WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 2 Особенности перехода проводимости металл–диэлектрик в узкощелевых полупроводниках структурного типа MgAgAs © В.А. Ромака, Ю.В. Стаднык,¶, М.Г. Шеляпина+, Д. Фрушарт‡, В.Ф. Чекурин, Л.П. Ромака, Ю.К. Гореленко Институт прикладных проблем математики и механики им. Я. Пидстрыгача Национальной академии наук Украины, 79053 Львов, Украина Львовский национальный университет им. И. Франко, 79005 Львов, Украина + Институт физики им. И.В. Фока Санкт-Петербургского государственного университета, 198504 Санкт-Петербург, Россия ‡ Лаборатория кристаллографии Национального центра научных исследований, 38042 Гренобль, Франция (Получена 2 марта 2005 г. Принята к печати 18 апреля 2005 г.) Определена роль примесной акцепторной зоны в проводимости легированного и компенсированного полупроводника ZrNiSn. Предложена модель перестройки примесной зоны при легировании полупроводника акцепторными примесями. Рассчитана электронная структура твердого раствора Zr1-x Scx NiSn. Впервые выявлены осцилляции магнитной восприимчивости вблизи перехода диэлектрик–металл при изменении состава Zr1-x Scx NiSn, который мы связываем с переходом Андерсона. Наблюдаемые осцилляции являются проявлением кулоновской щели примесной зоны при изменении степени легирования и компенсации полупроводника.

PACS: 71.30.+n, 71.28.+d, 72.20.Pa, 72.20.-i, 75.20.-g 1. Введение восприимчивости n-ZrNiSn при легировании акцепторными примесями различных концентраций (NA) путем В предлагаемой работе мы продолжим изучение вли- замены Zr (4d25s2) на Sc (3d14s2) в кристаллической яния примесей на кинетические характеристики интер- структуре соединения ZrNiSn и создания твердого расметаллических соединений структурного типа MgAgAs, твора замещения Zr1-xScxNiSn. При этом концентрав частности узкощелевых полупроводников MeNiSn ция акцепторов изменялась от NA = 3.5 · 1020 см-3 при (Me = Ti, Zr, Hf), которые сегодня являются одними x = 0.02 до NA = 5.3 · 1021 см-3 при x = 0.3.

из наиболее перспективных и исследуемых термоэлек- Можно предположить, что в зонной структуре сильтрических материалов [1–5], а также проследим за но легированного и компенсированного полупроводдинамикой изменения электронной структуры ZrNiSn ника, кроме разупорядочений, вызванных особеннопри легировании акцепторными примесями.

стями кристаллической структуры [15], существенПервые исследования по изучению структурных, элек- ным должно быть разупорядочение, вызванное круптрических, оптических, гальваномагнитных свойств и номасштабными флуктуациями заряженных примесей удельной теплоемкости соединений MeNiSn зафиксиро- (1019-1021 см-3) [16]. Разупорядочение независимо от вали появление нового класса узкощелевых полупровод- природы приводит к появлению как в запрещенной ников с Eg 0.12-0.3эВ [6–9]. зоне, так и в зоне непрерывных энергий локализованВ работе [10] предложена модель зонной структуры ных состояний, разделенных порогом подвижности, что полупроводника ZrNiSn. Уже ранние эксперименталь- также должно существенно влиять на явления переноные и теоретические исследования соединений MeNiSn са [17].

показали их перспективность как термоэлектрических материалов. Эмпирическим путем было установлено, 2. Методика эксперимента что значения коэффициента термоэдс для твердых растворов замещения значительно превосходят значения Образцы твердых растворов Zr1-xScxNiSn были полукоэффициента для базовых соединений [11–14]. Однако чены методом электродуговой плавки исходных компообъяснений этого экспериментального факта авторы не нентов на медном водоохлаждаемом поде в атмосфере предлагают. Именно это определило направление наших очищенного аргона. Далее сплавы подвергались гомогеисследований — изучение влияния легирования MeNiSn низирующему отжигу при 1070 K на протяжении 720 ч в акцепторными и донорными примесями различных конвакуумированных кварцевых ампулах. Рентгеновский фацентраций и разными способами.

зовый анализ проводился на дифрактометрах ДРОН-2.Предлагаемая работа посвящена изучению поведения (FeK-излучение) и HZG-4A (CuK-излучение). Расэлектропроводности, коэффициента Зеебека, магнитной чет параметров решетки и уточнение кристаллической ¶ E-mail: stadnyk_yuriy@franko.lviv.ua структуры осуществлялись при помощи комплекса проОсобенности перехода проводимости металл–диэлектрик в узкощелевых полупроводниках... Рис. 1. Распределение плотности состояний для каждого из компонентов и суммарное распределение для твердого раствора Zr1-x Scx NiSn.

грамм CSD [18]. Рентгеновский фазовый анализ под- в области температур 80–380 K. Расчет электронной твердил, что все исследуемые образцы Zr1-xScxNiSn c структуры Zr1-xScxNiSn осуществлялся методом ККР x = 0-0.3 являются однофазными и кристаллизируются (функций Грина) в приближении когерентного потенцив структурном типе MgAgAs (кубическая сингония, про- ала [19].

странственная группа F43m). Расчеты кристаллической структуры для фаз Zr0.98Sc0.02NiSn и Zr0.92Sc0.08NiSn 3. Расчет электронной структуры показали, что распределение атомов в исследуемых образцах соответствует структурному типу MgAgAs, твердого раствора Zr1-xScxNiSn 3 3 в котором положения 4(d) статистически заняты 4 4 атомами Zr + Sc [15]. Удельное сопротивление, коэф- На рис. 1 приведены результаты расчетов электронной фициент Зеебека S по отношению к меди и магнитная плотности отдельно для каждого из компонентов твервосприимчивость (метод Фарадея) были измерены дых растворов Zr1-xScxNiSn и суммарное распределение Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 138 В.А. Ромака, Ю.В. Стаднык, М.Г. Шеляпина, Д. Фрушарт, В.Ф. Чекурин, Л.П. Ромака, Ю.К. Гореленко на уровне Ферми определяется d-электронами Zr с существенным вкладом d-состояний Sc. С увеличением NA существенным становится вклад d-электронов Ni.

4. Экспериментальные исследования Zr1-xScxNiSn Зависимости (1/T ) (рис. 3) для образцов с x 0.являются типичными для полупроводников и на них присутствуют активационные участки. Для x > 0.15 активационные участки исчезают и зависимости приобретают металлический характер. В исследуемом интервале температур коэффициент Зеебека изменяется квазилинейно [11]. Зависимость S(T) в n-ZrNiSn квазилинейна даже в интервале 1.8–20 K, где проводимость полупроводника -1/ T и имеет место прыжковая проводимость с переменной длиной прыжка [10].

Легирование n-ZrNiSn акцепторными примесями с NA, превышающей концентрацию неконтролированных донорных примесей (при условии ионизации акцепторов и доноров), должно привести к перекомпенсации Рис. 2. Зависимости проводимости (1), коэффициента полупроводника с n- на p-тип проводимости. Переход от Зеебека S (2) и расчетной плотности состояний на уровне электронного к дырочному типу проводимости с измеФерми (3) от состава твердого раствора Zr1-x ScxNiSn при 80 K. нением состава полупроводникового твердого раствора Zr1-xScx NiSn, а также резкое увеличение проводимости (x) при x > 0.10 мы связываем с появлением и ростом концентрации свободных дырок, определяющих проводля разных значений x. Видно, что Zr1-xScxNiSn являдимость полупроводника для этих составов (см. рис. 2, ется узкощелевым полупроводником и Eg практически кривая 1).

не зависит от состава. Этот вывод согласуется как Исследования температурных зависимостей магнитс результатами экспериментов [2–14], так и расчетов ной воспримичивости для образцов различных составов методом псевдопотенциала [20,21]. Проводимость потвердого раствора Zr1-xScxNiSn призваны были подтверлупроводника при этом должна носить активационный дить этот вывод. Приведенная на рис. 4 зависимость характер. Замена Zr на Sc, не изменяя наблюдаемые магнитной восприимчивости от состава (x) для тверформы распределения электронной плотности, приводит дого раствора Zr1-xScx NiSn при 80 K подтвердила наши к дрейфу уровня Ферми EF в направлении валентной предположения об определяющей роли свободных дырок зоны (EV ). При x = 0.5 уровень Ферми находится в вав проводимости Zr1-xScxNiSn для x > 0.15. Поведение лентной зоне. При этом проводимость полупроводника (x) для x < 0.15 оказалось неожиданным (исследуемые будет носить металлический характер и определяться образцы — парамагнетики Паули).

свободными дырками валентной зоны. Таким образом, Осциллирующий характер зависимости (x) в области реализуется переход от активационной проводимости к концентраций x 0.15 отображает динамику перестройметаллической.

ки примесной акцепторной зоны в результате изменения Для получения более рельефной картины дрейфа как степени компенсации, так и размеров зоны и ее уровня Ферми сначала в направлении валентной зоны, положения по отношению к вершинам зон непрерывных а затем, начиная с некоторых концентраций акцепторэнергий мы также наблюдали осциллирующее поведение ных примесей, в валентной зоне мы провели расчет (x) в области промежуточных концентраций в полупроэлектронной структуры для гипотетического соединения водниковом твердом растворе Ti1-xScxNiSn.

ScNiSn со структурой типа MgAgAs (в действительноРезкое увеличение (x) при изменении состава сти, соединение ScNiSn кристаллизуется в структурном Zr1-xScx NiSn от x = 0 до x = 0.02 очевидно и связано типе TiNiSn — ромбическая сингония, пространственная с ростом плотности состояний на уровне Ферми, фиксигруппа Pnma). Видно, что энергетической щели межрованном примесной зоной, поскольку степень легироду EF и EV не наблюдается, а уровень Ферми фиксирован вания полупроводника акцепторной примесью является на пике плотности валентных d-электронов.

достаточной (NA = 3.5 · 1020 см-3) для перекомпенсации Расчет плотности состояний на уровне Ферми N(EF) полупроводника с n- на p-тип проводимости.

свидетельствует (рис. 2, кривая 3), что для малых кон- Из активационных участков зависимостей (1/T ) поцентраций акцепторных примесей плотность состояний лучены значения энергий, которые мы связываем с Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. Особенности перехода проводимости металл–диэлектрик в узкощелевых полупроводниках... центраций, где (x) спадает к своему второму минимуму. Можно предположить, что в этом концентрационном интервале акцепторная зона соприкасается с валентной зоной, но уровень Ферми фиксирован порогом подвижности EV на минимуме плотности состояний. Наконец, при составах x > 0.15 (1 не наблюдается) рост зависимости (x) связан с увеличением концентрации свободных дырок и плотности состояний на уровне Ферми ниже EV.

Исходя из изложенного выше мы предлагаем модель перестройки примесной зоны полупроводникового твердого раствора Zr1-xScxNiSn, легированного акцепторными примесями различных концентраций (рис. 5).

Известно, если порог подвижности EV расположен ниже уровня Ферми EF, то переход Андерсона наступает тогда, когда состав твердого раствора изменится таким образом, что величина EV - EF = E сменит знак [17].

Сопоставив представленные данные с результатами работ [6–10], можем сделать три важных вывода:

а) при низких температурах n-Zr1-xScx NiSn (x = 0) является компенсированным полупроводником, проводимость носит прыжковый характер с переменной длиной прыжка, уровень Ферми EF фиксирован в донорной зоне, расположенной в запрещенной зоне и EV - EF < 0;

б) при низких температурах проводимость p-Zr1-xScxNiSn (0.01 < x < 0.15) носит активационный характер;

Рис. 3. Температурные зависимости удельного сопротивления в) проводимость p-Zr1-xScxNiSn при x > 0.15 опредетвердого раствора Zr1-x Scx NiSn для различных значений x:

1 — 0.02, 2 — 0.05, 3 — 0.15, 4 — 0.20, 5 — 0.30. ляют свободные дырки, уровень Ферми располагается глубоко в валентной зоне и EV - EF > 0.

Таким образом, наблюдаемые осцилляции магнитной восприимчивости вблизи перехода проводимости активацией дырок как в делокализованные состояния металл–диэлектрик, который мы связываем с переходом валентной зоны (1), так и на порог подвижности (2) — Андерсона, связаны с проявлением кулоновской щели с прыжками между состояниями по разные стороны от примесной зоны легированного и компенсированного уровня Ферми, расположенного на минимуме плотности полупроводника при прохождении уровня Ферми через состояний, в кулоновской щели, разделяющей занятые и свободные состояния примесной зоны.

Как следует из рис. 4, при x > 0.08 активация исчезает. Область спада 2(x) соответствует первому минимуму осцилляции (x). Уменьшение 2(x) мы связываем с движением уровня Ферми из вершины примесной акцепторной зоны в сторону валентной зоны (случай сильной компенсации полупроводника p-типа) ко дну примесной зоны (случай слабой компенсации) при увеличении концентрации акцепторной примеси NA. Можно предположить, что в этой области концентраций кулоновская щель исчезает из-за заполнения всех состояний примесной зоны, а уровень Ферми располагается на дне примесной зоны (в минимуме плотности состояний).

Энергия активации 1 линейно уменьшается от x = 0.02 до x = 0.08 (рис. 4, кривая 2). Уменьшение 1(x) в этой области концентраций имеет ту же природу, что и уменьшение 2(x), и связано с движением уровня Рис. 4. Зависимости магнитной восприимчивости (1), Ферми в сторону валентной зоны при увеличении NA.

энергий активации 1 (2) и 2 (3) от состава твердого раствора Значения 2 практически не изменяются в области кон- при 80 K.

Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 140 В.А. Ромака, Ю.В. Стаднык, М.Г. Шеляпина, Д. Фрушарт, В.Ф. Чекурин, Л.П. Ромака, Ю.К. Гореленко Список литературы [1] S.J. Poon. Adv. Phys., 41, 303 (1992).

[2] M.A. Kouacou, J. Pierre, R.V. Skolozdra. J. Phys. B: Condens.

Matter, 7, 7373 (1995).

[3] H. Hohl, A.P. Ramirez, C. Goldmann, G. Ernst, B. Wolfing, E. Buchert. J. Phys. B: Condens. Matter, 11, 1697 (1999).

[4] C. Uher, J. Yang, S. Hu, D.T. Morelli, G.P. Meisner. Phys. Rev.

59, 8615 (1999).

[5] J. Tobola, J. Pierre, S. Kaprzyk, R.V. Skolozdra, M.A. Kouacou. J. Phys.: Condens. Matter, 10, 1013 (1998).

[6] Ф.Г. Алиев, Н.Б. Брандт, В.В. Козырьков, В.В. Мощалков, Р.В. Сколоздра, Ю.В. Стаднык. Письма ЖЭТФ, 45, (1987).

[7] Ф.Г. Алиев, Н.Б. Брандт, В.В. Козырьков, В.В. Мощалков, Р.В. Сколоздра, Ю.В. Стаднык. Физика низких температур, 12, 498 (1987).

[8] Ф.Г. Алиев, Н.Б. Брандт, В.В. Козырьков, В.В. Мощалков, Р.В. Сколоздра, Ю.В. Стаднык. Письма ЖЭТФ, 47, (1988).

[9] F.G. Aliev, N.B. Brandt, V.V. Kozyrkov, V.V. Moshchalkov, V.V. Kozyrkov, R.V. Skolozdra, A.I. Belogorokhov. J. Phys. B:

Condens. Matter, 75, 167 (1989).

[10] F.G. Aliev, V.V. Kozyrkov, V.V. Moshchalkov, R.V. Skolozdra, K. Durczewski. J. Phys. B: Condens. Matter, 80, 353 (1990).

[11] A. Horyn, O. Bodak, L. Romaka, Yu. Gorelenko, A. Tkachuk.

V. Davydov, Yu. Stadnyk. J. Alloys Comp., 363, 10 (2004).

[12] K. Kaczmarska, J. Pierre, J. Tobola, R.V. Skolozdra. Phys. Rev.

B, 60, 373 (1999).

[13] Y. Kawaharada, K. Kurosaki, H. Muta, M. Uno, S. Ymanaka.

J. Alloys Comp., 384, 308 (2004).

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.