WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |
Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 11 Условия достижения максимальных значений коэффициента термоэлектрической мощности в интерметаллических полупроводниках структурного типа MgAgAs © В.А. Ромака,+,¶, Д. Фрушарт, Ю.В. Стаднык=, Я. Тобола•, Ю.К. Гореленко=, М.Г. Шеляпина, Л.П. Ромака=, В.Ф. Чекурин Институт прикладных проблем механики и математики им. Я. Пидстрыгача Национальной академии наук Украины, 79060 Львов, Украина + Национальный университет „Львовская политехника“, 79013 Львов, Украина Лаборатория кристаллографии Национального центра научных исследований, BP 166, 38042 Гренобль, Франция = Львовский национальный университет им. И. Франко, 79005 Львов, Украина • Научно-технологический университет Горно-металлургической академии, 30-059 Краков, Польша Институт физики им. В.А. Фока Санкт-Петербургского государственного университета, 198504 Санкт-Петербург, Россия (Получена 3 февраля 2006 г. Принята к печати 17 марта 2006 г.) Условием достижения максимальных значений коэффициента термоэлектрической мощности Z в интерметаллических полупроводниках структурного типа MgAgAs является их сильное легирование акцепторными и (или) донорными примесями до концентраций, при которых уровень Ферми фиксируется порогом подвижности соответствующей зоны непрерывных энергий. Максимум коэффициента термоэлектрической мощности является термически стабильным при условии одинаковой природы типа примесей, вводимых в полупроводник, и типа примесной зоны, вызывающей появление максимума Z.

PACS: 71.20.Nr; 72.20.Pa, 71.55.Ht, 75.20.Ck 1. Введение ний Z без детального изучения механизмов токопереноса.

В представленной работе, продолжая теоретические В данном контексте отметим результаты работ [14,17] и экспериментальные исследования влияния сильного и [18,19], авторы которых исследовали полупроводлегирования на физические свойства интерметалличеники TiNiSn и ZrNiSn, соответственно, легированских полупроводников со структурой MgAgAs, впервые ные донорными примесями путем замещения атомов определены условия появления и термической стабильSn (4d105s25p2) на Sb (4d105s25p3).

ности максимальных значений коэффициента термоэлек„Колоколообразный“ вид зависимости удельного электрической мощности Z в указанных полупроводниках тросопротивления от температуры (T ) в TiNiSn с макна основе предложенных нами механизмов проводимосимумом при 170 K ( 15 мэВ) свидетельствует, на сти [1–8].

наш взгляд, что уже в исходном, нелегированном сурьУже первые исследования интерметаллических помой полупроводнике TiNiSn присутствуют значительные лупроводников показали их перспективность в качеконцентрации неконтролируемых донорных примесей и стве новых термоэлектрических материалов [9–12]. Возпроводимость по примесной зоне носит не прыжкорастающий интерес на протяжении последних пяти– вый, а металлический характер до T 170 K (произосеми лет к нелегированным и легированным интершел переход Мотта в примесной зоне [7,25,26]). При металлическим полупроводникам обусловлен одновреT > 170 K включается активация электронов с уровня менно высокими значениями проводимости и коФерми EF примесной зоны в зону проводимости — эффициента Зеебека S, что в свою очередь обеспе(T ) уменьшается. Легирование TiNiSn донорными причивает значительные величины коэффициента термомесями, начиная с концентраций ND = 8.7 · 1020 см-электрической мощности материала Z (Z = S2 ) и (состав с x = 0.05), приводит к ликвидации активациделает данные полупроводники интенсивно изучаемыонного участка на зависимостях (T ) и связано, по ми термоэлектрическими материалами [13–24]. Анализ нашему мнению, со слиянием примесной донорной зоны уровня проводимых исследований, включая цитируес порогом подвижности зоны проводимости [2–5]. При мые работы, показывает, что исследуются, как праэтом, как показано в [5], EF фиксируется порогом вило, различные способы и комбинации легирования подвижности. Именно при x = 0.05 в [14] наблюдали полупроводников для получения наибольших значемаксимальные значения термоэлектрической мощности.

¶ E-mail: vromaka@polynet.lviv.ua При больших концентрациях донорных примесей EF 1310 В.А. Ромака, Д. Фрушарт, Ю.В. Стаднык, Я. Тобола, Ю.К. Гореленко, М.Г. Шеляпина, Л.П. Ромака...

дрейфует вглубь зоны проводимости (реализуется пере- ния неупорядоченных твердых тел [25], приводящий, в ход Андерсона [7,25]). частности, к структурным разупорядочениям, локальВ работе [18] исследования сплавов ZrNiSn1-xSbx ным деформациям кристаллитов поликристаллических проводились в температурном диапазоне 300-900 K и образцов, а также к разупорядочениям, вызванным максимальные значения Z наблюдались для нелегиро- флуктуациями значительных концентраций заряженных ванного полупроводника ZrNiSn. Как следует из [18], примесей (1019-1021 см-3) [26]. Все перечисленное обууже минимально достигнутое легирование донорными словливает появление в запрещенной зоне полупропримесями (состав ZrNiSn0.99Sb0.01) приводит к ликви- водника примесных состояний и формирует „хвосты“ дации активационного участка на зависимости (T ) в зон непрерывных энергий с локализованными состояинтервале 300-700 K и связано, по нашему мнению, ниями.

с переходом EF из примесной донорной зоны в зону Понимание реальных механизмов проводимости в инпроводимости вследствие термической активации электерметаллических полупроводниках позволяет получить тронов. Сравнивая результаты [14] и [18], отметим, что полупроводники с заданным расположением EF путем различные концентрации донорных примесей, которые выбора оптимальных концентраций легирующих приприводят к максимальным значениям Z при T < 300 K месей, условий синтеза, режимов гомогенизирующего и T > 300 K, связаны, по нашему мнению, с аддитивотжига и последующего охлажения, что в конечном ным характером влияния температуры и концентрации итоге обеспечит максимальные значения Z в широком примесей на положение EF. Авторы [19] считают, что диапазоне температур. Кроме того, важным является особенности поведения (T ) и S(T ) в [18] связаны исвопрос временной стабильности параметров материала ключительно с механизмами рассеяния носителей тока, при термоударах и термоциклировании.

игнорируя само понятие примесной проводимости.

Расчет электронных структур, экспериментальные исВ [20] легировали ZrNiSn акцепторными и (или) следования кинетических, магнитных, резонансных и донорными примесями путем замещения атомов Ni структурных характеристик сильно легированных и (3d84s2) на Co (3d74s2) и (или) на Cu (3d104s2).

компенсированных полупроводников ZrNiSn, TiNiSn и Авторы [20] объясняют поведение (T ) и S(T ) исхоTiCoSb позволили нам установить доминирующие медя из разного числа валентных электронов в сплаханизмы проводимости в широких температурном и вах ZrNi1-x-yCoxCuySn. Подобные исследования и их концентрационном интервалах, определить роль притрактовка приведены в работе [21], авторы которой месных зон в проводимости данных полупроводников легировали NbCoSn акцепторными и (или) донорныи предположить модели их перестройки при изменеми примесями путем замещения атомов Nb (4d45s1) нии концентрации примесей и степени компенсации на Ti (3d24s2) и (или) на Mo (4d55s1). Легироваполупроводников [1–8]. Следующим логическим шагом ние сплавов TiNiSn нейтральными по отношению к Ti является исследование условий появления и термичепримесями Zr (4d25s2) и Hf (4 f 5d26s2) позволило ской стабильности максимальных значений коэффициполучить максимальные значения Z при 800 K для ента термоэлектрической мощности Z в изучаемых сплава (Zr0.7Hf0.3)0.7Ti0.3NiSn [22].

полупроводниках. Практическому решению данного воРеализация случая сильного легирования и сильного проса посвящен цикл выполненных работ [1–8], а также компенсирования полупроводника TiCoSb путем однопредложенная статья, в частности.

временного введения донорных (замещение атомов Ti Исследовались поведение электропроводимости, кона Nb и Ta (4 f 5d36s2)) и акцепторных примеэффициента Зеебека S (по отношению к меди), магсей (замещение атомов Sb на Sn и создание сплава нитной восприимчивости (метод Фарадея) в диапаTi1-xNbx/2Tax/2CoSb1-x Sn) позволила авторам [23] полузоне 80-380 K, структурные характеристики, выполнен чить высокотемпературный максимум Z при T = 936 K.

расчет электронной структуры ZrNiSn и TiCoSb при Авторы [15] и [24] наблюдали максимальные значеих легировании акцепторными или донорными приния Z при одинаковых концентрациях донорных примемесями различными способами и различными конценсей в TiCoSb, легированном путем замещения атомов Co трациями (от NA, ND = 8.7 · 1019 см-3 (x = 0.005) до на Ni, что соответствует составу x 0.05.

5.7 · 1021 см-3 (x = 0.3)):

Таким образом, из вышеизложенного следует, что до 1) легирование ZrNiSn акцепторными примесями путем настоящего времени отсутствует понимание закономерзамещения атомов Zr на Sc (3d14s2);

ностей легирования интерметаллических полупроводни2) легирование TiCoSb донорными примесями путем ков со структурой MgAgAs, приводящих к появлению замещения атомов Co на Ni;

максимальных значений Z.

Следует также отметить, что в различных исследова- 3) легирование ZrNiSn акцепторными примесями путем замещения атомов Ni на Co. В данном способе тельских лабораториях при всем разнообразии способов подготовки шихты исходных компонентов и степени их исследовались как отпущенные образцы (охлажденные чистоты общим методом является сплавление шихты до комнатной температуры после гомогенизирующего с последующим неконтролируемым охлаждением рас- отжига на протяжении 24 ч), так и закаленные (быстрое плава. При этом реализуется один из путей получе- охлаждение).

Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. Условия достижения максимальных значений коэффициента термоэлектрической мощности... Методики получения образцов, их структурные исследования, измерения (T ), S(T ) и (T ) приведены в [2]. Отметим, что исследуемые образцы являются парамагнетиками Паули в интервале температур 80-380 K.

Расчеты электронной структуры осуществлены в рамках самосогласованного метода Корринги–Кона–Ростокера в приближении когерентного потенциала и локальной плотности [27] и приведены в [1,3,7,8].

2. Результаты и их обсуждение На рис. 1 представлены зависимости коэффициента термоэлектрической мощности Z от концентрации акцепторных примесей (замещение атомов Zr на Sc) в ZrNiSn и донорных примесей в TiCoSb. На зависимостях Z(x) для Zr1-xScxNiSn наблюдаются максимумы в районе x 0.08, расположение которых слабо зависит от температуры и которые смещаются в область больших значений Z при увеличении температуры.

Зависимости Z(x) для TiCo1-xNixSb несколько отличаются от аналогичных зависимостей для Zr1-xScx NiSn.

Рис. 2. Зависимости проводимости (1), коэффициента Во-первых, максимумы на зависимостях Z(x) проявляЗеебека S (2), магнитной восприимчивости (3), энергий ются слабо, но начиная с x > 0.04 наблюдается резкий активации 1 (4) и 2 (5) от концентрации акцепторных примесей для образцов Zr1-x ScxNiSn при 80 K.

излом, незначительный максимум при x 0.05 и выход зависимостей Z(x) на квазинасыщение. Во-вторых, правые крылья зависимостей Z(x) слабо изменяются при изменении концентраций донорных примесей.

Исходя из механизмов проводимости ZrNiSn и TiCoSb при их легировании акцепторными или донорными примесями, соответственно [2–7], проанализируем условия появления максимумов на зависимостях Z(x).

Сравнивая поведение зависимостей Z(x), S(x), (x) и (x) для Zr1-xScx NiSn (рис. 1, 2), можно заметить, что максимумы на зависимостях Z(x) практически совпадают со вторым максимумом зависимости (x) и располагаются на участке наибольшей крутизны в зависимости S(x), что соответствует составу x 0.08.

Кроме того, именно с этих концентраций акцепторных примесей начинается экспоненциальный рост проводимости. Из рис. 2 следует, что в области состава x 0.исчезает прыжковая проводимость по локализованным состояниям 2, энергия активации с EF в валентную зону l достигает своих наименьших значений. В [3] показано, что при x 0.08 пропадает кулоновская щель примесной зоны, наблюдается наибольший рост плотности состояний на уровне Ферми N(EF) с последующим выходом на квазинасыщение. Экспоненциальный рост (x) вызван экспоненциальным увеличением концентрации свободных дырок, обусловленным ионизацией акцепторов из-за уменьшения энергетической щели между примесной зоной и порогом подвижности валентной зоны до термически преодолимой свободными дырками.

Рис. 1. Зависимости коэффициента термоэлектрической мощМы считаем, что в районе концентраций акцепторных ности от концентрации акцепторных примесей Z(x) для примесей, которые соответствуют составу x 0.08, исобразцов Zr1-x Scx NiSn при 80 K (1), 200 K (2) и 375 K (4) чезает энергетическая щель между примесной акцепи донорных примесей для образцов TiCo1-x Nix Sb при 80 (3), 200 (5) и 375 K (6). торной зоной и порогом подвижности валентной зоФизика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 1312 В.А. Ромака, Д. Фрушарт, Ю.В. Стаднык, Я. Тобола, Ю.К. Гореленко, М.Г. Шеляпина, Л.П. Ромака...

достигает своих наибольших значений и выходит на квазинасыщение. Мы считаем, что в области концентраций донорных примесей, соответствующих составу TiCo1-xNix Sb с x 0.05, пропадает энергетическая щель между примесной донорной зоной и порогом подвижности зоны проводимости, а EF фиксируется порогом подвижности. При больших концентрациях до норных примесей (x > 0.05), когда EF заходит в зону проводимости и реализуется переход проводимости диэлектрик–металл, имеет место незначительное уменьшение величин термоЭДС, что и определяет поведение Z(x).

Таким образом, выход на квазинасыщение значений коэффициента термоэлектрической мощности при увеличении концентрации донорных примесей в интерметаллических полупроводниках TiCo1-xNix Sb наблюдается при концентрациях примесей, которые фиксируют положение EF порогом подвижности зоны проводимости.

Рис. 3. Зависимости проводимости (1), коэффициента Зее- Это — второй промежуточный вывод.

бека S (2), магнитной восприимчивости (3) от концентрации Случай легирования интерметаллических полупроводдонорных примесей в образцах TiCo1-xNixSb при 80 K.

ников ZrNiSn акцепторными примесями путем замещения атомов Ni на Co более сложный, чем предыдущие.

Напомним, что мы исследовали как отпущенные, так и закаленные образцы ZrNi1-x CoxSn. На рис. 4 и ны, а EF фиксируется порогом подвижности валентной представлены зависимости термоэлектрической мощнозоны [2,3].

сти от концентрации акцепторных примесей в ZrNiSn При больших концентрациях акцепторных примесей для отпущенных и закаленных образцов, соответственно.

(x 0.1), когда EF заходит в валентную зону и реализуется переход проводимости диэлектрик–металл [5,24], величина термоэдс существенно уменьшается [2–5]. Поскольку Z = S2, именно поведение коэффициента термоэдс в большей степени определяет поведение Z(x), что мы и наблюдаем на рис. 1.

Pages:     || 2 | 3 |



© 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.