Диэлектрические свойства монокристаллов TlGa1–xFexSe2 в переменных электрических полях

Размещено на http://www.allbest.ru/

Диэлектрические свойства монокристаллов TlGa1-xFexSe2 в переменных электрических полях

С.Н. Мустафаева

Институт Физики Национальной Академии Наук Азербайджана

Изучено влияние частичного замещения галлия железом в слоистых монокристаллах TlGaSe2 на диэлектрические свойства полученных кристаллов в переменных электрических полях. Исследованы частотные зависимости тангенса угла диэлектрических потерь (tgd), диэлектрической проницаемости (e) и ac-проводимости вдоль С-оси кристаллов в частотном диапазоне 5Ч104ё3.5Ч107 Hz. Установлено, что в переменных электрических полях в монокристаллах TlGa1-xFexSe2 (x = 0; 0.001; 0.005 и 0.01) имеет место прыжковая проводимость sac ~ f 0.8 по локализованным вблизи уровня Ферми состояниям. Установлено, что по мере увеличения содержания железа в кристаллах TlGa1-xFexSe2 граничная частота, при которой имел место f 0.8 - закон для проводимости, смещалась в сторону более низких частот. При высоких частотах в монокристаллах TlGa1-xFexSe2 на зависимости sac(f) наблюдается суперлинейный участок fn, где n=1.1ё2.0. Оценены плотность локализованных состояний, ответственных за ac-проводимость, среднее время и расстояние прыжков, разброс ловушечных состояний вблизи уровня Ферми в монокристаллах TlGa1-xFexSe2 различного состава. Показано, что по мере увеличения содержания железа в кристаллах удельное сопротивление их уменьшается, среднее время и расстояние прыжков увеличиваются, а частота, при которой начинают проявляться релаксационные потери, смещается в сторону низких частот.

Слоисто-цепочечные кристаллы типа TlBIIIC2VI (B - In, Ga; C - S, Se, Te) обладают широким спектром практически важных физических характеристик, таких как высокая фото-, тензо-, рентгено-чувствительность. Физические свойства этих кристаллов очень чувствительны к внешним воздействиям: постоянное (dc) и переменное (ac) электрические поля; электромагнитные излучения видимого и инфракрасного диапазона, температура, давление, ионизирующие излучения [1 - 4]. Управлять физическими свойствами кристаллов TlBIIIC2VI возможно также путем интеркалирования их металлическими ионами [5, 6] или за счет частичного замещения таллия, индия или галлия другим металлом [7].

Целью настоящей работы явилось изучение влияния частичного замещения галлия железом в слоистых монокристаллах TlGaSe2 на диэлектрические свойства полученных кристаллов, измеренных на переменном токе.

Для получения гомогенных образцов состава TlGa1-xFexSe2 (x = 0; 0.001; 0.005 и 0.01) был использован метод прямого синтеза, т.е. химическое взаимодействие исходных высокочистых (не менее 99.99) компонентов (Tl, Ga, Fe, Se). Для выращивания соответствующих монокристаллов использован метод Бриджмена. Синтезированные образцы TlGaSe2, TlGa0.999Fe0.001Se2, TlGa0.995Fe0.005Se2 и TlGa0.99Fe0.01Se2 в измельченном виде помещались в кварцевые ампулы длинной 10 cm и внутренним диаметром 1 cm. Вакуумированные до давления 10-3 Pa ампулы с соответствующими составами помещались в печь, имеющую две температурные зоны. В верхней зоне печи поддерживалась температура на ~ 100 K выше точки плавления указанных веществ, а во второй зоне - на 50 K ниже точки плавления. Скорость перемещения ампулы в печи составляла ~ 0.2 cm/h. При нахождении заостренного конца ампулы в зоне с температурой T = Tпл в нем образовывался зародыш кристаллизации, а указанная выше скорость перемещения ампулы в печи оказалась подходящей для роста образовавшегося зародыша. Для установления индивидуальности были сняты при одинаковых условиях дифрактограммы как от синтезированных образцов, так и от их соответствующих монокристаллов. Дифрактограммы повторяли друг друга, что свидетельствовало об однофазности всех составов. Рентгенографические данные образцов TlGa1-xFexSe2 (x = 0; 0.001; 0.005 и 0.01) приведены в таблице 1.

диэлектрический монокристалл галлий

Таблица 1. Рентгенографические данные образцов TlGa1-xFexSe2

Диэлектрические коэффициенты монокристаллов TlGa1-xFexSe2 измерены резонансным методом с помощью куметра TESLA 560. Диапазон частот переменного электрического поля составлял 5Ч104ё3.5Ч107 Hz. Точность определения резонансных значений емкости и добротности (Q = 1 / tgd) измерительного контура ограничена ошибками, связанными со степенью разрешения отсчетов по приборам. Градуировка конденсатора имела точность ± 0.1 pF. Воспроизводимость положения резонанса составляла по емкости ± 0.2 pF, а по добротности ± 1.0 ё1.5 деления шкалы. При этом наибольшие отклонения от средних значений составляли 3 - 4 % для e и 7 % для tgd.

Образцы из TlGa1-xFexSe2 были изготовлены в виде плоских конденсаторов, плоскость которых была перпендикулярна С-оси кристалла. В качестве электродов использовалась серебряная паста. Толщина монокристаллических пластинок и площадь обкладок для всех изученных плоских конденсаторов приведены в таблице 2.

Таблица 2. Геометрические размеры образцов

В процессе электрических измерений образцы помещались в экранированную камеру. Все диэлектрические измерения проведены при 300 K.

На рис. 1 приведены результаты измерения тангенса угла диэлектрических потерь (tgd) при частотах 5Ч104 ё 3.5Ч107 Hz в монокристаллах TlGa1-xFexSe2 (кривые 1-4 отвечают значениям x = 0; 0.001; 0.005 и 0.01 соответственно). Как видно из рис. 1 все приведенные зависимости tgd имели две ветви: монотонно спадающую и возрастающую. Частота f0, при которой спад tgd сменялся его ростом, уменьшалась по мере увеличения содержания железа в кристаллах, что наглядно видно из рис. 2. Уменьшение tgd с частотой по гиперболическому закону свидетельствует о том, что основным видом диэлектрических потерь в монокристаллах TlGa1-xFexSe2 при f < f0 являются потери на электропроводность.

Рис.1 Частотные зависимости тангенса угла диэлектрических потерь для монокристаллов TlGaSe2 (1); TlGa0.999Fe0.001Se2 (2); TlGa0.995Fe0.005Se2 (3); TlGa0.99Fe0.01Se2 (4) при T = 300 K.

Рис.2 Зависимость частоты перехода от спада tgd к его росту от содержания железа в кристаллах TlGa1-xFexSe2

В отличие от монокристаллов TlGaSe2 и TlGa0.999Fe0.001Se2, в которых при f > f0 наблюдалось незначительное возрастание tgd, в монокристаллах TlGa0.995Fe0.005Se2 и TlGa0.99Fe0.01Se2 при f> f0 имел место значительный рост tgd. Наличие возрастающей ветви на зависимости tgd(f) позволяет сделать вывод о том, что наряду с потерями на электропроводность вносят свой вклад и релаксационные потери. Как видно из рис. 2, частота, при которой начинают проявляться релаксационные потери, смещается в сторону более низких частот при увеличении процентного содержания железа в кристаллах (максимальное смещение частоты f0 составляло примерно один порядок величины).

В частотном диапазоне 5Ч104ё3.5Ч107 Hz измерена также электрическая емкость образцов. По значениям емкости образцов при различных частотах рассчитаны значения диэлектрической проницаемости (e). На рис. 3 представлены частотные зависимости e для образцов TlGa1-xFexSe2 различного состава (кривые 1-4).

Рис.3 Частотная дисперсия диэлектрической проницаемости для TlGa1-xFexSe2: 1 - x = 0; 2 - x = 0.001; 3 - x = 0.005; 4 - x = 0.01.

Из рис. 3 видно, что для всех исследованных образцов существенной дисперсии e не наблюдается во всем изученном диапазоне частот. Так, в TlGaSe2 диэлектрическая проницаемость показывала ~ 20%-ую дисперсию, а в составах, легированных железом - 26%-ую дисперсию.

На рис. 4 представлены экспериментальные результаты изучения частотной зависимости ac-проводимости монокристаллов TlGa1-xFexSe2 при 300 K.

Кривая 1 на этом рисунке смещена на один порядок вверх, чтобы не перегружать нижнюю часть рисунка. Зависимость s(f) во всех кристаллах состояла из трех различных участков, так что в общем можно записать:

(1)

где s1 ~ f 0.5ё0.6; s2 ~ f 0.8; s3 ~ f n (n>1). В TlGaSe2 и TlGa0.999Fe0.001Se2 (кривые 1 и 2 на рис. 4) показатель степени n был равен 1.1 и 1.4, соответственно, в то время как в составах с бульшим содержанием железа n = 2 (кривые 3 и 4 на рис. 4). Начальная (f1) и конечная (f2) частоты, при которых наблюдался f 0.8 - закон для ac-проводимости, по мере увеличения содержания железа в кристаллах TlGa1-xFexSe2 смещались в сторону низких частот (рис. 5).

Рис.4 Частотно-зависимая ac-проводимость монокристаллов TlGaSe2 (1); TlGa0.999Fe0.001Se2 (2); TlGa0.995Fe0.005Se2 (3); TlGa0.99Fe0.01Se2 (4)

Как известно, обычная ac-проводимость зонного типа является в основном частотно-независимой вплоть до 1010ё1011 Hz. Наблюдаемая нами экспериментальная зависимость sac ~ f 0.8 свидетельствует о том, что она обусловлена прыжками носителей заряда между локализованными в запрещенной зоне состояниями. Это могут быть локализованные вблизи краев разрешенных зон состояния или локализованные вблизи уровня Ферми состояния [8]. Но так как в экспериментальных условиях проводимость по состояниям вблизи уровня Ферми всегда доминирует над проводимостью по состояниям вблизи краев разрешенных зон [8], то полученный нами закон f 0.8 свидетельствует о прыжковом механизме переноса заряда по состояниям, локализованным в окрестности уровня Ферми [9]:

Рис.5 Зависимость начальной (f1) и конечной (f2) частот участка f 0.8 от состава монокристаллов TlGa1-xFexSe2.

, (2)

где e - заряд электрона; k - постоянная Больцмана; NF - плотность состояний вблизи уровня Ферми; a=1/a - радиус локализации; a - постоянная спада волновой функции локализованного носителя заряда y ~ e-ar; - фононная частота.

Согласно формуле (2) ac-проводимость зависит от частоты как , т.е. приблизительно пропорциональна f 0.8 при f << . Подставив в формулу (2) значения = 1012Hz, f = 106 Hz и T = 300 K, получим

(3)

Вычисленные по формуле (3) значения NF для монокристаллов TlGa1-xFexSe2 составляли: NF = 1018 eV-1Чcm-3 для x = 0 и 0.01; 9.7Ч1017 eV-1Чcm-3 для x = 0.005 и 1.3Ч1018 eV-1Чcm-3 для x = 0.01. При вычислениях NF для радиуса локализации взято значение a = 34 Е, полученное экспериментально для монокристалла GaSe [10] - бинарного аналога TlGaSe2. В работах [1, 11] из экспериментов по изучению прыжковой проводимости поперек слоев монокристаллов TlGaSe2 и TlGa0.999Fe0.001Se2 на постоянном токе для NF были получены значения 2Ч1018 и 5.6Ч1017eV-1Чcm-3, соответственно. Следует отметить, что ac-проводимость по величине существенно превышала dc-проводимость изученных монокристаллов.

Согласно теории прыжковой ac-проводимости среднее время прыжка (t) носителя заряда из одного локализованного состояния в другое определяется по формуле [8]:

(4)

где R - среднее расстояние прыжка.

Экспериментально находится как средняя частота, при которой наблюдается f 0.8 - закон для sac. Из зависимости sac(f) монокристаллов TlGa1-xFexSe2 для t получены значения, которые графически представлены на рис. 6. По мере увеличения содержания железа в кристаллах среднее время прыжка увеличивается от 6.3Ч10-8 до 3Ч10-7 s. По формуле

(5)

вычислены средние расстояния прыжков в монокристаллах TlGa1-xFexSe2. На рис. 6 представлен график зависимости R от состава кристаллов, откуда видно, что с ростом x R растет от 190 до 216 Е.

Рис.6 Зависимость среднего времени прыжка (1) и среднего расстояния прыжка (2) в монокристаллах TlGa1-xFexSe2 от содержания железа

Эти значения R примерно в 5ё6 раз превышают среднее расстояние между центрами локализации носителей заряда в монокристаллах TlGa1-xFexSe2. Из измерений dc-проводимости монокристаллов TlGaSe2 и TlGa0.999Fe0.001Se2 для R были получены в среднем значения, равные 133 и 184 Е, соответственно [1, 11].

Зная NF и R по формуле [8]:

(6)

можно оценить разброс ловушечных состояний (DJ) вблизи уровня Ферми. Оцененные нами значения DJ представлены для различных составов TlGa1-xFexSe2 на рис. 7.

А по формуле

 (7)

мы определили концентрацию глубоких ловушек в монокристаллах TlGa1-xFexSe2, ответственных за ac-проводимость (рис. 8, кривая 2). На этом же рисунке приведена зависимость темнового удельного сопротивления монокристаллов TlGa1-xFexSe2 в зависимости от состава, откуда видно, что введение железа в кристаллы уменьшает их удельное сопротивление.

Рис.7 Разброс ловушечных состояний вблизи уровня Ферми для различных составов TlGa1-xFexSe2.

Как было показано выше, при f > f2 (напомним, что f2 - конечная частота участка f 0.8) на зависимости sac(f) монокристаллов TlGa1-xFexSe2 наблюдался суперлинейный участок f n, где n = 1.1ё2.0. Проводимость, пропорциональная f 2 обычно наблюдается при высоких частотах и обусловлена оптическими переходами в полупроводниках [8, 9].

Рис.8 Зависимость удельного темнового сопротивления (1) и концентрации глубоких ловушек (2) от содержания железа в кристаллах TlGa1-xFexSe2.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. С.Н. Мустафаева, В.А. Алиев, М.М. Асадов. ФТТ 40, 1, 48 (1998).

2. С.Н. Мустафаева, М.М. Асадов, В.А. Рамазанзаде. ФТТ 38, 1, 14 (1996).

3. С.Н. Мустафаева. ФТТ 46, 6, 979 (2004).

4. А.У. Шелег, К.В. Иодковская, Н.Ф. Курилович. ФТТ 45, 1, 68 (2003).

5. S.N. Mustafaeva, V.A. Ramazanzade, M.M. Asadov. Materials Chemistry and Physics 40, 2, 142 (1995).

6. С.Н. Мустафаева, М.М. Асадов. Неорган. материалы 33, 7, 790 (1997).

7. С.Н. Мустафаева, Э.М. Керимова, Н.З. Гасанов. ФТТ 43, 3, 427 (2001).

8. Н. Мотт, Э. Дэвис. Электронные процессы в некристаллических веществах. Мир, М. (1974) 472 с.

9. M.Pollak. Phil. Mag. 23, 519 (1971).

10. С.Н. Мустафаева. Неорган. материалы 30, 5, 619 (1994).

11. С.Н. Мустафаева, А.И. Гасанов, Э.М. Керимова. Известия НАН Азерб. Серия физ.-техн. и мат. наук 23, 5, 117 (2003).

Размещено на Allbest.ru