WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика твердого тела, 1998, том 40, № 4 Электрические, гальваномагнитные и термоэлектрические свойства PbSe в подрешетке пустот опала © Л.И. Арутюнян, В.Н. Богомолов, Д.А. Курдюков, В.В. Попов, А.В. Прокофьев, И.А. Смирнов Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Поступила в Редакцию 4 ноября 1997 г.) В интервале температур 4–300 K проведено исследование кинетических эффектов: электросопротивления, термоэдс, коэффициента Холла и магнетосопротивления p-PbSe, синтезированного в порах опала. Определены параметры полупроводникового материала при разных степенях заполнения пор. Обнаружено аномальное поведение подвижности дырок, связанное с поверхностным рассеянием на стенках диэлектрической матрицы опала.

Создание регулярных трехмерных полупроводниковых таблицу). В то же время в каждом образце коэффициент и сверхпроводящих наноструктур с периодической моду- Холла одинаков при 77 K и 300 K, т. е. концентрация ноляцией толщины проводящего материала представляет сителей p 1/R практически не зависит от температубольшой интерес как для конструирования приборов ры. Выражения для термоэдс и концентрации носителей нового типа [1], так и для исследования свойств кла- тока в случае произвольного вырождения имеют вид [5]:

стерных кристаллов пониженной размерности. Одним k r + 2 Fr+1(µ) из перспективных направлений создания таких структур = - - µ, (1) e r + 1 Fr(µ) является заполнение проводящим материалом регулярных пустот диэлектрической матрицы опалов, которые 4(2mkT )3/2 можно рассматривать как плотноупакованную систе- p = F1/2(µ), (2) h3 му сферических частиц аморфного диоксида кремния где SiO2 [2]. При исследовании свойств полупроводников, xrdx введенных в матрицу опала, важно отделить изменения Fr(µ) = + 1 ex-µ этих свойств, связанные с неконтролируемым легирова0 нием материала, от явлений, связанных с размерными — интеграл Ферми, µ = µ/kT — приведенный эффектами. Удобным материалом для исследования похимпотенциал. Отсюда, предполагая известным значеследних являются халькогениды свинца, так как концентрация носителей заряда в них определяется в основном собственными дефектами [3] и гораздо слабее зависит от посторонных примесей, чем в соединениях A3B5 и других классических полупроводниках.

В настоящей работе исследовались электрические, термоэлектрические и гальваномагнитные свойства дырочного PbSe, синтезированного в порах матрицы опала.

Для заполнения опалов использовалась следующая методика. Сначала образец пропитывали раствором нитрата свинца, который затем термически разлагали на воздухе до оксида. Процедура циклически повторялась для получения желаемой степени заполнения PbO в опале. После этого образец с PbO обрабатывали в селеноводороде.

Полученный таким методом PbSe имел хорошо сформированную кристаллическую фазу, постоянная решетки которой практически совпадала с постоянной решетки монокристаллического массивного материала. Примесей в порах опаловой матрицы не обнаружено [4].

Исследовалось два образца, параметры которых приведены в таблице. На рис. 1 приведены температурные зависимости удельного сопротивления образцов опала с PbSe, а на рис. 2 — термоэдс от температуры. Видно, что, несмотря на различие величин, характер зависимости (T ) у обоих образцов одинаковый, а зависимости Рис. 1. Температурная зависимость удельного сопротивления образцов опала с PbSe. Заполнение пор опала селенидом (T ) линейны и близки по величине. Коэффициенты свинца: 1 — 82%, 2 — 63%.

Холла R у обоих образцов отличаются на порядок (см.

782 Л.И. Арутюнян, В.Н. Богомолов, Д.А. Курдюков, В.В. Попов, А.В. Прокофьев, И.А. Смирнов Расчетные и экспериментальные данные для образцов опала с различным заполнением селенидом свинца Измеренные Расчетные параметры Номер Степень параметры образца материала в порах (77 K), p, образца заполнения, % R(77 K, 300 K), (77 K), Rp (77 K), p(77 K), p = e/Rp, µV · K-1 1018 cm-cm3 · C-1 · cm cm3 · C-1 · cm 1018cm-1 82 40 79 3.9 7.8 1.6 57 1.2 63 500 1010 38 76.5 0.16 67 1.П р и м е ч а н и е. Степень заполнения пустот представляет собой отношение объема введенного вещества к общему объему пустот и определяется гравиметрическим методом.

ние параметра рассеяния r, из величины можно очередно сферические — радиус r3 = 0.155r0, длина рассчитать концентрацию дырок в PbSe. Эффектив- L = 0.586r0). Мы представляли систему пор как ная масса плотности состояний для PbSe принималась кубическую решетку из сфер радиуса r1, соединенных m = 0.043m0 [3]. Информацию о характере рассеяния трубками длиной 2L + 2r2, и радиусом 1.5r3. При можно получить из температурного хода подвижности таком увеличении радиуса трубок общий объем состаu = R/ (рис. 3). Видно, что подвижность в обоих вляет 26%, т. е. соответствует объему пор при плотной образцах совпадает, и при T < 80 K u(T) T1.3. упаковке силикатных сфер (что подтверждается экспеВ невырожденных полупроводниках зависимость такого риментально). Сопоставив известный объемный процент типа (u T1.5) характерна для механизма рассеяния заполнения пор проводящим материалом с размерами на ионах примеси (r = 2). Полагая r = 2, из (1), самих пор, можно рассчитать толщину равномерного (2) получаем величины концентраций p, близкие для покрытия стенок пор и суммарное сечение Sj провообоих образцов (см. табл.). Разницу в величинах и R дящего материала, определяющее плотность тока. При для двух образцов можно было бы объяснить влиянием этом истинные величины для заполняющего поры материала — Rp и p будут выражаться через R и образца:

разной степени заполнения их пор. Попробуем оценить Rp = R(Sj/S) и p = (Sj/S), где S — измеренная истинные параметры материала, заполняющего поры. В площадь сечения образца опала. Подвижность u = R/ простейшем случае можно ожидать, что проводящий при этом не зависит от Sj/S. Рассчитанные таким обраматериал равномерно покрывает поверхности каналов зом величины Rp и p, а также величины концентраций и полостей. Объемную решетку пустот в опале можно дырок pp = e/Rp, приведены в таблице. Видно, что представить в виде чередующихся сфер двух диаметров, для образца с заполнением 82% концентрация дырок, соединенных цилиндрическими трубками [6]. Размеры рассчитанная по такой модели, дает близкое значение с полостей выражаются через один параметр — радиус r0 = 1000 сферы SiO2 (радиусы сферических поло- концентрацией, полученной из термоэдс. В то же время для образца с меньшим заполнением (63%), эти величистей, моделирующих октаэдрические и тетраэдрические ны расходятся в 8 раз. Отсюда можно сделать вывод, что пустоты, r1 = 0.414r0 и r2 = 0.23r0 соответственно;

размеры цилиндрических полостей, соединяющие по- при малых степенях заполнения модель равномерного покрытия пор не применима из-за обрыва токовых путей в части проводящих трубок. При этом реальная площадь Sj становится меньше расчетной. Измеренные R и образца возрастают, в то время как на и u изменение числа проводящих звеньев не влияет.

На рис. 3 приведена также температурная зависимость подвижности объемного PbSe [7]. Видно, что подвижность PbSe заполняющего поры опала, на несколько порядков меньше, чем объемного, причем она растет с температурой во всем исследованном интервале температур. Низкое значение подвижности приводит также к очень малым величинам положительного магнетосопро тивления / = (H) - (0) /(0) (uH)2 (рис. 4).

Понижение подвижности в 3–4 раза по сравнению с объемным материалом наблюдалось в пленках халькогенидов свинца и объяснялось вкладом рассеяния на точечных дефектах и на границах кристаллических блоков [8].

1.Зависимости типа u(T ) T, когда рост подвижности происходит вплоть до комнатной температуры, наблюРис. 2. Температурная зависимость термоэдс образцов опала с PbSe. Обозначения те же, что и на рис. 1. дались в очень тонких (< 500 ) полупроводниковых Физика твердого тела, 1998, том 40, № Электрические, гальваномагнитные и термоэлектрические свойства PbSe в подрешетке пустот опала носителей в каналах опала, приводящий к сильному падению подвижности, доминирует над остальными механизмами (в том числе над фононным, определяющим падение подвижности с ростом температуры в объемных образцах) во всем исследованном интервале температур.

Авторы благодарят Н.Ф. Картенко и Н.В. Шаренкову за проведение рентгеноструктурных измерений.

Исследование проводилось при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проекты 96-02-16852а и 96-03-32458а).

Список литературы [1] В.Н. Богомолов, В.В. Журавлев, Ю.А. Кумзеров, С.Г. Романов. ФТТ 32, 1, 365 (1990).

[2] J.V. Sanders. Nature 204, 35 (1964).

[3] Ю.И. Равич, Б.А. Ефимова, И.А. Смирнов. Методы исследования полупроводников в применении к халькогенидам свинца PbTe, PbSe и PbS. Наука, М. (1968). 384 с.

[4] Л.И. Арутюнян, В.Н. Богомолов, Н.Ф. Картенко, Д.А. Курдюков, В.В. Попов, А.В. Прокофьев, И.А. Смирнов, Рис. 3. Температурная зависимость подвижности образН.В. Шаренкова. ФТТ 39, 3, 586 (1997).

цов опала с PbSe. Обозначения те же, что и на рис. 1.

[5] Б.М. Аскеров. Кинетические эффекты в полупроводниках.

3 — подвижность объемного PbSe [7].

Наука, Л. (1970). 303 с.

[6] К.Х. Бабамуратов, В.В. Журавлев, Ю.А. Кумзеров, С.Г. Романов, С.А. Хачатуров. ФТТ 35, 6, 1577 (1993).

[7] R.S. Allgaier, W.W. Scanlon. Phys. Rev. 111, 7, 1029 (1958).

[8] Т.С. Гудкин, И.А. Драбкин, В.И. Кайданов, О.Г. Стерлядкина. ФТП 8, 11, 2233 (1974).

[9] К.В. Шалимова, В.С. Солдатов, А.А. Смотраков, В.Б. Титов, О.В. Сапожникова. ФТП 7, 8, 1457 (1973).

[10] I.R. Schrieffer. Phys. Rev. 97, 2, 641 (1955).

Рис. 4. Магнетосопротивление образца № 1 (см. таблицу) при 77 K.

пленках Te [9]. Для объяснения такой необычной зависимости, помимо рассеяния на ионизованных примесях, в наноразмерных объектах необходимо учитывать диффузное рассеяние на поверхности диэлектрической матрицы. Вклад в такое рассеяние может дать наличие неоднородной по толщине концентрации носителей, обусловленной изгибом зон у заряженной поверхности [10].

По-видимому, такой специфический механизм рассеяния Физика твердого тела, 1998, том 40, №






© 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.