WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 4 Влияние неоднородностей кристаллов Bi2Te3 на поперечный эффект Нернста–Эттингсгаузена © М.К. Житинская, С.А. Немов, Т.Е. Свечникова Санкт-Петербургский государственный технический университет, 195251 Санкт-Петербург, Россия Институт металлургии им. А.А. Бойкова Российской академии наук, 119877 Москва, Россия (Получена 4 июля 1996 г. Принята к печати 8 июля 1996 г.) Изучено влияние неоднородностей кристаллов p-Bi2Te3, выращенных различными методами, на коэффициенты поперечного эффекта Нернста–Эттингсгаузена и Холла. Степень однородности кристаллов оценивалась на основе данных по термоэдс. Установлено, что однородные и неоднородные образцы имеют разные концентрационные зависимости коэффициента Нернста–Эттинсгаузена при T = 300 K, что позволяет использовать данные по эффекту Нернста–Эттингсгаузена для оценки качества кристаллов Bi2Te3. Показано, что аномальное падение коэффициента Холла при увеличении температуры в ряде образцов связано с неоднородностями, а в кристаллах Bi2Te3 легированных Sn, — существованием примесного уровня на фоне состояний валентной зоны.

Теллурид висмута Bi2Te3 принадлежит к классу сло- В настоящей работе исследовано влияние различной истых кристаллов со структурой (R3mm). Анизотропия степени неоднородности (качества кристаллов) на пофизических свойств и особенности его фазовой диаграм- перечный эффект Нернста–Эттингсгаузена (ПЭНЭ) и мы являются причиной того, что в этих кристаллах эффект Холла.

имеется, по крайней мере два вида неоднородностей. Для этого были изготовлены образцы с помощью меОдин из них связан с неравномерным распределением тодов, традиционно используемых для изготовления криатомов в слоях, что приводит к появлению разнообраз- сталлов Bi2Te3: методом Чохральского были выращены ных точечных дефектов. Другой вид возможных неодно- совершенные монокристаллы [4], методом направленной родностей — слоистые неоднородности. Очевидно, что кристаллизации были получены моно- и блочные криналичие дефектов, неоднородностей, несовершенств в сталлы, металлокерамическим способом были получены кристаллах может повлиять на их электрофизические поликристаллы с размером зерна d = 100-200 мкм.

свойства. Параметры энергетического спектра, опреде- Керамические образцы отжигались при T = 350 K в ленные из результатов измерений этих свойств, есте- течение 120 ч.

ственно, могут отличаться для образцов, изготовленных Для получения набора концентраций дырок образразличными способами, поскольку количество дефектов цы были дополнительно легированы различными прии соотношение между ними при этом меняется. В связи месями. Состав образцов соответствовал формуле с этим в литературе неоднократно обсуждалось влияние (Bi1-xMex)2 (Me = Sn, In, Tl, Pb), а x =0.01-6·1019 см-3.

степени совершенства кристаллов на электрофизические Монокристаллы, легированные примесью олова, были свойства и полученные из них параметры энергетическо- специально выращены для данного исследования, пого спектра [1–4]. Естественно, что наиболее достовер- скольку в литературе сообщалось о возможном сущеную информацию об энегетическом спектре носителей ствовании примесных состояний Sn в p-Bi2Te3 на фоне тока можно получить при исследовании совершенных валентной зоны. Однородность образцов оценивалась монокристаллов. путем измерения коэффициента термоэдс с помощью Дополнительный интерес к этой проблеме в насто- термозонда при комнатной температуре.

ящее время возник в связи с активными исследова- На монокристаллических образцах измерялись следуниями влияния различных примесей на электрофизи- ющие независимые компоненты тензоров: коэффициента ческие и термоэлектрические свойства материалов на Холла R321, термоэдс S11 и S33 и коэффициента Нернста– основе Bi2Te3 [5–9]. При легировании этого соеди- Эттингсгаузена Q123. (Ось 3 соответствует направлению нения, в особенности металлами (например, Pb, Sn, тригональной оси кристалла C3). Индексы при коэфIn, Tl), увеличивается количество дефектов и степень фициентах соответствуют в порядке их расположения:

его неоднородности. В неоднородных полупроводниках 1-й — направлению измеряемого электрического поля, возможна ситуация, когда температурные зависимости 2-й — направлению электрического тока или градиента кинетических коэффициентов (в частности, коэффици- температуры, 3-й — направлению магнитного поля. Для ента Холла) могут имитировать поведение однородного блочных кристаллов, состоящих из нескольких монокриполупроводника с примесными уровнями. При анализе сталлов, слегка разориентированных друг относительно и интерпретации экспериментальных результатов эту друга, а также для керамических образцов, являющихся опасность необходимо иметь в виду. Поэтому важно дать поликристаллами, полученные результаты корректироваоценку влияния неоднородностей на электрофизические лись по методу, изложенному в [10]. Измерения в основсвойства. ном проводились в интервале температур 77–420 K.

442 М.К. Житинская, С.А. Немов, Т.Е. Свечникова Рис. 1. a–b — температурные зависимости коэффициента Холла (R321) в образцам p-Bi2Te3 с различной степенью неоднородности.

Способы изготовления образцов: 1–6, 21–26, 31–36, — метод Чохральского, монокристаллы. Легирование: 1–4.6 — отклонение от стехиометрического состава: 11–15 — Sn, 7 — Tl, 21–26 Pb, 31–36 — In, 41–48 — In, Pb и отклонение от квазистехиометрии.

Коэффициент Q измерялся в изотермических условиях в при T > 300 K обусловлено началом собственной проклассически слабом магнитном поле. Концентрация ды- водимости, причем в наиболее неоднородных образцах рок p определялась из данных по эффекту Холла по боль- собственная проводимость начинается при более низких шей компоненте R321 при температуре жидкого азота. В температурах.

образцах, легированных оловом, согласно литературным Как видно из рис. 1, для ряда образцов с досточно и нашим данным [5,6,8] возможно существование привысокими концентрациями дырок (R < 0.5) наблюдамесного резонансного уровня на фоне валентной зоны.

ется уменьшение коэффициента Холла при увеличении В этом случае изменение коэффициента Холла с темтемпературы от температуры вблизи 77 K, т. е. при пературой отражает изменение концентрации носителей температурах значительно более низких по сравнению тока. Поэтому для образцов с примесью Sn концентрация с началом собственной проводимости. Подобное поведырок при температуре T = 300 K определялась из дение коэффициента Холла с температурой может быть соответствующего коэффициента Холла R(T).

связано с существованием примесных уровней [6] либо Основные экспериментальные данные приведены на с проявлением неоднородностей [12]. В нашем случае рис. 1 и 2. Рассмотрим полученные результаты. Как падающие с температурой зависимости коэффициента видно из рис. 1, по характеру температурных зависиХолла наблюдаются на неоднородных образцах (образмостей коэффициентов Холла образцы можно разделить цы 44–48, рис. 1, b). Исключение составляют высона две группы: 1) образцы с нормальной (обычной) кокачественные монокристаллы Bi2Te3, легированные зависимостью R(T ) для p-Bi2Te3, характеризующейся наличием максимума R в области температур 250–400 K и монотонно уменьшающейся величиной R при дальнейшем росте температуры (образцы 1, 2, 5, 6, 14, 36, 41–43), и 2) образцы, в которых R уменьшается, начиная с 77 K (образцы 11–13, 15, 44–48). Отметим, что подобный необычный для Bi2Te3 характер R(T ) наблюдался также в работах [6,8,11]. Уменьшение коэффициента Холла при возрастании температуры может быть связано с началом собственной проводимости, наличием примесных уровней, а также присутствием неоднородностей [12].

О начале собственной проводимости можно судить по данным для ПЭНЭ. Дело в том, что коэффициент ПЭНЭ является чрезвычайно чувствительным к появлению неосновных носителей. Начало смешанной Рис. 2. Концентрационная зависимость коэффициента попеэлектронно-дырочной проводимости в Bi2Te3 приводит к речного ЭНЭ — Q123q/k0 в образцах p-Bi2Te3 при T = 300 K смене знака Q (с отрицательного на положительный) [13] (k0 — постоянная Больцмана, q — заряд электрона). Точки — и характеризуется быстрым экспоненциальным ростом эксперимент: номера образцов те же, что на рис. 1; сплошная величины коэффициента Q. Из данных по ПЭНЭследулиния — однородные образцы; пунктирная — неоднородные ет, что наблюдаемое уменьшение коэффициента Холла образцы.

Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № Влияние неоднородностей кристаллов Bi2Te3 на поперечный эффект Нернста–Эттингсгаузена Sn, выращенные методом Чохральского (образцы 11–15, [6] V.A. Kulbachinskii, M. Inoue, M. Sasaki, H. Negishi, W.X. Gao, K. Takase, Y. Giman, J. Horak, P. Lostak. Phys.

рис. 1, a). Сильная зависимость R от T характерна для Rev. B, 50, 16 921 (1994).

узкощелевых полупроводников AIVBVI с примесными [7] J. Pancir, J. Horak, Z. Stary. Phys. St. Sol. (a), 103, 517 (1987).

резонансными состояниями [14]. Поэтому естественно [8] Г.Т. Алексеева, П.П. Константинов, В.А. Кутасов, Л.Н. Лусвязать наблюдаемую зависимость R(T ) в Bi2Te3Sn с кьянова, Т.Е. Свечникова, С.Н. Чижевская. ФТТ, 33, существованием резонансного уровня олова. Оценки, (1991).

сделанные аналогично [14], показывают, что уровень Sn [9] М.К. Житинская, С.А. Немов, Ю.И. Равич, Т.Г. Абайдулина, расположен между подзонами валентной зоны, экстрапоВ.В. Компанеец, Г.С. Бушмарина, И.А. Драбкин. ФТП, 27, ляция температурной зависимости химического потен1724 (1993).

циала к нулевой температуре дает энергию примесных [10] D.J. Ryden. J.Phys. C, 4, 1193 (1971).

состояний = 0.02-0.03 эВ.

[11] G. Bergmann. Z. Naturforsch., 19a, 800 (1964).

Обсудим данные по ПЭНЭ. Как известно, коэффици- [12] В.Г. Карпов, А.Я. Шик, Б.И. Шкловский. ФТП, 16, (1982).

ент ПЭНЭ в p-Bi2Te3 при 77 < T < 300 K характеризу[13] М.К. Житинская, В.И. Кайданов, С.А. Немов. Деп.

ется отрицательными значениями, которые уменьшаются № 3628-76.

по абсолютной величине по закону изменения холлов[14] В.И.Кайданов, Ю.И.Равич. УФН, 145, 51 (1985).

ской подвижности с температурой. Вблизи комнатной температуры в образцах с типичными концентрациями Редактор В.В. Чалдышев носителей тока (p, n 1 · 1019 см-3) происходит смена знака коэффициента и изменение характера температурThe influence of inhomogeneities in Bi2Teной зависимости со степенного на экспоненциальный.

crystals on transverse Это связано с началом собственной проводимости. МаNernst–Ettingshausen effect лость коэффициента Q при T 300 K делает эффект Нернста–Эттингсгаузена весьма чувствительным к раз- M.K. Zhitinskaya, S.A. Nemov, T.E. Svechnikova личного рода неоднородностям. Поэтому представляет State Technical University, интерес изотерма концентрационной зависимости коэф195251 St. Petersburg, Russia фициента ПЭНЭ при T = 300 K. Она приведена на рис. 2, A.A. Baikov Institute of Metallurgy, из которого видно, что наблюдается качественное разлиRussian Academy of Sciences, чие в свойствах однородных и неоднородных образцов.

119877 Moscow Они имеют различные концентрационные зависимости Q(p), причем для неоднородных образцов характерна

Abstract

The influence of inhomogeneities in Bi2Te3 crystals, более ранняя (т. е. при T < 300 K) смена знака ПЭНЭ и prepared by different methods, on coefficients of transverse большие положительные значения Q. Следует отметить, Nernst–Ettingshausen effect and Hall effect have been studied.

что данные по ПЭНЭ, как это видно из рис. 2, подDegree of crystal inhomogeneities is estimated by thermopower тверждают высокое качество кристаллов Bi2Te3, легироmeasurements at room temperature. It is found that Nernst– ванных Sn. Поэтому наблюдаемые в эксперименте осоEttingshausen coefficient concentration dependencies at 300 K for бенности кинетических коэффициентов этих кристаллов homogeneous and inhomogeneous samples are different. This fact свидетельствуют о различиях в энергетическом спектре makes it possible to use the data on Nernst-Ettingshausen effect образцов с оловом и без него.

as figure of merit of Bi2Te3 crystals. It is shown that anomalous Таким образом, данные по поперечному эффекту decrease of Hall coefficient with temperature increase as a rule Нернста–Эттингсгаузена вблизи комнатных температур occurs due to inhomogeneities, but in Bi2Te3 crystals doped by наряду с данными по эффектам Холла и Зеебека могут Sn it is connected with the existence of an impurity level located быть использованы для оценки степени совершенства against the valence band states.

кристаллов Bi2Te3.

Список литературы [1] L.P. Caywood, G.R. Miller. Phys. Rev. B, 2, 3209 (1970).

[2] В.А. Кудинов. ФТП, 8, 2057 (1974).

[3] J.-P. Fleurial, L. Gailliard, R. Triboulet, H. Scherrer, S. Schererer. J. Phys. Chem. Sol., 49, 1237 (1988).

[4] Т.Е. Свечникова, М.А. Коржуев, Н.Л. Кореновский, Н.М. Максимова, Н.В. Поликарпова, С.Н. Чижевская, П.П. Константинов, Г.Т. Алексеева. Неорг. матер., 30, (1994) [5] M.K. Zhitinskaya, S.A. Nemov, T.G. Abaidulina, T.E. Svechnikova. Proc. XIV Int. Conf. on Thermoelectrics (St.

Peterburg, Russia, 1995) p. 56.




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

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.