Введение к работе
Актуальность темы. Одно из основных направленні! в физике твердого тела связано с поиском и изучением свойств новых материалов. Исследования элементарных полупроводников - Si, Ge, Те и полупроводниковых соединений А3В5 и А-іВб во многом определили современный облик физики полупроводников. На этом фоне материалы семейства А2В5 остаются сравнительно малоизученными. В то же время, обладая сильной анизотропией физических свойств, малыми эффективными массами и высокими подвижностями носителей заряда, эти соединения имеют большие перспективы для практического применения в электронной технике.
Сказанное в полной мере относится к антимопидам кадмия и цинка - узкозонным анизотропные полупроводникам системы А2В5. Начиная с 70-х годов, был выполнен ряд теоретических работ по расчетам зонной структуры CdSb и ZnSb, однако они носят достаточно приближенный характер вследствие сложной кристаллической структуры этих соединений. К моменту начала настоящей работы не было надежных экспериментальных данных о зонной структуре, фононном спектре, особенностях электронных и электрон-фононных взаимодействий в ZnSb, т.е. отсутствовали данные об основных параметрах, определяющих большинство электрических, оптических и других свойств этого материала.
Эффективным методом решения подобных задач является исследование квантовых эффектов в кинетических явлениях в сильном магнитном поле, когда квантование энергетического спектра электронов становится существенным но сравнению с тепловым размытием энергии электронов и зависимости различных кинетических коэффициентов от магнитного поля становятся осциллирующими. В физике полупроводников для изучения інергетического спектра и электронных взаимодействий чаще других используют два осцилляционных эффекта: эффект Шубникова-де Гааза (ШдГ) - осцилляции магнетосопротнвления вырожденного проводника в квантующем магнитном поле, и магнетофононный резонанс (МФР) - осцилляции магнетосопротнвления. связанные с резонансным неупругим рассеянием постелей на оптических
фононах. Экспериментальное исследование эффекта ШдГ позволяет получить данные об основных параметрах «зонной структуры: значениях компонент тензора эффективной массы, количестве экстремумов зон, форме поверхностей Ферми и т.д. Изучение МФР дает информацию об эффективных массах носителей и спектре оптических колебаний решетки.
Электрофизические свойства антимонида кадмия были изучены существенно полнее по сравнению с ZnSb, в частности, были определены эффективные массы дырок, топология поверхностей Ферми валентной зоны и др., а также выполнены первые исследования фононного спектра [1*]. Однако вопросы, связанные с проявлениями электронно-фононных взаимодействий и с особенностями фононного спектра, и в частности МФР в CdSb, требовали дальнейшего изучения.
Помимо использования МФР как метода исследования зонной структуры и электронных взаимодействий, с точки зрения изучения МФР как физического эффекта,особый интерес представляла постановка задачи о комплексном исследовании этого явления в силыюанизотропном материале с большим количеством фононных мод.
Цель работы:
-
Изучение эффекта Шубникова-де Гааза в антимониде цинка р-типа проводимости для определения параметров зонной структуры и топологии поверхности Ферми дырок.
-
Изучение магнетофононного резонанса в антимонидах кадмия и цинка р-типа для определения значений эффективных масс и частот оптических фононсв, участвующих в резонансном рассеянии носителей.
3. Изучение спектра оптических фононов в CdSb и ZnSb методами
инфракрасной спектроскопии и комбинационного рассеяния света и
сравнение сданными МФР.
Научная новизна. В настоящей работе:
1. Обнаружены и исследованы осцилляции Шубникова-де Гааза в
антимониде цинка р-типа. Проведено изучение топологии поверхности
Ферми, величин и анизотропии эффективных масс дырок.
2. Обнаружены и исследованы магнетофононные осцилляции в
антимониде цинка р-типа, а также в антимониде кадмия для различных
ориентации магнитного поля относительно осей кристалла. Определены
значения циклотронных масс дырок и частоты оптических фононов, наиболее активных в резонансном рассеянии носителей заряда. 3. Изучен спектр оптических фононов антимонидов кадмия и цинка и твердых растворов CdxZni.,Sb для составов, близких к чистым материалам. Определены частоты оптических фононов, активных в спектрах инфракрасного отражения и в спектрах комбинационного рассеяния света. Продольным оптическим колебаниям решетки CdSb и ZnSb, проявляющимся в МФР, соответствуют наиболее сильные фононы, активные в инфракрасных спектрах.
Научная и практическая ценность:
Научная значимость работы связана с установлением параметров фононного и электронного (дырочного) спектров, особенностей электрон-фононного взаимодействия в узкозонных анизотропных полупроводниковых соединениях ZnSb и CdSb на основе результатов комплексного исследования резонансных кинетических и оптических свойств указанных соединений. Такой подход будет полезен для изучения свойств твердых растворов на основе этих соединений.
Практическая значимость работы связана с тем, что
1. полученные данные о параметрах- зонных структур и фоноиных
спектрах антимонидов кадмия и цинка могут быть использованы для
решения различных исследовательских задач и для создания приборов и
устройств на основе этих соединений;
2. предложена методика определения периода магнетофононных
осцилляции при нестрогом выполнении условия сильного магнитного
поля;
3. создана автоматизированная система регулировки температуры в
интервале 77-300К для установки импульсного магнитного ноля.
На защиту выносятся ледующие положения: 1. Поверхность Ферми дчрок антимонида цинка состоит из двух эквивалентных эллипсоидов, оси которых параллельны главным кристаллографическим направлениям. В интервале концентраций (1.5+30)-1017 см-3 при температурах жидкого гелия значения циклотронных масс дырок составили (0.26-=-0.29), (0.17+0.20) и (0.32-f0.35)m„ для ориентации 1Щ100], Н//[010] и 11//[00|]. соответственно. Наблюдалось изменение эффективных масс и кспффшшсиюп анизотропии в зависимости от уровня легирования, 'по связано с нелараболичностыо валентной зоны ZnSb.
2. В антимонидах кадмия и цинка для ориентации ГІ//[І00] и Н//[001] в
процессе магнетофононного резонанса участвуют две моды продольных
оптических колебаний решетки и, соответственно, наблюдаются два
периода магнетофононных осцилляции. В случае Н//[010] в резонансном
рассеянии активны три моды продольных колебаний, и наблюдаются
три серии осцилляции. Анизотропия эффекта определяется
анизотропией эффективных масс, а не фононного спектра. Частоты
продольных оптических фононов, активных в МФР, равны: при Н//[100]
- 166 и 34 см-1 (CdSb), 194 и 47 см-1 (ZnSb); при Ш/[010] - 161, 110 и 53 см"1
(CdSb); 192, 132 и 45 см-' (ZnSb); при Н//[001] - 163 и 33 см-1 (CdSb), 201 и
45 см-1 (ZnSb).
3. Для объяснения обнаруженных магнетофононных осцилляции
холловской компоненты магнетосопротивления предложена модель,
учитывающая нестрогое выполнение условия сильного магнитного поля.
В рамках этого же приближения может быть объяснен сдвиг максимумов
поперечного маг етосопротивленип относительно резонансных
положений.
4. Оптическими методами определены частоты 12 оптических фононов,
активных в спектрах инфракрасного отражения (из 15 предсказываемых
правилами симметрии), и 16 оптических фононов, активных в спектрах
комбинационного рассеяния (из 24). В. твердых растворах CdxZni.xSb
зависимость частот оптических фононов от параметра х носит
одномодовый характер для составов близких к ZnSb, со стороны CdSb
эта завгсимость имеет смешанный одно- двухмодовый тип.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались автором на II Российской конференции по физике полупроводников (Санкт-Петербург, 1996г.), на международном семинаре в Национальном центре импульсных магнитных полей (Тулуза, Франция), на научных семинарах ФТИ им А.Ф.Иоффе РАН и Института прикладной физики АН Республики Молдова.
Публикации. Основные результаты исследования изложены в 5 печатных работах. Список работ приведен в конце автореферата.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы. Работа изложена на /S6
страницах машинописного текста, включая 46 рисунков и 12 таблиц. Библиография содержит SO наименования.
