г. Москва

Защита состоится “_” июня 2009 года в _ на заседании Диссертационного совета Д.501.001.70 Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова по адресу: 119991, ГСП-1, Москва, Ленинские горы, д.1, стр.35, конференц-зал Центра коллективного пользования МГУим. М.В. Ломоносова

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ им М.В. Ломоносова Автореферат разослан “_” _ 2009 года

Ученый секретарь Диссертационного совета Д.501.001.70 МГУ им. М.В. Ломоносова доктор физико-математических наук, профессор Г.С. ПЛОТНИКОВ 2

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Полупроводниковые материалы на основе теллурида висмута и сурьмы в настоящее время являются самыми эффективными при комнатной температуре термоэлектриками и широко используются в термоэлектрических преобразователях энергии, холодильниках, термостатах.

Поиск путей увеличения термоэлектрической эффективности этих веществ, кроме фундаментального научного значения, имеет и прикладное значение для решения практических задач получения низких температур термоэлектрическими методами.

В последнее время были достигнуты существенные достижения в информационных технологиях, микроэлектронике, где наряду с традиционными приборами с зарядовой связью стали использовать спин электрона. За открытие и практическое применение эффекта гигантского магнетосопротивления в 2007 г.

ученым А. Ферту (A.Fert) и П. Грюнбергу (P. Grunberg) была присуждена Нобелевская премия по физике. При введении в кристаллическую решетку полупроводника атомов магнитной примеси (например, марганца, хрома или железа) в небольшом количестве, так что прямое обменное взаимодействие между магнитными атомами отсутствует, образуется так называемый разбавленный магнитный полупроводник (РМПП). До настоящего времени было установлено, что РМПП на основе элементов III и V или II и IV групп периодической системы элементов Д.И. Менделеева переходят при низких температурах в ферромагнитное состояние. При этом обменное взаимодействие магнитных атомов осуществляется через свободные носители заряда. Это открывает возможности применения таких материалов в спинтронике. Совсем недавно был открыт ферромагнетизм в теллуриде висмута с Fe, после чего в теллуриде сурьмы с V при низких температурах. Обнаружено влияние магнитных примесей на термоэдс, сопротивление, магнетизм, эффект Холла, эффект Шубникова-де Гааза и другие свойства таких кристаллов.

Исследование материалов, обладающих высокой теpмоэлектрической эффективностью Z = / k ( и k – электpо- и теплопpоводность, - коэффициент теpмоэдс), в настоящее время особенно актуальна. Оптимальные величины параметров достигаются введением различных легирующих примесей.

При этом для достижения большого Z необходимо изучить фундаментальные физические свойства материала, такие как концентрация носителей тока, их подвижность, анизотропия проводимости и анизотропия поверхности Ферми, и так далее.

Слоистые кристаллы на основе теллуридов висмута и сурьмы легко легируются. При смешивании Bi2Te3 и Sb2Te3 в пропорции (1-x)/x получается смешанный кристалл (Bi1-xSbx)2Te3. Аналогично можно получить смешанный кристалл на основе двух халькогенидов одного и того же элемента V группы системы Менделеева. Например, в случае Bi2Te3 и Bi2Se3 образуется смешанный кристалл Bi2Te3-ySey. Возможны различные сочетания из элементов Bi, Sb, As и Te, Se, S. Смешанные кристаллы представляют особый интерес, так как именно в них наблюдаются максимальные значения термоэлектрической эффективности Z, и для технических приложений используются именно они.

В качестве легирующих примесей можно использовать In, Sn, Ge. Однако до настоящего времени практически не изучено влияние Ga на энергетический спектр смешанных кристаллов (Bi1-xSbx)2Te3. В то же время известно, что легирование оловом или индием теллурида висмута приводит к появлению примесной зоны.

До настоящего времени отсутствовали данные о термоэлектрической эффективности РМПП на основе теллурида сурьмы и влиянии магнитных примесей на осцилляционные свойства таких кристаллов. Отсутствуют данные о термоэлектрических свойствах смешанных кристаллов (Bi1-xSbx)2Te3 легированных галлием. Не определена прямыми методами анизотропия поверхности Ферми смешанных монокристаллов р-(Bi1-xSbx)2Te3. До настоящего времени нет данных о термоэлектрической эффективности РМПП теллуридов и селенидов висмута легированных железом.

Объекты исследования. В работе исследованы образцы трех типов. Образцы первого типа – это смешанные монокристаллы теллуридов висмута и сурьмы, как нелегированные, так и легированные галлием. Второй тип – это монокристаллы теллурида сурьмы, легированные магнитной примесью хрома. Третий тип – это монокристаллы теллурида и селенида висмута, легированные железом.

Целью работы являлось: систематическое изучение влияния легирования хромом на гальваномагнитные, термоэлектрические, осцилляционные и магнитные свойства слоистых монокристаллов Sb2Te3 в температурном интервале 1,7 – 300 К.

Исследование угловых зависимостей экстремальных сечений поверхности Ферми с помощью эффекта Шубникова-де Гааза с целью определения анизотропии поверхности Ферми и энеpгетического спектpа смешанных монокpисталлов р(Bi1-xSbx)2Te3. Изучение влияния галлия на термоэлектрические, гальваномагнитные и осцилляционные свойства смешанных монокристаллов р(Bi1-xSbx)2Te3 и железа на термоэлектрические свойства монокристаллов р-Bi2Te3 и n-Bi2Se3.

Основные положения, выносимые на защиту 1. Установлено, что хром, введённый в Sb2Te3, проявляет донорные свойства.

Обнаружены ферромагнетизм в разбавленном магнитном полупроводнике Sb2CrxTe3 с легкой осью намагниченности вдоль оси С3 кристалла, аномальный x эффект Холла, отрицательное магнетосопротивление при низких температурах.

Температура перехода в ферромагнитное состояние Тс растет при увеличении содержания хрома, достигая Тс5.8 К при х=0.0215.

2. Определена анизотропия поверхности Ферми прямыми измерениями угловых зависимостей экстремальных сечений поверхности Ферми с помощью эффекта Шубникова-де Гааза монокристаллов (Bi0.5Sb0.5)2Te3.

3. Показано, что в смешанных монокристаллах p-(Bi0.5Sb0.5)2Te3 легирование галлием вызывает донорный эффект. Наблюдается сильное увеличение термоэдс и термоэлектрической эффективности при легировании галлием р-(Bi0.5Sb0.5)2Te3.

4. В образцах p-Bi2Te3 и n-Bi2Se3 железо проявляет донорные свойства и увеличивает термоэдс в p-Bi2Te3, в то время как в n-Bi2Se3 термоэдс уменьшается.

Научная новизна Проведено систематическое изучение влияния легирования хромом на гальваномагнитные, термоэлектрические и магнитные свойства слоистых кристаллов Sb2Te3. Обнаружен ферромагнетизм в разбавленном магнитном полупроводнике Sb2-xCrxTe3 с легкой осью намагниченности вдоль оси Скристалла. Показано, что легирование хромом теллурида сурьмы оказывает донорное действие, понижая концентрацию дырок.

С помощью эффекта Шубникова-де Гааза определена анизотропия поверхности Ферми в смешанных монокpисталлах (Bi1-xSbx)2Te3. Изучено влияние галлия на термоэлектрические, гальваномагнитные и осцилляционные свойства смешанных монокристаллов р-(Bi1-xSbx)2Te3. Показано, что легирование галлием приводит к аномальному увеличению термоэлектрической эффективности р (Bi1-xSbx)2Te3. Проведен анализ полученных экспериментальных данных и сравнение с теоретическими зависимостями.

Показано, что легирование железом увеличивает термоэдс р-Bi2Te3 и уменьшает термоэдс n-Bi2Se3. Термоэлектрическая эффективность в первом случае уменьшается, а во втором практически не изменяется при комнатной температуре и возрастает в области температур T<50 K.

Практическая значимость Практическая значимость диссертации определяется тем, что полученные в настоящей работе результаты способствуют развитию фундаментальных знаний о разбавленных магнитных полупроводниках на основе теллуридов висмута и сурьмы и смешанных кристаллах (Bi1-xSbx)2Te3. Совокупность данных о влиянии легирования галлием, хромом и железом на термоэлектрические, гальваномагнитные свойства и энергетический спектр необходима для оптимизации устройств и приборов на основе теллуридов висмута и сурьмы.

Применение исследованных примесей Ga, Cr, Fe увеличивает термоэдс, а магнитные примеси Cr, Fe могут быть использованы для создания новых твердотельных приборов с управлением магнитным полем. Результаты исследований могут быть положены в основу разработки перспективной технологии получения материалов с заданными свойствами на базе полупроводников типа теллуридов висмута и сурьмы.

Апробация работы. Основные результаты данной работы докладывались на научных 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-на Дону – Лоо (2006); VIII Российская конференция по физике полупроводников, Екатеринбург (2007).

Публикации. Содержание работы отражено в 13 публикациях. Список работ приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитированной литературы из 128 наименований. Диссертация содержит 110 страниц, включая 56 рисунков и 12 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность тематики диссертационной работы, описаны изучаемые объекты исследования, сформулированы цели и задачи работы, методы исследования, новизна и практическая значимость работы, а также выносимые на защиту положения. Приводятся сведения об апробации работы и список публикаций по теме работы.

В первой главе приведен обзор литературы по физическим свойствам разбавленных магнитных полупроводников на основе смешанных кристаллов (Bi1Sbx)2Te3. Представлены основные теоретические и экспериментальные данные о x кристаллической структуре и энергетическом спектре, гальваномагнитных свойствах и аномальном эффекте Холла, рассмотрена роль точечных дефектов.

Кристаллы Bi2Te3 как и Sb2Te3 обладают пространственной симметрией D3d (R3m). Гексагональную решетку часто представляют в виде набора трех квинтетов – сложных слоев, каждый из которых в свою очередь состоит из моноатомных слоев, причем в пределах слоя одинаковые атомы уложены в гексагональную плоскую решетку. Эти слои чередуются в последовательности Te1Bi-Te2-Bi-Te1, где Te1 и Te2 – атомы теллура в разных позициях. Между квинтетами достаточно большое расстояния и достаточно слабая Ван-дер-Ваальсова связь, что определяет слабую механическую прочность и легкое скалывание образцов по плоскости 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 они располагаются в разных точках зоны пространства квазиимпульсов. Наличие зоны тяжелых дырок следует из изучения гальваномагнитных эффектов в теллуриде висмута и подтверждается из сравнения данных эффекта Шубникова-де Гааза с данными эффекта Холла в этом материале. Зона тяжелых дырок расположена ниже зоны легких дырок согласно экспериментальным данным на Е25 мэВ. Величина запрещенной зоны Eg при комнатной температуре в Bi2Te3 и Sb2Te3 была определена различными методами, например по температурной зависимости сопротивления, оптическими методами. Наиболее точные данные получены недавно прямыми измерениями с помощью туннельной спектроскопии.

Туннельные исследования показали, что ширина запрещенной зоны теллурида висмута при комнатной температуре Eg0,20 эВ и увеличивается до 0,25 эВ при понижении температуры до 4,2 К. В теллуриде сурьмы по туннельным измерениям Eg0.25 эВ (при T=300 К) и g0.26 эВ (при T=4.2 К).

Описывается шестиэллипсоидная поверхность Ферми монокристаллов Bi2SbxTe3, различия энергетического спектра для Bi2Te3 и Sb2Te3. Рассматриваются x магнитные свойства разбавленных магнитных полупроводников на основе Bi2Te3 и Sb2Te3, аномальный эффект Холла, влияние магнитных примесей на термоэлектрические свойства. Рассматриваются разбавленные магнитные полупроводники на оcнове теллуридов висмута и сурьмы, исследованию которых и посвящена данная диссертация. В разбавленных магнитных полупроводниках на основе Bi2Te3 и Sb2Te3 наблюдается аномальный эффект Холла (АЭХ). Считается, что АЭХ в ферромагнитных материалах включает вклады, связанные с ассиметричным рассеянием (“skew scattering”), боковым смещением (“side jump”) и фазой Берри. Установлено, что в теллуридах висмута и сурьмы с магнитной примесью АЭХ определяется ассиметричным рассеянием.

Интерес к изучению свойств соединений на основе теллуридов и селенидов висмута и сурьмы вызывается целым рядом причин. Во-первых, эти полупроводники обладают высокой термоэлектрической эффективностью и широко используются в термоэлектрических преобразователях, холодильниках и иных термоэлектрических устройствах. Во-вторых, они являются объемными, и в отличие от пленок (например (Ga,Mn)As, (In,Mn)As) и при легировании магнитной примесью являются равновесными разбавленными магнитными полупроводниками. В-третьих, при введении в теллуриды висмута и сурьмы таких примесей, как Cr, V, Mn, Ti, достигается высокая однородность образцов, не наблюдается присутствие второй фазы.

Pages:     || 2 | 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»