Кинетические явления в кристаллах HgSe, содержащих примеси железа со смешанной валентностью тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.07, кандидат физико-математических наук Арапова, Ирина Юрьевна

• Арапова, Ирина Юрьевна
• кандидат физико-математических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Арапова, Ирина Юрьевна

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. Физические свойства кристаллов ЩБе, содержащих примеси железа со смешанной валентностью. Литературный обзор.

1.1. Зонная структура и примесные состояния в полупроводниках АПВУ1.

1.2. Особенности физических свойств твердых растворов ^8е:Ре.

1.3. Два варианта модели короткодействующих корреляций.

1.4. Время релаксации электронов в кристаллах

§8е:Ге при рассеянии на коррелированной системе ионов Ге3+ и сплавном потенциале.

1.5. Влияние хаотически распределенных примесей на явления электронного переноса в кристаллах

§8е:Ре,Оа.

1.6. Термоэлектрические и термомагнитные эффекты в вырожденных проводниках.

1.7. Увлечение электронов фононами.

1.8. Зависимость термоэдс и поперечного эффекта НЭ от температуры и концентрации железа в кристаллах

§8е:Ре.

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ.

ГЛАВА 2. Пространственные корреляции и механизмы релаксации электронного импульса в системах со смешанной валентностью.

2.1. Введение.

2.2. Время релаксации электронов в кристаллах ^8е:Ре при учете сплавного рассеяния.

2.3. Пространственные корреляции и парциальные функции распределения системы примесей железа со смешанной валентностью.

2.4. Подвижность электронов и нарушение правила Маттиссена для рассеяния электронов на системе со смешанной валентностью Ре3+-Ре2+.

2.5. Выводы.

ГЛАВА 3. Влияние хаотически распределенных примесей галлия на пространственное упорядочение в системе ионов железа со смешанной валентностью в кристаллах Н£8е:Ре;Оа.

3.1. Введение.

3.2. Легирование кристаллов Н^Бе^е хаотически распределенными ионами галлия.

3.3. Результаты экспериментальных исследований поперечного эффекта Нернста-Эттингсгаузена.

3.4. Время релаксации электронов в кристаллах

§8е:Ре,Оа.

3.5. Расчет поперечного эффекта Нернста-Эттингсгаузена для кристаллов

§8е:Ре,Оа.

3.6. Обсуждение результатов.

3.7. Выводы.

ГЛАВА 4. Ослабление рассеяния фононов пространственно коррелированной системой ионов железа и низкотемпературные аномалии термоэдс и теплопроводности в кристаллах Р1£8е:Ре.

4.1. Введение.

4.2. Термоэлектрические явления в кристаллах Р^Бе.'Ре, содержащих примеси железа со смешанной валентностью.

4.2.1. Результаты эксперимента.

4.2.2. Диффузионная и фононная составляющие термоэдс.

4.2.3. Рассеяние фононов на коррелированной системе ионов Ре

4.2.4. Обсуждение результатов.

4.2.5. Влияние взаимного увлечения на термоэдс в кристаллах Р^е^е.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Кинетические явления в кристаллах HgSe, содержащих примеси железа со смешанной валентностью»

Интенсивное развитие технологий требует постоянного поиска материалов с новыми физическими свойствами. Активность исследователей в этой области с каждым годом растет, появляются новые классы соединений, такие как манганиты, органические проводники, фуллериды, нитриды галлия, нанокристаллы. 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 пространственном упорядочении заряженных центров и его влиянии на кинетические явления в полупроводниках. Модельными системами для рассмотрения этих процессов могут служить достаточно хорошо изученные узкощелевые и бесщелевые 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 ртути, 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 необычного состояния - состояния со смешанной валентностью из ионов переходных элементов. Кулоновские межпримесные 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 Н§8е:Ре более удобный объект для исследования роли межпримесных кулоновских корреляций, чем другие системы со смешанной валентностью. Во-первых, ионы Ре2+, замещая в узлах кристаллической решетки не нарушают спектр зонных 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 Ре3+ в кинетические характеристики этих кристаллов позволяет определить степень упорядочения в зависимости от концентрации примесей железа и проследить изменение упорядочения ионов Ре3+ с температурой. Поэтому исследование межпримесных кулоновских корреляций именно в бесщелевых полупроводниках Н^БегРе может оказаться полезным при изучении пространственного упорядочения в других системах со смешанной валентностью (например, манганитах 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.

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 Ь^8е:Ре при низких температурах.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения.

Заключение диссертации по теме «Физика конденсированного состояния», Арапова, Ирина Юрьевна

4.3.5. Выводы

Проведены исследования термоэдс и теплопроводности на образцах Щ8е:Ре с различным содержанием примесей железа в интервале температур 8 -60 К:

• объяснен экспериментально обнаруженный аномальный рост величины

18 термоэдс в интервале концентраций примесей железа 5-10 < 7Уре < (1 -2)-1019 см"3 при Т < 12 К. На основе расчета диффузионных и фононных (связанных с эффектом увлечения) компонент термоэдс от температуры и содержания примесей железа показано, что аномальный рост величины термоэдс обусловлен вкладом от эффекта электрон-фононного увлечения и

125 может быть объяснен уменьшением вероятности рэлеевского рассеяния фононов на пространственно коррелированной системе ионов Ре3+. Исследовано влияние межпримесных кулоновских корреляций в системе ионов железа со смешанной валентностью на теплопроводность кристаллов ^8еТе при низких температурах. Вычислено время релаксации фононов на коррелированной системе ионов железа Ре3+. Показано, что рост степени пространственного упорядочения ионов железа приводит не только к росту величины термоэдс, но также к заметному увеличению решеточной теплопроводности в том же интервале температур и концентраций примесей железа. Таким образом, эффект ослабления рэлеевского рассеяния фононов является физической причиной низкотемпературных аномалий термоэдс и теплопроводности.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

В результате проведенных исследований можно сделать следующие выводы:

• 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 Ре3+-Ре2+ в кристаллах Р|£8е:Ре. Установлено, 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.

• Показано, что пространственное упорядочение трехвалентных ионов железа приводит к интерференции рассеяния электронов на заряженных и нейтральных в решетке ионах железа. Этот эффект обусловливает нарушение правила Маттиссена для обратных времен релаксации электронов на заряженных и нейтральных центрах. Проанализирована зависимость подвижности электронов от концентрации примесей железа в кристаллах Н§8е:Ре. Показано, что интерференционный механизм играет важную роль в релаксации импульса электронов, и дает существенный

1Я 3 вклад в величину подвижности электронов при АРе > 5 -10 см .

• Исследовано влияние хаотической совокупности мелких донорных примесей на корреляционные свойства системы ионов железа со смешанной валентностью в кристаллах Р^8е:Ре,Са. Интерпретированы экспериментально обнаруженные необычные зависимости поперечного эффекта Нернста-Эттингсгаузена от содержания примесей галлия в кристаллах Н^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.

• Проведены исследования термоэдс кристаллов Щ8е:Ре при низких температурах. Объяснен экспериментально обнаруженный аномальный рост величины термоэдс в интервале концентраций примесей железа 5-1018 < ЖРе < (1 - 2)-1019 см"3 при Г < 12 К. На основе расчета диффузионных компонент термоэдс, а также фононных, связанных с эффектом увлечения, от температуры и содержания примесей железа показано, что аномальный рост величины термоэдс обусловлен вкладом от электрон-фононного увлечения и может быть объяснен уменьшением вероятности рэлеевского рассеяния фононов на пространственно

-с 3+ коррелированной системе ионов Р е .

• Исследовано влияние межпримесных кулоновских корреляций в системе ионов железа со смешанной валентностью на теплопроводность кристаллов Н§8е:Ре при низких температурах. Вычислено время

3+ релаксации фононов на коррелированной системе ионов железа Ре . Показано, что рост степени пространственного упорядочения ионов железа приводит не только к росту величины термоэдс, но также к заметному увеличению решеточной теплопроводности в том же интервале температур и концентраций примесей железа. Таким образом, эффект ослабления рэлеевского рассеяния фононов является физической причиной низкотемпературных аномалий термоэдс и теплопроводности.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Арапова, Ирина Юрьевна, 2000 год

1. Абрикосов A.A., Бенеславский С.Д. О возможножности существования веществ, промежуточных между металлами и диэлектриками.//ЖЭТФ -1970-Т.59-С.1280-1298.

2. Цидильковский И.М. Эффект Нернста-Эттингсгаузена в сильных магнитных по лях.//Программа VIII Всесоюзной конференции по физике полупроводников. JI., 1955 г., С.6-7.

3. Цидильковский И.М. Эффект Нернста-Эттингсгаузена в теллуриде ртути.//ЖТФ -1957 Т.27 - вып. 10 - С. 1744-1752.

4. Цидильковский И.М. Зонная структура полупроводников.//М. Наука 1978 -328с.

5. Groves S., Paul W. Band Structure of Gray Tin. // Phys. Rev. Lett. 1963 -V.ll -P.194- 196.

6. Цидильковский И.М., Харус Г.И., Шелушинина Н.Г. Примесные состояния и явления переноса в бесщелевых полупроводниках. //Свердловск, изд-во. УНЦ АН СССР 1987 - 151с.

7. Цидильковский И.М. Бесщелевые полупроводники с магнитными примесями, образующими резонансные донорные состояния.//УФН 1992 -Т. 162 вып.2 - С.63 - 105.

8. Паранчич С.Ю., Паранчич Л.Д., Макогоненко В.Н., Лотоцкий В.Б. Структурные, электрические и тепловые свойства FexHgixSe. //Известия АН СССР, серия неорганические материалы 1989 - Т.25 - вып.2 - С.233 -236.

9. Pool F., Kossut J., Debska U., Reifenberger R. Reduction of the charge-center scattering rate in HgjJFexSe./ZPhys.Rev.B. 1987 - V.35. - P.3900-3908.; Dobrovolski W., Dubko K., Skierbiszewski C., Suski Т., Litwin-Staszewska E.,

10. Miotowska S., Kossut J., Mycleski A. Studies of the ionized donor super-lattice in HgSe and HgSeiyTey mixed crystals. //Proc.of the 19th Intern. Conference on physics of Semiconductors /Ed.W.Zawadaki. Warsaw 1988 V.2 -P.1247-1254.

11. Mycielski J. Formation of a superlattice of ionized resonant donors or acceptors in semiconductors. //Sol. State Commun-1986 V.60 -N.2 - P. 165-168.

12. Wilamowski Z., Swiatek K., Dietl Т., Kossut J. Resonant states in gapless semiconductors: a quantitative study of HgSe:Fe.//Sol.St.Comm 1990 - V.74 -P.833-836.

13. Wilamowski Z. HgSe:Fe a system with mixed valence. //Acta Phys. Polonica -1990 - V.A77 - C.133-145.

14. Цидильковский И.М., Кулеев И.Г., Ляпилин И.И. «Аномалия» рассеяния электронов на коррелированной системе заряженных доноров.// ЖЭТФ -1992 Т. 102 - вып. 1(7) - С.326-337.

15. Percus.J.K., Yevick G.J. Analisis of classical statistical mechanics by means of collective coordinates. // Phys.Rev. 1958 - V.l 10 - P.l-13.

16. Кулеев И.Г. Пространственное упорядочение и кулоновская энергия взаимодействия ¿/-дырок в системе ионов железа со смешанной валентностью в кристаллах HgSe:Fe.//OTT 1997 - Т.39 - вып.2 -С.250-255.

17. Кулеев И.Г., Ляпилин И.И., Лончаков А.Т., Цидильковский И.М. Термомагнитные эффекты в селениде ртути, легированном железом.// ЖЭТФ 1993 - Т. 103 - С.1447-1458.

18. Mott N.F. Electrons in disordered structures.// Adv. Phys. 1967 - V.16. - N.61 - P.49-152.

19. Харьков Е.И., Лысов В.П., Федоров В.Е. Физика жидких металлов. //Киев, Вища школа 1979 - 246 с.

20. Аскеров Б.М. Электронные явления переноса в полупроводниках.// М. Наука 1985 - 317 с.

21. Рашбрук Дж. Равновесные теории жидкого состояния.// В сборнике статей: Физика простых жидкостей, под ред. Зубарева Д.Н., Плакиды Н.М. М.: Мир, 1971 -С.30- 59.

22. Кулеев И.Г., Ляпилин И.И., Цидильковский И.М. Температурная зависимость подвижности электронов в HgSe:Fe в модели сильно коррелированной кулоновской жидкости.//ФТТ 1995 - Т.37 - вып.8 -С.2360-2369.

23. Protapatas P., Parlee N. On a theory for the dérivation of the hard-sphere diametrs of liquid metals as a function of temperarure.//High Temp. Science -1974-V.6-N.1 -C.1-15.

24. Кулеев И.Г. HgSe:Fe система со смешанной валентностью и проблема основного состояния.//ФТТ - 1998 - Т.40 - вып.З - С.425-432.

25. Kuleyev I.G., Lerinman N.K., Sabirzyanova L.D., Shtrapenin G.L., Paranchich S.Yu. Electron transport in HgSe:Fe,Ga crystals containing iron impurities with mixed valence.//Semicond.Sci.Technol. 1997 - V. 12 - P.840-848.

26. Цидильковский И.М. Термомагнитные явления в полупроводниках.//М. Наука 1960-329 с.31 .Tsidilkovskii I.M., Kuleyev I.G. Spatial Correlations of Impurity Charges in Gapless Semiconductors// Semicond. Sci. Technol. 1996 - VI1 - P.625-640.

27. Кулеев И.Г., Ляпилин И.И., Лончаков A.T., Цидильковский И.М. Влияние увлечения электронов фононами на термоэлектрические и термомагнитные эффекты в селениде ртути, легированном железом.// ФТП 1994 - Т.28 -вып.6 - С.937-948.

28. Кулеев И.Г., Ляпилин И.И., Лончаков А.Т., Цидильковский И.М. Неупругое рассеяние электронов в кристаллах HgSe:Fe.// ЖЭТФ 1994 -Т.106 - вып.4(10) - С.1205-1218.

29. Алиев С.А., Коренблит Л.Л., Шалыт С.С. Электронная и решеточная теплопроводность селенида ртути. //ФТТ 1966 - Т.8 - вып.З. - С.705-711.

30. Хомский Д.И. Проблема промежуточной валентности.//УФН 1979 - Т. 129- С.443-486.

31. Уагта С.М. Mixed-valence compounds.//Rev.Mod.Phys. 1976 - V.48 -P.219 -239.

32. Anderson P.W. Localized Magnetic States in Metal //Phys.Rev. 1961 - V.124- P.41-53.

33. Кулеев И.Г., Арапова И.Ю. Пространственные корреляции и механизмы релаксации импульса электронов в кристаллах со смешанной валентностью.// ФММ 1999 - Т.88 - вып.З - С.43-50.

34. Laty P., Joud J.C., Mathieu J.C., Desre P. Influence of the shtort-range chemical order effect on the patial interference functions of a dilute binary liquid alloy.// Phyl.Mag. В 1978 - V.38 - N.l - P.l-13.

35. Dietl Т., Szymanska W. Electron scattering in HgSe.//J. Phys. Chem. Sol. 1978- V.39-P.1041-1059.

36. Цидильковский И.М., Кулеев И.Г., Штрапенин Г.JI. О нарушении правила Маттиссена для бесщелевых полупроводников, содержащих примеси со смешанной валентностью. // ДАН 1996 - Т.347 - Вып.4 - С.472-474.

37. Кулеев И.Г., Цидильковский И.М., Лончаков А.Т., Леринман Н.К., Сабирзянова Л.Д. Электронный перенос в бесщелевых полупроводниках HgSe:Fe,Ga. //Труды II Российской конференции по физике полупроводников, С. Петербург 1996 - Т. 1 - С.72.

38. Кулеев И.Г., Лончаков А.Т., Штрапенин ГЛ., Арапова И.Ю. Поперечный эффект Нернста-Эттингсгаузена в кристаллах HgSe:Fe,Ga, содержащих примеси железа со смешанной валентностью.// ФТТ 1997 - Т.39 - вып. 10 -С.1767- 1774.

39. Whitset C.R., Nelson D.A., Broerman J.G., Paxhia. Lattice thermal conductivity of mercury selinide.// Phys.Rev. B. 1973 - V.7 - N.10 - P.4625-4640.

40. Szymanska W., Boguslawki P., Zavadzki W. Elastic electron scattering in symmetry-induced zero-gap semiconductors.//Phys. Stat. Sol. В 1974 - V.65 -P.641 - 654.

41. Кулеев И.Г., Лончаков А.Т., Арапова И.Ю. Рассеяние фононов пространственно-коррелированной системой ионов железа и низкотемпературная аномалия теплопроводности кристаллов HgSe:Fe.// ФТП 2000 - Т.34 - вып.4 - С.402 - 410.

42. Рэлей Дж. Теория звука. т.2//Гостехиздат. Москва 1955 382 с.

43. Klemens P.G. The scattering of low-frequency lattice waves by static imperfection. //Proc.Phys.Soc. A 1955 - V.68 - N.432 - P. 1113 - 1129.

44. Griffin A., Carruthers P. Thermal conductivity of solids IV: Resonance fluorescence Scattering of Phonon by donor electron in germanium.//J.Phys. Rev. 1963 - V.131 - N.5 - P. 1976-1995.

45. Могилевский Б.М., Чудновский А.Ф. Теплопроводность полупроводников. //Наука Москва - 1972 - 536с.57.0скотский B.C., Смирнов И.А. Дефекты в кристаллах и теплопроводность.//Наука Ленинград - 1972 - 205 с.

46. Tompson J.C., Younglove В.А. Thermal conductivity of silicon at low temperatures. //Phys.Chem.Solids 1961 - V.20 - N.l/2 - P.146 -149.

47. Slack G.A. Thermal conductivity of pure and impure silicon, silicon carbide and diamond. //J.Appl.Phys. 1964 - V.35 - N.12 - P.3460 -3466.

48. Glassbrenner C.J., Slack G.A. Thermal conductivity of silicon and germanium from 3°K to melting point. //Phys. Rev. 1964 - V. 134 - N.4A - P.l058-1069.

49. Ляпилин И.И., Биккин X.M. Взаимное увлечение электронов и фононов в сильно легированных полупроводниках HgFeSe. //ФТП -1999 Т.ЗЗ -вып.6 - С.701 -707.

50. Кулеев И.Г. Кинетические коэффициенты неравновесных электрон-фононных систем вырожденных проводников в классических магнитных полях. //ФММ 2000 - Т.89 - вып.2 - С.29 -40.

51. Кулеев И.Г., Арапова И.Ю. О взаимном увлечении электронов и фононов и о низкотемпературных аномалиях термоэлектрических и термомагнитных эффектов в кристаллах HgSe:Fe. // ФТП в печати.

52. Callaway J. Model for lattice thermal conductivity at low temperatures.// Phys.Rev. 1959-V.113 -N.4-P.1046- 1051.

53. Кулеев И.Г. Эффекты взаимного увлечения электронов и фононов и электронный перенос в вырожденных проводниках.//ФММ 1999 - Т.87 -вып.6 - С.5-16.

54. Равич Ю.И. Методы исследования полупроводников в применении к халькогенидам свинца. //М.: Наука 1968 - 267с.

55. Житинская М.К., Немов С.А., Равич Ю.И. Влияние рассеяния фононов на нейтральных и заряженных примесных центрах на теплопроводность решетки в PbTe: (Tl,Na).//OTT 1998 - Т.40 - вып.7 - С. 1206-1208.

56. Кера H., Giebultowicz Т. A neutron scattering study of lattice dynamics of HgTe and HgSe. // Physica Scripta 1982 - V.25 - P.807-809.

57. Holland M.G. Analysis of lattice thermal conductivity.// Phys.Rev. 1963 -V.132-N.6-P.2461 -2471.

58. Asen-Palmer M., Bartkowski K., Gmelin E., Cardona M., Zhernov A.P., Inyushkin A.V., Ozhegin V.I., Itoh K.M., Haller E.E. Thermal conductivity of germanium crystals with different isitopic compositions. //Phys.Rev.B. 1997 -V.56-N.15 -P.9431 -9447.