Введение к работе
Актуальность темы. Исследования эффектов рассеяния носителей тока на примесных атомах в металлах и полупроводниках составляют одну из основных развивающихся областей физики твердого тела. Актуальные задачи в этой области связаны с определением роли резонансных примесных состояний в электронных свойствах полупроводников. Кристаллы на основе селе-нида ртути, легированные Зо"-переходными элементами (железо, кобальт, хром и др.), являются удобными объектами для решения таких задач. Отличительной особенностью этих систем является то, что примеси переходных Зо!-элементов образуют резонансные донорные уровни в полосе проводимости кристалла-матрицы [1, 2]. С ростом содержания примесей энергия Ферми электронов проводимости стабилизируется на резонансном d-уровне и наблюдается известный эффект «зацепления» энергии Ферми. Это приводит к возникновению резонансного рассеяния и формированию состояний промежуточной валентности. Происходит гибридизация делокализованных (зонных) и локализованных на примесных центрах электронных состояний. Этот эффект обуславливает существенное изменение характера рассеяния электронов проводимости на примесях и проявляется в необычных зависимостях физических параметров исследуемых кристаллов от содержания легирующей примеси и температуры. Изучение такого рода проявлений резонансного рассеяния и гибридизации электронных состояний важно для объяснения природы физических свойств большого класса легированных систем.
Детальные исследования гибридизированных электронных состояний проводились ранее для валентной полосы энергий в широкозонных полупроводниках [3]. Что же касается явлений гибридизации в полосе проводимости, которые характерны для узкощелевых и бесщелевых полупроводников, то до недавнего времени их роль недооценивалась вследствие предполагавшейся малости. Экспериментальные данные, полученные на этих системах, интерпретировали на основе моделей, не учитывающих гибридизацию. Однако в работе [4] было показано, что именно проявлениями резонансного рассеяния электронов на донорных примесях объясняется ряд наблюдающихся аномалий низкотемпературных электронных свойств.
Таким образом, для обозначенного выше класса систем актуальным стало детальное исследование эффектов гибридизации состояний и резонансного рассеяния электронов. Связанные с влиянием донорных примесей аномальные закономерности наблюдались при низких температурах в проводимости, гальваномагнитных, осцилляционных, магнитных и других эффектах. Основным объектом для их изучения стал полупроводник HgSe с примесями переходных элементов, в котором такие закономерности проявляются особенно ярко.
Цель и задачи работы. Основной целью диссертационной работы является экспериментальное исследование низкотемпературных кинетических и магнитных свойств для разработки в итоге согласованного количественного описания эффектов, обусловленных влиянием примесей железа, кобальта и хрома в кристаллах селенида ртути.
Задачи диссертационной работы состояли в следующем.
-
Выяснить в полном объёме характер проявления резонансного рассеяния электронов и гибридизации электронных состояний на примесях в низкотемпературной проводимости кристаллов HgSe:Fe и HgSe:Cr. Для этого провести новое детальное исследование температурных зависимостей удельного электросопротивления и коэффициента Холла данных кристаллов с различной концентрацией примесей. Проанализировать полученные концентрационные и температурные зависимости электронной концентрации и подвижности в исследуемых системах на основе теории эффектов гибридизации и определить параметры гибридизированных состояний.
-
Изучить влияние резонансного рассеяния электронов на осцилляции Шубникова - де Гааза в системе HgSe:Fe. С этой целью проанализировать амплитуды и фазы осцилляции для определения концентрационных зависимостей температуры Дингла и g-фактора электронов проводимости.
-
Изучить вклад, который вносит магнетизм гибридизированных электронных состояний примесей Fe и Со в магнитную восприимчивость кристалла HgSe. С этой целью провести исследования температурных зависимостей магнитной восприимчивости данных соединений с различной концентрацией примесей. Найти по экспериментальным данным эффективные магнитные моменты гибридизированных электронных состояний примесей Fe и Со и определить значение предельной концентрации донорных электронов.
-
Провести согласованный количественный анализ полученных экспериментальных данных по низкотемпературным кинетическим и магнитным свойствам кристаллов HgSe:Fe на основе теории эффектов гибридизации электронных состояний примесей переходных элементов. Определить значения параметров гибридизированных электронных состояний в данных кристаллах.
Научная новизна. В работе впервые: 1. Получены подробные экспериментальные данные по концентрационным и температурным зависимостям электросопротивления и коэффициента Холла в кристаллах HgSe с примесями железа и хрома в широком диапазоне концентраций NFe = (2-Ю18- Ы021)см"3 и NCr = (3-Ю18- 6-1020)см"3. В результате количественного описания наблюдаемых эффектов на основе теории резонансного рассеяния надёжно определены параметры локализации электронных состояний примесей железа и получена принципиально новая информация о гибридизированных состояниях на примесях хрома.
-
В результате анализа концентрационных зависимостей амплитуд квантовых осцилляции Шубникова - де Гааза в полупроводнике HgSe:Fe на основе новых подробных данных дано надёжное экспериментальное обоснование и определено положение минимума температуры Дингла, который объясняется резонансным рассеянием электронов на донорных примесях.
-
В экспериментах по эффекту Шубникова-де Гааза на кристаллах HgSe:Fe обнаружена немонотонная зависимость g-фактора электронов от концентрации донорных примесей, которая связана с влиянием межэлектронного взаимодействия.
-
На основе детальных экспериментальных исследований температурной зависимости примесной магнитной восприимчивости установлена концентрационная зависимость константы Кюри, и определены эффективные магнитные моменты примесей железа и кобальта в селениде ртути.
-
Проведено согласованное количественное описание экспериментальных данных по низкотемпературным электронным свойствам, и определён набор параметров гибридизированных электронных состояний в полупроводнике HgSe:Fe.
На защиту выносятся:
-
Новые экспериментальные данные по низкотемпературным электронным свойствам полупроводника HgSe с примесями переходных элементов (Fe, Сг) в широком диапазоне концентраций, подтверждающие наличие резонансных донорных состояний в полосе проводимости кристалла-матрицы. Надёжное количественное обоснование того, что наблюдаемые эффекты влияния примесей (стабилизация электронной концентрации, концентрационный максимум подвижности и аномальные температурные зависимости подвижности) обусловлены гибридизацией состояний электронов.
-
Результаты исследования влияния примесей на квантовые осцилляции Шубникова - де Гааза в кристалле HgSe:Fe. Полученная концентрационная зависимость температуры Дингла и количественное доказательство того, что экспериментально обнаруженный её минимум коррелирует с концентрационным максимумом подвижности и обусловлен резонансным рассеянием электронов проводимости на донорных примесях.
-
Найденная концентрационная зависимость фактора спинового расщепления энергетических уровней электронов в полупроводнике HgSe:Fe и утверждение о том, что её немонотонность связана с межэлектронным взаимодействием.
-
Результаты подробных исследования температурных зависимостей магнитной восприимчивости кристаллов HgSe:Fe и HgSerCo. Определение эффективных магнитных моментов гибридизированных электронных состояний примесей Fe и Со и предельной концентрации донорных электронов.
5. Определение согласованных значений параметров гибридизирован-ных электронных состояний примесей железа в селениде ртути из экспериментальных данных по концентрационным и температурным зависимостям измеренных величин.
Научная и практическая ценность. Представленные результаты создали основу для развития представлений о гибридизации примесных электронных состояний в полосе проводимости полупроводника и ее влиянии на низкотемпературные электронные свойства. Научная и практическая ценность работы состоит:
в получении совокупности экспериментальных данных, которые однозначно подтверждают представления о гибридизации электронных состояний примесей переходных элементов в полупроводнике;
в развитии количественного описания резонансных эффектов в низкотемпературных электронных свойствах полупроводника для определения физических параметров гибридизированных состояний.
Личный вклад автора. В диссертации представлены результаты исследований, полученные лично автором. Объем выполненных работ включал приготовление образцов для электрических, гальваномагнитных и магнитных измерений, получение и обработку экспериментальных данных, анализ и интерпретацию температурных и концентрационных зависимостей кинетических параметров и магнитной восприимчивости исследуемых полупроводников. Автор принимала непосредственное участие в обсуждении результатов, написании статей и тезисов докладов.
Степень достоверности результатов, приведенных в диссертации, обеспечивается использованием аттестованных монокристаллических образцов, применением стандартных методик измерений на аттестованных приборах и обсуждением экспериментальных данных на основе современных представлений. Результаты согласуются с известными фактами и подтверждаются данными, полученными другими авторами.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на следующих конференциях: VII и VIII Российские конференции по физике полупроводников (г. Звенигород - 2005, г. Екатеринбург -2007), XXXIV Совещание по физике низких температур (г. Ростов-на-Дону-п. Лоо - 2006), XX Международная школа - семинар «Новые магнитные материалы микроэлектроники» (г. Москва - 2006), XVI и XVII Уральские международные зимние школы по физике полупроводников (г. Екатеринбург -2006,2008), и на научных семинарах Института физики металлов УрО РАН.
Публикации. Всего по теме диссертации опубликовано 11 научных работ, из них статьи в ведущих рецензируемых научных журналах, определенных ВАК - 5, статей в сборниках и трудах конференций и тезисов докладов - 6.
Структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и общих выводов. Работа изложена на 131 страницах, содержит 38 рисунков, 2 таблицы, список цитированной литературы из 77 наименований.
