Электронные кинетические явления в полупроводниковых и ВТСП соединениях с примесями замещения и собственными дефектами Пономарев, Анатолий Иванович

Введение к работе

Актуальность темы. В работе приводятся результаты исследований їнетических свойств полупроводников типа II-VI (халькогенидов ртути с ішєткой цинковой обманки) и соединений La₂Cu0₄ и Nd₂Cu04 с решеткой фовскита, используемых для создания ВТСП материалов.

Несмотря на различия кристаллической структуры этих двух классов )единений их общей чертой является ионно-ковалентный характер ісьіщенньгх связей валентных электронов, так что в основном состоянии при = 0 они по обычной классификации твердых тел являются диэлектриками. В щоэлектронной зонной модели уровень Ферми разделяет полностью іполненньїе и совершенно пустые зоны. Лишь введение примесей может эиводить к появлению делокализованных носителей (электронов или дырок) металлической проводимости. Важным и наиболее простым типом примесей іляются примеси замещения, внедренные в кристаллические узлы на место омов идеальной решетки. К этому же типу следует отнести собственные ехиометрические дефекты, которые в силу частично ионного характера іязи, оказываются электрически активными и способны поставлять носители іка, как и атомы замещения с отличной от основных атомов валентностью.

Особую роль играют изовалентные примеси, например, замена атомов ути в кристаллах II-VI другими атомами второй группы (Cd, Zn). Будучи [ектрнчески нейтральными, они изменяют средний псевдопотенциал, в пгором находятся электроны проводимости, что приводит к плавной :рестройке электронного спектра. Содержание изовалентных примесей, іхраняющих кристаллическую решетку неизменной, может достигать сятков процентов (в ряде случаев до 100%), поэтому параметры зонной руктуры можно направленным образом изменять в широких пределах. иенно эта способность изовалентных примесей замещения широко пользуется при создании материалов современной микро- и ггоэлектроники: полупроводников с заданной шириной запрещенной щели, теропереходов для лазерных устройств, двумерных наноструктур, [крывшаяся возможность получать полупроводники с желаемой величиной ергетической щели уже реализована в создании приемников теплового лучения с длиной волны X = 12 мкм на основе кристаллов Hgi__xCd_xTe с = 0.2 и энергетической щелью e_g = 0.1 эВ. Проблемы, связанные с дежностью подобных приборов настолько актуальны, что в целях получения иболее совершенных кристаллов были проведены эксперименты по гращиванию монокристаллов в космосе. Имеющиеся здесь трудности ончательно не преодолены, и поэтому весьма актуальным остается поиск утих материалов с аналогичными свойствами, одним из представителей торых является впервые детально исследованный в настоящей работе (нокристалл Hgi__xZn_xSe.

Новые физические эффекты появляются в случае, когда изовалентной примесью замещения служат атомы переходных или редкоземельных элементов с незаполненной d - или f - оболочкой с ненулевым магнитным моментом, например Hgi._xMn_xSe(Te). При малом содержании х порядка долей процента или нескольких процентов такие кристаллы получили название полумагнитных или разбавленных магнитных полупроводников (РМП). В отличие от традиционных магнитных полупроводников (MnTe, ЕиО) РМП не являются магнитоупорядоченными системами и не имеют спонтанного магнитного момента. Однако обменное взаимодействие свободных электронов (дырок) с локализованными d - электронами приводит к существенной перестройке спектра делокализованных носителей заряда, изменению их энергии связи и радиуса локализации в связанных состояниях. Поскольку полный магнитный момент зависит от температуры и магнитного поля, эти параметры оказываются чувствительными к внешним воздействиям. Изучение явлений переноса в магнитном поле позволяет получить количественные значения этих параметров, что чрезвычайно важно для создания приборов в ИК области спектра. РМП уже используются для изготовления оптических фильтров с полосой пропускания, регулируемой магнитным полем.

Уже десятки лет проблема высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП) привлекает особое внимание исследователей, благодаря многообразию применений сверхпроводимости в электротехнике и электронике. Открытие в 1986 году высокотемпературной сверхпроводимости послужило мощным толчком к взрыву научной активности в области исследований сверхпроводимости.

Но, несмотря на то, что штурм проблемы ВТСП продолжается уже 11. лет, круг поисков механизма высокотемпературной сверхпроводимости продолжает оставаться довольно широким. Причина этого состоит прежде всего в том, что до сих пор недостаточно выяснена физическая картина нормального состояния сверхпроводников, а это, в свою очередь, не позволяет вести целенаправленный поиск материалов с более высокими критическими параметрами. Важно подчеркнуть, что только отклонение от стехиометрического состава по кислороду или неизовалентное замещение атомов металла поставляет носители заряда, обеспечивающие проводимость ВТСП соединений. Другими словами, исследование физических свойств ВТСП в нормальном состоянии - задача сверхактуальная.

В работе исследованы ВТСП соединения с неизовалентными примесями замещения La₂._xSr_xCu04 (р-тип) и Nd2-_xCexCu0₄ (n-тип) в смешанном и нормальном состоянии.

Цель и предмет исследований: Комплексное экспериментальное исследование электронных кинетических явлений с целью изучения влияния изовалентных и неизовалентных примесей замещения на физические свойства бесщелевых, узкощелевых полупроводников и некоторых ВТСП соединений.

⁽етоды исследования: Тсрмогальваномагнитные явления в широком яагазоне составов, уровня легирования ( 10¹⁶ *- 10¹⁸ см'³), магнитных полей [о 40Т ) и температуры ( 0.2 -г 300К ).

аучная новизна: В работе последовательно проведено комплексное хледование кинетических явлений в бесщелевых, узкощелевых (в том числе полумагнитных) полупроводниковых и ВТСП соединениях в широком гапазоне составов, уровня легирования, магнитного поля, температуры и >авнение полученных экспериментальных данных с теорией. I При исследовании осцилляции Шубникова-де Гааза на серии образцов gSe и Hg!._xZn_xSe определена величина нетеплового уширения уровней андау (температура Дингла), которая увеличивается с ростом концентрации іектронов и обусловлена в основном неоднородностью распределения эимесей в образцах.

В образцах Hgi._xZn_xSe (0.03 < х < 0.09) с п = 2-10¹⁶ -f- 2-Ю¹⁸ см"³ тределены эффективные массы электронов проводимости, энергетический ізор s_g = є(Г_б) - є(Г₈), матричный элемент межзонного взаимодействия Р и зитическая концентрация Zn (х = 0.06 при Т = 4.2К), при которой происходит феход от бесщелевого полупроводника к полупроводнику с открытой щелью.

Из спинового расщепления максимумов осцилляции Ш-Г с малыми шнтовыми номерами впервые надежно определен g-фактор электронов эоводимости в кристаллах HgSe и Hgi._xZn_xSe . Установлено, что в

ЭЛупрОВОДНИКаХ С ИНВерСНОЙ ЗОННОЙ Структурой HgSe И Hgo,97Zn₀,03Se

івисимость g(n) не описывается трехзонной моделью Кейпа и поправки от іаимодействия с высшими зонами весьма существенны. С другой стороны, в гучае Hg₀,93Zn₀,o7Se (полупроводник с открытой щелью) зависимость g(n) тределяется, в основном, взаимодействием зоны Г₆ с зонами Г₈ и Г?, ледовательно, удаленные зоны заметно влияют на величину g-фактора :гких носителей зоны Y% и практически не влияют на g-фактор носителей

)НЫ Г<5.

і Обнаружены, проанализированы и объяснены особенности осщшляций І-Г, связанные с обменной добавкой к g-фактору в бесщелевых и жощелевых разбавленных магнитных полупроводниках (РМП) Hgi__xMn_xSe в тгервале температур (1.7-5- 77)К и магнитных полях до 370 кЭ. Определены іжньгє параметры зонной структуры Hg]._xMn_xSe: знак и величина обменных эраметров, а также величина и зависимость g-фактора электронов от :млературы для бесщелевых кристаллов и для образцов с s_g > 0.

В твердых растворах p-Hgi__xMn_xTe и p-Hgi._xMn_xTe)._ySe_y подробно
5учены эффекты, обусловленные влиянием обменного р - d

іаимодействия: эффект «вскипания» дырок в магнитном поле и аномальная шзотропия магнитосопротивления. Показано, что рост концентрации дырок с зетом Н в исследованных образцах есть следствие существования при = 0 состояний связанного магнитного полярона и постепенной ^локализации носителей при разрушении этих состояний магнитным полем.

Аномальное же соотношение р^/р^ > 1 обусловлено анизотропией валентно! зоны в магнитном поле.

Отметим, что в разбавленных магнитных полупроводниках Hg!._xMn_xT( с узкой запрещенной зоной эффекты, связанные с разрушением состояниі связанного магнитного полярона, и аномальное соотношение р_2г/Рп дл: проводимости высокоподвижных дырок валентной зоны ранее исследованы ні были.

Впервые показано, что в исследованных РМП Hgi._xMn_xTei._ySe влияние обменного взаимодействия дырок с подсистемой спинов ионов Мп² приводит к увеличению на порядок концентрации перехода Мотта пс сравнению с немагнитными полупроводниками.

3) Впервые определены знак носителей заряда, их концентрация і подвижность в соединении La₂-xSr_xCu0.4. Обнаружен новый тип резистивноп состояния в поликристаллических La₂._xSr_xCu0₄ Nd₂._xCe_xCu04, где ярке проявляются гистерезисные и релаксационные явления как в сопротивлении так и в намагниченности. Предложена гипотеза о причинах различия энерпп активации абрикосовских вихрей, найденных из релаксации сопротивления V, и намагниченности V_a.

В монокристаллических образцах Nd₂._xCe_xCu04_s определены нижнее і верхнее критические магнитные поля, коэффициент анизотропш сопротивления в нормальной фазе. При исследовании влияния магнитной поля на СП переход в монокристаллах Nd₂._xCe_xCu0₄-8 показано, чтс наблюдаемая в резистивном состоянии инверсия знака эффекта Холлг обусловлена переходом от режима пиннинга абрикосовских вихрей к режиму

их вязкого течения. В магнитных полях В > В_с2 обнаружены и исследовань; эффекты 2D слабой локализации, определены критические индексы теорш скейлинга, длина когерентности. На защиту выносятся следующие основные положения:

1) Определены эффективные массы электронов в соединении Hg]._xZn_xSe е
широком интервале составов и концентраций носителей тока. Найдене
критическое содержание Zn, при котором происходит инверсия термов Г₆ я
Г₈. Полученный график зависимости s_g(x) дает возможность получать твердые
растворы Hgi__xZn_xSe с нужной величиной e_g.

1. В бесщелевых полупроводниках HgSe и Hg_bxZn_xSe (х < 0.06) определенная экспериментально зависимость g(n) хорошо описывается теоретической кривой, рассчитанной в трехзоннои модели Кейна, а в полупроводниках с открытой щелью (х > 0.06) необходимо учитывать еще и влияние удаленных зон.

2. В твердых растворах p-Hg]._xMn_xTe и p-Hgi__xMn_xTei._ySey эффект резкого увеличения концентрации («вскипание») дырок с ростом магнитного поля, также как и эффект гигантского отрицательного магнитосопротивления обусловлены обменным взаимодействием зонных дырок с 3(1-электронами

онов Мп. «Вскипание» дырок есть следствие существования при Н = О остояний связанного магнитного полярона и делокализации дырок с ростом іагнитного поля. Эффект отрицательного магнитосопротивления и необычное оотношение р_г2/рхх >1 обусловлены анизотропией верхней валентной зоны магнитном поле.

4) Влияние обменного взаимодействия дырок проводимости с
одсистемой спинов ионов Мп²⁺ в твердых растворах HgMnTeSe приводит к
силению эффектов локализации и к увеличеніпо на порядок концентрации
ерехода Мотта по сравнению с немагнитными полупроводниками.

5) Впервые в одних и тех же условиях проведены комплексные
сследования сопротивления и намагниченности на поликристаллах
a₂-_xSr_xCu04 и Nd₂-_xCe_xCu04 при Т < Т_с. Обнаружен новый тип
езистивного состояния, в котором как в поведении сопротивления, так и
амагниченности ярко проявляются гистерезисные и релаксационные
ффекты. Эти эффекты связаны с особенностями проникновения, захвата и
вижения магнитного потока как в межгранульном пространстве, так и в
амих сверхпроводящих (СП) гранулах.

6) Наблюдаемая в резистивном состоянии инверсия знака коэффициента
'олла обусловлена переходом от режима пиннинга абрикосовских вихрей к
ежилгу их вязкого течения. Эффект отрицательного магнитосопротивления в
:агнитных полях В > В_С2 при низких температурах возникает в результате
вантовых интерференционных эффектов и является ярким проявлением
ффекта двумерной слабой локализации, характерной для пол}ттроводниковых
верхструктур.

^таучная и практическая ценность работы :

) В твердых растворах Hgi._xZn_xSe ( 0.03 < х < 0.09 ) установлена звисимость эффективной массы электронов от их концентрации, определен нергетический зазор s_g = є(Г₆) - є(Г₈) в зависимости от состава и критическая онцентрация Zn (х = 0.06 при Т = 4.2К), при которой происходит инверсия грмов Г₅ и Г₈. График зависимости e_g(x) дает возможность получать вердые растворы Hgi._xZn_xSe с нужной величиной щели. Эти результаты огут быть использованы при изготовлении приемников ИК-излучения, ильтров и т.д.

) Из спинового расщепления максимумов осцилляции Ш-Г с малыми вантовыми номерами впервые надежно определен g-фактор электронов роводимости в кристаллах HgSe и Hg^ZrixSec п = 2-Ю¹⁶ -г 1.6-10¹⁸ см"³, [оказано, что удаленные зоны заметно влияют на величину g-фактора легких осителей зоны Г₈ и практически не влияют на g-фактор носителей зоны Г₆. ) Результаты, полученные в данной работе позволили понять многие :обенности поведения сопротивления и эффекта Холла в РМП: увеличение цинового расщепления с повышением температуры, эффект резкого величения концентрации дырок в магнитном поле, гигантского

отрицательного магнитосопротивления, увеличение на порядок концентрациі перехода Мотта по сравнению с немагнитными полупроводниками. Показано что эти и другие эффектры обусловлены влиянием обменного взаимодействие носителей тока с подсистемой спинов ионов Мп²⁺.

4) В соединении La₂._xSr_xCu0₄ впервые определены важнейшие параметрь зонной структуры: тип проводимости, концентрация и подвижності носителей тока. В Nd₂._xCe_xCu0₄ определён коэффициент анизотропии сопротивления, нижнее и верхнее критические магнитные поля, длиш когерентности. Полученные параметры могут быть использованы npv разработке технических устройств на основе этих соединений. Показано, чтс монокристаллы Nd2-_xCejCu0₄ являются аналогом многослойных двумерны* структур, которые используются в современной микроэлектронике. Структура и объем диссертации:

Диссертация состоит из Введения, восьми глав и Заключения. Общий объем 359 страниц, включая 115 рисунков, 8 таблиц и список цитируемое литературы из 287 наименований.

Апробация работы. Материалы диссертационной работь докладывались на XXII, XXIII, XXV, XXIX, XXX Всесоюзных Совещания> по физике низких температур ( Кишинев 1982, Таллин 1984, Ленинград 1988 Казань 1992, Дубна 1994 ), VI, VII Всесоюзных симпозиумах по физике узкощелевых полупроводников ( Львов 1983, Москва 1985 ), на Я Всесоюзной конференции по физике полупроводников ( Минск, 1985 ), Н Всесоюзном Семинаре «Сверхматрица» ( Москва 1989 ), на III, V Всесоюзных Симпозиумах «Неоднородные электронные состояниях (Новосибирск 1989,1995 ), на II Всесоюзной конференции по ВТСП ( Киеі 1989), на Международной конференции «Высокотемпературна* сверхпроводимость и локализационные явления» ( Москва 1991 ), на III Всесоюзной научно-технической конференции «Материаловедение халькогенидных полупроводников» ( Ужгород 1991 ), на VI ГерманО' Российско-Украинском Семинаре по ВТСП ( Дубна 1993 ), на IX, X, X] Международных конференциях по тройным и многокомпонентныь* соединениям (Йокогама 1993, Штуттгарт 1995, Салфорд 1997), нг Европейском Семинаре «Полумагнитные (разбавленные магнитные^ полупроводники» ( Линц 1994 ), на Международной конференции по физике і химии молекулярных и оксидных сверхпроводников (Карлсруэ 1996), на XV. Международной конференции по физике конденсированного состоянш (Лёвен 1997), на IV,V Международных конференциях «Материалы v механизмы сверхпроводимости и высокотемпературной сверхпроводимости» (Гренобль 1994, Пекин 1997 ). А также на Уральских зимних школах пс физике полупроводников. Публикации: По теме диссертации опубликовано 32 работы.