WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. 10 Электронные и структурные переходы в сплавах Pb1-xGexTe : Ga под давлением ¶ + + © Е.П. Скипетров, Е.А. Зверева, О.С. Волкова, А.В. Голубев, А.Ю. Моллаев, = Р.К. Арсланов, В.Е. Слынько Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова (физический факультет), 119992 Москва, Россия + Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова (факультет наук о материалах), 119992 Москва, Россия Институт физики Дагестанского научного центра Российской академии наук, 367003 Махачкала, Россия = Институт проблем материаловедения Национальной академии наук Украины, Черновицкое отделение, 274001 Черновцы, Украина (Получена 24 февраля 2004 г. Принята к печати 26 февраля 2004 г.) Исследовано влияние давления на электрофизические свойства сплавов n-Pb1-x Gex Te (x = 0.06, 0.08), легированных галлием. Получена зависимость энергии активации глубокого примесного уровня галлия от давления, и показано, что его положение относительно дна зоны проводимости практически не изменяется под давлением. На температурных и барических зависимостях удельного сопротивления обнаружены аномалии, связанные, по-видимому, со структурными фазовыми переходами из кубической в ромбоэдрическую и орторомбическую фазы соответственно. Полученные результаты использованы для построения диаграммы перестройки энергетического спектра носителей заряда в кубической фазе исследованных сплавов под действием давления.

Известно, что легирование теллурида свинца и спла- тра носителей заряда в легированных галлием сплавах вов на его основе примесью галлия приводит к форми- под давлением.

рованию двух глубоких примесных уровней EGa1 и EGa в Монокристаллические образцы n-Pb1-xGex Te энергетическом спектре носителей заряда. В PbTe уро(x = 0.06, 0.08), легированные галлием (в концентрации вень EGa1 расположен в запрещенной зоне на 65-70 мэВ CGa 1.5-2мол%), были синтезированы сублимацией ниже дна зоны проводимости [1], а уровень EGa — из паровой фазы. Содержание германия в образцах конна фоне разрешенных состояний зоны проводимости тролировалось методом рентгеновской дифрактометрии, на 45 мэВ выше дна зоны [2,3]. Характер изменения а концентрация примеси определялась по загрузке галположения этих уровней при изменении состава сплавов лия в шихту с учетом распределения примеси по длине на основе теллурида свинца с достаточной точностью слитка [6]. Измерялись температурные зависимости известен в настоящее время только для уровня EGa удельного сопротивления и коэффициента Холла в теми только для сплавов Pb1-x Gex Te, в которых припературном интервале 4.2 T 300 K и магнитных месный уровень движется параллельно потолку ваполях B 0.1 Тл при приложении гидростатического лентной зоны при увеличении содержания германия:

давления P < 7кбар (x = 0.06) и зависимость удельного EGa - L- (45-1980x) мэВ [2,3].

сопротивления от давления до 90 кбар при T = 300 K Экспериментальных данных о движении примесных (x = 0.08). Гидростатические давления до 7 кбар были уровней галлия под давлением еще меньше, а их интерполучены в камере из термообработанной бериллиевой претация неоднозначна и противоречива [4,5]. С одной бронзы. В качестве среды, передающей давление, стороны, обнаружено уменьшение энергии активации использовалась смесь керосин–масло–пентан. Высокие примесного уровня EGa1 в кристаллах n-PbTe : Ga, свигидростатические давления до 90 кбар достигались детельствующее о движении уровня параллельно пов камере типа плоской наковальни с лункой, при толку валентной зоны под давлением, а с другой — этом образец помещался во фторопластовую капсулу, быстрое увеличение концентрации свободных дырок заполненную смесью этанола с метанолом.

при давлениях P > 15 кбар, указывающее на переход Установлено, что во всем исследованном интервале примесного уровня из запрещенной зоны в валентную.

давлений температурные зависимости удельного сопроПоэтому основной задачей настоящей работы являлось исследование гальваномагнитных эффектов в сплавах тивления (T ) (рис. 1) и коэффициента Холла RH(T ) Pb1-xGex Te : Ga в условиях гидростатического сжатия в Pb1-xGex Te : Ga носят полупроводниковый характер с с целью определения характера движения примесного четко выраженным активационным участком в высокоуровня EGa относительно краев разрешенных зон и по- температурной области, свидетельствующим о наличии строения диаграммы перестройки энергетического спек- глубокого примесного уровня в запрещеной зоне. Угол ¶ наклона активационного участка с ростом давления E-mail: skip@mig.phys.msu.su Fax: (095)9328876 практически не изменяется.

1200 Е.П. Скипетров, Е.А. Зверева, О.С. Волкова, А.В. Голубев, А.Ю. Моллаев, Р.К. Арсланов...

то время как барический коэффициент изменения температуры фазового перехода dTph/dP, экспериментально определенный для нелегированных сплавов Pb1-x Gex Te (x = 0.01-0.05), варьировался в интервале от -до -12 K/кбар [11,12]. Поэтому аномальный максимум на температурных зависимостях сопротивления легированных сплавов действительно может быть связан со структурным фазовым переходом в ромбоэдрическую фазу.

Под действием давления удельное сопротивление при гелиевой температуре уменьшается, проходит через минимум при P 3 кбар и затем увеличивается (рис. 2).

Такое поведение удельного сопротивления не может объясняться перестройкой электронной структуры под давлением, так как энергия активации примесного уровня галлия практически не изменяется в исследованном диапазоне давлений, а бесщелевое состояние в сплаве Pb1-xGex Te (x = 0.06), по нашим оценкам, может быть достигнуто лишь при давлении P 40 кбар.

Барическая зависимость удельного сопротивления при комнатной температуре, приведенная на вставке к рис. 2, имеет более сложный характер, с локальным максимумом при P 20 кбар и широким минимумом при P 70 кбар. Минимум на барической зависимости удельного сопротивления при P 70 кбар соответствуРис. 1. Температурные зависимости удельного сопротивлеет, по-видимому, точке инверсии энергетических зон ния Pb0.94Ge0.06Te : Ga при гидростатическом сжатии. P, кбар:

в Pb1-xGex Te (x = 0.08) под давлением. Подобное по1 —0, 2 —3.3, 3 — 6.2. На вставке — зависимость темпераведение удельного сопротивления с ростом давления туры максимума от давления.

В интервале T = 50-80 K на температурных зависимостях удельного сопротивления обнаружены аномальные максимумы. Ранее подобные максимумы наблюдались на температурных зависимостях удельного сопротивления нелегированных сплавов Pb1-xGex Te при атмосферном давлении [7]. Методом рентгенографического анализа было показано, что при этой же температуре происходит структурный фазовый переход из кубической фазы в ромбоэдрическую [8]. Поэтому в дальнейшем предполагалось, что и в легированных сплавах положение характерного максимума Tmax на зависимости (T ) отвечает температуре структурного фазового перехода Tph [9,10]. При этом значительный (до 70 K) сдвиг положения максимума в легированных галлием кристаллах связывался с понижением температуры фазового перехода при легировании, экспериментально обнаруженным, например, в Pb1-x Gex Te с неизоэлектронными примесями [10].

Зависимость температуры аномального максимума Tmax от приложенного давления представлена на вставке к рис. 1. Оказалось, что с ростом давления температура максимума Tmax практически линейно уменьшается, что качественно соответствует поведению температуры фазового перехода под давлением в нелегироРис. 2. Зависимость удельного сопротивления Pb1-x Gex Te : Ga ванных сплавах. Скорость изменения температуры мак- (x = 0.06) от давления при T = 4.2K. На вставке — то же для симума с давлением составила dTmax/dP -4K/кбар, в образца с x = 0.08 при T = 300 K.

Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. Электронные и структурные переходы в сплавах Pb1-x Gex Te : Ga под давлением Аномальный максимум на барической зависимости удельного сопротивления при P 20 кбар ранее не наблюдался. Известно, что в PbTe аналогичный максимум на зависимости (P), расположенный при P 60 кбар, связан со структурым фазовым переходом из кубической решетки типа NaCl в орторомбическую решетку типа GeS [15,16]. Поэтому можно предположить, что обнаруженные нами максимум на зависимости (P) при T = 300 K и резкое увеличение сопротивления при T = 4.2 K под давлением также связаны со структурным фазовым переходом из кубической в орторомбическую решетку. В этом случае сдвиг критического давления фазового перехода в сторону меньших давлений при изменении состава сплава и понижении температуры от комнатной до гелиевой вполне объясним и качественно соответствует известным экспериментальным данным по индуцированному давлением фазовому переходу в сплавах Pb1-xSnx Se [17].

По наклону активационного участка на зависимостях (1/T ) и RH(1/T ) определена энергия активации глубокого уровня галлия EGa, и построена ее зависимость от приложенного давления (рис. 3). При атмосферном давлении величина энергии активации составляет EGa 86 мэВ, что в пределах экспериментальной погрешности соответствует данным, полученным в раРис. 3. Зависимость энергии активации примесного уровботах [2,3]. При увеличении давления энергия активации ня галлия, определенной по температурным зависимостям примесного уровня практически не изменяется (прямая удельного сопротивления (1) и коэффициента Холла (2), линия на рис. 3). Поэтому можно заключить, что с в Pb0.94Ge0.06Te : Ga от давления.

ростом давления положение примесного уровня галлия относительно дна зоны проводимости не изменяется.

На основании полученых экспериментальных данных можно предложить диаграмму перестройки энергетического спектра Pb1-x Gex Te : Ga под давлением (рис. 4).

При увеличении давления ширина запрещенной зоны уменьшается, а положение примесного уровня относительно дна зоны проводимости остается постоянным.

Поэтому при некоторых критических давлениях уровень галлия, стабилизирующий уровень Ферми EF, должен последовательно пересекать середину запрещенной зоны и потолок валентной зоны, индуцируя n-p-конверсию типа проводимости и переход типа диэлектрик–металл под давлением соответственно. При этом энергия активации уровня галлия должна оставаться постоянной вплоть до точки n-p-конверсии. При дальнейшем увеличении давления тепловая активация электронов будет происходить из валентной зоны на уровень галлия и энергия активации примесного уровня должна уменьшаться по линейному закону до нуля со скоростью Рис. 4. Модель перестройки энергетического спектра носитеd( EGa)/dP = dEg/dP 7.4 мэВ/кбар [18].

лей заряда в Pb0.94Ge0.06Te : Ga под давлением при T = 4.2K.

Подобное поведение электрофизических параметров и энергии активации примесного уровня галлия EGaпо давлением и наблюдалось, во-видимому, ранее в мотипично для сплавов на основе халькогенидов свинца нокристаллах n-PbTe : Ga [4,5], где уменьшение энергии с нормальным спектром [13,14] и связывается обычно активации уровня приводило к смене типа проводис уменьшением величины эффективной массы и, сле- мости и резкому увеличению концентрации свободных довательно, увеличением подвижности носителей заряда дырок. Поэтому можно предположить, что глубокий при переходе через бесщелевое состояние под действием уровень EGa1 также движется параллельно дну зоны давления. проводимости под давлением.

4 Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. 1202 Е.П. Скипетров, Е.А. Зверева, О.С. Волкова, А.В. Голубев, А.Ю. Моллаев, Р.К. Арсланов...

Работа выполнена при финансовой поддержке Рос- Electronic and structural phase transitions сийского фонда фундаментальных исследований (проекin Pb1-xGexTe : Ga alloys under pressure ты № 01-02-17446, № 02-02-17888), гранта Президента E.P. Skipetrov, E.A. Zvereva, O.S. Volkova+, РФ (№ НШ 1786.2003.2) и научной программы „УниверA.V. Golubev+, A.Yu. Mollaev, R.K. Arslanov, ситеты России“.

V.E. Slynko= Moscow State University, Список литературы Low Temperature Physics Department, (Faculty of Physics), [1] Б.А. Волков, Л.И. Рябова, Д.Р. Хохлов. УФН, 172, 119992 Moscow, Russia 875 (2002).

+ [2] E.P. Skipetrov, E.A. Zvereva, L.A. Skipetrova, V.V. Belousov, Moscow State University, A.M. Mousalitin. J. Cryst. Growth, 210, 292 (2000).

(Faculty of Materials Sciences), [3] Е.П. Скипетров, Е.А. Зверева, В.В. Белоусов, Л.А. Скипет119992 Moscow, Russia рова, Е.И. Слынько. ФТП, 34, 932 (2000).

Institute of Physics, [4] Б.А. Акимов, Н.Б. Брандт, А.М. Гаськов, В.П. Зломанов, Russian Academy of Sciences Л.И. Рябова, Д.Р. Хохлов. ФТП, 17, 87 (1983).

Dagestan Scientific Center, [5] Б.А. Акимов, А.В. Албул, Е.В. Богданов, В.Ю. Ильин.

367003 Makhachkala, Russia ФТП, 28, 232 (1994).

= Institute of Material Science Problems, [6] В.Е. Слынько. Вестн. Львов. ун-та, 34, 291 (2001).

Chernovtsy Department, [7] S. Takaoka, K. Murase. Phys. Rev B, 20, 2823 (1979).

274001 Chernovtsy, Ukraine [8] D.C. Hohnke, H. Holloway, S. Kaiser. J. Phys. Chem. Sol., 33, 2053 (1972).

[9] Б.А. Акимов, А.В. Албул, И.И. Иванчик, Л.И. Рябова,

Abstract

The effect of pressure on galvanomagnetic properties Е.И. Слынько, Д.Р. Хохлов. ФТП, 27, 351 (1993).

of n-Pb1-x Gex Te (x = 0.06, 0.08) alloys doped with gallium has [10] А.И. Лебедев, И.А. Случинская. ФТТ, 35, 629 (1993).

been investigated. The dependence of the gallium deep impurity [11] В.В. Маслов, С.В. Барышников, В.В. Казаков, И.А. Драбlevel activation energy on pressure has been obtained, and it кин. В сб.: Элементарные возбуждения в сегнетоэлекis shown that its position in relation to the conduction band триках (Л., 1983) с. 30.

bottom does not change under pressure. On the temperature [12] T. Suski, S. Takaoka, K. Ishii, K. Murase. J. Phys. C, 17, and pressure dependencies of resistivity were found anomalies that 2181 (1984).

could be attributed to structural phase transitions from the cubic [13] J. Melngailis, J.A. Kafalas, T.C. Harman. J. Phys. Chem. Sol.

to rhombohedral or orthorhombic phases, accordingly. The results Suppl., 32, 407 (1971).

[14] J. Melngailis, T.C. Harman, J.A. Kafalas. In: Physics of IV–VI obtained were used to build a diagram of the charge carrier energy Semiconductors, ed. by S. Rabii (N. Y.–London, Gordon and spectrum reconstruction in the cubic phase of alloys investigated Breach, 1974) p. 59.

under pressure.

[15] Y. Fujii, K. Kitamura, A. Onodera, Y. Yamada. Sol. St.

Commun., 49, 135 (1984).

[16] T. Chattopadhyay, A. Werner, H.G. von Schnering. Rev. Phys.

Appl., 19, 807 (1984).

[17] Н.Б. Брандт, Я.Г. Пономарев, Е.П. Скипетров, В. Титель, В.И. Штанов. ФТП, 17, 645 (1983).

[18] G. Nimtz, B. Schlicht. In: Narrow-gap semiconductors, ed. by R. Dornhaus, G. Nimtz and B. Schlicht (Berlin–Heidelberg– N. Y.–Tokyo, Springer, 1983) p. 1.




© 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.