Введение к работе
Актуальность исследования. Полуметаллы и узкозонные полупроводники системы висмут-сурьма являются модельными материалами при экспериментальном исследовании многих фундаментальных проблем физики твердого тела. Принципиальным для них является сочетание малости характерных энергий в спектре электронов с большими значениями подвижности носителей, циклотронной энергии, коэффициентом магнитосопротивления и др. Ширина запрещенной зоны в этих материалах меняется от нуля (бесщелевое состояние) до нескольких десятков миллиэлектронвольт, что закономерно обусловливает малость эффективных масс электронов m~10-mo и вместе с этим значительную непараболичность энергетических зон. Такое сложное сочетание свойств приводит к чрезвычайной чувствительности зонных параметров к внешним факторам, какими являются состав сплава и легирование, внешние магнитные поля, давление, температура. Причем во многих случаях внешние факторы могут приводить к радикальным изменениям свойств материала.
Малые эффективные массы и высокие подвижности носителей заряда делают полуметаллы очень чувствительными к воздействию внешних магнитных полей. Относительно легко достижимыми оказываются предел классически сильных магнитных полей (В<0.1 Тл) и ультраквантовый предел (В>1 Тл). Поэтому магнитные поля оказываются весьма эффективными при исследовании электронных свойств полуметаллов, в частности, закономерностей квантования энергетического спектра в магнитном поле с учетом сильной анизотропии изоэнергетических поверхностей и неквадратичности энергетического спектра носителей заряда. Именно на висмуте были открыты многие гальванотермомагнитные эффекты, резонансные и осцилляцион-ные эффекты. Важнейшей особенностью является возможность наблюдения квантовых магнитооптических эффектов в кристаллах сплавов висмут-сурьма и легированных кристаллах. Из-за исключительно малых значений компонент эффективной циклотронной массы неравенство шст >1 (т - время релаксации электронов за счет столкновений) выполняется в широком диапазоне значений магнитных полей, а также в широкой области температур, вплоть до комнатных. Получение информации о закономерностях квантовых оптических переходов в кристаллах твердых тел в таких условиях представляет собой важную задачу для исследования энергетического спектра носителей заряда в широкой области изменения внешних па-
раметров и описания на этой основе комплекса физических явлений в кристаллах полуметаллов.
Немаловажными являются интересы практического применения полуметаллов и узкозонных полупроводников системы висмут-сурьма в качестве высокоэффективных термоэлектрических преобразователей и, в перспективе, материалов для инфракрасной спектроскопии.
Целью представленного исследования является экспериментальное изучение магнитооптических ИК-спектров оптически анизотропных монокристаллов висмута и полупроводниковых сплавов висмут-сурьма, легированных акцепторными примесями олова при различных ориентациях волнового вектора электромагнитной волны и магнитного поля относительно кристаллографических направлений, концентрациях сурьмы, степени легирования и использование полученных результатов для исследования энергетического спектра носителей заряда в L-точке зоны Бриллюэна.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
-
Освоить экспериментальный метод исследования магнито-оптичесих спектров, создать на его основе измерительную информационную систему. Разработать соответствующее программное обеспечение.
-
Отработать методику приготовления образцов из монокристаллов висмута и сплавов висмут-сурьма.
-
Получить магнитооптические спектры висмута и сплавов висмут-сурьма в магнитных полях до 20 Тл при Т=80К.
-
Установить природу особенностей, наблюдаемых в магнитооптических спектрах висмута и сплавов висмут-сурьма.
-
На основе экспериментальных данных сделать вывод об адекватности известных моделей энергетического спектра при описании наблюдаемых особенностей.
Научная новизна исследования заключается в следующем:
-
Обнаружены особенности магнитооптического спектра висмута, связанные с максимальными циклотронными массами электронов при направления магнитного поля ВІ ІСг-
-
Получены магнитооптические спектры полупроводниковых сплавов Bii-xSbx (0.12<Х<0.20) р-типа при Т=80К.
-
Установлено, что наблюдаемые в магнитооптическом спектре сплавов висмут-сурьма резонансные особенности обусловлены межзонными и внутризонными переходами на уровнях Ландау.
-
Определен параметр Q11Q33 для полупроводниковых сплавов Bii-xSb* (0.12<Х<0.20) р-типа при Т=80К.
Основные защищаемые положения:
-
Созданная цифровая измерительная система позволяет получать детальную информацию о форме линии магнитооптического спектра висмута и полупроводниковых сплавов висмут-сурьма.
-
Магнитооптический спектр висмута при ориентации магнитного поля в направлении, перпендикулярном направлению вытя-нутости электронного квазиэллипсоида в L-точке зоны Бриллюэна, имеет осцилляционные особенности, обусловленные межзонными переходами между уровнями Ландау валентной зоны и зоны проводимости электронов с максимальными циклотронными массами.
-
Для полупроводниковых сплавов Bii-xSbx р-типа межзонные переходы с уровней Ландау п*0 описываются моделью Лэкса при условии зависимости параметра Qii-Q33 0T концентрации сурьмы.
-
Высокополевые особенности магнитооптических спектров висмута и полупроводниковых сплавов висмут-сурьма удовлетворительно описываются моделью Макклюра и Чоя во втором порядке
Іс р -теории возмущений как межзонные и внутризонные переходы с участием уровней Ландау п=0.
Практическая значимость заключается в возможности создания в инфракрасной области спектра активных волноводов управляемых импульсным магнитным полем, в повышении эффективности термоэлектрических преобразователей.
По результатам работы получен грант "Быстродействующий магнитооптический анализатор ИК-спектра" №ГР-69 от 20.01.96. (Конкурс грантов по фундаментальным исследованиям 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, 1996 г.г.; на научных семинарах кафедры общей и экспериментальной физики РГПУ им. А.И.Герцена в 1994-1996 г.г.; на IV семинаре ФТИ им. Иоффе в 1995г..
Публикации
По теме диссертации опубликовано 8 работ
Объем и структура диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Объем диссертации составляет 149 страниц, из них 91 страница машинописного текста, 52 рисунка, 7 таблиц. Список литературы содержит 94 наименования.