WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика твердого тела, 1997, том 39, № 10 Поперечный эффект Нернста–Эттингсгаузена в кристаллах HgSe : Fe,Ga, содержащих примеси железа со смешанной валентностью © И.Г. Кулеев, А.Т. Лончаков, Г.Л. Штрапенин, И.Ю. Арапова Институт физики металлов Уральского отделения Российской академии наук, 620219 Екатеринбург, Россия (Поступила в Редакцию 5 февраля 1997 г.) Экспериментально и теоретически исследован поперечный эффект Нернста–Эттингсгаузена на образцах HgSe : Fe,Ga с различным содержанием примесей железа и галлия. Показано, что необычные зависимости величины и знака эффекта от содержания примесей галлия обусловлены их влиянием на степень пространственного упорядочения трехвалентных ионов железа и соответственно на характер рассеяния электронов проводимости. Результаты расчета качественно согласуются с экспериментальными данными.

В работах [1–3] проведено исследование явлений элек- пространственного упорядочения КСИ Fe3+ возрастает тронного переноса в кристаллах HgSe : Fe,Ga с различ- при увеличении содержания примесей галлия, а вероятным содержанием примесей железа и галлия с целью ность рассеяния электронов на ионах Fe3+ уменьшается.

определения влияния хаотически распределенных ионов Во-вторых, система ионов железа Fe2+–Fe3+ со смеGa на корреляционные свойства примесей железа со шанной валентностью существенно ослабляет рассеяние смешанной валентностью Fe2+–Fe3+ и на подвижность электронов на ХСИ Ga3+. Это связано с тем, что электронов. Такие исследования являются актуальными, кулоновские корреляции ионов галлия и положительпоскольку кристаллы HgSe : Fe обычно содержат не- ных зарядов на ионах железа (d-дырок) приводят к контролируемые собственные дефекты с концентрацией эффективной экранировке взаимодействия электронов с порядка 1018 cm-3, которые обусловливают заметный ионами Ga3+ [1]. Третьим эффектом, который имеет разброс значений подвижности электронов в образцах с место в системах со смешанной валентностью, является одинаковым содержанием примесей железа при гелиевых нарушение правила Маттиссена из-за взаимного влияния температурах [4]. В отличие от собственных дефектов механизмов рассеяния электронов на двух типах заряконцентрацию примесей галлия можно легко контроли- женных примесей Fe3+ и Ga3+ [2].

ровать.

В области концентраций NFe > 1 · 1019 cm-3 выполПри малом содержании примесей железа и галлия, няется условие N0 > N1+, степень пространственнокогда уровень Ферми расположен ниже донорного уров- го упорядочения КСИ Fe3+ и подвижность электронов являются монотонно убывающими функциями содержаня железа, увеличение концентрации галлия приводит к росту вероятности рассеяния электронов. Трехвалент- ния галлия [3]. При меньшем содержании примесей железа степень пространственного упорядочения ионов ные ионы Fe3+ и Ga3+ вносят аддитивный вклад в релаксацию электронного импульса, и правило Маттис- железа и подвижность электронов, согласно теории [1,3], сена выполняется. Однако характер электронного рас- должны быть немонотонными функциями концентрации сеяния в HgSe : Fe,Ga резко меняется, когда суммар- галлия. Однако экспериментально обнаружить увеличение подвижности электронов в кристаллах HgSe : Fe,Ga ная концентрация ионов железа и галлия превышает значение N = 4.5 · 1018 cm-3, и на уровне Фер- с NFe = 5 · 1018 cm-3 с ростом содержания галлия нам не удалось из-за наличия в исследованных образцах ми образуется состояние со смешанной валентностью значительного числа собственных дефектов и относи(ССВ). В работах [1–3] показано, что в этом случае тельно слабой чувствительности величины подвижности в электрон-примесном рассеянии возникают три новых к изменению степени упорядочения заряженных центров.

эффекта по сравнению с рассеянием на хаотической совокупности ионов (ХСИ). Во-первых, для фиксиро- Известно, что термомагнитные эффекты являются гованного значения NFe увеличение концентрации галлия раздо более тонкими индикаторами механизмов рассеNGa = N2+ приводит к уменьшению концентрации за- яния электронов, чем подвижность [5]. В работе [6] ряженных ионов N(Fe3+) = N1+ = N+ - N2+ и ро- показано, что в кристаллах HgSe : Fe при увеличении сту концентрации нейтральных в решетке ионов железа концентрации примесей железа происходит изменение N(Fe2+) = N0 = N(Fe) - N1+, поскольку в усло- характера рассеяния электронов, обусловленное возравиях ССВ полная концентрация заряженных центров станием степени пространственного упорядочения КСИ N+ = N1+ + N2+ = ne остается постоянной. Изменение Fe3+. При этом знак поперечного эффекта Нернста– соотношения между концентрациями N0 и N1+ приво- Эттингсгаузена (НЭ) при NFe 6 · 1018 cm-3 меняется дит к изменению степени порядка в коррелированной с отрицательного, характерного для рассеяния на КСИ системе ионов (КСИ) Fe3+. При N0 < N1+ степень Fe3+ в области слабых корреляций, на положительный, 1768 И.Г. Кулеев, А.Т. Лончаков, Г.Л. Штрапенин, И.Ю. Арапова Основные характеристики исследованных образцов NFe, cm-3 Номер образца NGa, 1018 cm-3 ne, 1018 cm-3 µ, 104 cm2/V · s (4.2 kOe) Q, 10-2CGSM T, K 1 0 4.8 5.1 2.1 -0.2 2 4.8 2.9 1.2 +1.5 · 1018 3 3 5.1 3.1 1.3 +1.4 10 12.4 1.1 0.46 -0.5 0 4.7 8.3 3.5 +2.6 1 4.8 8.45 3.5 +1.1 · 1019 7 2 4.7 8.1 3.4 +1.9 8 3 4.8 5.3 2.2 +0.9 10 12.4 1.2 0.51 -0.10 2 4.9 6.4 2.7 +2.2 · 1019 11 3 4.9 5.5 2.3 -0.4 12 5 5.9 1.6 0.67 -0.что соответствует сильным пространственным корреля- тот факт, что для образцов с NFe = 5 · 1018 cm-3 коэффициям в КСИ Fe3+. Поэтому представляло интерес экс- циент Q с ростом N2+ дважды меняет знак. Заметим, периментально исследовать зависимость коэффициента что возрастание Q и смену знака поперечного эффекта поперечного эффекта НЭ Q от концентрации галлия НЭ с ростом NFe на образцах HgSe : Fe в работе [6] на кристаллах HgSe : Fe,Ga с различным содержанием удалось количественно объяснить переходом от области железа. Это позволит определить характер влияния ХСИ слабых к области сильных кулоновских корреляций в галлия на пространственное упорядочение в КСИ Fe3+ и КСИ Fe3+. Поэтому экспериментально наблюдаемую получить важную информацию о механизмах рассеяния смену знака Q с отрицательного на положительный для электронов в этих соединениях. Далее приводятся ре- образов с NFe = 5·1018 cm-3 можно связать с ростом стезультаты измерений и количественный анализ зависимо- пени корреляций в системе ионов Fe3+ при увеличении стей Q(N2+) для кристаллов HgSe : Fe,Ga с различным содержания ХСИ Ga3+. При содержании ионов галлия содержанием примесей железа. N2+ 5 · 1018 cm-3 уровень Ферми расположен выше донорного уровня железа, и концентрация N1+ = 0, а N0 = NFe. Поэтому для образцов № 4, 9, 12 коэффици1. Результаты эксперимента ент Q имеет отрицательный знак, что характерно для рассеяния электронов на ХСИ Ga3+.

Измерения поперечного эффекта НЭ были проведены Следует отметить, что исследуемые образцы кроме на образцах HgSe : Fe,Ga с различными концентрациями примесей железа и галлия содержат неконтролируемые железа и галлия в магнитном поле H = 4.2kOe при собственные дефекты, которые могут приводить к опретемпературах от 10 до 15 K. Погрешность измерений деленному разбросу значений Q(N2+). Для серии величин Q не превышала 10%. Средние размеры образцов с NFe = 1 · 1019 cm-3 (образцы № 5–8) в образцов составляли 8.2 2.0 1.0 mm. Расстояние ме- области ССВ величина эффекта НЭ убывает с ростом жду температурными зондами варьировалось в пределах содержания галлия. Знак поперечного эффекта НЭ для 2.5–3 mm. Измеряемая разность температур составля- образов № 5–8 положительный, что свидетельствует о ла 5–10% от средней температуры образца. Основные преобладании рассеяния на КСИ Fe3+. Это утверждение характеристики исследованных образцов: концентрация относится и к образцу № 10 с NFe = 2 · 1019 cm-3.

электронов n, подвижность µ и значения параметра Отрицательный знак Q у образца № 11 связан, по( — циклотронная частота) — приведены в таблице.

видимому, с наличием собственных дефектов, концентраЗависимости концентраций электронов ne и ионов железа ция которых, согласно оценке по величине подвижности Fe2+ и Fe3+ от содержания Ga в кристаллах HgSe : Fe,Ga электронов µ [3], составляет (1-2) · 1018 cm-3. Таким приведены на рис. 1. Как видно из рис. 1, концентрация образом, суммарная концентрация ХСИ для данного электронов практически не изменяется в интервале со- образца превышает значение 4 · 1018 cm-3.

держания примесей галлия 0 < NGa < 3 · 1018 cm-3. Это Для объяснения столь необычного поведения Q(N2+) доказывает, что уровень Ферми в исследуемых образцах в кристаллах HgSe : Fe,Ga проанализируем сначала зазафиксирован на донорном уровне железа и на уровне висимость времени релаксации электронов от энергии.

Ферми образуется ССВ ионов железа.

Затем мы проведем расчет поперечного эффекта НЭ В таблице представлены значения коэффициента попе- с учетом рассеяния электронов на ХСИ Ga3+, КСИ речного эффекта НЭ Q для образцов с различным со- Fe3+, сплавном потенциале, а также эффекта увлечения держанием железа и галлия. Обращает на себя внимание электронов фононами.

Физика твердого тела, 1997, том 39, № Поперечный эффект Нернста–Эттингсгаузена в кристаллах HgSe : Fe,Ga, содержащих примеси... Рис. 1. Зависимости концентраций электронов ne и ионов железа N(Fe2+) и N(Fe3+) от содержания Ga в кристаллах HgSe : Fe,Ga для разных концентраций NFe. NFe (1019cm-3): a —0.5, b — 1. Точками обозначены экспериментальные данные.

2. Время релаксации электронов ми Fe2+. Максимальный выигрыш свободной энергии при упорядочении ионов Fe3+ обеспечивается тогда, в кристаллах HgSe : Fe,Ga когда близко расположенные d-дырки удаляются друг от друга [8], и вокруг каждого иона Fe3+ образуется Систему ионов в HgSe : Fe,Ga будем рассматривать корреляционная сфера радиуса rc, в которой нет других в соответствии с моделью, предложенной в [7], как бинарный сплав, состоящий из заряженных Fe3+, Ga3+ ионов Fe3+ (рис. 2). С ростом полной концентрации железа NFe увеличивается число свободных мест для и нейтральных в решетке ионов Fe2+. Релаксация перераспределения d-дырок, поэтому радиус корреляимпульса электронов обусловливается взаимодействием ционной сферы rc и степень пространственного упоряэлектронов с этими центрами. Взаимодействие элекдочения возрастают. Это позволяет аппроксимировать тронов с нейтральными центрами Fe2+ считается консистему ионов Fe3+ системой твердых сфер с диаметром тактным. При вычислении времени релаксации электроd = rc [7,8]. Как видно из рис. 2, при этой аппроксимации нов учитывается непараболичность зоны проводимости центры ионов Fe3+ не могут находиться ближе, чем HgSe в рамках двузонной модели Кейна с параметрами:

радиус корреляционной сферы. Степень упорядочения g = 0.22 eV и эффективной массой электрона на в такой системе характеризуется параметром упаковки дне зоны mn = 0.02m0, где m0 — масса свободного = d3N1+/6 = VcN1+/8, который равен отношению электрона.

объема, занятого твердыми сферами, к полному объему Для вычисления времени релаксации электронов () системы.

в кристаллах HgSe : Fe,Ga с учетом эффектов взаимноВведение в кристалл неупорядоченно расположенных го влияния механизмов рассеяния электронов на двух ионов галлия уменьшает объем корреляционной сферы.

типах заряженных доноров Fe3+ и Ga3+ воспользуемся Это уменьшение пропорционально вероятности найти методом, предложенным в работах [2,3]. Этот метод ион Ga3+ в объеме Vc в окрестности иона Fe3+. Для основан на варианте модели короткодействующих корпуассоновского распределения примеси галлия параметр реляций (МКК), предложенном в [7], который справедупаковки может быть определен из уравнения [3] лив для случая произвольных по величине кулоновских N2+ NFe корреляций ионов Fe3+–Fe3+. Такой подход позволил = L exp -p 1-exp -. (1) L N1+ L N1+ количественно объяснить зависимость µ(NFe) в широком интервале концентраций железа NFe [7]. Кулоновское отЗдесь L = 0.45 соответствует состоянию сильно корреталкивание между одноименными зарядами на примесях лированной кулоновской жидкости [7]. Параметр теории железа приводит к их пространственному упорядочению p введен потому, что процедура учета влияния ионов лишь в том случае, если на уровне Ферми образу- Ga3+ на степень упорядочения ионов Fe3+, описываемая ется ССВ. Такая ситуация реализуется в кристаллах уравнением (2), является приближенной. Значение параHgSe : Fe при NFe > N; в этом случае d-дырки могут метра p было определено из анализа экспериментальных перераспределяться по узлам решетки, занятым иона- зависимостей µ(NFe, N2+) в работе [3] и составляет 0.2.

Физика твердого тела, 1997, том 39, № 1770 И.Г. Кулеев, А.Т. Лончаков, Г.Л. Штрапенин, И.Ю. Арапова Рис. 2. Схема пространственного упорядочения ионов Fe3+ и Ga3+ в кристаллах HgSe : Fe (a) и HgSe : Fe,Ga (b). I и II — номера координационных сфер корреляционной функции g(R). Штриховая линия g(R) = 1 соответствует хаотическому распределению частиц.

При вычислении скорости релаксации импульса элек- Для пуассоновского распределения примесей паратронов в кристаллах HgSe : Fe,Ga необходимо учитывать метр определяется вероятностью того, что в коррепространственные корреляции ионов Fe3+ и Ga3+. Дело ляционном объеме Vc нет других (кроме рассматривав том, что ионы Ga3+ закреплены в узлах кристалли- емого) ионов галлия. Величина может быть выражена ческой решетки, а d-дырки (положительные заряды на через параметр упаковки ионах железа) в результате кулоновского отталкивания могут перераспределяться по позициям, занятым иона N2+ = exp -p. (3) ми Fe2+. Поэтому можно предположить [3], что за L N1+ счет кулоновского отталкивания d-дырок и ионов Ga3+ вокруг части ионов галлия N2+, расположенных на Разделение всей системы заряженных центров Fe3+ и расстояниях, больших радиуса rc, образуются корреля Ga3+ на две подсистемы КСИ с концентрацией Nc и ционные сферы, в которых нет других положительных ХСИ с концентрацией Nr позволяет исключить эффекты зарядов (рис. 2, b), и эти примеси Ga3+ рассеивают взаимного влияния и воспользоваться правилом Маттисэлектроны так же, как КСИ Fe3+. Остальные ионы сена для обратных времен релаксации электронов при Ga3+ с концентрацией Nr = (1 - )N2+, находящиеся рассеянии на двух типах заряженных примесей. Поэтому на расстояниях, меньших rc, рассеивают электроны как выражение для обратного времени релаксации электронеупорядоченная совокупность заряженных центров (по нов можно представить в виде суммы трех вкладов, Бруксу–Херрингу), т. е.

обусловленных рассеянием на КСИ, ХСИ и на сплавном N+ =N1+ + N2+ =Nc + Nr, Nc =N1+ + N2+. (2) потенциале. Оно получается аналогично тому, как это Физика твердого тела, 1997, том 39, № Поперечный эффект Нернста–Эттингсгаузена в кристаллах HgSe : Fe,Ga, содержащих примеси... сделано в работах [3,6,7]:

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.