WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. 2 Примесные состояния олова в твердых растворах Bi2Te3-xSex (x = 0.06, 0.12) + © М.К. Житинская, С.А. Немов, Т.Е. Свечникова, Е. Мюллер Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, 195251 Санкт-Петербург, Россия Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук, Москва, Россия + Немецкий аэрокосмический центр, Институт исследования материалов, D-51170 Кельн, Германия (Получена 19 мая 2003 г. Принята к печати 21 мая 2003 г.) В твердых растворах Bi2Te3-xSex (x = 0.06, 0.12), легированных оловом, исследованы удельная электропроводность 11, коэффициенты Зеебека S11, Холла R321 и Нернста–Эттингсгаузена Q123 в диапазоне 77-400 K, а также однородность кристаллов с помощью микротермозонда при комнатной температуре.

На температурных зависимостях кинетических коэффициентов наблюдаются особенности, характерные для резонансных состояний. Эти данные свидетельствуют в пользу существования примесных состояний Sn, расположенных на фоне валентной зоны. Для кристаллов твердых растворов с уровнем Ферми, стабилизированным на энергетическом уровне примесных состояний Sn, наблюдается повышенная электрическая однородность и улучшенное распределение компонентов по объему.

1. Введение 2. Методика эксперимента Монокристаллы были выращены методом ЧохральТвердые растворы Bi2Te3-x Sex являются эффективского с подпиткой жидкой фазой из плавающего тигными материалами для термоэлементов. Эти соедиля [6]. Поскольку Bi2Te3 и твердые растворы на его оснонения принадлежат к кристаллам тригональной синве — соединения со сложной кристаллической структугонии и обладают сильной анизотропией физических рой, были разработаны специальные приемы, касающисвойств. В реальных условиях выращивания даже лучеся выбора параметров выращивания (скорость вытягишие монокристаллы этого соединения имеют значительвания, затравка и плавильный тигль, скорость вращения, ное количество неоднородностей, наличие которых снитемпературный градиент у фронта кристаллизации), для жает технические характеристики термоэлектрических того чтобы обеспечить получение совершенных криустройств. Поэтому поиск новых возможностей повысталлов. Монокристаллы были выращены в направлешения однородности кристаллов с целью улучшения нии [1010], перпендикулярном главной кристаллографиих термоэлектрических свойств является актуальной ческой оси C3. Начальная шихта была приготовлена задачей.

из Bi, Te и Sn с чистотой 99.9999%. Состав образцов Нетрадиционным, новым направлением улучшения описывался химической формулой Bi2-ySny Te3-x Sex, термоэлектрических характеристик является использогде x = 0.06 и 0.12; y = 0 и 0.01 (y = 0.01 соответвание необычных свойств кристаллов с резонансными ствует концентрации атомов 6 · 1019 см-3). Содержасостояниями Sn в валентной зоне Bi2Te3. Резонансные ние олова определялось методом плазменной атомносостояния Sn, как показано в работах [1–5], в значительабсорбционной спектроскопии. Для измерений электроной мере модифицируют электрофизические свойства физических свойств образцы были вырезаны на раскристаллов Bi2Te3. В частности, в работе [5] сообщалось стоянии 70-90 мм от конца слитка. Совершенство моо том, что наличие подобных состояний повышает нокристаллов контролировалось методом рентгеновской электрическую однородность кристаллов. Однако для дифракционной топографии.

практического использования необходимо изучить влияИзмерялись независимые компоненты кинетических ние атомов Sn на термоэлектрические свойства твердых тензоров: электропроводности 11, термоэдс S11, коэфрастворов на основе Bi2Te3.

фициентов Холла R321 и Нернста–Эттингсгаузена Q123.

В настоящей работе представлены результаты исслеОсь 3 в этих обозначениях соответствует направлению дования влияния атомов олова на физические свойтригональной оси C3 кристалла. Индексы при коэффиства монокристаллов твердых растворов p-Bi2Te3-xSex.

циентах соответствуют в порядке их расположения: перИзучены кинетические коэффициенты: удельной элек- вый — направлению измеряемого электрического поля, тропроводности 11, Зеебека S11, Холла R321 и второй — направлению электрического тока или градиНернста–Эттингсгаузена Q123 в диапазоне температур ента температуры, третий — направлению магнитного 77-400 K, а также распределение коэффициента тер- поля. При исследовании эффектов Холла и Нернста– моэдс с помощью микротермозонда по поверхности Эттингсгаузена мы использовали методики, позволяюкристаллов. щие свести к минимуму влияние паразитных неизоПримесные состояния олова в твердых растворах Bi2Te3-xSex (x = 0.06, 0.12) термических составляющих эффектов, которые могут составлять значительную долю от общего измеряемого эффекта в термоэлектрических материалах.

Известно, что коэффициент термоэдс является чувствительным к флуктуациям концентрации носителей тока. Поэтому по величине микротермоэдс, измеренной во многих точках поверхности кристалла, можно судить о характере пространственного распределения носителей тока. Распределение термоэдс по поверхности монокристаллов Bi2-ySny Te3-xSex было исследовано микрозондовым методом, описанным в работе [7]. В этом методе используется разность температур 3-5K. Относительная погрешность измерений термоэдс меньше 1%.

Метод измерений локального коэффициента Зеебека с помощью сканирующего термозонда был развит как метод для регистрации и характеристики распределения электрически активных компонент в полупроводниковых соединениях AVBVI. Основными преимуществами этой техники являются простота условий измерения и высокое разрешение.

3. Результаты и их обсуждение Из полученных экспериментальных данных по явлениям переноса видно, что легирование твердых растворов Bi2-ySny Te3-x Sex атомами олова приводит не только к изменению численных значений всех кинетических коэффициентов, но и изменяет характер их температурных зависимостей (рис. 1, a–d). Наблюдаются следующие особенности электрофизических свойств кристаллов.

1. Температурные зависимости коэффициента Холла R321 (рис. 1, b) изменяются от „обычных“ для нелегированных твердых растворов (кривые 1, 2) до сильно падающих с увеличением температуры при легировании атомами Sn (кривые 4, 5).

2. Температурные зависимости коэффициента Зеебека S11 в образцах с оловом становятся более пологими по сравнению с нелегированными образцами. Из рис. 1, c видно также, что легирование атомами Sn увеличивает коэффициент Зеебека при T < 200 K и при T > 380 K.

3. В образцах с оловом в области азотных температур (до 200 K) наблюдалось значительное снижение холловской µH и нернстовской µN подвижностей дырок в плоскости скола (µN определялась из величины Q123e/k (рис. 1, d), где k — постоянная Больцмана).

Особенности экспериментальных данных по кинетическим явлениям в исследуемых твердых растворах Bi2-ySny Te3-x Sex мы связываем с проявлениями примесных резонансных состояний Sn, расположенных на фоне валентной зоны, подобно p-Bi2Te3, легированном оловом. Эти состояния частично заполнены электронаРис. 1. Температурные зависимости коэффициентов: a — ми. При увеличении температуры степень заполнения удельной электропроводности 11; b — Холла R321; c —Зеепримесных состояний изменяется, что приводит к измебека S11 и d — Нернста–Эттингсгаузена Q123e/k для неленению температурных зависимостей термоэдс и коэфгированных образцов: 1 — Bi2Te3, 2 — Bi2Te2.94Se0.06, фициента Холла по сравнению с нелегированными твер- 3 —Bi2Te2.88Se0.12 и легированных оловом в количестве дыми растворами. Снижение холловской и нернстовской 1ат% (4–6).

Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. 188 М.К. Житинская, С.А. Немов, Т.Е. Свечникова, Е. Мюллер Tl и In в PbTe [6], наблюдается заметное улучшение однородности кристаллов. Дело в том, что, как указывалось выше, резонансные состояния заполнены электронами лишь частично и при образовании электрически активных собственных дефектов, проявляющих донорное или акцепторное действие, эти состояния либо еще больше заполняются электронами, либо частично опустошаются. Если количество собственных дефектов или дополнительных примесей меньше, чем количество введенного олова, уровень Ферми остается стабилизированным в пределах пика резонансных состояний. Это и обусловливает лучшую однородность кристаллов.

Исследования однородности распределения основных элементов Bi и Te в этих кристаллах, проведенные в работе [9] методом рентгеновского микроанализа, подтвердили этот вывод. Легирующая добавка Sn не только не приводит к заметной неоднородности в распределении элементов, но и уменьшает флуктуации состава по основным элементам.

Кроме того, исследования монокристаллов Bi2Te2.94Se0.06, Bi2Te2.88Se0.12, Bi1.99Sn0.01Te2.94Se0.06, Bi1.99Sn0.01Te2.88Se0.12 методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии в этой же работе [9] показали, что легирование оловом этих твердых растворов вызывает увеличение электронной плотности вблизи уровня Ферми аналогично тому, что наблюдалось при легировании теллурида висмута атомами олова [4].

Рис. 2. Распределение числа измеренных значений коэффициента Зеебека N для нелегированных образцов Bi2Te2.94Se0.06 (a) иBi2Te2.88Se0.12 (c), а также легированных оловом в количестве 1ат% (b, d). 4. Заключение Экспериментальные данные по кинетическим явлениям в исследуемых твердых растворах Bi2-ySny Te3-x Sex подвижностей µH и µN в рамках этой модели может быть указывают на существование примесных резонансных связано с дополнительным рассеянием дырок в полосу состояний Sn, расположенных на фоне валентной зоны.

состояний Sn (подобно резонансному рассеянию дырок Обнаружена высокая однородность электрических в PbTe на примеси Tl [8]).

свойств монокристаллов Bi2-ySny Te3-x Se. Коэффициент При наличии пика резонансных состояний в ваЗеебека, чувствительный к флуктуациям концентрации лентной зоне следует ожидать эффектов, связанных с носителей заряда, демонстрирует высокую стабильность пиннингом энергии Ферми F. В связи с этим были даже при увеличении содержания примеси Sn.

выполнены исследования распределения термоэдс по поверхности монокристаллов Bi2-y Sny Te3-xSex с помощью микротермозонда. Результаты измерений Список литературы приведены на рис. 2. Из сопоставления данных для нелегированных и легированных оловом твердых [1] V.A. Kulbachinskii, N.B. Brandt, P.A. Cheremnykh, S.A. Azou, растворов Bi2Te2.94Se0.06 и Bi1.99Sn0.01Te2.94Se0.06 на J. Horak, P. Lostak. Phys. St. Sol. (b), 150, 237 (1988).

рис. 2, a, b, а также Bi2Te2.88Se0.12 и Bi1.99Sn0.01Te2.88Se0.12 [2] Г.Т. Алексеева, П.П. Константинов, В.А. Кутасов, Л.Н. Луна рис. 2, c, d видно, что в легированных образцах кьянова, Ю.И. Равич. ФТТ, 38, 2998 (1996).

[3] М.К. Житинская, С.А. Немов, Т.Е. Свечникова. ФТТ, 40, флуктуации термоэдс становятся значительно меньше, а 1428 (1998).

распределение термоэдс — более сфокусированным.

[4] И.В. Гасенкова, М.К. Житинская, С.А. Немов, Т.Е. СвечниОтметим, что введение обычных легирующих прикова. ФТТ, 41, 1969 (1999).

месей в полупроводники приводит, как правило, к за[5] М.К. Житинская, С.А. Немов, Т.Е. Свечникова, П. Рейнметному увеличению флуктуаций термоэдс, связанному схаус, Э. Мюллер. ФТП, 34, 1417 (2000). [Semiconductors, со статистическим характером распределения примеси.

34, 1363 (2000)].

Однако в случае легирования примесями, создающими [6] Т.Е. Свечникова, С.Н. Чижевская, Н.В. Поликарпова. Изв.

резонансные состояния, такими как Sn в Bi2Te3 [3,5], АН СССР. Неорг. матер., 23 (7), 1128 (1987).

Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. Примесные состояния олова в твердых растворах Bi2Te3-xSex (x = 0.06, 0.12) [7] P. Reinshaus, H. Sussmann, M. Bohm, A. Schuck, T. Dietrih.

Proc. of 2-nd Symposium Thermoelectrics–Materials, Processing Techniques and Applications (Dresden, Germany, 1994) p. 90.

[8] И.В. Гасенкова, В.А. Чубаренко, Е.А. Тявловская, Т.Е. Свечникова. ФТП, 37, 661 (2003).

[9] В.И. Кайданов, С.А. Немов, Ю.И. Равич. ФТП, 26, (1992).

Редактор Т.А. Полянская Impurity states of tin in Bi2Te3-xSex (x = 0.06, 0.12) M.K. Zhitinskaya, S.A. Nemov, T.E. Svechnikova, E. Mller+ St. Petersburg State Polytechnical University, 195251 St. Petersburg, Russia A.A. Baikov Institute for Metallurgy and Material Science, Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia + German Aerospace Center (DLR).

Institute of Materials Research, D-51170 Cologne, Germany Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып.




© 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.