WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. 2 Аномалии статической и динамической проводимости моноселенида индия ¶ © Г.В. Лашкарев, А.И. Дмитриев, А.А. Байда, З.Д. Ковалюк, М.В. Кондрин, А.А. Пронин Институт проблем материаловедения им. Францевича Национальной академии наук Украины, 03142 Киев, Украина Институт общей физики Российской академии наук, 117942 Москва, Россия (Получена 18 апреля 2002 г. Принята к печати 24 апреля 2002 г.) Представлены результаты исследований статической и высокочастотной проводимости монокристалла InSe в интервале температур 4.2–300 K. Измерения проводились при скорости изменения температуры 0.2—0.8 K/мин и при токах через образец до 10 мкА. Такие условия позволяют формироваться новым состояниям при фазовых превращениях и изменению размерности газа носителей. Возникающие при этом волны зарядовой плотности не проскальзывают в кристалле под действием электрического поля. Установлено существенное различие свойств монокристалла InSe в статическом и динамическом режимах.

1. Введение 6) влияние сверхпроводящих преципитатов свинца на переход от 2D к 3D проводимости при T < Tc [12];

Моноселенид индия InSe является ярким представите7) появление N-образных участков на вольт-амперлем полупроводников AIIIBV. Он имеет слоистую струкных характеристиках (ВАХ), что свойственно двутуру, где каждый слой, перпендикулярный оси c кристалмерным структурам, обладающим свойствами сверхла, содержит группу атомных плоскостей Se–In–In–Se, решеток;

характеризующихся сильными ковалентными связями.

8) подавление N-образности ВАХ для случая InSe, Напротив, соседние слои связаны более слабыми силами интеркалированного свинцом при T < Tc;

Ван дер Ваальса, являющимися причиной характерных 9) изменение знака MC с отрицательного на поломеханических свойств этих кристаллов — легкой скалыжительный при освещении образца [3];

ваемостью их в плоскости слоев. Энергия образования дефектов кристаллической решетки InSe имеет величи- 10) наблюдение перехода моттовского типа полупрону, допускающую возможность создания значительной водник–металл при приложении квазигидростатическоконцентрации электронов, например путем самоинтер- го давления за свет увеличения перекрытия волновых калирования индием, в отличие от других полупроводни- функций соседних электронов [13].

ков AIIIBV, где генерируются дефекты, компенсирующие Таким образом, обратимый переход от 2D к 3D провводимые электроактивные примеси.

водимости можно осуществить путем повышения темпеФизические свойства InSe достаточно полно изучены ратуры, интеркалированием сверхпроводником (способв ряде работ [1–9]. В результате выполненных иссленым образовывать преципитаты), освещением (с энердований были получены следующие надежные доказагией кванта, превышающей глубину залегания 2D локательства двумерной локализации электронного газа при лизованного состояния под уровнем 3D протекания) и низких температурах [1,3]:

давлением, смещающим локализованное 2D состояние в 1) существование участков на зависимости магниконтинуум проводимости.

тосопротивления (МС) от магнитного поля, где МС Двумерный характер электронного газа в InSe связан пропорционально ln H в магнитном поле при H c, что с двумя обстоятельствами:

соответствует представлениям теории [10];

1) анизотропией химической связи кристаллической 2) возможность наблюдения квантовых осцилляций решетки с масштабом ее периода;

до определенных максимальных углов наклона вектора магнитного поля относительно оси c; 2) наличием плоских протяженных дефектов, являю3) независимость частоты осцилляций Шубникова– щихся потенциальными барьерами для электронов с расде-Гааза от величины компоненты магнитного поля, пер- стоянием между ними 1мкм [14] или 500 периодов пендикулярной плоскости слоев, цилиндрическая форма кристаллической решетки.

поверхности Ферми [11];

Последнее обстоятельство вызывает падение проводи4) высокое значение коэффициента анизотропии промости кристалла, когда длина пробега электрона в наводимости, достигающего значений K = 103-105;

правлении оси c при уменьшении частоты приложенного 5) уменьшение величины K в температурной облаэлектрического поля становится сравнимой с расстоясти перехода от двумерной (2D) к трехмерной (3D) нием между барьерами. Плоские дефекты могут также проводимости (9-18 K);

объяснить большие значения коэффициента анизотропии ¶ E-mail: lask@ips.kiev.ua проводимости.

2 146 Г.В. Лашкарев, А.И. Дмитриев, А.А. Байда, З.Д. Ковалюк, М.В. Кондрин, А.А. Пронин Однако, по нашему мнению, естественная анизотро- Строгое доказательство реализации СФПП может пия химической связи может самостоятельно и непроти- быть получено путем структурного анализа. Последний воречиво объяснить все особенности свойств InSe. крайне затруднен в связи с малостью смещения позиций В работе [4], а впоследствии в [5] нами была выдви- атомов от положения равновесия, необходимостью длинута гипотеза, объясняющая ряд аномальных свойств тельной экспозиции с поддержанием образца в условиях селенида индия, таких как: фиксированной низкой температуры.

1) необычная зависимость электропроводности от Учитывая все перечисленные соображения, нами была температуры; поставлена задача исследования статической и высо2) особенности температурных зависимостей термо- кочастотной проводимости моноселенида индия в интервале температур 4.2–300 K. Для выявления особенэдс;

ностей электропроводности, связанной с образованием 3) появление узкой щели при понижении температуры ВЗП, измерения проводились при скорости изменения и ее зависимость от величины тока через образец;

4) изменение знака коэффициента линейного расши- температуры 0.2–0.8 K/мин и при токах через образец до 10 мкА. Такие условия были выбраны с той целью, рения на отрицательный при понижении температуры;

5) изменение производной температурной зависимо- чтобы возникающая в результате ФП фаза окончательно сформировалась, а ВЗП не проскальзывала в кристалле сти частоты ядерного квадрупольного резонанса.

под действием электрического поля.

Эта гипотеза заключается в реализации в слоистом кристалле InSe при температуре ниже 80–100 K структурного фазового перехода Пайерлса с образованием 2. Образцы и техника эксперимента волн зарядовой плотности.

Образование волн зарядовой плотности (ВЗП) при Для исследования были выбраны образцы -политипа, структурном фазовом переходе Пайерлса (СФПП) и их в элементарной ячейке которого содержится один слой влияние на свойства слоистых дихалькогенидов переходInSe [1]. Структура кристалла контролировалась рентных металлов с металлическим характером проводимогенографически и по спектрам комбинационного рассти, а также в анизотропном полуметаллическом оксиде сеяния света. Измерения статической проводимости Mo4O11 изучено в работах [15–18].

на постоянном токе были выполнены по стандартной Наблюдение эффектов, связанных с образованием четырехзондовой схеме. Для изготовления омических ВЗП при СФПП, в InSe затруднено в связи с низкой контактов были использованы различные технологии:

концентрацией свободных носителей тока в отличие нанесение токопроводящих паст различного состава и от металлоподобных дихалькогенидов. Тем не менее вплавление индия на свежесколотую поверхность. Реперечисленные выше аномалии InSe, как исследованные зультаты измерений и не зависели от спосонами, так и обнаруженные в других работах, свидетельба изготовления контакта. Динамическая проводимость ствуют о возможности СФПП в этом кристалле.

() и () в диапазоне = 1-500 МГц измерялась с Перестройка электронного и фононного спектров InSe помощью анализатора импеданса HP4191A, для подсопри СФПП должна неизбежно приводить к перестройединения образца в криостате использовался высокочаке пространственного распределения и энергетического стотный кабель. Компенсация электрической длины каспектра примесей и дефектов в кристалле. Поскольбеля осуществлялась аппаратно с помощью встроенных ку указанная перестройка осуществляется во времени, средств анализатора и путем программной обработки необходимом для протекания диффузионных процессов, данных, позволяющей более точно учесть паразитный при медленном изменении температуры при условии вклад от кабеля. Для исследования проводимости () СФПП следует ожидать проявления гистерезисных явлев диапазоне частот 100 ГГц была использована кваний при понижении и повышении температуры. Наличие зиоптическая методика [6]. Ток протекал через образец ван-дер-ваальсовых щелей, в которые при определенных в плоскости скола.

условиях смещаются примеси и дефекты, может быть причиной образования новых модификаций периодиче3. Экспериментальные результаты ских структур на основе слоистого кристалла InSe. Это в свою очередь способно приводить к новым множествен3.1. Статический режим ным фазовым переходам (ФП) с новыми критическими температурами.

3.1.1. Низкие скорости изменения температуКроме того, возможные неоднородности кристалла на ры. Исследование зависимости удельного сопротивлемикроуровне могут быть причиной того, что отдельные ния от тока через образец (рис. 1) показало, что его его части испытывают ФП при различных температурах сопротивление падает в 6 раз при возрастании тока и таким образом приводят к множественным ФП. от 0.6 до 4 мкА, а далее — до 10 мкА — снижается Обнаруженное нами ранее явление подавления ре- всего в 1.3 раза. Имеет место тенденция к насыщению жима ВЗП при увеличении электрического тока через зависимости.

кристалл, сопровождаемое захлопыванием щели, возни- Выдержка при фиксированном токе через образец кающей при СФПП, также должно оказывать влияние на приводит к существенному понижению удельного сопроявление ВЗП в различных условиях. противления. Такая нестабильность величины (16%) Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. Аномалии статической и динамической проводимости моноселенида индия наиболее ярко выражена при минимальном токе. При 10 мкА изменение составляет 10%.

При охлаждении и нагревании образца в интервале 9-130 K со скоростью (0.2-0.8) K/мин и при токе Рис. 1. Зависимость удельного сопротивления от тока I через образец монокристалла InSe при T = 4.2K. Точки по- Рис. 3. Зависимость удельного сопротивления от темпеказывают разброс величины при фиксированном значении ратуры при токе I = 1 мкА, при медленном нагреве после тока через образец.

предварительного охлаждения образца.

через образец I = 10 мкА обнаружены скачки (рис. 2) в области 150 K (охлаждение), различающиеся по температуре в зависимости от направления ее изменения (200 K при нагреве). Зависимость (T ) описывает петлю гистерезиса с максимальным размахом 50% или более чем на 600 Ом · см.

Температурная зависимость электропроводности при более низком токе в I = 1 мкА значительно сложнее.

На рис. 3 представлена зависимость (T ) при низкой скорости нагрева после предварительного охлаждения образца. Видны скачкообразные изменения сопротивления при 15, 20, 45, 70 и 150 K (последняя особенность наблюдалась и при токе 10 мкА). Особенно большое изменение достигает 3000 Ом · см при 45 K.

3.1.2. Высокие скорости изменения температуры. Рассмотрим температурные зависимости действительной части проводимости. Проводимость поперек слоев в области 150 < T < 300 K убывает при понижении температуры. В диапазоне 50 T 150 K наблюдается тенденция к насыщению (T ), а для T < 50 K спадание при уменьшении T вновь увеличивается. Дальнейшее снижение температуры сопровождается Рис. 2. Циклическое изменение удельного сопротивления выходом зависимости (T ) на насыщение на уровне в зависимости от температуры при охлаждении (1) и нагре(6-7) · 10-7 (Ом · см)-1 при T 10-20 K. Отметим, что вании (2) образца InSe для фиксированной величины тока качественно аналогичный характер имеет температурная I = 10 мкА.

2 Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. 148 Г.В. Лашкарев, А.И. Дмитриев, А.А. Байда, З.Д. Ковалюк, М.В. Кондрин, А.А. Пронин зависимость при частоте = 100 МГц, хотя крутизна изменения оказывается существенно меньше по сравнению со случаем = 0 (рис. 4, кривые 1, 1 ).

Более сложный характер имеет температурная зависимость проводимости вдоль слоев. Так же как и, при T > 150 K ( = 0) возрастает с температурой, в области T 150 K на кривой (T ) при = 0 наблюдается минимум, уменьшение температуры в интервале 50 T 150 K приводит к росту в 4 раза, а при T 50 проводимость вновь начинает резко уменьшаться при понижении температуры и при T = 4.2 K оказывается приблизительно в 30 раз меньше по сравнению с величиной при T 50 K. Интересно, что в области 50 T 150 K на зависимости (T ) наблюдаются флуктуации на уровне / 10-20%.

3.2. Динамический режим Рис. 5. Особенности поведения при циклическом изменеРезультаты измерений температурных зависимостей нии температуры и измерении на частоте 100 МГц.

действительной части проводимости для различных частот и ориентаций электрического поля суммированы на рис. 4. Найдено, что проводимость как вдоль, так и поперек слоев, существенно зависит от частоты, причем Особенности зависимостей (T) при = 0 выражев обоих случаях проводимость с увеличением частоты ны существенно слабее в случае = 100 МГц и при увеличивается вплоть до 100 ГГц. Видно, что для T 50 K скорость убывания (T ) при = 100 МГц и в интервале 0 < <100 МГц проводимость оказывается существенно меньше, чем в случае = (рис. 4). Однако и для динамической проводимости возрастает в 30–100 раз, а наиболее сильное изменение температурная область 50 T 150 K оказывается проводимости наблюдается при гелиевых температурах аномальной (рис. 5). В данном температурном интер(100 МГц)/(0) 180 и (100 МГц)/ (0) 250.

вале как для действительной части, так и мнимой проводимости наблюдается сильный температурный гистерезис, а воспроизводимость данных (T ) и (T ) достигается лишь при T 50 K и T 250 K (рис. 5).

В области частот 120 ГГц проводимость вдоль слоев, измеренная квазиоптическим методом, демонстрирует максимум в области 50 T 150 K и выход на насыщение при T 50 K (рис. 4). Отметим, что для T 150 K в отличие от измерений на частотах 100 МГц и 0 величина (T ) при 120 ГГц увеличивается при понижении температуры (рис. 4).

4. Обсуждение результатов Рассмотренные в предыдущем пункте частотные и температурные зависимости проводимости InSe являются весьма необычными. Прежде всего отметим наличие сильной частотной дисперсии проводимости, в том числе и при гелиевых температурах, где электронный газ в InSe двумерен и вырожден. Однако для вырожденного электронного газа при <100 ГГц должна, Рис. 4. Результаты измерений температурных зависимово-первых, слабо зависеть от частоты и, во-вторых, стей действительной части проводимости InSe для криуменьшаться с частотой, а не увеличиваться, как это сталлографических направлений: 1, 1 — поперек слоев ;

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.