ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ.............................................................6
ГЛАВА 1. Низкотемпературные электронные свойства селенида ртути с примесями переходных металлов и теоретическое описание их особенностей (литературный обзор)................................19
1.1. Резонансные электронные состояния в кристаллах селенида ртути с примесями переходных металлов........................19
1.2. Низкотемпературные электронные свойства Н^е с примесями железа и их описание в рамках моделей без учета гибридизации.................................................22
1.3. Описание особенностей кинетических эффектов в селеииде ртути с примесями железа на основе теории резонансного рассеяния с учетом гибридизации..............................28
1.3.1. Эффекты резонансного рассеяния электронов проводимости на донорных примесях переходных металлов в бестцелевых кристаллах........................28
1.3.2. Электронная концентрация и энергия Ферми..........34
1.3.3. Электронная подвижность...........................36
1.3.4. Магнитная восприимчивость.........................39
ГЛАВА 2. Методика эксперимента......................................42
2.1. Описание и схемы установок для измерения электрических,
гальваномагнитных и магнитных свойств проводников........42
2.1.1.Установка для измерения гальваномагнитных эффектов в стационарных магнитных полях УГМЭ - 350..................42
2.1.2. Многофункциональная установка РРМ8 - 9 для исследования электрических и гальваномагнитных свойств..................................................47
2.1.3. Высокочувствительный магнитометр МРМ8 - ХЬ - 5
для исследования магнитных свойств...................48
2.2. Образцы для исследования.................................49
2.2.1. Методика выращивания кристаллов Н^-хРе^е, контроль состава и качества исследуемых материалов ■................49
2.2.2. Приготовление образцов для электрических, гальваномагнитных и магнитных измерений....................50
ГЛАВА 3. Эффекты гибридизации электронных состояний примесей железа
и хрома в концентрационных и температурных зависимостях электронной концентрации и подвижности в селениде ртути.....................................................54
3.1. Исследования на кристаллах селенида ртути с примесями железа.........................................................54
3.1.1. Экспериментальные данные по эффекту' Холла и удельному электросопротивлению.............................54
3.1.2. Стабилизация электронной концентрации и энергии Ферми......................................................56
3.1.3. Концентрационный максимум электронной подвижности................................................60
3.1.4. Температурные зависимости подвижности электронов 63
3.2. Температурные и концентрационные зависимости электронной подвижности кристаллов селенида ртути с примесями
хрома.....................................................67
3.3. Выводы...................................................75
ГЛАВА 4. Влияние резонансного рассеяния электронов на осцилляции
Шубттикова-де Гааза и параметры гибридизированных
электронных состояний примесей Ге в ^8е...................77
4.1. Эффект Шубникова —де Гааза в селениде ртути с примесями железа. Экспериментальные данные и их анализ...................77
4.2. Концентрационный минимум температу ры Дингла...........83
4.3. Особенности концентрационной зависимости g-фaктopa.....86
4.4. Параметры гибридизированных электронных состояний примесей Ре в кристалле Р^е.................................89
4.5. Выводы.................................................91
ГЛАВА 5. Магнитная восприимчивость резонансных состояний
и определение спина донорных с! - примесей в селениде ртути...................................................92
5.1. Концентрационная зависимость константы Кюри в магнитной восприимчивости селенида ртути с примесями железа...........93
5.2. Донорный характер и спин кобальта в селениде ртути.....99
5.3. Выводы................................................106
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.....................................108
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ................................................110
4
Список основных обозначений:
ІУкс - концентрация примесей железа;
Л^сг ” концентрация примесей хрома;
Л^со - концентрация примесей кобальта;
По ~ предельная концентрация электронов проводимости -Пое + ПмУ,
пое - концентрация собственных электронов проводимости Нё8е;
Им — резонансная концентрация донорных электронов (Ре, Со,Сг); пе - холловская концентрация электронов; п1 - концентрация примесей; є г - энергия резонансного уровня;
Л - полуширина пика в плотности состояний электронов;
Г- полуширина всего резонансного интервала;
а - относительная доля нерезонансных фаз рассеяния в проводимости; <р — сдвиг резонансной фазы рассеяния;
Но ~ резонансная подвижность;
5, - эффективный спин примеси; б’/о - спин ионного остова.
5
ВВЕДЕНИЕ
Исследование рассеяния носителей заряда на заряженных и нейтральных примесных центрах в металлах и полупроводниках является одной из фундаментальных проблем физики твердого тела. Несмотря на многочисленные работы в данной области, остается ряд нерешенных вопросов, связанных с влиянием резонансных примесных состояний па явления переноса в объемных кристаллах.
Соединения типа П-ГУ, легированные 3<3-переходными металлами (Ре, Со, Сг и др.), являются перспективными объектами для решения таких задач. Отличительной особенностью этих систем является то, что примеси переходных 36 - металлов могут образовывать резонансные донорные уровни в полосе проводимости кристалла-матрицы. С ростом содержания примесей энергия Ферми электронов проводимости стабилизируется на резонансном с1-уровне, и наблюдается известный эффект «зацепления» энергии Ферми. Эго приводит к резонансному рассеянию электронов проводимости на примесях и формированию системы промежуточной валентности. Происходит гибридизация делокализованных (зонных) и локализованных на примесных центрах электронных состояний. Этот эффект приводит к существенному изменению характера рассеяния электронов проводимости на примесях и проявляется в необычных концентрационных и температурных зависимостях кинетических коэффициентов исследуемых кристаллов. Поэтому комплексные исследования эффектов гибридизации имеют большое значение для развития представлений о влиянии резонансных донорных состояний переходных с1-металлов на физические свойства широкого класса легированных систем.
6
Детальные исследования гибридизированных электронных состояний проводились ранее для валентной полосы энергий в широкозонных кристаллах [1]. Что касается явлений гибридизации в полосе проводимости, которые характерны для узкощелевых и бесщелевых кристаллов, то до недавнего времени их роль недооценивалась. Экспериментальные данные, полученные на этих системах, описывались на основе теоретических моделей, не учитывающих гибридизацию [2-6]. Однако недавно в работах [7,8] было показано, что именно проявлениями резонансного рассеяния электронов проводимости на донорных примесях объясняются аномалии в низкотемпературных электронных свойствах данных соединений.
Таким образом, для обозначенного выше класса систем стало актуальным детальное исследование эффектов гибридизации состояний и резонансного рассеяния электронов. Связанные с влиянием донорных примесей аномальные закономерности наблюдались при низких температурах в проводимости, гальваномагнитных, магнитных и других эффектах. Основным объектом для их изучения стал кристалл с
примесями Зс1-переходиых металлов, в котором такие закономерности проявляются особенно ярко.
Цель диссертационной работы - комплексное экспериментальное исследование электронных свойств и количественное описание низкотемпературных аномалий, связанных с проявлениями примесей переходных металлов (Ре, Сг, Со) в полосе проводимости Н^е, в рамках теории резонансного рассеяния.
Для достижения-цели были поставлены и решены следующие задачи:
1. Исследовать кинетические и магнитные свойства кристалла РДОегРе в
(О ^ | л
диапазоне составов (2-10 <ЛУГе< 1*10") см' . Провести количественный анализ концентрационных и температурных зависимостей проводимости и
7
магнитной* восприимчивости в. рамках теории резонансного рассеяния и определить набор значений физических параметров, который описывает электронную структуру донорного уровня Бе.
2. Изучить влияние гибридизированных электронных состояний примесей Ре на параметры квантовых осцилляций Шубникова — де Гааза в кристалле Р^егРе. С этой целью исследовать поперечное магнитосопротивление данного соединения с различной концентрацией
I П Л1 ^
примесей (2*10 < А^гс< МО" )см' . Проанализировать концентрационные зависимости температуры Дингла и £-фактора электронов проводимости на основе развитой теории и определить параметры модели.
3. Исследовать роль гибридизации электронных состояний на примесях Сг в низкотемпературных кинетических свойствах Р^е. Для этого провести измерения температурных зависимостей удельного электросопротивления р(Т) и коэффициента Холла /?н(Г) кристалла Н^БегСг с различной концентрацией примесей (3*10 < Ысг <6*10 ) см* . Провести количественное описание концентрационных и температурных зависимостей кинетических коэффициентов исследуемых систем и определить основные параметры гибридизированных состояний на примесях Сг.
4. Оценить вклад, который вносит магнетизм гибридизированных электронных состояний примесей Со в магнитную восприимчивость Н§8е. С этой целью провести исследование температурных зависимостей магнитной восприимчивости х(Т) соединения Н§8е:Со в интервале концентраций (МО18 <Исо < 6-1020) см’3. Определить из экспериментальных данных эффективный спин примеси кобальта 5, и резонансную концентрацию донорных электронов
Научная новизна. В работе проведено комплексное исследование кинетических и магнитных явлений в кристалле с примесями
переходных металлов (Со, Сг, Ре) в широком диапазоне концентраций примесей, температур, магнитных полей и выполнено количественное
описание низкотемпературных эффектов с целью- определения; параметров, гибридизированных электронных состояний примесей.
1. . В?. итоге детального- экспериментального* исследования и количественного описания низкотемпературных аномалий-: электронных, свойств кристалла HgSe:Fe (стабилизации? электронной концентрации, максимума подвижности и особенностей в температурных зависимостях подвижности) определены параметры гибридизации электронных состояний на примесях Fe (п0а - резонансная концентрация донорных электронов, ц0 -резонансная подвижность электронов, Г - полуширина резонансного интервала, ег - энергия резонансного уровня) и получен набор значений физических параметров, который описывает реальную электронную структуру исследуемого донорного уровня Fe.
2. В результате исследования осцилляций Шубникова - де Гааза на двух сериях образцов HgSe:Fe с различной концентрацией примесей Fe (2-1018 <iVpe < МО21) см-3 определена величина фактора спектроскопического расщепления уровней Ландау. Обнаружено, что g-фактор электронов проводимости немонотонно изменяется с увеличением концентрации примесей Fe. В интервале (МО19 <JVfc < 2-1019) см'3 наблюдается минимум g-фактора, который связан с резонансной аномалией магнитной восприимчивости локализованной части электронной плотности и объясняется обменным взаимодействием электронов в гибридизированных состояниях.
3. В экспериментах по исследованию температурных зависимостей электросопротивления и- коэффициента Холла в кристалле HgSe:Cr в
1Я on 1
интервале концентраций 7Vcr= (3-10 6* 10 )• см" и температур (2 300) К
наблюдались особенности в поведении электронной подвижности в зависимости от температуры и концентрации примесей. Показано, что данные аномалии электронных свойств HgSe:Cr связаны с влиянием примесных электронных состояний и описываются теорией резонансного
- Київ+380960830922