Введение к работе
Актуальность работы
С развитием технологии и физики наноструктур представляется перспективным изучение фундаментальных закономерностей изменения свойств вещества при переходе от объемных монокристаллов к низкоразмерным системам и наноструктурам. При варьировании условий получения пленок, их структура может изменяться от неупорядоченного мелкодисперсного состояния до достаточно совершенного крупноблочного кристалла [1]. Использование дополнительных методов позволяет улучшить структуру пленки до монокристалла [2,3]. Отличие физических свойств тонких плёнок от свойств массивного вещества может быть обусловлено проявлением классического и квантового размерных эффектов, вследствие малости толщины плёнки по сравнению с длиной свободного пробега или длиной волны де Бройля носителей заряда [3].
Типичным объектом при исследовании размерных эффектов являются тонкие пленки висмута [4,5]. При исследовании их гальваномагнитных и термоэлектрических свойств выявлены целый ряд особенностей обусловленных малой толщиной пленки и малыми размерами кристаллитов в плоскости пленки. Корректный анализ этих особенностей затруднен вследствие наличия в висмуте нескольких групп носителей заряда. Дополнительной трудностью является анизотропия свойств носителей заряда, различная для различных групп носителей.
Одним из способов преодоления указанных трудностей при исследовании закономерностей изменения свойств при переходе к тонкопленочному состоянию является исследование легированных тонких пленок [6-8]. Процесс легирования позволяет управлять концентрацией носителей заряда, что в ряде случаев позволяет упростить интерпретацию экспериментальных результатов, обеспечивая дополнительные возможности исследования параметров носителей заряда и электронных свойств полуметаллов.
Кроме того, исследование легированных пленок позволяет получить дополнительную информацию о механизмах рассеяния электронов, как на границах кристаллитов, так и на поверхности пленки, обуславливающих проявление классического размерного эффекта в электронных явлениях переноса.
Представленная работа посвящена изучению гальваномагнитных явлений в пленках висмута, легированного теллуром. В отличие от ранее выполненных работ [1,4-8], в которых рассматривались особенности структуры и гальваномагнитных свойств пленок чистого и легированного висмута, в настоящей работе проведено целенаправленное комплексное исследование влияния толщины и донорной примеси теллура на гальваномагнитные свойства пленок висмута.
Наряду с блочными плёнками в работе методом зонной перекристаллизации [3] первые были изготовлены и исследованы монокристаллические плёнки висмута, легированного теллуром. Это позволило кардинально улучшить кристаллическую структуру пленок, тем самым существенно приблизиться к свойствам объемного монокристалла.
Работа является продолжением проводимых в лаборатории полуметаллов РГПУ им. А.И. Герцена исследований закономерностей физических явлений в низкоразмерных системах на основе висмута [2]. Результаты, полученные в настоящей работе, дополняют систему закономерностей проявления размерных эффектов ограничения подвижности носителей заряда при переходе от массивных монокристаллов к низкоразмерным объектам в виде монокристаллических и блочных пленок висмута, легированного теллуром, различной толщины.
Цель работы:
Установление закономерностей изменения гальваномагнитных явлений в пленках висмута, легированного теллуром, изготовленных методом термического испарения в глубоком вакууме, определение влияния размеров (толщины пленки), степени легирования и дефектов структуры на подвижность носителей заряда.
Наряду с блочными пленками висмута, легированного теллуром, исследовать возможность получения монокристаллических пленок висмута, легированного теллуром, используя методы, разработанные для пленок чистого висмута, что позволило бы разделить влияние поверхности пленки и границ кристаллитов на рассеяние носителей заряда в пленках висмута.
Для достижения намеченной цели при выполнении диссертационной работы необходимо решить следующие задачи:
используя метод вакуумного термического напыления, получить блочные пленки висмута на слюде с содержанием теллура 0,005-0,150 ат.%, в диапазоне толщин 0,1-1,0 мкм, и однородным распределением теллура по всему объёму пленки;
методом зонной перекристаллизации изготовить монокристаллические плёнки висмута с содержанием теллура 0,005-0,150 ат.%;
провести исследования структуры изготовленных плёнок методами атомно-силовой микроскопии (АСМ) и рентгеноструктурного анализа, определить кристаллографическую ориентацию плёнок и выявить основные закономерности влияния примеси теллура на структуру пленок висмута на слюде;
исследовать гальваномагнитные явления в изготовленных пленках висмута, легированного теллуром, в интервале температур 77-300 K и магнитном поле до 0,65 Тл;
исследовать влияние толщины и примеси теллура на гальваномагнитные явления в плёнках висмута, легированного теллуром;
основываясь на результатах исследований гальваномагнитных явлений, проанализировать влияние толщины, структуры, степени легирования на подвижность носителей заряда в пленках висмута, легированного теллуром.
Научная новизна:
-
-
Установлены причины значительного отличия гальваномагнитных коэффициентов в плёнках висмута с содержанием теллура 0,005-0,075 ат.% от монокристаллов того же состава.
-
Показано, что во всех исследованных пленках концентрация носителей заряда не зависит от толщины.
-
Методом зонной перекристаллизации под покрытием впервые получены и исследованы монокристаллические пленки висмута, что позволило обеспечить возможность разделения вкладов поверхности и дефектов структуры в ограничение подвижностей носителей заряда в монокристаллических и текстурированных плёнках.
Положения, выносимые на защиту:
-
В пленках висмута, легированного теллуром, полученных методом термического напыления в вакууме и подвергнутых отжигу, размеры кристаллитов меньше по сравнению с пленками нелегированного висмута, полученными при аналогичных технологических режимах.
-
Метод зонной перекристаллизации под покрытием позволяет получить монокристаллические (моноблочные) пленки висмута, легированного теллуром, с равномерным распределением теллура по объему пленки.
-
В пленках висмута, легированного теллуром, при возрастании концентрации легирующей примеси уменьшается влияние классического размерного эффекта на гальваномагнитные свойства.
-
В пленках висмута, легированного теллуром, в количестве 0,050 – 0,075 ат.%, при увеличении температуры выше 77 K наблюдается переход от электронной проводимости к электронно-дырочной, при этом определяющими механизмами ограничения подвижности является рассеяние на поверхности и границах кристаллитов, приводящее к практической независимости подвижности носителей заряда от температуры для пленок толщиной менее 100 нм.
Теоретическая значимость работы
Полученные результаты позволяют уточнить особенности влияния легирующих примесей на кристаллические низкоразмерные объекты на основе висмута; исследовать проявления размерных эффектов при изменении, вследствие легирования, концентрации и энергии носителей заряда на уровне Ферми; дополнить систему закономерностей изменения физических свойств при переходе от массивных монокристаллов к низкоразмерным объектам в виде монокристаллических и блочных плёнок висмута различной толщины, легированного теллуром.
Практическая значимость работы
Выбор технологических режимов, оптимальных для получения блочных плёнок висмута, легированного теллуром, с совершенной субструктурой блоков, а также изготовление монокристаллических плёнок позволяет приблизиться к свойствам объемного монокристалла. Это может существенно расширить возможность создания первичных тонкоплёночных преобразователей различного назначения, таких как термоэлектрические преобразователи, измерители магнитного поля, тонкоплёночные болометры, тензодатчики, приемники ИК-излучения и т.д...
Полученные результаты работы могут быть использованы при изготовлении низкоразмерных структур на основе висмута с контролируемой концентрацией электронов.
Диссертационная работа финансировалась министерством образования и науки РФ в рамках реализации аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2011годы)» (грант № 2.1.1/9206), Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (гос. контракт от 22 марта 2010 г. № 02.740.11.0544), Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы» (соглашение № 14.B37.21.0891) и государственного задания Министерства на оказание услуг (выполнения работ), проект № 2. 7576.2013.)
Достоверность и обоснованность результатов и выводов исследования обеспечиваются: использованием разработанных в лаборатории и хорошо апробированных методов выращивания массивных монокристаллов, получения плёнок висмута и сплавов висмут-сурьма, их легирования донорными или акцепторными примесями, методов исследования структуры и свойств массивных монокристаллов и плёнок (АСМ, времяпролетная масс-спектрометрия, рентгеноструктурный анализа, автоматизированный метод исследования по классическому алгоритму комплекса гальваномагнитных явлений), которые, с учетом минимальных погрешностей, позволяют реализовать детальное исследование кристаллической структуры, состава, гальваномагнитных свойств плёнок висмута, легированного теллуром.
Достоверность обеспечивается сравнительным анализом полученных результатов c результатами по исследованию свойств плёнок чистого висмута и монокристаллов висмута, легированного теллуром, использованием современных моделей и представлений в области физики полуметаллов, согласованностью с результатами исследований, опубликованными другими авторами, в той части, где такое сравнение возможно.
Апробация работы
Основные научные результаты докладывались на следующих конференциях и семинарах: ХI Межвузовской студенческой научной конференции «студент-исследователь-учитель» (Санкт-Петербург, 2009 г.), VI Всероссийской межвузовской конференции молодых учёных (Санкт-Петербург, 2009 г.), XII Межгосударственном семинаре «Термоэлектрики и их применения» (Санкт-Петербург, 2010 г.), XLIX международной студенческой конференции «Студент и научно-технический прогресс» (Новосибирск, 2011 г.), II Всероссийской школе-семинаре молодых учёных «Конструкционные наноматериалы» (Москва, 2011 г.), XIII Межгосударственном семинаре «Термоэлектрики и их применения» (Санкт-Петербург, 2012г.), I Всероссийском конгрессе молодых учёных (Санкт-Петербург, 2012г.), «Конференции-конкурсе работ молодых физиков России» (Москва, 2012, 2013гг.), Всероссийском научно-практическом семинаре молодых ученых по тонкопленочным технологиям (Елец, 2012г), II Всероссийской научно-практической конференции «Физические явления в конденсированном состоянии вещества» (Чита, 2013г) и на научных семинарах лаборатории полуметаллов кафедры общей и экспериментальной физики Российского государственного педагогического университета им. А. И. Герцена.
Личное участие соискателя в получении результатов, изложенных в диссертации, заключается в постановке задач исследования (совместно с соавторами), выборе объектов исследования, изготовлении тонкоплёночных образцов, получении, обработке и интерпретации экспериментальных результатов исследования влияния концентрации примеси теллура на структуру и гальваномагнитные явления, а также влияния механизмов рассеяния на подвижность носителей заряда в пленках висмута, легированного теллуром.
В работах, написанных в соавторстве, постановка задач, определение направлений исследования, а также обсуждение полученных данных осуществлялись совместно.
Публикации: по теме диссертации опубликовано 14 работ, из них 3 работы опубликованы в рецензируемых научных журналах, рекомендованных Высшей аттестационной комиссией.
Структура и объем диссертации
Похожие диссертации на Гальваномагнитные явления в пленках висмута, легированного теллуром
-
