WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 ||

+ 1вес.ч. HCl + 3вес.ч. H2O в течение 2 min. Повторные измерения показали, что электрические свойства образцов практически не изменились (см., например, значения 4. Обсуждение результатов для электропроводности на рис. 4). Это означает, что 1) После переплавки в условиях микрогравитации концентрация дырочных носителей заряда при 77.4 K (p77 K), а также величина их холловской подвижности (R)77 K и характер распределения этих параметров вдоль кристаллов оказались различными для образцов, рекристаллизованных по различным программам.

Величина (R)77 K у образца № 1, выращенного в замкнутом объеме в условиях микрогравитации, соответствует значениям (R)77 K для монокристаллов теллура, выращенных методом Чохральского (со свободной поверхностью) в земных условиях. Значительное уменьшение подвижности, обнаруженное в областях образца на расстояниях приблизительно 5 и 22 mm от начала рекристаллизации (рис. 5), соответствует нарушению Рис. 5. Изменение холловской подвижности (R)77 K вдоль структуры в областях с изменяющимся поперечным рекристаллизованных частей образцов № 1 (1), № 2 (2), сечением (рис. 3). Более низкие значения подвижности №3 (3), выращенных в космосе, и образцов, кристаллизовандля образцов № 2 и 3 связаны с влиянием рассеяния ных методами Чохральского (4) и Бриджмена 2a [4] и 3a в земных условиях. дырок на структурных дефектах и на границах зерен Физика твердого тела, 2000, том 42, вып. Рекристаллизация теллура в условиях микрогравитации и свойства полученных образцов в поликристаллических образцах. В этих же образцах наблюдается увеличение средней концентрации дырок p77 K из-за электрически активных дефектов.

2) Во всех слитках после направленной рекристаллизации в условиях микрогравитации наблюдается возрастание концентрации дырок p77 K к концу слитка, что характерно для процесса оттеснения примеси с коэффициентом распределения k < 1 при направленной кристаллизации и обычно описывается законом Scheil’a, справедливом при k0 = const и при плоском фронте кристаллизации [10]. Для теллура легирующей примесью является Sb, равновесный коэффициент распределения которой k0(Sb) = 0.003 [3]. Однако характер Рис. 6. Изменение концентрации дырок p77 K по длине в масштабе (1-V /V0) для образцов, выращенных на ОКС ”Мир” изменения концентрации дырок, особенно в начальной в условиях микрогравитации. Кривые 1 и 1 —образец №1, части, как космических образцов № 1 и 2, так и земнокривая 2 — образец № 2, кривая 3 — образец № 3: для земных го аналога 2a не соответствует предсказаниям теории.

аналогов кривая 2a и 3a. Точки соответствуют данным измеТакое поведение концентрации дырок в начале слитка рений, а линии — расчету по уравнению (1) с параметрами, может быть объяснено явлением уменьшения в процессе указанными в табл. 3.

направленной кристаллизации количества структурных дефектов, играющих в теллуре не только роль рассеивающих центров, но и акцепторов [4]. Поэтому при анализе характера распределения акцепторов по длине слитка [11]. Однако оттеснение примеси, наблюдаеисследуемых слитков нами, как и в случае направленной мое экспериментально, указывает на то, что в услокристаллизации при повышенном уровне гравитации, виях эффекта ”отрыва” усиливается термо-капиллярная использовалось выражение [4] конвекция (конвекция Марангони). При этом можно использовать закон Scheil’a, если вместо равновесного k-V (x) x коэффициента распределения k0 ввести эффективный C = kC0 1 - + Cdef exp. (1) V0 x0def коэффициент k [12], зависящий от условий конвекции, скорости роста и коэффициента диффузии примеси в Здесь k — эффективный коэффициент распределения расплаве [13] примеси, V0 — весь объем рекристаллизованной части образца, V (x) — объем, закристаллизовавшийся на kk =, (2) расстоянии x, C0 — начальная концентрация примеси k0 +(1 - k0) exp(- f /D) в расплаве, x0def — длина релаксации концентрации дефектов, изменяющейся от начального значения C0def.

где f —скорость роста, — толщина обогащенного слоя Результаты такого анализа представлены линиями на у границы раздела твердое–жидкость, D — коэффициент рис. 6 и в табл. 3.

диффузии примеси в расплаве. При большой скорости Первый член в (1) справедлив для случая полнороста k стремится к единице, а при малой — к равновесго перемешивания расплава во время затвердевания.

ному значению k0.

В условиях микрогравитации гравитационный механизм Численный анализ показал, что при ”умеренном” перемешивания по существу отсутствует и на первый перемешивании, соответствующем при использованной план выступает значительно более слабый диффузионнами геометрии нормальным условиям, k(g0) =0.1-0.9.

ный механизм массопереноса, для которого характерно При ”слабом” перемешивании, что соответствует конпостоянство концентрации примеси в основной части векции Марангони при достижении эффекта ”отрыва”, значение эффективного коэффициента k (g = 0) может приближаться к единице. Действительно, как следует из Таблица 3. Значения параметров в уравнении (1) для различсравнения данных о распределении примеси для обраных образцов зов № 2 и 2a, оттеснение примеси во время напраk C0 C0def, X0 V0, L вленной кристаллизации в земных условиях происходит Образец с k = 0.42, а в условиях микрогравитации — менее 1014 cm-3 1014 cm-3 mm mm3 mm интенсивно с k = 0.8. Слабая конвекция также приводит №1, часть(ab) 0.2 5 2 4 726 к усилению роли связи между структурными элементами №1, часть(cd) 0.45 7.8 – – – – цепочек теллура вблизи границы раздела твердой и жид№2 0.8 4 60 4 1058 кой фаз и, следовательно, к большему числу структурных 2a 0.42 3.5 6 2.2 1083 №3 0.55 11 80 4 1083 44 центров кристаллизации, что приводит к более высокому 3a 0.95 7 10 25 1194 48.значению C0def.

4 Физика твердого тела, 2000, том 42, вып. 244 Р.В. Парфеньев, И.И. Фарбштейн, И.Л. Шульпина, С.В. Якимов, В.П. Шалимов, А.М. Турчанинов...

Отметим, что вблизи точки плавления жидкий теллур содержит структурные цепочки, которые формируют так называемую сеть [14], что приводит к увеличению вязкости и аномальному поведению плотности расплава от температуры [15].

В случае образца № 1, в котором число дефектов значительно ниже, условия перемешивания различны для части 1, касающейся стенок ампулы, и части 1, рекристаллизованной при наличии свободной поверхности (рис. 6). Это может привести к изменению эффективного коэффициента распределения k как за счет усиления термокапиллярных потоков в расплаве, приводящих к появлению потока жидкости вдоль границы роста кристалла и увеличению, так и за счет изменения скорости роста вследствие изменения теплового режима.

Применение формулы (1) в этом случае позволило описать экспериментальные результаты (линии на рис. 6) при увеличении k от 0.2 для части 1 до k = 0.в части 1. Тем самым объясняется обнаруженное в части 1 кристалла более быстрое возрастание концентрации дырок p77 K, чем в части 1. Аномальное увеличение концентрации p77 K можно объяснить увеличением коэффициента k в результате изменения условий роста кристалла вследствие отрыва от стенок ампулы за счет усиления термокапиллярных потоков в расплаве, приводящего к появлению потока жидкости вдоль границы роста кристалла и увеличению.

Концентрационный профиль образца № 3 формально также можно сопоставить с соотношением (1), параметры которого приведены в табл. 3. Однако в целом измеряемая концентрация дырок p77 K по всей длине образца № 3 меняется слабо и наблюдаемая зависимость может быть вызвана не учтенными в расчетах дефектами, связанными с наличием пор. Земной аналог, переплавленный по той же программе, также оказался однородным по концентрации (рис. 4). Этот факт подтверждает сделанное ранее заключение, что образец № был сильно переохлажден и кристаллизовался спонтанно с образованием множества дефектов, в том числе и электрически активных.

3) Измерения электрических свойств в широком ин- Рис. 7. Температурная зависимость коэффициента Холла тервале температур 1.6-100 K в наиболее совершенных R и подвижности дырок R на различных участках образцов № 1 и 2, выращенных по ОКС ”Мир”, сопоставленные с образцах № 1 и 2 выявили существенную зависимость параметрами монокристаллов теллура, выращенных методом величины подвижности дырок в рекристаллизованных в Чохральского (1M, 2M) и методом зоной плавки (3M) в условиях микрогравитации образцах от температуры и земных условиях [16].

условий кристаллизации (рис. 7). Для образца № ниже 77 K подвижность дырок в части (cd) оказывается больше, чем в части (ab), максимальное различие наблюдается в диапазоне температуры 10–20 K. Такое больше, чем в части (ab), то подвижность дырок в этой поведение может быть связано с различным содержаничасти R(cd) при T < 4 K становится меньше, чем ем нейтральных дефектов в двух частях образца № R(ab) (рис. 7).

определяющих не зависящий от температуры вклад в рассеяние дырок [2]. К концу кристалла концентрация та- Вклад в подвижность не зависящего от температуры рассеяния дырок на структурных дефектах [2] подтверких дефектов уменьшается и в результате при T 77 K ждается сильным различием величин подвижности дыR(cd) > R(ab). При понижении температуры до 1.5 K доминирующим механизмом рассеяния дырок становит- рок в образцах № 1 и 2 и характером их температурся рассеяние на заряженных дефектах. Поскольку кон- ной зависимости. Эти данные коррелируют с большим центрация электрически активных примесей в части (cd) количеством блочных границ в части 1 ab. Подвижность Физика твердого тела, 2000, том 42, вып. Рекристаллизация теллура в условиях микрогравитации и свойства полученных образцов в образце № 3, имеющем наибольшее число дефектов сильным переохлаждением с образованием микрокрироста, самая низкая и почти не зависит от температуры сталлического слитка. Это явление открывает возмож(см. табл. 2). ность для получения образцов теллура со свойствами, Температурная зависимость подвижности дырок в соответствующими микрокристаллической системе из образцах № 1 и 2 качественно совпадает с зависимо- анизотропных структурных элементов.

стями, полученными ранее для образцов с аналогичной Исключительная чувствительность электрических структурой и концентрацией примеси, выращенных в свойств теллура при низких температурах к присутствию нормальных условиях [16] (рис. 7). структурных дефектов позволила оценить распределение Для оценки по виду R(T ) не зависящего от темпе- по длине слитков примесей и электрически активных ратуры вклада структурных дефектов в рассеяние, как дефектов, не контролируемых другими методами, и в работе [2], было использовано правило Матиссена. на уровне 10-6 at.% и число нейтральных дефектов, Концентрация дефектов n0 рассчитывалась по извест- измеряя гальваномагнитные свойства образцов при ной формуле для времени релаксации носителя заряда низких температурах.

= um/e (u — омическая подвижность) при рассеянии Авторы выражают благодарность Л.Л. Регель за органа нейтральных дефектах типа атома водорода в среде с низацию и участие в проведении программы наземной диэлектрической проницаемостью 0 [17] отработки экспериментов, включая выращивание сплавов на основе теллура при повышенной гравитации.

1 200 = N0. (3) m2eСписок литературы Используя для величин 0 и m усредненные значения 0 = 33.82 и m/m0 = 0.156, имеем для участ[1] P. Grosse. Die Festkrpereigenschaften von Tellur. Springer ка (ab) образца № 1 N0 = 3.8 · 1015 cm-3, а для Tracts Modern Physics 48 (1969).

участка (cd) — N0 = 6.145 · 1014 cm-3. Это свиде[2] Р.В. Парфеньев, И.И. Фарбштейн, С.С. Шалыт. ФТТ 2, 11, тельствует о том, что участок (cd), который кристал2923 (1960).

лизовался, не касаясь стенок, содержит существенно [3] L.L. Regel, A.M. Turchaninov, R.V. Parfeniev, I.I. Farbshtein, меньше дефектов, чем участок (ab). Для участка (ab) N.K. Shulga, S.V. Nikitin, S.V. Yakimov. J. Phys. III France образца № 2 N0 = 2.4 · 1016 cm-3, а для участка (cd) — 373 (1992).

N0 = 5.0 · 1016 cm-3, т. е. больше, чем для образца №1.

[4] I.I. Farbshtein, R.V. Parfeniev, N.K. Shulga, L.L. Regel.

Для образца №3 N0 = 2.0·1017 cm-3. Эта величина еще Material Processing in High Gravity / Ed. by L.L. Regel, больше, чем в образце № 2, что естественно связать с W.R. Wilcox. Plenum Press. N.Y. (1994). P. 81–88.

[5] L.L. Regel, I.V. Vidensky, A.V. Mikhailov, A.M. Turchaninov, поликристаллической структурой образца № 3.

R.V. Parfeniev, I.I. Farbshtein, N.K. Shulga, B.T. Melekh.

Проведены эксперименты по рекристаллизации трех IAF’86. Preprint IAF-86-283.

различных образцов чистого Te по методу Бриджмена в [6] R.V. Parfeniev, I.I. Farbshtein, S.V. Yakimov, V.P. Shalimov, условиях микрогравитации. Результаты исследования их A.M. Turchaninov. Joint Xth European and VIth Russian электрических свойств в широком интервале температур Symposium Physical Sciences in Microgravity. St.Petersburg, сопоставлены с известными данными и дополнитель- Russia, 15–20 June 1997, Abstracts N 98 (1997).

[7] R.V. Parfeniev, L. Regel, W.R. Wilcox. IAA-97 Proceedings, ными экспериментами для образцов, полученных по IAA. 12.01.08 (1997).

аналогичным программам на Земле. Направленный рост [8] Регель Л.Л. Космическое материаловедение. Часть II. Итокристалла теллура в условиях микрогравитации метоги науки и техники. Серия: исследование космического дом частичной рекристаллизации монокристаллического пространства. Т. 29. Изд-во ВИНИТИ, М., (1987). С. 146.

образца показал, что полученные по этой технологии [9] А.Р. Лэнг. В кн.: Диффракционные и микроскопические кристаллы по своим электрическим свойствам не устуметоды в материаловедении. Металлургия, М. (1984).

пают кристаллам, выращенным методом Чохральского в С. 364–446.

земных условиях. Обнаружено, что появление блочной [10] E. Scheil, Z. Metallk. 34, 70 (1942).

структуры, размер, ориентация и число блоков зависят [11] W.A. Tiller, K.A. Jackson, J.W. Rutter, B. Chalmers. Acta Met.

от условий кристаллизации расплава, имеющего и не 1, 428 (1953).

имеющего контакта со стенкой ампулы. Наибольшая [12] В.С. Авдуевский, С.Д. Гришин, Л.В. Лесков. В кн.: Научные подвижность дырок наблюдалась в той части кристалла, чтения по авиации и космонавтике 1980 г. Наука, М.

которая формировалась в условиях свободной поверх- (1981). С. 15–24.

[13] J.A. Burton, R.C. Prim. W.P. Slichter. J. Chem. Phys. 21, 11, ности. Возможность такой кристаллизации возникает 1987 (1953).

при микрогравитации и является следствием ”эффекта [14] B. Cabane, J. Friedel. J. Phys. 32, 73 (1971).

отрыва” расплава от стенок ампулы. Оценено количество [15] А.Р. Регель, В.М. Глазов. Физические свойства электроннейтральных дефектов, снижающих величину подвижноных расплавов. Наука, М. (1980). 296 с.

сти дырок и характеризующих совершенство кристалла, [16] И.И. Фарбштейн, А.М. Погарский, С.С. Шалыт. ФТТ 7, 8, выращенного по разным программам.

2383 (1965).

Pages:     | 1 ||



© 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.