Содержание к диссертации
ОГЛАВЛЕНИЕ 2
ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА 1 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР
Кинетические эффекты 12
Влияние давления на физические свойства полупроводников 19
Кристаллическая структура и физические свойства халькогенидов ртути ; 23
1.3.1 Общие сведения 23
1.3.2 Изменение структуры халькогенидов ртути под действием
давления 28
1.3.3 Электрические свойства фаз высокого давления халькогенидов
ртути 32
1.3.4 Электрические свойства фаз высокого давления твердых
растворов на основе халькогенидов ртути 34
1.4 Физические свойства соединений Ani2BIV 3 36
Общие сведения 36
Свойства фаз высокого давления 40
ГЛАВА 2 МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
2.1 Камеры высокого давления 44
Камеры высокого давления типа поршень-цилиндр 44
Камеры с наковальнями 45
Камеры для оптических исследований 48
Измерение гальваномагнитных эффектов в полупроводниках под давлением 50
Измерение термоэлектрических эффектов в полупроводниках под давлением 53
2.3.1 Обзор методов измерения термоэлектрических эффектов под
давлением 53
Особенности измерения т.э.д.с. при давлениях до 30 ГПа 56
Другие детали эксперимента 60
2.4 Оптические измерения при высоком давлении 64
2.4.1 Измерение давления по люминесценции рубина 64
2.4.2 Синхротронные исследования и измерение спектров
комбинационного рассеяния под давлением 66
2.5 Приготовление и аттестация образцов 67
ГЛАВА 3 КИНЕТИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ В КРИСТАЛЛАХ HgTe,.xSx (0.04 < х < 0.6), Ga2Te3 и In2Te3 ПРИ ВЫСОКОМ ДАВЛЕНИИ ДО 20 ГПа
3.1 Электрические свойства кристаллов HgTei_xSx при высоком
давлении 68
Спектры комбинационного рассеяния света кристаллов HgTei.xSx при атмосферном и высоком давлении 82
Синхротронное исследование структурного превращения под действием давления в соединении HgTe0.7So.3 85
Электрические свойства фаз высокого давления теллуридов галлия
Ga2Te3 и индия а-1п2Те3 88
ГЛАВА 4 ОБСУЖДЕНИЕ ИЗМЕНЕНИЙ ЭЛЕКТРОННОЙ И КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ СТРУКТУР СОЕДИНЕНИЙ HgTe,.xSx, Ga2Te3 и In2Te3 ПОД ДЕЙСТВИЕМ ДАВЛЕНИЯ
Свойства исходной фазы кристаллов HgTei.xSx под действием давления до- 1ГПа 94
Обсуждение результатов измерения R(P) и S(P) в кристаллах HgTe^Sx при высоком давлении до 20 ГПа 98
Модель изменения электронной и кристаллической структур соединения HgTei.xSx под действием давления 101
Применение "р-модели" для описания фазовых переходов в соединениях Ga2Te3 и 1п2Те3 под действием давления 105
4.5 Другие применения "/?-модели" 108
ГЛАВА 5 РАСЧЕТЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ И ГАЛЬВАНОМАГНИТНЫХ СВОЙСТВ ГЕТЕРОФАЗНЫХ МАТЕРИАЛОВ, ИСПЫТЫВАЮЩИХ ПЕРЕХОД ПОЛУПРОВОДНИК - МЕТАЛЛ, ВБЛИЗИ ДАВЛЕНИЯ
ФАЗОВОГО ПЕРЕХОДА ПО
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ 117
ЛИТЕРАТУРА 120
Введение к работе
С давних пор физика выполняет две основные задачи: первая, фундаментальная, заключается в понимании природных закономерностей, а вторая, прикладная, связана с поиском путей применения открытых законов и свойств. Эти две задачи тесно взаимосвязаны и инициируют развитие друг друга.
Давление, наряду с температурой, является основным термодинамическим параметром, определяющим свойства вещества. Первые исследователи полупроводников под давлением Пол и Дрикамер [1] ввели термин спектроскопия давлением, которым подчеркивали важность воздействия давлением как мощного и универсального инструмента для изучения электронных свойств вещества. Спектроскопия давлением дает возможность расшифровать зонную структуру твердых тел, получать важную информацию о фазовых переходах, установить области устойчивости фаз, получать метастабильные фазы, выяснить роль структурных дефектов и, наконец, направленно влиять на свойства материалов, используемых в новой технике.
В последние десятилетия в связи с развитием электроники полупроводники заняли важное место в физике твердого тела. Пригодность полупроводниковых веществ для технических целей определяется главным образом свойствами носителей тока, наиболее распространенным методом изучения которых является исследование кинетических эффектов. Измерение гальваномагнитных и термоэлектрических явлений позволяет определить такие параметры носителей заряда как их знак, концентрацию, подвижность, параметр рассеяния, количество зон проводимости, характеризующее данный кристалл.
Современные представления о твердом теле не отделимы от понятия зонной структуры, которое лежит в основе объяснения всех физических свойств. Параметры, описывающие зонную структуру, находятся в тесной
связи с параметрами носителей заряда, вкупе дающих полное представление о природе свойств материала. Полупроводники особенно чувствительны к воздействию давлением, что проявляется в перестройке энергетического спектра и, прежде всего, в резком изменении ширины запрещенной зоны, что наиболее существенно для узкозонных материалов. Согласно общей точке зрения основное влияние сжатия связано с увеличением перекрытия электронных орбиталей. Т.к. s-, р-, d-орбитали имеют различные радиальную протяженность, угловой момент, сжимаемость, то под влиянием давления они искажаются в разной степени. Под действием давления претерпевают существенные изменения параметры носителей тока. Особенно эффективно сочетание воздействия высокого давления и замещения, поскольку в этом случае происходят сильные изменения в спектре носителей тока, которые можно обнаружить при измерении кинетических свойств -термоэлектродвижущей силы (т.э.д.с), электросопротивления и гальваномагнитных эффектов.
Широкозонные полупроводники Ga2Te3 и 1п2Те3 нашли применение как материалы для радиационно-стабильной электроники, электроники низкоразмерных структур и оптоэлектроники благодаря своим уникальным свойствам [2]: (1) физические параметры этих соединений не меняются даже при больших дозах ионизирующего излучения; (2) концентрация носителей заряда почти не зависит от концентрации примесей; (3) проводимость этих материалов всегда остается собственной. Другой класс полупроводников -бесщелевые халькогениды ртути HgX (X = Те, Se, S), относятся к полупроводникам с регулируемой энергетической щелью и широко применяются в качестве высокочувствительных приемников инфракрасного излучения, оптических фильтров и т.д. [3-6]. Особую ценность представляет то обстоятельство, что из-за малости запрещенной зоны эти материалы чрезвычайно чувствительны к внешним воздействиям (например, давление и изменение состава), так что в них возникают фазы с сильно отличающимися характеристиками. Это дает возможность управлять их свойствами.
В данной работе рассматриваются соединения Ga2Te3, 1п2Тез и HgTei.xSx, формально относящиеся к разным классам веществ: бесщелевые полупроводники (халькогениды ртути) и широкозонные полупроводники (халькогениды галлия и индия). Вместе с тем они обладают рядом общих свойств:
это изоструктурные соединения, кристаллизующиеся в структуре цинковой обманки (сфалерита);
это дефектные соединения; - в теллуридах галлия и индия дефекты являются стехиометрическими (1/3 мест в катионной подрешетке пустые), а в халькогенидах ртути возникают нестехиометрические дефекты, влияющие на свойства материала;
HgTe образует с теллуридами галлия и индия непрерывные ряды твердых растворов, что указывает на сходный характер типа связи, и предполагает сходство зонных структур этих соединений [7, 8];
изучение полиморфизма твердых растворов HgTe-Ga2Te3 и HgTe-In2Te3 показало, что при изменении доли теллуридов галлия и индия наблюдаются структурные переходы типа порядок - беспорядок в вакансионной подрешетке, характерные для чистых Ga2Te3, In2Te3; под действием давления кубические фазы твердых растворов испытывают превращения в структуру типа киновари и электронные переходы бесщелевой полупроводник - широкозонный полупроводник, характерные для чистого HgTe [8, 9].
Таким образом, совместное исследование свойств этих соединений при высоком давлении способствует установлению взаимосвязей между различными классами полупроводниковых материалов.
Центральной задачей настоящего исследования являлось изучение фазовых переходов, происходящих при изменении давления и степени замещения, в соединениях Ga2Te3, In2Te3 и HgTei_xSx. Особенно интересным представляется выявление закономерностей изменения энергетического спектра при структурных и электронных превращениях под давлением,
регистрируемых по измерениям кинетических эффектов. Цель настоящей работы - исследовать влияние давления на кинетические эффекты в фазах низкого и высокого давления твердых растворов HgTei.xSx, теллуридов галлия Ga2Te3H индия 1п2Те3.
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и основных выводов.
Первая глава диссертационной работы носит обзорный характер. Даны феноменологическое определение кинетических эффектов и метод их вычисления на основе уравнения Больцмана, а также рассмотрено влияние давления на кристаллическую и зонную структуры и параметры носителей заряда полупроводников. Далее дается описание физических свойств бесщелевых полупроводников HgX (X = Те, Se, S) и влияния на них замещения и давления. Сделан обзор работ по физическим свойствам соединений АП12В1Уз, включая Ga2Te3 и 1п2Тез.
