Введение к работе
Актуальность работы. Зонная структура полуметаллов типа висмута представляет значительный интерес для экспериментальных и теоретических исследований. Это объясняется уникальностью свойств свободных носителей заряда в данных веществах. Малая эффективная масса электронов, их высокая подвижность, большая величина высокочастотной диэлектрической проницаемости позволили стать полуметаллам, в определенной степени, модельными материалами дал изучения различных кинетических, гальваномагнитных и оптических эффектов. Именно на висмуте были впервые обнаружены эффекты де Гааза - ван Альфена и Шубникова - де Гааза, квантовые размерные явления и осцилляции магнитострикции.
В то же самое время, полуметаллы имеют большое прикладное значение. Соединения на основе висмута и сурьмы широко применяются при создании термоэлектрических устройств и представляются перспективными для использования в оптоэлектронике. Широкие возможности открываются при использовании полуметаллов в качестве материалов для создания эффективных приемников и модуляторов излучения, работающих в дальней ИК области спектра.
Для решения подобных задач необходима детальная информация о зонной структуре и влиянии различных внешних воздействий: температуры, давления, магнитного поля на энергетический спектр носителей заряда. Наиболее продуктивным методом изучения электронных свойств твердого тела являются оптические эксперименты, проводимые в сильных магнитных полях.
Ряд работ Дрессельхауза, Лэкса, Мавроада посвящен исследованию магнитооптических явлений в висмуте и сурьме. Однако измерения проводились на нелегированных образцах в главных кристаллографических ори-ентациях и, в основном, при гелиевых температурах. Так, до сих пор остается открытым вопрос о влиянии легирования и температуры на время релаксации носителей для магнитооптических эффектов в сильных полях. Нуждаются в уточнении параметры энергетического спектра L-электронов в висмуте, такие как тензор эффективных масс и ширина запрещенной зоны при Т>80К. Полностью отсутствуют данные магнитооптических исследований сурьмы для температур выше гелиевых.
Целью представленного исследования является экспериментальное измерение спектров магнитоотражения для монокристаллов сурьмы и висмута, легированного как донорными так и акцепторными примесями, в
различных ориентациях вектора напряженности магнитного поля относительно кристаллографических осей в диапазоне температур Т=80+280К, количественный расчет параметров энергетического спектра носителей заряда в широком интервале температур и степени легирования, а также определение механизмов релаксации носителей для магнитооптических явлений в сильных полях.
Для достижения поставленной пели необходимо было решить следующие задачи:
изготовить образцы, представляющие собой симметричную полос-ковую линию (СПЛ) с зазором порядка длины волны лазерного излучения (10.6 мкм), с различной ориентацией кристаллографических осей относительно вектора напряженности магнитного поля и волнового вектора электромагнитной волны, получить магнитооптические спектры в сильных полях при TS80K;
сделать выводы о применимости различных моделей энергетического спектра носителей заряда в висмуте и сурьме для описания магнитооптических экспериментов;
на основе экспериментальных данных получить зависимости параметров энергетического спектра и времени релаксации носителей от температуры и количества легирующей примеси в кристалле;
Научная новизна работы заключается в следующем:
- впервые детально исследована анизотропия квантовых осцилляции
магнитоотражения висмута легированного как донорными так и акцептор
ными примесями при Т>80К;
- получены значения компонент тензора эффективных масс L-
электронов в висмуте и набор коэффициентов закона дисперсии Макклюра
и Чоя при Т=80К;
- на основе анализа экспериментальных спектров установлено, что
основным механизмом релаксации для межзонных переходов на уровнях
Ландау при Т<в является рассеяние на дефектах и примесях, а при Т>Э
превалирует вклад оптических фононов в рассеяние;
установлено, что особенности в поведении коэффициента отражения сурьмы при изменении магнитного поля для Я=10.6 мкм удовлетворительно описываются в модели плазмы свободных носителей с учетом влияния прямых межзонных переходов;
в спектрах магнитоотражения сурьмы при Т=80К идентифицированы осцилляции, вызванные оптическими переходами на уровнях Ландау.
Основные защищаемые положения.
-
Наблюдение осцилляции магнитоотражения и их угловой зависимости в кристаллах висмута, в том числе легированных донорными и акцепторными примесями, при Т>80К, обеспечивает возможность определения эффективных масс носителей заряда L-экстремумов и их анизотропии.
-
Время релахсации для магнитооптических ?лежзонных переходов в нелегированных и легированных оловом и теллуром кристаллах висмута при 80К незначительно отличается от известной величины при 4.2К и существенно уменьшается при повышении температуры выше 100К, что обусловлено преобладанием при Т< рассеяния на дефектах и примесях, а при Т>0 - на оптических фононах.
-
Коэффициент отражения кристаллов сурьмы при TS80K для Х=10.6мкм в зависимости от магнитного поля в диапазоне до 25 Тл проходит через минимум и затем резко возрастает практически до единицы, что представляет собой проявления магнитоплазменного эффекта. Наблюдаемое отличие спектров магнитоотражения от полученных в модели свободных носителей заряда обусловлено вкладом межзонных переходов.
-
Наблюдаемые при Т=80К осцилляции коэффициента отражения кристаллов сурьмы в зависимости от магнитного поля обусловлены двумя сериями межзонных переходов дня энергетического зазора Ес«107 мэВ и эффективных масс соответственно О.Оббпіо и 0.079nio.
Практическая значимость заключается в возможности использования результатов диссертации при разработке и создании эффективных модуляторов излучения, работающих в инфракрасном диапазоне.
По результатам работы получен грант "Быстродействующий магнитооптический анализатор ИК-спектра" № ГР-69 от 20.01.96. (Конкурс грантов по фундаментальным иссследованиям в области приборостроения Государственного комитета РФ по высшему образованию).
Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались на Межвузовских научных конференциях в г. Липецке в 1992, 1995, 1996гг.; на научных семинарах кафедры общей и экспериментальной физики РГПУ им.А.И.Герцена в 1994-1996 гг.; на Всероссийской научно-технической конференции "Экспериментальные методы в физике структурно-неоднородных сред" в г. Барнауле в 1996г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 работ.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Объем диссертации состав-
ляет 162 страницы, из них 116 машинописного текста, 69 рисунков, 5 таблиц. Список литературы включает 186 наименований.
Похожие диссертации на Магнитооптические явления в полуметаллах висмуте и сурьме при Т80К
