WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика твердого тела, 2002, том 44, вып. 10 Электрофизические свойства и электронная структура теллурида сурьмы, легированного оловом © И.В. Гасенкова, М.К. Житинская, С.А. Немов, Л.Д. Иванова Институт электроники Национальной академии наук Белоруссии, Минск, Белоруссия Санкт-Петербургский государственный технический университет, 195251 Санкт-Петербург, Россия Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук, 117911 Москва, Россия (Поступила в Редакцию 3 октября 2001 г.

В окончательной редакции 24 декабря 2001 г.) Исследовано влияние атомов Sn на электрофизические свойства и рентгеновские фотоэлектронные (РФЭ) спектры монокристаллов Sb2Te3, выращенных методом Чохральского.

Показано, что характер температурных зависимостей кинетических коэффициентов существенным образом определен строением валентной зоны, состоящей из двух валентных подзон. Сделанные оценки значений эффективных масс плотности состояний дырок и зазора между экстремумами валентной зоны в Sb2Te3 : Sn согласуются с данными для нелегированного оловом Sb2Te3.

В РФЭ спектрах монокристаллов Sb2Te3 : Sn не наблюдается значительных сдвигов остовных уровней и перераспределения электронной плотности в валентной зоне.

Влияние атомов олова на электрические свойства проводился на образцах двух типов: стехиометрического Sb2Te3 исследовалось в ряде работ [1–3]. Установле- состава и легированных гетеровалентной примесью Sn.

но [1,2], что Sn обладает сильным акцепторным действи- Кристаллы получали из компонентов: Te, Sb, Sn, содерем в этом соединении. В [3] были обнаружены необыч- жащих 99.9999 wt.% основного вещества. Содержание ные свойства олова в Sb2Te3, а именно отрицатель- примесей оценивалось с помощью химического анализа.

ное магнетосопротивление, аномалии в температурной Все выращенные кристаллы обладали дырочной проводимостью.

зависимости коэффициента Холла и его зависимость от приложенного магнитного поля. Связаны ли эти аномалии с особенностями в энергетическом спектре, в 2. Эксперимент и обсуждение работе не сообщалось.

результатов В статье [4] мы показали, что комплексное изучение кинетических коэффициентов: электропроводности, Хол2.1. К и н е т и ч е с к и е э ф ф е к т ы. На каждом из ла, Зеебека и Нернста–Эттингсгаузена, а также рентисследованных образцов Sb2Te3 были измерены следуюгеновских фотоэлектронных спектров (РФЭ) позволяет щие независимые компоненты тензоров переноса: Зеебесделать достаточно обоснованный вывод о наличии или ка S11 и S33, Холла R123 и R321, Нернста–Эттингсгаузена отсутствии особенностей в энергетическом спектре соQ123 и электропроводности 11 и 33. Измерения провоединения.

дились в интервале температур 77-350 K. Концентрация В настоящей работе представлены результаты изученосителей заряда, как и ранее, определялась из большей ния влияния Sn на явления переноса и на спектры РФЭ компоненты тензора Холла R321 при температуре 77 K монокристаллов Sb2Te3.

по формуле p =(eR321)-1. (1) 1. Образцы Согласно нашим данным, примесь олова проявляет сильное акцепторное действие в Sb2Te3, что согласуется Монокристаллы Sb2Te3 были выращены методом Чо- с результатами работ [1,2].

хральского с использованием плавающего тигля для Наблюдаемые картины температурных зависимостей подпитки растущего кристалла жидким расплавом по кинетических коэффициентов в Sb2Te3 : Sn качественно технологии, разработанной в Институте металлургии и подобны результатам, полученным для нелегированного материаловедения им. А.А. Байкова [5]. Этот метод поз- Sb2Te3. Поэтому экспериментальные данные для криволяет получать кристаллы высокого качества и доста- сталлов с оловом могут быть интерпретированы так точно больших размеров в заданных кристаллографиче- же как и для стехиометрического Sb2Te3, т. е. при ских направлениях. Концентрационная однородность об- обсуждении результатов необходимо учесть сложное разцов оценивалась по локальным значениям коэффици- строение валентной зоны и участие в явлениях переноса ента термоэдс на поверхности монокристаллов. Разброс по крайней мере двух сортов носителей заряда с заметно значений термоэдс не превышал 2-3%. Эксперимент отличающимися подвижностями.

Электрофизические свойства и электронная структура теллурида сурьмы, легированного оловом Введение примеси олова дало возможность продви- работе [6]. В области температур, когда вклад дырок нуть уровень Ферми в глубь валентной зоны по энерге- второй зоны p2 в проводимость только начинается, тической шкале на величину F 0.1 eV по сравнению т. е. когда = p2/p0 1, формула для анизотропии с нелегированными Sn образцами. При этом основ- коэффициента Зеебека принимает вид, экспоненциально ные закономерности в кинетических явлениях остались зависящий от величины энергетического зазора между прежними. На концентрационных зависимостях холлов- двумя валентными подзонами, ской подвижности и коэффициента Зеебека не наблюда S exp(- v/k0T ).

лось ярких эффектов, характерных для межзонного или резонансного рассеяния, однако в связи с увеличением p0 = p1 + p2 — полная концентрация дырок.

концентрации дырок имеются некоторые количественНайденная величина энергетического зазора v в ные отличия.

Sb2Te3 : Sn практически не отличалась от v, определенПолученные нами данные по комплексу кинетических ного для Sb2Te3, и составила также v 0.1 eV. Таким коэффициентов позволили сделать оценку величины образом, оценки параметров энергетического спектра эффективной массы плотности состояний на уровне из экспериментальных данных по кинетическим коэфФерми m(F) и параметра рассеяния r (r — показатель d фициентам свидетельствуют об отсутствии (в отличие степени в зависимости времени релаксации от энергии от Bi2Te3) заметного влияния примеси Sn на энергети () r-1/2). Оценка m(F) и r проводилась по d ческий спектр Sb2Te3.

формулам для однозонной модели с использованием 2.2. Электронная структура по данным совокупности четырех измеренных кинетических коэфрентгеновских фотоэлектронных спектров.

фициентов Вывод об отсутствии резонансных состояний Sn, сдеm(F) =A(S11 - Q123/R12311), (2) ланный на основе данных по кинетическим коэффиd циентам, нуждается в независимой проверке. В связи Q123/R12311S11 =(r - 1/2)/(r + 1), (3) с этим для изучения особенностей в распределении полной плотности электронных состояний атомов в вагде A =(3/)2/3h2/Tp2/3e/k0, 11, S11 — электропроводлентной зоне нелегированного и легированного оловом ность и коэффициент Зеебека в направлении, перпендиSb2Te3 были получены рентгеновские фотоэлектронные кулярном тригональной оси, Q123, R123 — коэффициенты спектры валентной зоны на электронном спектрометре Нернста–Эттингсгаузена и Холла, измеренные в магнитЭС 2401 с использованием Mg K-излучения. Распреном поле, ориентированном вдоль тригональной оси c3.

деление валентных электронов в легированном оловом Эти формулы справедливы для вырожденной статистики Sb2Te3 практически такое же, как и в нелегированном носителей заряда и их использование в данном случае теллуриде сурьмы. В формирование потолка валентной оправдано тем, что образцы имели высокую концентразоны Sb2Te3 основной вклад вносят 5p3/2-состояния Te цию дырок. По данным измерений коэффициента Холла и 5p-состояния Sb, они локализованы при энергии 1.7 eV.

она составляла (1.2-4.0)1020 cm-3.

Рассчитанные по однозонной модели значения m (Te5p1/2 + Sb5p)-состояния сосредоточены при энергии d 3.4 eV, имеют наибольшую интенсивность (главный макизменяются от величины (0.8-0.9)m0 (m0 — масса свободного электрона), характерной для Sb2Te3 симум) и составляют с указанным выше максимумом полосу шириной порядка 5 eV. При введении атомов (p = 1.2 · 1020 cm-3), до 0.6m0 для Sb2Te3 : Sn олова в образовании потолка валентной зоны участвуют (p = 3.7 · 1020 cm-3). В этой модели найденные и 5p-состояния Sn. Однако, это не приводит ни к сдвииз (2) величины m имеют промежуточные значения d гу состояний относительно уровня Ферми (положение между эффективными массами легких и тяжелых максимумов спектра Sb2Te3 : Sn соответствует той же дырок. Это уменьшение можно объяснить в рамках двухзонной модели продвижением уровня Ферми F энергии, что и в Sb2Te3), ни к изменению их плотности.

Спектры остовных уровней в Sb2Te3 представлены в глубь дополнительного экстремума валентной зоны узкими пиками с энергией связи (Eb), равной и возможным проявлением влияния межзонного 538.6 eV для Sb 3d3/2 (ширина пика на рассеяния или непараболичности зон. Параметр рассеяния r, рассчитанный по формуле (3), для образцов половине высоты (ШПВ) =1.3eV), Eb = 529.4eV с оловом имел отрицательное значение. Это также для Sb 3d5/2 (ШПВ = 2.1eV), Eb = 573.0eV для Te3d5/может указывать и на влияние межзонного рассеяния, (ШПВ = 1.5eV), Eb = 583.3eV для Te3d3/и на непараболичность зоны. В пользу существования (ШПВ = 1.4eV). Спектры Te 4d с ШПВ = 3.2eV были дополнительного экстремума в валентной зоне Sb2Te3 разложены на два максимума: один соответствовал с меньшей эффективной массой дырок свидетельствуют Te 4d5/2 с Eb = 40.3eV, другой — Te4d3/2 с не только наши данные, но и результаты работ [6–9]. Eb = 41.7 eV. Аналогичное разложение спектров Sb 4d Из имеющихся данных по анизотропии коэффициента (ШПВ = 2.6eV) дало значение максимумов Sb 4d5/Зеебека мы смогли оценить величину энергетического и Sb 4d3/2, равное 33.1 и 34.2 eV соответственно. Данные зазора между основным и дополнительным экстремума- по энергиям связи приведены относительно уровня C ми v аналогично тому, как это было сделано в нашей 1s = 284.6 eV. Заметных химических сдвигов остовных Физика твердого тела, 2002, том 44, вып. 1768 И.В. Гасенкова, М.К. Житинская, С.А. Немов, Л.Д. Иванова уровней, изменения формы спектров и их уширения при введении примеси олова не наблюдалось. Энергии связи в Sb2Te3 : Sn указанных выше уровней остались неизменными с учетом воспроизводимости значений энергии связи 0.1-0.2eV.

2.3. Анизотропия коэффициентов Зеебека и Х о л л а. Как уже указывалось выше, введение Sn позволило продвинуть уровень Ферми F в глубь валентной зоны, где влияние дополнительного экстремума на кинетические коэффициенты должно было проявиться более четко. Экспериментально наблюдалось изменение анизотропии коэффициента Зеебека (рис. 1) и изменение соотношения между компонентами тензора Холла (рис. 2). В рамках модели с дополнительным, более легким экстремумом и с учетом смешанного механизма Рис. 2. Температурные зависимости компонент коэффициента Холла R123 (j c B) (1, 1 ) и R321 (j c B) (2, 2 ) для двух образцов Sb2Te3 с концентрацией дырок p cm-3:

1.21 · 1020 (a) и2.58 · 1020 (b); 1, 2 — эсперимент, 1, 2 —теоретические значения, рассчитанные по двухзонной модели.

рассеяния находят объяснение наблюдаемое изменение как абсолютной, так и относительной величины анизотропии термоэдс с ростом температуры и концентрации дырок и отсутствие пересечения компонент тензора Холла R123 и R321 в образце с самой высокой концентрацией дырок. Расчеты проводились по формулам (14 P) и (17 P), приведенным в пункте 3.2 нашей работы [6], S = Sc - Sa =[S(1) - S(2)] (1 - ) (bc - ba) [(1 - )bc + ][(1 - )ba + ], (1) Рис. 1. a — температурные зависимости компонент ко- Rc =[Ac /p0][(1 - )b2 + /c] [(1 - )ba + ]2, a эффициента Зеебека S11 (1–3) и S33 (1 -3 ) для образцов (1) Sb2Te3 с различной исходной концентрацией дырок p, cm-3: Ra =[Aa /p0][(1 - )bcba + /a] [(1 - )bc + ] 1.21 · 1020 (1, 1 ), 2.58 · 1020 (2, 2 ), 3.68 · 1020 (3, 3 );

[(1 - )ba + ].

b — температурные зависимости анизотропии коэффициента Зеебека S = S33 - S11. 1–3 — экспериментальные данные, Здесь индекс c относится к тригональной оси кристалла, 1 -3 — рассчитанные в предположении двухзонной модели, индекс a — к направлению в плоскости скола кри1 — результаты расчета по однозонной модели с учетом сталла. Введены следующие обозначения: = p2/p0 — анизотропии рассеяния и непараболичности зоны (из рабоотношение концентрации дырок во второй зоне к полты [10]). Использованная двухзонная модель имела следующие ной концентрации в обеих зонах; если p0 = p1 + p2, параметры: v 0.1eV, m = 0.3m0, m = 0.9m0, ba = 0.9, d1 d(2) (2) bc = 0.5, Aa = 0.83, Ac = 0.76, c = 1.1, a = 1.2. то p1/p0 = 1 - ; ba = u(1)/u(2); bc = u(1)/u(2) —отноa a c c Физика твердого тела, 2002, том 44, вып. Электрофизические свойства и электронная структура теллурида сурьмы, легированного оловом шения подвижностей дырок первой и второй зон в позволило провести исследования зонного спектра в направлении плоскости скола и в перпендикулярном на- Sb2Te3 : Sn при энергии Ферми F, продвинутой пример(1) (2) (1) (2) но на 0.1 eV в глубь валентной зоны по сравнению с правлении соответственно; c = Ac /Ac ; a = Aa /Aa ;

(1) (2) (1) (2) нелегированным Sb2Te3. При этом существенных измеAc, Ac, Aa, Aa — структурные Холл-факторы для нений параметров энергетических зон не наблюдалось.

первой и второй зон при H c (индекс c) и H c Полученные данные по анизотропии коэффициентов (индекс a).

Зеебека и Холла подтвердили существование легкого На рис. 1 представлены экспериментальные данные по дополнительного экстремума в валентной зоне.

термоэдс S11 и S33 и ее абсолютной ( S) анизотропии, Отсутствие особенностей в электронной структуре на рис. 2 — температурные зависимости компонент Sb2Te3 : Sn в отличие от Bi2Te3 : Sn указывает на то, коэффициента Холла для образцов Sb2Te3, стехиометчто электронная структура валентной зоны Sb2Te3 не рического и легированного оловом, и их сравнение изменяется при легировании атомами олова и, следовас рассчитанными значениями. Изменение анизотропии тельно, не содержит резонансных состояний Sn.

термоэдс и соотношения между компонентами тензора Холла с ростом концентрации дырок связано с продвижением уровня Ферми в дополнительный экстремум Список литературы валентной зоны и с изменением его относительного [1] J. Horak, P. Lostak, M. Matyas. Phys. Stat. Sol. (b) 129, влияния. Из рис. 1 видно, что и экспериментальные (1985).

и теоретические зависимости демонстрируют уменьше[2] Л.Д. Иванова, Ю.В. Гранаткина, Ю.А. Сидоров. Неорганиние величины S с увеличением концентрации дырок.

ческие материалы 34, 34 (1998).

Функция, описывающая S в рамках двухзонной модели [3] П.Н. Шеров, Е.И. Шведков, Н.В. Тимофеева. Неорганиче(формула 14 P из [6]), имеет максимум при соотноские материалы 26, 2, 275 (1990).

шении основных и дополнительных дырок, равном [4] И.В. Гасенкова, М.К. Житинская, С.А. Немов, Т.Е. Свечни2/(1 + )2 = babc. Смещение значения в сторону кова. ФТТ 41, 11, 1969 (1999).

меньших или больших значений приводит к уменьше- [5] Л.Д. Иванова, С.А. Бровикова, Г. Зуссманн, П. Ренсхаус.

нию S, что и наблюдается на эксперименте. Наблюда- Неорганические материалы 31, 6, 739 (1995).

[6] М.К. Житинская, С.А. Немов, Л.Д. Иванова. ФТТ 44, 1, емое различие между экспериментальными и рассчитан(2002).

Pages:     || 2 |



© 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.