Концентраційні аномалії властивостей в напівпровідникових твердих розчинах на основі телуриду свинцю

Ключові слова: телурид свинцю, твердий розчин, концентраційні залежності, теплоємність, теплопровідність, рухливість носіїв заряду, мікротвердість, коефіцієнт термо-е.р.с., коефіцієнт Холла, перколяція..

ABSTRACT

Krivulkin I.M. The concentration anomalies of properties in semiconductor solid solutions based on tin telluride. - Manuscript. Thesis on search of a scientific degree of the candidate of physical and mathematical sciences in speciality of 01.04.10 - Physics of the semiconductor and dielectrics. Institute for Single Crystals National Academy of Sciences of Ukraine, Kharkiv, 2003.

In the work, a complex study of the crystal structure, mechanical, thermal, galvanomagnetic, and thermoelectric properties as functions of composition and temperature of semiconducting solid solutions based on lead telluride in the PbTe-MnTe and PbTe-GeTe systems was performed. It was established that in the range of MnTe and GeTe concentrations ~ 0.75 - 2 mol.%, the isotherms of microhardness, electrical conductivity, the Hall coefficient, the coefficient of thermo - e.m.f., thermal conductivity, thermal expansion coefficient, charge carrier mobility and other properties exhibit anomalous behavior.

The detected anomalies are attributed to critical phenomena accompanying the transition to heavy doping, which can be considered as a concentration phase transition. In the approximation of percolation theory, a model of processes that determine the non-monotonic behavior of the concentration dependences of properties is developed. In the dependences of the specific heat on the composition of PbTe-MnTe and PbTe-GeTe solid solutions, distinct peaks are observed at 0.75 - 2 mol.% of MnTe and GeTe, which confirms the existence of phase transitions.

It is established that in PbTe-MnTe solid solutions in the range of 0,75-1.25 mol.% of MnTe, a sharp drop in the thermal expansion coefficient and a narrowing of X-ray diffraction lines occur. These facts as well as simultaneous increases in the phonon thermal conductivity and charge carrier mobility allow one to assume that a transition to the impurity continuum can be accompanied by self-organization processes in the impurity subsystem of a crystal. In the PbTe-GeTe system, two types of ordering can exist.

Key words: lead telluride, solid solutions, concentration dependencies, heat capacity, thermal conductivity, charge carrier mobility, microhardness, coefficient of thermo - e.m.f., Hall coefficient, percolation.

АННОТАЦИЯ

Кривулькин И.М. Концентрационные аномалии свойств в полупроводниковых твердых растворах на основе теллурида свинца. - Рукопись.Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.10 - физика полупроводников и диэлектриков - Институт монокристаллов НАН Украины, Харьков, 2003.

Проведено комплексное исследование структуры, механических (микротвердость), тепловых (теплопроводность, теплоемкость, коэффициент теплового расширения), гальваномагнитных (электропроводность, коэффициент Холла, подвижность носителей заряда) и термоэлектрических свойств в зависимости от состава твердых растворов PbTe-MnTe (0 - 4 мол.% MnTe) и PbTe-GeTe (0 - 7 мол.% GeTe) при различных температурах.

В результате проведенных исследований на концентрационных зависимостях всех исследуемых свойств в области содержания примеси ~ 0,75 - 2 мол.% MnTe(GeTe) выявлены аномалии, существование которых связывается с критическими явлениями, сопровождающими переход от разбавленных к концентрированным твердым растворам (переход к сильному легированию). Дана интерпретация наблюдаемого эффекта в рамках теории перколяции и флуктуационной теории фазовых переходов ІІ рода. Разработана физическая модель процессов, которые определяют немонотонный характер концентрационных зависимостей свойств. Предполагается, что после образования в кристалле перколяционных каналов процесс взаимодействия атомов примеси приобретает коллективный характер, облегчая движение дислокаций, электронов и фононов.

На зависимостях решеточной теплоемкости от состава твердых растворов PbTe-MnTe и PbTe-GeTe при температурах выше температуры Дебая (D) обнаружены ярко выраженные пики при 0,75 - 2 мол.% MnTe и GeTe, которые подтверждают существование концентрационных фазовых переходов изоморфного типа.

Показано, что основным механизмом рассеяния носителей заряда в твердых растворах PbTe-MnTe и PbTe-GeTe при Т  D является рассеяние на акустических колебаниях решетки. При увеличении концентрации MnTe и GeTe наблюдается тенденция к падению степенного коэффициента в температурной зависимости Н. В прессованных образцах PbTe-MnTe наблюдается температурный интервал 80-160 К экспоненциального роста Н и , существование которого связывается с энергетическими барьерами высотой а на межзеренных границах. Показано, что не только подвижность носителей заряда, но и значения и а есть немонотонные функции состава в интервале концентраций 0,75 - 1,25 мол.% MnTe.

На основе температурных и концентрационных зависимостей теплопроводности твердых растворов PbTe-MnTe и PbTe-GeTe произведена оценка вкладов различных механизмов переноса тепловой энергии в полную теплопроводность, а также рассчитано эффективное сечение рассеяния фононов S на примесях Mn и Ge. Тот факт, что в системе PbTe-GeTe величина S значительно превышает значения этого параметра в системе PbTe-MnTe (S  1,2 a2 і S  0,5 a2, соответственно, где а - параметр элементарной ячейки) хорошо согласуется со степенью размерного несоответствия катионов (Pb и Ge, Pb и Mn) в этих системах. В критических областях на изотермах фононной теплопроводности р наблюдаются участки аномального роста р, при увеличении концентрации MnTe и GeTe. В твердых растворах PbTe-GeTe таких участков два - вблизи ~ 0,8 и ~ 1,6 мол.% GeTe.

Установлено влияние процессов окисления на электрофизические свойства твердых растворов PbTe-MnTe и тонких пленок PbTe. Показано, что окисление приводит к увеличению концентрации дырок и, соответственно, к смещению в сторону более высоких температур точки инверсии на температурных зависимостях коэффициента Холла и коэффициента термо-э.д.с. твердых растворов PbTe-MnTe, а также к возникновению дырочной проводимости в тонких пленках n-PbTe при уменьшении их толщины. Показано, что существование концентрационных аномалий свойств в твердых растворах PbTe-MnTe не зависит от наличия окисления.

Обнаруженные в критической области резкое падение коэффициента теплового расширения и ширины рентгеновских линий, рост решеточной теплопроводности и подвижности носителей заряда, которые наблюдаются в этой области, позволяют сделать предположение, что переход к примесному континууму может сопровождаться процессами самоорганизации в примесной подсистеме кристалла. С этим предположением согласуется соответствие критических составов с теоретически оцененными оптимальными составами упорядочения.

Наличие концентрационных аномалий механических, гальваномагнитных, термоэлектрических, теплофизических свойств при переходе к сильному легированию следует принимать во внимание при разработке и интерпретации свойств новых материалов для термоэлектрической энергетики, ИК - техники и других областей науки и техники.

Ключевые слова: теллурид свинца, твердый раствор, концентрационные зависимости, теплоемкость, теплопроводность, подвижность носителей заряда, микротвердость, коэффициент термо э.д.с., коэффициент Холла, перколяция.

Размещено на Allbest.ru