WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика твердого тела, 2000, том 42, вып. 2 Влияние взаимного увлечения электронов и фононов на термомагнитные эффекты в HgSe © Х.М. Биккин, А.Т. Лончаков, И.И. Ляпилин Институт физики металлов Уральского отделения Российской академии наук, 620219 Екатеринбург, Россия (Поступила в Редакцию 11 мая 1999 г.) Приведены результаты измерений эффектов Нернста–Эттинсгаузена (НЭ) на образцах HgSe с различным содержанием галлия 0.6 · 1018 < N(Ga) < 4.7 · 1018 cm-3 при температурах 20–60 K в классическом интервале изменения магнитного поля (0–40) kOe. Обнаружена смена знака коэффициентов НЭ при низких температурах как с ростом содержания галлия, так и при увеличении магнитного поля. Показано, что все наблюдающиеся на опыте необычные зависимости эффектов НЭ в кристаллах HgSe обусловлены эффектом взаимного увлечения электронов и фононов. Таким образом, обнаружено на эксперименте проявление эффекта взаимного электрон-фононного увлечения в полупроводниках с высокой концентрацией электронов проводимости.

Работа выполнена при финансовой поддержке ИНТАС (грант № 93-3657).

В работах [1–5] было показано, что исследование лупроводниках типа AIIBVI в эффекте увлечения наряду термоэдс вырожденного электронного газа в классиче- с рассеянием фононов на границах образца и фононских магнитных полях позволяет получить информацию фононным механизмом рассеяния следует также учитыо механизмах рассеяния носителей заряда в полупро- вать рассеяние фононов на электронах. Известно, что в водниках AIIBVI. Измерения полевых зависимостей кристаллах HgSe с n 1018 cm-3 переход от примесного продольного эффекта Нернста–Эттинсгаузена (НЭ) в рассеяния к электрон-фононному наблюдается при темселениде ртути [1,2] и халькогенидах свинца [3,4] в пературах T 40 K [9]. В этой же области температур, области сравнительно высоких температур (T 77 K) как показали измерения термоэдс селенида ртути в показали, что термоэдс в классически сильных магнит- нулевом магнитном поле [2,7], необходимо учитывать ных полях H насыщается независимо от доминирующего эффект увлечения электронов фононами. Поэтому при механизма рассеяния зонных носителей заряда. Однако этих температурах не исключено проявление в эффекте в результате исследования продольного эффекта НЭ увлечения вклада от рассеяния фононов на электронах.

на образцах HgSe, легированных железом в области Анализ эффекта увлечения в этом случае становится сунизких температур 15 T 60 K [5] на зависимости щественно сложнее, поскольку кинетические уравнения (H) = |(H)| -|(0)| были выявлены максимумы. для фононной и электронной функций распределения Причины немонотонной зависимости (H) в HgSe : Fe необходимо решать совместно. Сам эффект увлечения до сих пор оставались невыясненными. Связано ли по- носит при этом название взаимного увлечения электроявление максимумов на зависимости (H) со специ- нов и фононов [10–12].

фикой HgSe : Fe, содержащей ионы железа со смешанной Эффект взаимного увлечения означает, что часть имвалентностью Для ответа на этот вопрос необходимо пульса, переданного фононами электронам, в результате было провести подробные измерения продольного эф- столкновений вновь возвращается в фононную систефекта НЭ в кристаллах HgSe, легированных мелкими му. Если электроны и фононы рассеиваются главным донорами. Что касается поперечного эффекта НЭ, то образом друг на друге, то говорят о сильном взаимном он оказался совершенно неисследованным эксперимен- увлечении электронов и фононов [10,11]. Очевидно, что тально в полупроводниках AIIBVI в широкой области при достаточно низких температурах, когда pp pe классических магнитных полей и достаточно низких (pe, pp — соответственно времена релаксации фононов температур. на электронах и на других источниках рассеяния) в Исследования термоэдс в нулевом магнитном по- вырожденных полупроводниках сильное взаимное увлеле [2,6,7] и температурной зависимости термомагнитных чение не может иметь места, так как электроны расэффектов [7,8] показали, что анализ термоэлектрических сеиваются главным образом на заряженных центрах:

и термомагнитных коэффициентов в полупроводниках ep ei (ep, ei — времена релаксации электронов при AIIBVI необходимо проводить с учетом эффекта увлече- рассеянии на фононах и примесных центрах). Однако ния фононами. Этот эффект, связанный с отклонением заранее нельзя исключить влияние взаимного увлечения фононной функции распределения от равновесной при на термомагнитные эффекты в той области температур, наличии градиента температуры приводит, например, к где времена релаксации сравнимы (ep ei, pp pe).

немонотонной зависимости от температуры коэффициен- При этом релаксация фононов на электронах, когда та продольного эффекта НЭ в HgSe : Fe [7,8]. В отличие концентрация последних достаточно высока, является от чистых полупроводников в сильно легированных по- существенной и уже нельзя ограничиваться рассмотреВлияние взаимного увлечения электронов и фононов на термомагнитные эффекты в HgSe Рис. 1. Зависимость поперечного коэффициента НЭ QT для различных образцов HgSe от магнитного поля при различных темпера турах: 1A —21 K, 2A —40 K, 3A —60K; 1B —29K, 2B —48K, 3B —60 K; 1C —29 K, 2C —50 K. СимволыA, B, C соответствуют различным образцам. На вставке представлена зависимость подвижности электронов от температуры для образцов A, B, C.

нием только простого увлечения электронов и фононов. 1. Результаты измерений Как было показано в работах [10,11], в вырожденных полупроводниках взаимное увлечение электронов и фо- На трех образцах HgSe : Ga проведены измерения нонов в этом случае приводит к увеличению термоэдс продольного и поперечного эффектов НЭ в интервале и сказывается на температурной зависимости эффекта температур 20 T 60 K и магнитных полей от Нернста. до 40 kOe.

Как будет видно далее, в HgSe область температур, где Основные характеристики исследованных образцов следует ожидать проявления эффекта взаимного увлече- HgSe, легированных Ga (концентрация электронов прония, составляет примерно 20–60 K. Поэтому представля- водимости n и подвижность при T = 4.2K), а также их обозначения представлены в таблице. Средние ло интерес выяснить на эксперименте степень влияния размеры образцов составляли 9 2 1 mm. В каэффекта взаимного увлечения на полевые зависимости поперечного и продольного эффектов НЭ в вырожден- честве датчиков температуры применялись термопары (Au + 0.012%Fe)-Cu с чувствительностью 10 µV/K.

ных полупроводниках. В качестве объекта исследования в данной работе был выбран селенид ртути, легирован- Измеряемая разность температур не превышала 10% от ный галлием с концентрацией (0.6–4.8)·1018 cm-3. Да- средней температуры образца.

лее приводятся результаты измерения термомагнитных Зависимости коэфициента поперечного эффекта эффектов в классических магнитных полях, а также НЭ QT от магнитного поля для исследованных образцов теоретический анализ этих эффектов. при различных температурах представлены на рис. 1.

Физика твердого тела, 2000, том 42, вып. 204 Х.М. Биккин, А.Т. Лончаков, И.И. Ляпилин На рис. 2 приведены зависимости безразмерного поля Образец n · 1018, cm-3 µ · 10-4 cm2/V · s продольного эффекта НЭ x(H) от магнитного поля A 0.6 5.e B 2.4 2.x(H) = (|(H)| -|(0)|).

kB C 4.7 1.Значения (H) усреднялись по двум направлениям магнитного поля H. Отличительной особенностью представленных зависимостей x(H) является отсутствие для Главной особенностью зависимости QT (H) является слевсех исследованных образцов в интервале температур дующее при фиксированной температуре (T 20-40 K) 20–60 K насыщения термоэдс в сильных классических и магнитном поле (H 20 kOe) наблюдается смена знамагнитных полях. Очевидно, что эта особенность обка коэффициента поперечного эффекта НЭ с отрицательусловлена наличием некоторого отрицательного вклада ного на положительный с увеличением концентрации в продольный эффект НЭ. Он приводит либо к монозаряженных центров (и соответственно концентрации тонному убыванию термоэдс с увеличением магнитного зонных носителей заряда в образце) (кривые 1B, 1C; криполя при достаточно низких температурах T 20–30 K вые 2A, 2B на рис. 1). Здесь уместно отметить, что смена (кривые 1A, 1B, 2A, 2B рис. 2), либо к максимуму x(H) знака поперечного эффекта НЭ с отрицательного на при более высоких температурах (кривые 3A, 3B, 2C, 3C положительный наблюдалась нами в кристаллах HgSe : Fe на рис. 2). Убывание |(H)| в последнем случае может с ростом содержания атомов железа [5] и объяснялась изсопровождаться сменой знака продольного эффекта НЭ менением энергетической зависимости времени релаксас положительного на отрицательный (кривые 3A, 3B, ции в окрестности энергии Ферми с увеличением степе2C на рис. 2). Выше уже отмечалось, что аналогичные ни коррелированности в системе ионов Fe(3+). Однако, максимумы наблюдались и на образцах HgSe, легиочевидно, в случае кристаллов HgSe : Ga данный мехарованных железом. Поэтому можно предполагать, что низм смены знака не может быть реализован, поскольку заряженные центры распределены хаотическим образом.

Другая особенность в поведении QT (H) имеет место в области сильных магнитных полей (µH/c > 1), где наблюдается смена знака QT (H) с положительного на отрицательный (кривые 1C, 2B, 3A на рис. 1). Как видно, для разных образцов это имеет место при разных температурах: чем ниже концентрация электронов, тем выше температура, при которой наблюдается смена знака QT (H). Отмеченные особенности изменения QT (H) не могут быть объяснены в рамках стандартной теории термомагнитных эффектов, согласно которой, во-первых, знак коэффициента QT (H) при достаточно низких температурах должен быть только отрицательным, что связано с рассеянием электронов на заряженных центрах;

во-вторых, в сильных классических магнитных полях коэффициент |QT (H)| независимо от знака должен монотонно убывать пропорционально (H)-2.

Из рис. 1 также видно, что для образцов A и B поперечный эффект НЭ меняет знак с отрицательного на положительный с увеличением температуры (кривые 1A, 3A; 1B, 3B). Температурная смена знака коэфициента НЭ отражает переход от рассеяния электронов преимущественно на заряженных центрах к рассеянию на акустических фононах. Об этом можно также судить и по температурной зависимости подвижности µ, показанной на вставке рис. 1. Видно, что для всех исследованных образцов в области T 40 K она не зависит от температуры, что свидетельствует от доминировании примесного рассеяния носителей заряда. Следует, одРис. 2. Зависимость безразмерного поля продольного эффекта нако, отметить, что переход от примесного рассеяния НЭ x(H) для различных образцов HgSe от магнитного поля:

к рассеянию электронов на акустических фононах при 1A —21 K, 2A —40 K, 3A —60 K; 1B —29K, 2B —48 K, T 40 K является достаточно плавным, особенно для = 3B —60 K; 1C —29 K, 2C —50 K, 3C —60 K. На вставке наиболее легированных образцов (кривые B, C на вставке представлена зависимость абсолютной величины термоэдс от рис. 1). температуры в нулевом магнитном поле для образца B.

Физика твердого тела, 2000, том 42, вып. Влияние взаимного увлечения электронов и фононов на термомагнитные эффекты в HgSe причина их появления не связана с тем, какими примеся- во внимание рассеяние акустических фононов на элекми легирован полупроводник — неупорядоченными или тронах. Кинетическое уравнение для фононной функции пространственно-коррелированными. распределения можно записать при этом в следующем Величина отрицательного вклада в изменение термо- виде:

эдс в фиксированном магнитном поле зависит как от темsk0 k0T b(q) пературы, так и от концентрации электронов. Из рис. T = - + q q ( q)2pp(q) 2ep(k)kq видно, что она уменьшается с ростом концентрации электронов при постоянной температуре (кривые 2B, 2C, 3A, 3B, 3C на рис. 2). При этом продольный эффект f k b(q) - dk. (1) НЭ меняет знак с отрицательного на положительный.

m q/Как уже отмечалось, эта особенность характерна и для поперечного эффекта НЭ. Данный экспериментальный При записи уравнения (1) мы полагали отклонения результат не находит своего объяснения в рамках профункций распределения от равновесных значений f0, Nq стой теории для диффузионных термомагнитных эффектов. Действительно, с ростом концентрации заряженных 0 f = f + f, Nq = Nq + Nq центров увеличивается вероятность рассеяния на них, и знаки термомагнитных эффектов должны оставаться отрицательными. малыми и представили наравновесные добавки к функСледует также отметить необычную зависимость без- циям распределения в виде размерного поля x(H) от температуры для образца A, которая, как видно из рис. 2, является немонотонной. Nq fk k fk = - (k), Nq = - qb(q) (2) В отличие от образцов B и C величина отрицательного k m q вклада в x(H) у этого образца увеличивается с ростом температуры от 20 до 40 K (кривые 1A, 2A рис. 2) и (неизвестные функции, b, характеризующие отклоуменьшается при дальнейшем возрастании температуры нения рассматриваемых нами систем от равновесных, (кривая 3A на рис. 2).

зависят только от соответствующих модулей волновых Таким образом, в результате измерения полевых завивекторов). Кроме того, мы ввели время релаксации симостей продольного и поперечного эффектов НЭ на электронов на акустических фононах ep(k) образцах ртути выявлен целый ряд особенностей, главными из которых являются смена знака термомагнитных 1 E0k0Tmk эффектов с положительного на отрицательный с ростом =, (3) ep(k) s2 магнитного поля и с отрицательного на положительный с увеличением концентрации заряженных центров. На где E0 — константа деформационного потенциала, вставке рис. 2 показана экспериментальная зависимость s —скорость звука, k0 — постоянная Больцмана, m — абсолютной величины термоэдс в нулевом магнитном эффективная масса электрона, — плотность кристалла.

поле |(0)| от температуры для образца B, типичная Из возможных неэлектронных механизмов релаксадля исследованных образцов. Видно, что интересующий ции фононов рассеяния фононов на границах образца нас интервал температур 20–60 K соответствует области и фонон-фононного рассеяния в уравнении (1) учтено минимума |(0)|, связанного с наличием сравнимого с лишь последнее путем введения соответствующего вредиффузионным фононного вклада в термоэдс [7]. Можмени релаксации pp. Рассеянием фононов на границах но полагать, что и при анализе полевых зависимостей образца можно пренебречь, о чем свидетельствует оттермомагнитных эффектов, представленных на рис. сутствие фононного максимума на зависимости |0(T )| и 2, необходимо принять во внимание эффект увлечев измеряемом интервале температур (вставка к рис. 2).

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.