ОГЛАВЛЕНИЕ
Стр.
ВВЕДЕНИЕ................................................................5
ГЛАВА 1. Физические свойства кристаллов Hg.Se, содержащих примеси
железа со смешанной валентностью. Литературный обзор.........11
1.1. Зонная структура и примесные состояния в полупроводниках АПВ41...........................................................11
1.2. Особенности физических свойств твердых растворов 11а5е:Ее 15
1.3. Два варианта модели короткодействующих корреляций.........20
1.4. Время релаксации электронов в кристаллах Е^ЯеТе при рассеянии на коррелированной системе ионов Ее3' и сплавном потенциале......................................................27
1.5. Влияние хаотически распределенных примесей на явления электронного переноса в кристаллах Н£$е:Ее,Оа...................36
1.6. Термоэлектрические и термомагннтные эффект ы в вырожденных проводниках.....................................................39
1.7. Увлечение электронов фонолами.............................40
1 .В. Зависимость термоэдс и поперечного эффекта 11Э от температуры
и концентрации железа в кристаллах 1^8е:Ее.................44
IЮСТАНОВКА ЗАДАЧИ.....................................................49
ГЛАВА 2. Пространственные корреляции и механизмы релаксации
электронного импульса в системах со смешанной валентностью 50
2.1. Введение..................................................50
2.2. Время релаксации электронов в кристаллах Е^еТе при учете сплавного рассеяния.............................................51
2.3. Пространственные корреляции и парциальные функции распределения системы примесей железа со смешанной валентностью....................................................52
2.4. Подвижность электронов и нарушение правила Маттиссена для рассеяния электронов на системе со смешанной валентностью Ре^-Рс2*............................................................59
2.5. Выводы.........................................................63
ГЛАВА 3. Влияние хаотически распределенных примесей галлия на
пространственное упорядочение в системе ионов железа со смешанной валентностью в кристаллах 1^8е:Ре;Оа..................64
3.1. Введение.......................................................64
3.2. Легирование кристаллов Н§8с:Ре хаотически распределенными ионами галлия.......................................................66
3.3. Результаты экспериментальных исследований поперечного эффекта 11ернста-Эттингсгаузена.....................................68
3.4. Время релаксации электронов в кристаллах Н§8е:Ре,Са............71
3.5. Расчет поперечного эффекта Нернста-Эттингсгаузена для кристаллов Р^сТе.Са.................................................75
3.6. Обсуждение результатов.........................................78
3.7. Выводы.........................................................82
ГЛАВА 4. Ослабление рассеяния фононов пространственно коррелированной системой ионов железа и низкотемпературные аномалии термоэдс и теплопроводности в кристаллах Р^еТе........................................83
4.1. Введение.......................................................83
4.2. Термоэлектрические явления в кристаллах 11{»8е:Рс, содержащих примеси железа со смешанной валентностью...........................84
4.2.1. Результаты эксперимента......................................85
4.2.2. Диффузионная и фононная составляющие термоэдс................90
4.2.3. Рассеяние фононов на коррелированной системе ионов Ре *......94
4.2.4. Обсуждение результатов.......................................98
4.2.5. Влияние взаимного увлечения на термоэдс в кристаллах НдЭегРе...........................................................104
3
4.2.6. Заключение..............................................Мб
4.3. Рассеяние фононов пространственно коррелированной системой ионов железа и низкотемпературная аномалия теплопроводности кристаллов Ь^Яе^е............................108
4.3.1 Результаты эксперимента.................................109
4.3.2 Электронная теплопроводность............................115
4.3.3 Решеточная теплопроводность.............................117
4.3.4 Обсуждение результатов..................................121
4.3.5 Выводы..................................................125
ЗАКЛЮЧЕНИЕ..........................................................127
ЛИТЕРАТУРА..........................................................129
4
ВВЕДЕНИЕ
Интенсивное развитие технологий требует постоянного поиска материалов с новыми физическими свойствами. Активность исследователей в этой области с каждым годом растет, появляются новые классы соединении, такие как мангаииты, органические проводники, фуллериды, нитриды галлия, нанокрисгаллы. В связи с этим особую актуальность приобретает понимание на фундаментальном уровне физических процессов, происходящих в этих соединениях. Одно из центральных мест в физике конденсированного состояния занимают исследования электронных процессов в неупорядоченных системах. В частности, значительный интерес для микроэлектроники представляет задача о прост ранс твенном упорядочении заряженных центров и его влиянии на кинетические явления в полупроводниках. Модельными системами для рассмотрения этих процессов могут служить достаточно хорошо изученные узкощелевые и бссщслевыс полупроводники. Среди таких веществ следует выделить твердые растворы на основе халькогенидов ртути, обладающие целым рядом уникальных свойств.
Исследование рассеяния носителей тока и фононов на заряженных и нейтральных в решетке примесных центрах в металлах и полупроводниках является одной из фундаментальных проблем физики твердого тела. Несмотря на многочисленные работы в этой области, остается ряд нерешенных вопросов, связанных, например, с влиянием резонансных примесных состояний на механизмы релаксации импульса электронов и фононов. Кристаллы на основе селенида ргути, легированные переходными элементами (такими как железо, хром, кобальт) являются удобной модельной системой для решения таких задач. Исследование кинетических явлений в них интересно как с фундаментальной, так и с прикладной точек зрения. Отличительной особенностью этих соединений является то, что примеси переходных 3«/-элементов создают резонансные состояния на фоне сплошного спектра зоны проводимости. С ростом содержания примесей уровень Ферми стабилизируется на резонансном «/-уровне, что приводит к возникновению
5
необычного состояния - состояния со смешанной валентностью из ионов переходных элементов. Кулоновские межпримссные корреляции приводят к пространственному упорядочению положительных зарядов в системе примесей со смешанной валентностью. Этот эффект обусловливает существенное ослабление рассеяния электронов проводимости на примесях и проявляется в необычных зависимостях кинетических эффектов от содержания легирующей примеси и температуры.
Изучение пространственных корреляций в системах со смешанной валентностью важно для объяснения природы аномального характера физических свойств этих соединений. Кристаллы 1^$е:Ге более удобный объект для исследования роли межпримесных кулоновских корреляций, чем другие системы со смешанной валентностью. Во-первых, ионы Ре2*, замещая в узлах кристаллической решетки Н^2\ не нарушают спектр тонных носителей тока, а приводят только к сплавному рассеянию из-за разности потенциалов ионов железа и ртути. Во-вторых, этот потенциал локализован в элементарной ячейке, поэтому вклады в рассеяние электронов на нейтральных центрах и коррелированной системе ионов Ре3’ могут быть разделены. В-третьих, определение вклада в рассеяние на ионах Ре" в кинетические характеристики этих кристаллов позволяем определить степень упорядочения в зависимости от концентрации примесей железа и проследить изменение упорядочения ионов Ре'* с температурой. Поэтому исследование межпримесных кулоновских корреляций именно в бссщслсвых полупроводниках Р^5с:Ро может оказаться полезным при изучении пространственного упорядочения в других системах со смешанной валентностью (например, макганитах лантана).
Круг наблюдаемых явлений очень широк и многие из них пока что не находят не только количественного объяснения, но даже на качественном уровне не имеют однозначной интерпретации. Последовательный подход к решению этих проблем и определяет актуальность темы диссертационной работы как с фундаментальной, так и практической точек зрения.
6
В связи с вышеизложенным мы предприняли работу, целью которой было исследование влияния межпримесных кулоновских корреляций в системе примесей железа со смешанной валентностью на кинетические явления в кристаллах I ^8е:Ре при низких температурах.
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения.
Первая глава диссертационной работы носит обзорный характер и посвящена обсуждению физических свойств бесщелевых полупроводников Н§Яе, содержащих примеси железа со смешанной валентностью. Описана зонная структура и особенности физических свойств твердых растворов Р^Яе^е. Наиболее подробно рассмотрен!,I кулоновские корреляции в системе ионов железа со смешанной валентностью, приводящие к ослаблению рассеяния электронов на трехвалентных нонах Ре3*. Проанализированы механизмы релаксации импульса электронов в кристаллах М§8е:Ре. На основании анализа литературных данных сформулирована задача диссертационной работы.
Во второй главе рассмотрены особенности релаксации импульса электронов на системе ионов железа со смешанной валентностью в кристаллах Нё8с:Рс при низких температу рах. Показано, что кулоновское отталкивание положительных зарядов на ионах железа приводит не только к пространственным корреляциям в системе заряженных центров, но и к коррелированному расположению нейтральных центров относительно заряженных. Поэтому при рассеянии электронов на системе заряженных и нейтральных в решетке ионах железа возникает интерференционный член, и правило Маттнссена для обратных времен релаксации электронов на ней нарушается. Проанализирована зависимость подвижности электронов и отклонение от правила Маттнссена от концентрации примесей железа. Показано, что интерференционный член играет важную роль в релаксации импульса электронов, и его необходимо учитывать при сравнении результатов расчета подвижности с экспериментальными данными.
7
В третьей главе обсуждаются результаты исследования поперечного эффекта Нернста-Эггингсгаузена на образцах HgSe:Fe,Ga с различным содержанием примесей железа и галлия. Проанализированы экспериментально обнаруженные необычные зависимости величины и знака эффекта от содержания примесей галлия. Показано, что увеличение концентрации хаотически распределенных ионов галлия может приводить не только к усилению рассеяния электронов проводимости, но также и к ослаблению рассеяния электронов в определенном интервале содержания примесей железа и галлия.
Четвертая глава посвящена исследованию термоэлектрических явлений и теплопроводности кристаллов HgSerFe. Большое внимание в этой главе уделено изучению влияния фоноиной системы на явления электронного переноса и процессов релаксации импульса фононов. Показано, что пространственное упорядочение ионов Fe3\ происходящее в системе ионов железа со смешанной валентностью при низких температурах, приводит к ослаблению рассеяния фононов и наблюдаемым на эксперименте возрастанию термоэдс и теплопроводности в этих соединениях с увеличением содержания железа в интервале концентраций 5-101Х < N?c < МО19 см'3. Проведен детальный анализ экспериментальных данных. Рассчитано время релаксации фононов на пространственно упорядоченной системе заряженных ионов Fe' . Результаты теоретических расчетов зависимости термоэдс и теплопроводности от температуры и содержания примесей железа в кристаллах HgSerFe хорошо согласуется с экспериментальными данными.
В заключении диссертации приведены основные результаты и выводы работы.
Научную новизну диссертационной работы составляют следующие положения:
• Развит метод расчета парных корреляционных функций распределения для систем со смешанной валентностью с учетом межпримесных кулоновских корреляций. Этот метод позволил проанализировать пространственное перераспределение зарядов в системе ионов железа
8
ре*~_Ре‘" и кристаллах Н^е^е. Показано, что пространственное упорядочение грехвалензных ионов железа приводит к интерференции рассеяния электронов на заряженных и нейтральных в решетке ионах железа. Этот эффект обусловливает нарушение правила Матгнссена для обратных времен релаксации электронов на заряженных и нейтральных центрах.
• Объяснены экспериментально обнаруженные аномальные зависимости поперечного эффекта Нерпста-Эттингсгаузена от содержания примесей галлия в кристаллах Ь^8е:Ре,Оа при низких температурах. Установлено, что в области малых концентраций железа и галлия степень пространственного упорядочения трехвалентных ионов железа возрастает с увеличением содержания хаотически распределенных примесей галлия.
• Показано, что пространственное упорядочение в системе примесей железа со смешанной валентностью приводит к уменьшению вероятности рэлсевского рассеяния фопоиов на заряженных центрах. Этот эффект является причиной низкотемпературных аномалий термоэдс и теплопроводности кристаллов Н§8е:Ке.
Работа выполнена в лаборатории кинетических явлений Института физики металлов УрО РА11.
Результаты работы доложены на 3~ и 4— Всероссийских конференциях по физике полупроводников (Москва 1997г., и Новосибирск 1999г.), на 28-Международной школе по физике полупроводниковых соединений (Польша, Яжовсц 1999г.), на 27^ зимней школе-симпозиуме фнзиков-теоретиков “Коуровка-98”, на 5^ и 6- школах-семинарах молодых ученых “Проблемы физики твердого тела и высоких давлений” (Туапсе 1997г., 1999г.), а также на Уральских международных зимних школах но физике полупроводников “Электронный свойства низкоразмерных полу- и сверхироводниковых структур” (Екатеринбург 1997г., 1999г.)
Основные результаты диссертационной работы опубликованы в восьми работах в виде тезисов конференций и статей в отечественных научных журналах.
9
Список принятых в диссертации обозначений:
Л^е - концентрация примесей железа;
Л1* = 4.5-101* см'3;
Лгц. - концентрация заряженных ионов железа (Ре34);
Л/!о - концентрация нейтральных в решетке ионов железа (Ре‘ )
(А'о = Мс - М.);
.\'2, - концентрация примесей таллия;
Л'ч = Л'|, + Лг24 - концентрация заряженных примесных центров;
- концентрация дефектов, для кристаллов I ^8е:Рс « 1 10|8см'3;
ДП - донорная примесь;
ССВ - система со смешанной валентностью;
КСИ - коррелированная система ионов;
ХСИ - хаот ическая система ионов.
10
ГЛАВА 1. ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КРИСТАЛЛОВ Н8Бе, СОДЕРЖАЩИХ ПРИМЕСИ ЖЕЛЕЗА СО СМЕШАННОЙ ВАЛЕНТНОСТЬЮ. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР
1.1. Зонная структура н примесные состояния в полупроводниках АИВ'1
Уже многие гх>ды кристаллические системы, не относящиеся по своим свойствам к привычным категориям металлов, изоляторов и полупроводников вызывают устойчивый интерес. Запрещенная зона в этих материалах тождественно равна нулю, т.с. валентная зона касается зоны проводимости. Такие вещества называются бесщелепыми полупроводниками (БП) или металлами с точечной поверхностью Ферми (]]. Ы1 образуют естественную Границу между металлами и полупроводниками. От типичных полупроводников их отличает отсутствие порога для рождения электрон-дырочной пары, от металлов - существенно меньшая плотность электронного газа. Бесщелевое состояние было впервые обнаружено экспериментально в 1955—1956гт. у теляурида ртути (Н^Гс) [2.3]. Физика бесщелевых полупроводников является той областью современной науки, в которой фундаментальные проблемы физики твердого тела теснейшим образом связаны с вопросами, имеющими важное прикладное значение.
Возможны два типа БП. К первому типу относятся вещества, у которых запрещенная зона оказывается равной нулю из-за случайного вырождения зоны проводимости и валентной зоны. В этих полупроводниках бесщелевое состояние может быть разрушено воздействием любого возмущения.
Нас будет интересовать второй тип БП, у которых это состояние
возникает вследствие симметрии кристаллической решетки. Зона
проводимости и валентная зона у них принадлежат одному и тому же
неприводимому представлению группы симметрии [4]. Поэтому бесщелевое
состояние в БП второго типа исчезает лишь при возмущениях, понижающих
симметрию кристаллической решетки, такими, например, как магнитное
11
- Киев+380960830922