Сверхпроводимость полупроводниковых соединений AIVBVI с глубокими примесными состояниями элементов III группы Шамшур Дмитрий Владиленович

Содержание к диссертации

Введение 5

Глава I. Обоснование задачи исследований (литературный обзор).

Энергетический зонный спектр и спектр примесных состояний
элементов III группы в полупроводниковых твёрдых растворах
РЬТе - SnTe и SnTe - GeTe 16

1. Кристаллическая структура теллуридов свинца, олова и германия 16

2. Структура краев зон и особенности энергетического спектра теллуридов свинца, олова и германия и твердых растворов на их основе 18

3. Примесные состояния с переменной валентностью в материалах A^1VB^VI и их влияние на электрофизические свойства соединений 26

4. Примесные состояния In в теллуриде свинца 27

5. Примесные состояния ТІ в теллуриде свинца 32

1.3.3 Примесные состояния In в теллуридах олова и германия 41

1.4. Сверхпроводимость теллурида свинца, легированного таллием, и
теллурида олова с примесью индия 48

Постановка задачи исследований 53

Глава П. Исследуемые материалы и методика измерений 56

2.1. Технология изготовления образцов 56

6. Объёмные поликристаллические образцы полупроводниковых твердых растворов РЬТе - SnTe - GeTe, легированных ТІ и In; контроль их состава 51

7. Тонкие слои РЬТе:Т1, SnTe:In, PbSnTerIn и SnGeTerln, полученные методами термического испарения в вакууме и лазерного напыления....61

2.2. Установка НеЗ для исследования гальваномагнитных эффектов при
низких и сверхнизких температурах 68

8. Получение низких и сверхнизких температур и термометрия 71

9. Измерительная схема и погрешность измерений 74

2.2.3. Программная часть измерительного комплекса 76

Глава III. Примесные состояния таллия и индия в теллуридах свинца

и олова и сверхпроводящие свойства этих соединений 79

3.1. Пороговый характер возникновения сверхпроводящего

состояния в РЬТе:Т1 80

2. Влияние легирования индием на возникновение сверхпроводящего состояния с Т_с > 1 К в SnTe:In и PbSnTe:In 94

3. Исследование электрофизических свойств и параметров сверхпроводящего состояния РЬТе:Т1 методом комбинированного легирования 106

4. Сверхпроводящие свойства SnTe:In в зависимости от уровня 118

легирования индием и избыточным теллуром.

Выводы главы III 129

Глава IV. Влияние изменения зонной структуры в твердых растворах на

основе теллуридов свинца и олова с глубокими примесными состояниями
In (ТІ) на сверхпроводящие свойства этих соединений 131

1. Влияние замены атомов в подрешетках металла и халькогена на сверхпроводящие свойства Pbi.ATe!._B(A,B):Tl 131

2. Сверхпроводящие свойства твердых растворов (Sni._zGe_z)i._xIn_xTe 139

3. Электрофизические свойства (Pb₀.2Sn₀.8)o.95lno.o5Te в нормальном и сверхпроводящем состоянии в зависимости от сверхстехиометрического теллура 151

4. Влияние изменения состава твердого раствора и уровня легирования индием на низкотемпературные (в том числе сверхпроводящие) свойства (Pb_zSni._z)i._xIn_xTe 157

5. Сверхпроводящий переход в магнитных свойствах твердых растворов (Pb_zSni._z)i._xIn_xTe и (Ge_zSni._z)!._xIn_xTe при различном содержании Pb (Ge) и индия в соединениях 169

6. Обсуждение результатов исследования соединений A^VIB^VI(In, ТІ)

в модели примесной полосы квазилокальных состояний 178

4.6.1. Роль дополнительного экстремума в возникновении сверхпроводимости

в полупроводниках А⁴В⁶ с резонансными примесными

состояниями 184

Выводы главы IV 192

Глава V. Возникновение перехода сверхпроводник - диэлектрик в

полупроводниковых твердых растворах (Pb_zSni__z)i._xIn_xTe 195

7. Переход сверхпроводник - диэлектрик при изменении содержания свинца в соединениях (Pb_zSni__z)i._xIn_xTe с фиксированным количеством индия 194

8. Переход сверхпроводник - диэлектрик при уменьшении количества

индия в (Pb₀.5Sno.5)i._xIn_xTe 208

Выводы главы V 212

Глава VI. Сверхпроводящие свойства тонких слоев полупроводниковых

твердых растворов на основе РЬТе, легированного таллием, и SnTe,
легированного In 214

6.1. Сверхпроводимость и распределение компонентов в тонких слоях
Pb_zSni._zTe, легированного индием 214

9. Анализ состава пленок SnTe:In и Pb_zSn!._zTe:In методом Оже-спектроскопии 220

10. Сверхпроводящий переход в пленках SnTe:In и Pb_zSn!._zTe:In 226

2. Сверхпроводящие свойства тонких слоев твердых растворов Ge_zSn]._zTe:In 229

3. Сверхпроводящий переход в тонких слоях РЬТе, легированного таллием 233

Выводы главы VI 241

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 243

ЛИТЕРАТУРА 252

Введение к работе

Теллуриды свинца, олова и германия являются типичными представителями класса узкозонных полупроводников. Теоретический и практический интерес к изучению этих материалов обусловлен их уникальными физическими свойствами, связанными с особенностями энергетического спектра носителей заряда и возможностью его плавной перестройки в твердых растворах на основе бинарных соединений. В зависимости от состава, типа и уровня легирования реализуется возможность создания материалов с новыми физическими свойствами. Особый интерес представляет изучение влияния легирования на электрофизические характеристики системы соединений РЬТе - SnTe - GeTe.

Полупроводниковые соединения A^IVB^VI и твердые растворы на их основе характеризуются физическими свойствами, которые определяют их применение в инфракрасной технике и оптоэлектронике. Эти материалы используются для создания лазеров, светодиодов, работающих в спектральном диапазоне X = 4 - 46 мкм, фотоприемников, работающих в окнах прозрачности атмосферы на 3 - 5 и 8 - 14 мкм. Сильнолегированные халькогениды свинца и олова с концентрацией носителей заряда ~ 10²⁰ см" применяются для создания термоэлектрических элементов.

Фундаментальной особенностью твердых растворов на основе соединений A^lvB^vl является регулируемое изменение ширины запрещенной зоны в зависимости от состава вплоть до осуществления бесщелевого (E_g=0) состояния. Для управления свойствами твердых растворов разного состава важно знать не только взаимное расположение краев энергетических зон, но и спектр примесных состояний и дефектов. В бинарных соединениях оказалось существенным легирование изовалентными примесями, замещающими малую долю (до 1 - 2 ат. %) атомов металла или халькогена. При этом изменяется не только концентрация носителей тока, но и время жизни неравновесных носителей, определяющих фоточувствителыюсть материала.

Легирование соединений A^IVB^VI элементами III группы периодической системы Менделеева - индием и таллием - приводит к возникновению принципиально новых физических свойств этих материалов. Как показали исследования, в РЬТе, легированном In, в области гелиевых температур наблюдаются долговременные процессы релаксации концентрации избыточных (неравновесных) носителей заряда. В SnTe, легированном In, и РЬТе, легированном ТІ, при низких температурах наблюдается возникновение квантового когерентного состояния - сверхпроводимости с необычно высокими для полупроводниковых соединений температурами сверхпроводящего перехода Т_с > 1 К. Все это существенно расширяет возможности практических применений материалов данной системы.

Исследования показали, что необычность поведения примесей III группы (In и ТІ) в халькогенидах свинца и олова связана с образованием квазилокальных примесных состояний на фоне разрешенных зонных состояний зоны проводимости или валентной зоны и их заполнением. Было установлено, что примесь In в РЬТе создает квазилокальный уровень в зоне проводимости, тогда как примесь ТІ создает квазилокальные акцепторные состояния глубоко в валентной зоне. В то же время, к началу нашей работы практически отсутствовали сведения о низкотемпературных электрофизических свойствах твердых растворов на основе РЬТе, легированного ТІ, и SnTe, легированного In. Вопрос о связи сверхпроводящего состояния указанных материалов с примесной полосой квазилокальных состояний In (ТІ) с высокой плотностью также оставался дискуссионным.

Таким образом, тема работы - изучение резонансных состояний гетеровалентных примесей в энергетическом спектре соединений A^IVB^vl и связанного с ними сверхпроводящего состояния этих материалов -представляется актуальной как с точки зрения фундаментальных исследований, так и в связи с практическими применениями изучаемых систем.

Целью работы являлось установление и обобщение экспериментальных данных о низкотемпературных электрофизических (включая сверхпроводящие) свойствах полупроводниковых твердых растворов на основе РЬТе, SnTe и GeTe, глубоко легированных примесями III группы таблицы Менделеева - индием и таллием, и их связи с энергетическим спектром соединений. Для этого решались следующие задачи.

Исследование общих закономерностей влияния примеси таллия и индия на низкотемпературную электропроводность и эффект Холла в теллуридах свинца и олова, соответственно, при изменении концентрации легирующей примеси таллия (индия) и дополнительной акцепторной примеси Na (сверхстехиометрического теллура). Интерпретация полученных результатов в рамках модели примесных состояний таллия (индия) на фоне сплошного спектра валентной зоны теллурида свинца (олова).

Экспериментальное исследование влияния замены атомов в подрешетке металла и халькогена на сверхпроводящие свойства соединений РЬі._АТеі._в(А, В):Т1, где в качестве примесей замещения использовались A: Sn, Ge, Ag, Si и В: Se, S. Изучение связи параметров сверхпроводящего состояния материалов с изменением их зонной структуры при легировании, и параметрами примесной полосы квазилокальных состояний таллия.

Сравнительное изучение низкотемпературных электрофизических свойств и параметров сверхпроводящего перехода в непрерывном ряде твердых растворов полупроводниковых соединений систем SnTe - РЬТе и SnTe - GeTe, легированных индием. Определение зависимостей сверхпроводящих параметров от состава материала, типа и уровня легирования. Установление параметров полосы примесных состояний In и ее влияния на сверхпроводящее состояние твердых растворов на основе SnTe:In.

Изучение особенностей сверхпроводящего состояния в тонких слоях на основе РЬТе:Т1, SnTe:In и GeTe:In. Исследование возможности практического применения сверхпроводящих материалов с глубокими примесными резонансными состояниями.

Объектами исследования являлись поликристаллические образцы, монокристаллы, тонкие слои РЬТе:Т1 и SnTe:In, и твердые растворы на их основе. Поликристаллические образцы изготавливались по металлокерамической технологии (РЬТе:Т1, GeTe:In и твердые растворы на их основе были приготовлены в СПбГПУ (ЛПИ им. М.И. Калинина), на кафедре физики полупроводников под руководством Немова С.А., SnTe:In и твердые растворы на его основе - в ЛО ВНИИТ под руководством Драбкина И.А.). Монокристаллы

РЬТе:Т1, выращенные методом Бриджмена-Стокбаргера, и тонкие (d ~ 1 мкм) слои РЬТе:Т1, напыленные на подложку - слюду методом мгновенного испарения в вакууме, изготавливались в СПбГПУ (Немовым С.А. и Казьминым С.А., соответственно). Пленки SnTe:In и PbSnTe:In были изготовлены в ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН методом мгновенного испарения в вакууме (Бойков Ю.А.).

Исследования полученных поликристаллических материалов и монокристаллов на рентгеноспектральном микроанализаторе «Comebax» не обнаружили признаков выпадения второй фазы в образцах во всем диапазоне изменения концентрации примесей индия и таллия, и показали высокую однородность исследованных материалов. Анализ распределения компонентов в тонких слоях SnTe:In и твердых растворах на его основе приводится в соответствующей главе (И). Электрофизические свойства полученных образцов исследовались в температурных интервалах 400 К - 1.4 К (Не⁴) и 3.2 К - 0.4 К (Не³), в стационарных магнитных полях в электромагните (до 1.4 Т) и в сверхпроводящем соленоиде (до 6.5 Т).

На основе комплексного исследования низкотемпературных электрофизических свойств халькогенидов свинца, олова и германия и твердых растворов на их основе с примесью таллия и индия проведена систематизация свойств твердых растворов системы A^IVB^VI в нормальном и сверхпроводящем состоянии. В работе впервые сформулированы условия наблюдения сверхпроводимости с Т_с > 1 К в соединениях с глубокими примесными резонансными состояниями. Проведенные исследования позволяют выделить эти материалы в новый класс сверхпроводящих полупроводниковых соединений. В процессе работы: установлены общие закономерности влияния примеси таллия и индия на низкотемпературные электрофизические свойства теллуридов свинца, олова и германия и твердых растворов на их основе. Основные экспериментальные зависимости удалось качественно описать в модели полосы примесных состояний таллия (индия) с высокой плотностью, расположенных на фоне сплошного спектра валентной зоны исследованных соединений; подробно исследовано влияние примеси таллия на параметры сверхпроводящего состояния РЬТе:Т1 и примеси In на сверхпроводящий переход в SnTe:In. Использование метода дополнительного легирования акцепторной примесью (Na в случае РЬТе:Т1 и избыточного теллура Те_ех в случае SnTe:In), не создающей выделенных уровней в энергетическом спектре халькогенидов свинца и олова, позволило в широких пределах управлять параметрами сверхпроводящего перехода указанных соединений; установлена связь между изменением зонной структуры соединений в твердых растворах на основе РЬТе:Т1, SnTerIn и параметров примесной полосы квазилокальных состояний таллия (индия), и оптимизацией параметров сверхпроводящего состояния указанных соединений. В частности, получен сверхпроводящий материал с максимальной для полупроводниковых соединений критической температурой Т_с = 4.2 К и вторым критическим полем Н_с2(0) -5.5 Т; обобщение экспериментальных данных о низкотемпературных электрофизических свойствах полупроводниковых твердых растворов на основе PbTe, SnTe и GeTe, легированных примесями индия и таллия, позволило однозначно установить, что возникновение сверхпроводимости с Т_с > 1 К в исследованных соединениях связано с расположением частично заполненной носителями полосы примесных состояний на фоне дополнительного экстремума валентной зоны (зоны «тяжелых» дырок исследованных соединений; в твердых растворах PbSnTeiln обнаружен и исследован переход сверхпроводник - диэлектрик, наблюдающийся при низких температурах в узком диапазоне изменения концентрации свинца и/или индия; исследованы параметры сверхпроводящего состояния в тонких слоях PbTerTl, SnTerIn, SnGeTerln и PbSnTerln, приготовленных различными методами на подложке - слюде. Установлены некоторые отличия от параметров аналогичных по составу поликристаллических объемных образцов, в частности, более низкий концентрационный порог сверхпроводящего перехода в слоях РЬТе:ТІ. В тонких слоях PbSnTe:In, полученных на слюде методом мгновенного распыления шихты в вакууме, обнаружено распределение примеси In по толщине, определяющее сверхпроводящие свойства таких пленок.

Полученные результаты расширяют возможности создания элементов для сверхпроводящей микроэлектроники. На основе знания сверхпроводящих свойств твердых растворов РЬТе:Т1 и PbSnTe:In предложены способы получения новых материалов с оптимальными сверхпроводящими параметрами, что важно при изготовления шихты для напыления пленок и структур на их основе. Новые сверхпроводящие материалы защищены авторскими свидетельствами. Малое рассогласование постоянной решетки позволяет создавать гетероструктуры сверхпроводник - полуизолятор на основе PbSnTe:In. Тонкие слои сверхпроводящих материалов - соединений РЬТе - SnTe - GeTe, легированных индием (таллием) перспективны для применения в инфракрасной технике, в качестве сверхпроводящих приемников излучения (болометров).

В результате проведенного исследования развито новое научное направление в физике конденсированного состояния - сверхпроводимость материалов на основе соединений A^1VB^VI с глубокими примесными резонансными состояниями индия и таллия.

Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения и списка цитируемой литературы, включая авторскую. В первой главе приведены данные о кристаллической структуре, энергетическом спектре носителей заряда и характере его перестройки в непрерывном ряду твердых растворов РЬТе-SnTe-GeTe. Изложены литературные данные об особенностях электрофизических свойств РЬТе, SnTe и GeTe, наблюдающихся при их легировании таллием (в случае теллурида свинца) или индием (SnTe и GeTe). Обсуждается наблюдение стабилизации уровня Ферми в присутствии дополнительных (по отношению к таллию или индию) примесей, резонансное рассеяние носителей в примесігую полосу таллия. Рассматривается модель примесной полосы таллия с высокой плотностью состояний на фоне сплошного спектра валентной зоны, позволяющая описать наблюдаемые явления.

Во второй главе приведены необходимые сведения об исследованных образцах, контроле их состава и измерительной установке низких и сверхнизких температур Не³ - Не⁴.

В третьей главе приводятся результаты исследования низкотемпературных электрофизических (в том числе сверхпроводящих) характеристик теллуридов свинца и олова, легированных примесью таллия или индия, соответственно.

Полученные результаты подтверждают существование полосы квазилокальных состояний с высокой плотностью (ТІ в РЬТе:Т1 и In в SnTe:In), расположенной на фоне сплошного спектра валентной зоны. Наблюдается стабилизация уровня Ферми в присутствии других примесей, пока их концентрация не превышает содержание ТІ (In). Резонансное рассеяние дырок в примесігую полосу приводит к уменьшению их подвижности при вхождении уровня Ферми в полосу состояний ТІ (In) и к возрастанию удельного сопротивления материала в нормальном состоянии. Заполнение примесных состояний ТІ в РЬТе:Т1 и In в SnTe:In электронами и обмен электронов между примесными и зонными состояниями определяющим образом связаны с появлением сверхпроводящего состояния теллуридов свинца и олова с Т_{с тах} ~ 2.2 К в 8п₀.84ІПо.ібТеі.оз и в Pbo.975Tlo.02Na₀.oo5Te.

В четвертой главе приводятся результаты исследования параметров сверхпроводящего состояния твердых растворов на основе теллуридов свинца и олова, легированных примесями таллия и индия, соответственно. Обнаружено, что частичная замена атомов в подрешетках металла и халькогена в РЬТе:Т1 ( в Pbi._xSn_xTe:Tl, Pbi._xSi_xTe:Tl, Pbi._xGe_xTe:TI, PbTei._xSe_x:Tl, PbTei._xS_x:Tl) существенно различным образом влияет на параметры резонансных состояний таллия и, соответственно, сверхпроводящего перехода в твердых растворах. При замене свинца на элементы IV группы Sn, Ge и Si, параметры сверхпроводящего перехода Т_с и |dH_c2/dT|_Tc быстро уменьшаются с ростом содержания концентрации замещающей примеси. При замещении атомов теллура Se и S величины Т_с и | dH_c2/dT | _Тс изменяются слабо вплоть до Ns_e=5 ат% и N_s=10 ат.%.

Далее обсуждаются экспериментальные данные, полученные при исследовании твердых растворов на основе теллурида олова: (PbzSn^i.JnxTei+y и (Ge_zSni._z)!._xIn_xTe в нормальном и сверхпроводящем состояниях, при фиксированных х, у, z и их комбинациях. Зонная структура соединений и положение примесных состояний In сильно зависят от состава исследуемых соединений. Мы хотели проследить корреляцию этих изменений с низкотемпературными характеристиками исследуемых твердых растворов.

Для твердого раствора (Pbo.2Sn₀.8)o.95l%o5Te_1+y нами была прослежена связь параметров сверхпроводящего перехода с увеличением концентрации избыточного Те у, изменяющего степень заполнения примесной полосы In. Было обнаружено, что зависимости параметров сверхпроводящего перехода в исследованных сериях (z=0 и z=0.2) характеризуются количественными различиями. В (Sn₀.8Pbo.2)o.95l%o5Tei_+y (при малых у) Т_с и | dH_C2/dT | _т_*_Тс заметно выше; в то же время по мере роста избытка Те (у) в образцах критические параметры уменьшаются более резко, чем в .

Обнаружено, что зависимость параметров сверхпроводящего состояния от содержания свинца в твердом растворе (Pb_zSni._z)!__xIn_xTe существенно немонотонна. Введение свинца в Sni._xIn_xTe позволяет увеличить максималыгую Т_с соединения почти в 2 раза (по сравнению с граничным бинарным твердым раствором). Увеличение концентрации индия х не только увеличивает Т_с, но и сдвигает максимальные значения параметров сверхпроводящего состояния в область больших содержаний свинца в твердом растворе. В твердом растворе (Pb₀.5Sn₀.5)o.8l%2Te обнаружена максимальная среди сверхпроводящих легированных полупроводниковых соединений критическая температура Т_с ~ 4.24 К (при рзоок = 6П0²¹ см^-3).

Увеличение количества германия в твёрдом растворе SnGeTe:In практически сразу (z > 0.03) приводит к монотонному падению Т_с вплоть до Т_с < 0.4 К (при z > 0.4 в (Ge_zSn₁._z)₀.84ln₀.i6Te и при z > 0.2 в (GezSn^o.gsIno.osTe).

Обобщая результаты исследований твердых растворов на основе SnTe:In и сравнивая их с известными литературными данными о зонной структуре соединений, можно сделать вывод, что для возникновения сверхпроводимости с относительно высокой критической температурой Т_с - 1 К необходимо, чтобы примесный резонансный уровень индия перекрывался по энергии с зонными состояниями не только основного, но и дополнительного экстремума с большой плотностью состояний.

В пятой главе показано, что дальнейшее увеличение количества свинца (z > z_f) в (Pb_zSn!._z)i._xIn_xTe приводит к срыву параметров сверхпроводящего перехода вплоть до Т_с < 0.4 К. Величина z_f увеличивается с увеличением количества индия х: в (PbzSn^o.eliWTe установлено z_f ~ 0.65, в то время как в (Pb_zSni._z)o.95^ⁿo.o5Te z_f ~ 0.4. Дальнейшее увеличение количества свинца z > z_f в (Pb_zSn]._z)i._xIn_xTe приводит к диэлектризации материала при низких температурах. Экспериментальные результаты интерпретированы как переход от зошю-примесной проводимости к проводимости по примесной полосе квазилокальных состояний In по мере ее смещения в запрещенную зону PbSnTe:In с ростом содержания РЬ в твердом растворе.

В шестой главе обсуждаются экспериментальные данные, полученные при исследовании тонких слоев твердых растворов PbTe:(Tl,Na), SnGeTe:In и PbSnTe:In. Пленки толщиной d ~ 1 мкм были получены методами термического испарения в вакууме и лазерного напыления на подложку - слюду. Получение тонких слоев с относительно высоким сопротивлением в нормальном состоянии и Т_с ~ 4 К (вблизи точки кипения жидкого ⁴Не) может существенно расширить область практических применений данного класса материалов, например, в качестве сверхпроводящих приемников излучения). Малое рассогласование постоянной решетки позволяет создавать гетероструктуры сверхпроводник -полуизолятор на основе PbSnTe:In. Тонкие слои сверхпроводящих материалов -соединений РЬТе - SnTe - GeTe, легированных индием (таллием) перспективны для применения в ИК технике, в качестве сверхпроводящих приемников излучения (болометров). Исследования показали, что в тонких слоях PbTe:(Tl,Na), SnGeTe:In и PbSnTe:In, напыленных на слюду, существует сверхпроводящий переход с параметрами, близкими к их значениям в объемных поликристаллических образцах. Таким образом, подтверждено существование сверхпроводящего состояния соединений A^IVB^VI, легированных индием (таллием) с высокими для полупроводников значениями параметрами сверхпроводящего состояния Т_с > 1 К независимо от метода приготовления и структуры материала.

На основе исследований, выполненных в диссертационной работе, на защиту выносятся следующие основные результаты и научные положения:

Обнаружен и исследован новый класс сверхпроводящих полупроводниковых материалов с управляемой плотностью состояний на уровне

Ферми - соединения группы А В , легированные примесями III группы (In и ТІ). Изученные материалы характеризуются высокими (для полупроводников) значениями критических параметров сверхпроводящего состояния и пониженной концентрацией носителей заряда по сравнению с «классическими» сверхпроводящими соединениями.

Сверхпроводимость с температурой сверхпроводящего перехода Т_с > 1 К в соединениях группы A^IVB^VI на основе РЬТе с примесью ТІ, SnTe с примесью In, и полупроводниковых твердых растворов PbSnTe:In и SnGeTe:In, определяющим образом связана с заполнением примесной полосы квазилокальных состояний таллия (индия) с высокой плотностью, расположенной на фоне сплошного спектра валентной зоны указанных соединений.

Максимальные параметры сверхпроводящего состояния Т_с, | dH_c2/dT | _Тс и Н_с2(0) в РЬТе:Т1 и SnTe:In и их твердых растворах наблюдаются при расположении уровня Ферми вблизи максимума плотности примесных квазилокальных состояний таллия или, соответственно, индия, т.е. при близком к половинному заполнении полосы носителями (дырками). Установлена возможность управления параметрами сверхпроводящего состояния РЬТе:Т1, SnTe:In и PbSnTe:In при использовании метода дополнительного легирования акцепторной примесью (Na в случае РЬТе:Т1 и избыточный теллур Те_ех в случае SnTe:In и PbSnTe:In).

Основные сверхпроводящие характеристики PbSnTe:In и SnGeTe:In -критическая температура сверхпроводящего перехода и второе критическое магнитное поле - зависят как от уровня легирования примесью In (при фиксированном составе матрицы), так и от содержания свинца (германия) в твердом растворе при фиксированной концентрации In. Определены значения сверхпроводящих параметров Т_с, |dH_c2/dT|_Tc и Н_сг(0) и их связь с электрическими свойствами в нормальном состоянии для полупроводниковых твердых растворов систем (SnTe - PbTe):In и (SnTe - GeTe):In в широком интервале изменения состава соединений и концентрации примеси In.

4. Предложены методы управления параметрами сверхпроводящего состояния в соединениях группы A^IVB^VI с примесными квазилокальными состояния таллия или индия. Созданы материалы с оптимальными сверхпроводящими характеристиками, в частности, (Pb₀.5Sn₀.5)o.8lⁿo.2Te с температурой сверхпроводящего перехода Т_с ~ 4.2 К и вторым критическим магнитным полем, экстраполированном к нулевой температуре Н_с2(0) ~ 55 кЭ.

Параметры сверхпроводящего состояния Т_с, |dH_c2/dT|_Tc и Н_с2(0) в соединениях на основе материалов A^IVB^V1 с примесными квазилокальными состояния (таллия или индия) резко уменьшаются при выходе полосы примесных состояний из дополнительного экстремума валентной зоны полупроводника с высокой плотностью состояний.

В твердых растворах (Pb_zSni._z)i.Jn_xTe при низких температурах обнаружен и исследован переход сверхпроводник - диэлектрик, наблюдающийся в узком (несколько ат. %) диапазоне изменений концентрации свинца. Переход от сверхпроводящего к диэлектрическому состоянию связан с выходом примесной полосы In из 2 - зоны «тяжелых» дырок, характеризующейся высокой плотностью состояний, и с последующим смещением ее в запрещенную зону по мере увеличения количества свинца в твердом растворе (z > 0.6 при х = 0.16).

Результаты по исследованию параметров сверхпроводящего состояния материалов группы A^IVB^VI с примесными квазилокальными состояния таллия или индия получены на монокристаллических образцах, поликристаллических (изготовленных по металлокерамической технологии) и тонких (толщиной d ~ 1 мкм) слоях на различных подложках. Сопоставление экспериментальных данных позволило выявить более низкий концентрационный порог сверхпроводящего перехода в слоях РЬТе:Т1, чем в поликристаллических образцах. В тонких слоях PbSnTe:In, полученных на слюде методом термического распыления шихты в вакууме, и SnGeTe:In, полученных лазерным напылением, обнаружено распределение примеси In по толщине, определяющее сверхпроводящие свойства тонких пленок.

Похожие диссертации на Сверхпроводимость полупроводниковых соединений AIVBVI с глубокими примесными состояниями элементов III группы

Электронные возбуждения и собственная люминесценция в кристаллах ряда силикатов элементов III группыШлыгин Евгений Сергеевич

Исследование формирования, структуры и свойств поверхностных фаз элементов III и V групп на кремнииРыжков, Сергей Витальевич

Особенности процессов образования радиационных дефектов в полупроводниковых материалах IV группы и нитридах III группы с мелкими примесямиЕмцев Константин Вадимович

Оптические исследования полупроводниковых структур на основе нитридов металлов III группы и разработка количественных методик их диагностикиДавыдов, Валерий Юрьевич

Структурные, оптические и электронные свойства многокомпонентных халькогенидов металлов групп I и III для тонкопленочных фотопреобразователей солнечной энергииЯкушев, Михаил Васильевич

Сосуществование сверхпроводимости и антиферромагнетизма в соединениях переходных и редкоземельных элементовЗлотников, Антон Олегович

Исследование связи магнетизма и необычной сверхпроводимости в многоорбитальныз моделях слоистых соединений переходных металловКоршунов Максим Михайлович

Состояния переходных элементов в фосфидах галлия и индия Пасечник Людмила Павловна

Электронные состояния атомов редкоземельных элементов в соединениях АШВУ Романов Владимир Викторович

Спектроскопия основного и возбужденного состояний ионов переходных элементов в кристаллах для твердотельных лазеровВеремейчик Тамара Федоровна