Влияние давления на параметры сверхпроводящего перехода в полупроводниковых твердых растворах PbzSn₁₋zTe, легированных In

Изучено влияние всестороннего сжатия до 10 кбар на сверхпроводящие и электрические характеристики полупроводникового твердого раствора PbzSn₁₋zTe, легированного индием (5 ат.%), в зависимости от содержания свинца. Экспериментально установлены корреляции для исследованных барических зависимостей. Обн...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2015
Hauptverfasser:	Парфеньев, Р.В., Козуб, В.И., Андрианов, Г.О., Шамшур, Д.В., Черняев, А.В., Михайлин, Н.Ю., Немов, С.А.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Фізико-технічний інститут низьких температур ім. Б.І. Вєркіна НАН України 2015
Schriftenreihe:	Физика низких температур
Schlagworte:	XX Уральская международная зимняя школа по физике полупроводников
Online Zugang:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/122032
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Влияние давления на параметры сверхпроводящего перехода в полупроводниковых твердых растворах PbzSn₁₋zTe, легированных In / Р.В. Парфеньев, В.И. Козуб, Г.О. Андрианов, Д.В. Шамшур, А.В. Черняев, Н.Ю. Михайлин, С.А. Немов // Физика низких температур. — 2015. — Т. 41, № 2. — С. 147-152. — Бібліогр.: 16 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-122032
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1220322017-06-27T03:03:29Z Влияние давления на параметры сверхпроводящего перехода в полупроводниковых твердых растворах PbzSn₁₋zTe, легированных In Парфеньев, Р.В. Козуб, В.И. Андрианов, Г.О. Шамшур, Д.В. Черняев, А.В. Михайлин, Н.Ю. Немов, С.А. XX Уральская международная зимняя школа по физике полупроводников Изучено влияние всестороннего сжатия до 10 кбар на сверхпроводящие и электрические характеристики полупроводникового твердого раствора PbzSn₁₋zTe, легированного индием (5 ат.%), в зависимости от содержания свинца. Экспериментально установлены корреляции для исследованных барических зависимостей. Обнаружено, что в материале с содержанием свинца z = 0,45 при увеличении давления до Р = = 6,8 кбар происходит пороговое усиление сверхпроводимости до значения Тс = 1,7 К, характерного для состава z = 0,05 при атмосферном давлении. Возрастание гидростатического давления Р > 3 кбар в (Pb₀,₀₅Sn₀,9₅)₀,₉₅In₀,₀₅Te приводит к понижению Тс ниже 1 К. Указанные особенности, вместе с колоколообразной зависимостью Тс(Р) для состава z = 0,3, объясняются энергетическим смещением полосы квазилокальных состояний ЕIn и уровня Ферми, стабилизированного ими, из L- в Σ-валентную зону с большой плотностью состояний, как это наиболее ярко проявилось для состава z = 0,45. На основании измерений эффекта Холла при Т = 77 К определен концентрационный порог выхода уровня Ферми из Σ-валентной зоны при увеличении содержания свинца Вивчено вплив усебічного стискування до 10 кбар на надпровідні та електричні характеристики напівпровідникового твердого розчину PbzSn₁₋zTe, легованого індієм (5 ат.%), залежно від змісту свинцю. Експериментально встановлено кореляції для досліджених баричних залежностей. Виявлено, що в матеріалі зі змістом свинцю z = 0,45 при збільшенні тиску до Р = 6,8 кбар відбувається порогове посилення надпровідності до значення Тс = 1,7 К, характерного для складу z = 0,05 при атмосферному тиску. Зростання гідростатичного тиску Р > 3 кбар в (Pb₀,₀₅Sn₀,9₅)₀,₉₅In₀,₀₅Te призводить до зниження Тс нижче 1 К. Вказані особливості, разом з дзвоноподібною залежністю Тс(Р) для складу z = 0,3, пояснюються енергетичним зміщенням смуги квазілокальних станів ЕIn та рівня Фермі, стабілізованого ними, з L- у Σ-валентну зону з великою щільністю станів, як це найяскравіше проявилося для складу z = 0,45. На підставі вимірів ефекту Холлу при Т = 77 К визначено концентраційний поріг виходу рівня Фермі з Σ-валентної зони при збільшенні змісту свинцю. The influences of comprehensive compression up to 10 kbar and lead content on superconducting and electrical characteristics of semiconducting solid solutions PbzSn₁₋zTe doped with indium (5 at.%) are studied. Experimental correlations for the pressure dependences under consideration are found out. It is established that at high pressure condition (P = 6.8 kbar) the material with content of lead z = 0.45 displays a threshold increase of superconductivity up to Тс = 1.7 K, which is typical of the z = 0.05 compound at normal pressure. An increase of hydrostatic pressure P > 3 kbar in (Pb₀,₀₅Sn₀,9₅)₀,₉₅In₀,₀₅Te leads to a decrease of Тс below 1 K. The observed features and the bell-shaped dependence Тс(P) for the z = 0.3 compound are explained by the energy shifting of the band of quasilocal states ЕIn and the state stabilized Fermi energy from the L-valence band into the Σ-valence one with a high density of states as was most noticeable for the z = 0.45 compound. A concentration threshold for the Fermi energy leaving the Σ-valence band with increasing content of lead was determined from the Hall effect data at T = 77 K. 2015 Article Влияние давления на параметры сверхпроводящего перехода в полупроводниковых твердых растворах PbzSn₁₋zTe, легированных In / Р.В. Парфеньев, В.И. Козуб, Г.О. Андрианов, Д.В. Шамшур, А.В. Черняев, Н.Ю. Михайлин, С.А. Немов // Физика низких температур. — 2015. — Т. 41, № 2. — С. 147-152. — Бібліогр.: 16 назв. — рос. 0132-6414 PACS: 71.20.Nr, 71.28.+d, 71.30.+h, 71.55.–i, 74.62.Dh, 74.62.Fj http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/122032 ru Физика низких температур Фізико-технічний інститут низьких температур ім. Б.І. Вєркіна НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	XX Уральская международная зимняя школа по физике полупроводников XX Уральская международная зимняя школа по физике полупроводников
spellingShingle	XX Уральская международная зимняя школа по физике полупроводников XX Уральская международная зимняя школа по физике полупроводников Парфеньев, Р.В. Козуб, В.И. Андрианов, Г.О. Шамшур, Д.В. Черняев, А.В. Михайлин, Н.Ю. Немов, С.А. Влияние давления на параметры сверхпроводящего перехода в полупроводниковых твердых растворах PbzSn₁₋zTe, легированных In Физика низких температур
description	Изучено влияние всестороннего сжатия до 10 кбар на сверхпроводящие и электрические характеристики полупроводникового твердого раствора PbzSn₁₋zTe, легированного индием (5 ат.%), в зависимости от содержания свинца. Экспериментально установлены корреляции для исследованных барических зависимостей. Обнаружено, что в материале с содержанием свинца z = 0,45 при увеличении давления до Р = = 6,8 кбар происходит пороговое усиление сверхпроводимости до значения Тс = 1,7 К, характерного для состава z = 0,05 при атмосферном давлении. Возрастание гидростатического давления Р > 3 кбар в (Pb₀,₀₅Sn₀,9₅)₀,₉₅In₀,₀₅Te приводит к понижению Тс ниже 1 К. Указанные особенности, вместе с колоколообразной зависимостью Тс(Р) для состава z = 0,3, объясняются энергетическим смещением полосы квазилокальных состояний ЕIn и уровня Ферми, стабилизированного ими, из L- в Σ-валентную зону с большой плотностью состояний, как это наиболее ярко проявилось для состава z = 0,45. На основании измерений эффекта Холла при Т = 77 К определен концентрационный порог выхода уровня Ферми из Σ-валентной зоны при увеличении содержания свинца
format	Article
author	Парфеньев, Р.В. Козуб, В.И. Андрианов, Г.О. Шамшур, Д.В. Черняев, А.В. Михайлин, Н.Ю. Немов, С.А.
author_facet	Парфеньев, Р.В. Козуб, В.И. Андрианов, Г.О. Шамшур, Д.В. Черняев, А.В. Михайлин, Н.Ю. Немов, С.А.
author_sort	Парфеньев, Р.В.
title	Влияние давления на параметры сверхпроводящего перехода в полупроводниковых твердых растворах PbzSn₁₋zTe, легированных In
title_short	Влияние давления на параметры сверхпроводящего перехода в полупроводниковых твердых растворах PbzSn₁₋zTe, легированных In
title_full	Влияние давления на параметры сверхпроводящего перехода в полупроводниковых твердых растворах PbzSn₁₋zTe, легированных In
title_fullStr	Влияние давления на параметры сверхпроводящего перехода в полупроводниковых твердых растворах PbzSn₁₋zTe, легированных In
title_full_unstemmed	Влияние давления на параметры сверхпроводящего перехода в полупроводниковых твердых растворах PbzSn₁₋zTe, легированных In
title_sort	влияние давления на параметры сверхпроводящего перехода в полупроводниковых твердых растворах pbzsn₁₋zte, легированных in
publisher	Фізико-технічний інститут низьких температур ім. Б.І. Вєркіна НАН України
publishDate	2015
topic_facet	XX Уральская международная зимняя школа по физике полупроводников
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/122032
citation_txt	Влияние давления на параметры сверхпроводящего перехода в полупроводниковых твердых растворах PbzSn₁₋zTe, легированных In / Р.В. Парфеньев, В.И. Козуб, Г.О. Андрианов, Д.В. Шамшур, А.В. Черняев, Н.Ю. Михайлин, С.А. Немов // Физика низких температур. — 2015. — Т. 41, № 2. — С. 147-152. — Бібліогр.: 16 назв. — рос.
series	Физика низких температур
work_keys_str_mv	AT parfenʹevrv vliâniedavleniânaparametrysverhprovodâŝegoperehodavpoluprovodnikovyhtverdyhrastvorahpbzsn1ztelegirovannyhin AT kozubvi vliâniedavleniânaparametrysverhprovodâŝegoperehodavpoluprovodnikovyhtverdyhrastvorahpbzsn1ztelegirovannyhin AT andrianovgo vliâniedavleniânaparametrysverhprovodâŝegoperehodavpoluprovodnikovyhtverdyhrastvorahpbzsn1ztelegirovannyhin AT šamšurdv vliâniedavleniânaparametrysverhprovodâŝegoperehodavpoluprovodnikovyhtverdyhrastvorahpbzsn1ztelegirovannyhin AT černâevav vliâniedavleniânaparametrysverhprovodâŝegoperehodavpoluprovodnikovyhtverdyhrastvorahpbzsn1ztelegirovannyhin AT mihajlinnû vliâniedavleniânaparametrysverhprovodâŝegoperehodavpoluprovodnikovyhtverdyhrastvorahpbzsn1ztelegirovannyhin AT nemovsa vliâniedavleniânaparametrysverhprovodâŝegoperehodavpoluprovodnikovyhtverdyhrastvorahpbzsn1ztelegirovannyhin
first_indexed	2025-07-08T21:00:45Z
last_indexed	2025-07-08T21:00:45Z
_version_	1837114009342443520
fulltext	Low Temperature Physics/Физика низких температур, 2015, т. 41, № 2, c. 147–152 Влияние давления на параметры сверхпроводящего перехода в полупроводниковых твердых растворах PbzSn1–zTe, легированных In Р.В. Парфеньев, В.И. Козуб, Г.О. Андрианов, Д.В. Шамшур, А.В. Черняев, Н.Ю. Михайлин Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе ул. Политехническая, 26, г. Санкт-Петербург, 194021, Россия E-mail: D.Shamshur@mail.ioffe.ru С.А. Немов Санкт-Петербургский государственный политехнический университет ул. Политехническая, 29, г. Санкт-Петербург, 195251, Россия Статья поступила в редакцию 13 октября 2014 г., опубликована онлайн 22 декабря 2014 г. Изучено влияние всестороннего сжатия до 10 кбар на сверхпроводящие и электрические характери- стики полупроводникового твердого раствора PbzSn1–zTe, легированного индием (5 ат.%), в зависимости от содержания свинца. Экспериментально установлены корреляции для исследованных барических зави- симостей. Обнаружено, что в материале с содержанием свинца z = 0,45 при увеличении давления до Р = = 6,8 кбар происходит пороговое усиление сверхпроводимости до значения Тс = 1,7 К, характерного для состава z = 0,05 при атмосферном давлении. Возрастание гидростатического давления Р > 3 кбар в (Pb0,05Sn0,95)0,95In0,05Te приводит к понижению Тс ниже 1 К. Указанные особенности, вместе с колоколо- образной зависимостью Тс(Р) для состава z = 0,3, объясняются энергетическим смещением полосы квази- локальных состояний ЕIn и уровня Ферми, стабилизированного ими, из L- в Σ-валентную зону с большой плотностью состояний, как это наиболее ярко проявилось для состава z = 0,45. На основании измерений эффекта Холла при Т = 77 К определен концентрационный порог выхода уровня Ферми из Σ-валентной зоны при увеличении содержания свинца. Вивчено вплив усебічного стискування до 10 кбар на надпровідні та електричні характеристики напів- провідникового твердого розчину PbzSn1–zTe, легованого індієм (5 ат.%), залежно від змісту свинцю. Ек- спериментально встановлено кореляції для досліджених баричних залежностей. Виявлено, що в матеріа- лі зі змістом свинцю z = 0,45 при збільшенні тиску до Р = 6,8 кбар відбувається порогове посилення надпровідності до значення Тс = 1,7 К, характерного для складу z = 0,05 при атмосферному тиску. Зрос- тання гідростатичного тиску Р > 3 кбар в (Pb0,05Sn0,95)0,95In0,05Te призводить до зниження Тс нижче 1 К. Вказані особливості, разом з дзвоноподібною залежністю Тс(Р) для складу z = 0,3, пояснюються енерге- тичним зміщенням смуги квазілокальних станів ЕIn та рівня Фермі, стабілізованого ними, з L- у Σ-ва- лентну зону з великою щільністю станів, як це найяскравіше проявилося для складу z = 0,45. На підставі вимірів ефекту Холлу при Т = 77 К визначено концентраційний поріг виходу рівня Фермі з Σ-валентної зони при збільшенні змісту свинцю. PACS: 71.20.Nr Полупроводниковые соединения; 71.28.+d Узкополосные системы; твердые тела с промежуточной валентностью; 71.30.+h Переходы металл–изолятор и другие электронные переходы; 71.55.–i Уровни дефектов и примесей; 74.62.Dh Влияние дефектов кристаллической структуры, допирования и примесей замещения; 74.62.Fj Влияние давления. Ключевые слова: полупроводниковый твердый раствор, гидростатическое сжатие, сверхпроводимость, критические параметры сверхпроводящего состояния. © Р.В. Парфеньев, В.И. Козуб, Г.О. Андрианов, Д.В. Шамшур, А.В. Черняев, Н.Ю. Михайлин, С.А. Немов, 2015 http://ufn.ru/en/pacs/74.62.Fj/ Р.В. Парфеньев, В.И. Козуб, Г.О. Андрианов, Д.В. Шамшур, А.В. Черняев, Н.Ю. Михайлин, С.А. Немов Введение Легирование индием твердых растворов халько- генидов свинца и олова (PbzSn1–z)1–xInxTe (PST:In) приводит к появлению ряда уникальных свойств PST таких, как стабилизация уровня Ферми на квазило- кальных примесных состояниях In, EIn [1], долговре- менная релаксация электронной системы при выве- дении ее из равновесия [2], резонансное рассеяние зонных носителей заряда и сверхпроводимость (СП) с критической температурой СП перехода Тс в гелиевой области температур [3]. Ширина запрещенной зоны PST соединений линейно изменяется с составом от прямого спектра в PbTe (z = 1, терм 6L− соответствует зоне проводимости, 6L+ — валентной зоне) до обратно- го расположения термов в SnTe (z = 0), проходя через точку инверсии (Eg = 0) при z = 0,65. Валентная зона PST имеет сложную структуру с до- полнительным экстремумом в Σ-точке зоны Бриллюэна с высокой плотностью состояний (Σ-ВЗ). В PST:In при концентрации In, превышающей концентрацию элек- трически активных собственных дефектов, уровень Ферми (EF) фиксируется энергетическим положением уровня EIn на фоне сплошного спектра валентной зоны. С уменьшением содержания свинца в PST:In (z < 0,65 при x > 0,12) наблюдается вхождение EIn в Σ-ВЗ с большой плотностью состояний. При этом возникает резонансное рассеяние зонных дырок на примесных состояниях, приводящее к размытию уровня EIn в по- лосу примесных состояний и образованию гибридизи- рованных зонно-примесных состояний. В этом случае при z < 0,65 и x > 0,02 наблюдается качественное уси- ление сверхпроводимости [4,5]. В [6–8] приводятся данные о необычно высоких для полупроводникового соединения критических параметрах СП перехода Тс = = 4,2 К и Hc2 = 45 кЭ при z = 0,4 и x = 0,16 (рис. 1(а)). Для составов, близких к области бесщелевого состоя- ния z > 0,4 и слабом легировании In (x = 0,05), при ге- лиевых температурах был обнаружен фазовый переход СП–диэлектрик при выходе EIn, стабилизирующего уровень химпотенциала, в запрещенную зону PST:In [9]. Подробное исследование [10] электронного фазо- вого перехода при изменении уровня легирования In (x) и состава (z) при нормальном давлении позволило установить фазовую границу (x, z) между указанными электронными состояниями PST:In. Изучение воздействия всестороннего сжатия как ме- тода перестройки зонной структуры PST с квазилокаль- ными примесными состояниями In было выполнено в работе [11] в области составов вблизи инверсии краев зон 6L− и 6L+ , в которой был обнаружен переход полу- проводник–металл–полупроводник, вызванный гидро- статическим давлением. Была построена диаграмма барической перестройки спектра и оценены скорости смещения с давлением уровня EIn, имевшие разный знак для сплавов n- и p-типа. В PST:In р-типа уровень EIn смещается в сторону валентной зоны со скоростью (dEIn/dP) = –1,5 мэВ/кбар относительно середины за- прещенной зоны. В настоящей работе изучаются барические зависи- мости СП параметров PST:In разного состава, вызван- ные смещением EIn под давлением относительно краев легкой L-ВЗ и тяжелой Σ-ВЗ, в области составов z < 0,6, где ширина запрещенной зоны 6 g L E E += – 6L E − увели- чивается с давлением [11] и положение EIn(P) внутри L- и Σ-ВЗ определяет степень их заполнения. Образцы и методика измерений Поликристаллические образцы (PbzSn1–z)1–xInxTe с фиксированным уровнем легирования In (х = 0,05) раз- ного состава (z = 0,05, 0,3 и 0,45) изготавливались по отработанной для полупроводниковых соединений ти- Рис. 1. (Онлайн в цвете) Влияние состава (PbzSn1–z)0,95In0,05Te на критические характеристики СП перехода Тс (а) и dHc2/dT (б) в сопоставлении с влиянием давления на зонную структу- ру материала. Тс(P) и dHc2/dT(P) при z = 0,05, 0,3 и 0,45 (пус- тые символы); те же данные, смещенные по оси абсцисс на величину ∆z* = –1,6·10–2P (кбар), определенную из сравнения зависимостей ρ(1/Т) от давления при фиксированном z и от состава при нормальном Р (заполненные символы). На встав- ках рис. 1(б) указаны схемы взаимного расположения уровня EIn и краев L- и Σ-валентных зон для разных составов при нормальном давлении. 148 Low Temperature Physics/Физика низких температур, 2015, т. 41, № 2 Влияние давления на параметры сверхпроводящего перехода в полупроводниковых твердых растворах PbzSn1–zTe па A4B6 металлокерамической технологии [12] с за- ключительным гомогенизирующим отжигом при Т = = 660 °С в течение 200 ч, позволяющим добиваться однородности образцов по составу. Характерный раз- мер зерна в образцах составлял 100 мкм. Рентгено- спектральный микроанализ не обнаружил следов второй фазы в исследованных образцах. Всестороннее сжатие (до 12 кбар при Т = 300 К) создавалось в автономной камере высокого давления [13], совместимой с криомаг- нитными установками с жидкими Не4 или Не3 (низко- температурный сброс давления составлял ∆Р ~ 3 кбар). Низкотемпературные измерения электрических свойств исследованных образцов проводились непосредствен- но в жидком Не3, Не4 и жидком N2 с откачкой паров над жидкостью с помещенной в нее камерой высокого давления. Концентрация дырок, определенная из ко- эффициента Холла при Т = 77 К, изменялась в интер- вале р = 1⋅1020–7⋅1020 см–3 для трех составов (рис. 2). В образце z = 0,45 наблюдалось экспоненциальное умень- шение концентрации носителей р с понижением тем- пературы с энергией активации Ea = 12,5 мэВ, тогда как энергия активации в зависимости удельного сопро- тивления ρ = ρ(0) exp (Ea/kT) была меньше (Ea = 5 мэВ) из-за возрастания вклада в подвижность легких дырок при понижении Т вследствие температурного смеще- ния EIn из Σ-ВЗ. Температурные зависимости удельно- го сопротивления PST исследуемых составов представ- лены на рис. 3 при разных давлениях. Результаты были получены с помощью AC-техники (на частоте 0,5 Гц) для низкоомных участков кривых ρ(Т) и dc-измерений при переходе в диэлектрическое состояние. Низкая подвижность дырок в твердых растворах (z = ≤ 0,3 при Т = 77 К) (рис. 2) определяется резонансным рассеяни- ем дырок Σ-ВЗ на квазилокальных примесных состоя- ниях In, которое выравнивает подвижности легких и тяжелых дырок [14]. Экспериментальные результаты и их обсуждение В соответствии с целью работы были выбраны об- разцы PST трех составов (z = 0,45, 0,3 и 0,05) на двух склонах и вблизи максимума колоколообразных зависи- мостей Тс(z) и Hc2(z) (рис. 1), которые характеризуются разным энергетическим положением полосы квазило- кальных состояний In относительно краев L- и Σ-ВЗ (см. вставки на рис. 1(б)). Удельное сопротивление для PSTс z = 0,05 линейно уменьшалось с понижением температуры для всех давлений P ≤ 6,8 кбар, демонст- рируя «металлический» характер вплоть до температу- ры СП перехода. Уменьшение удельного сопротивле- ния с давлением вместе с данными СП перехода в образцах с составами z = 0,45, 0,3 и 0,05 приведены на рис. 1, 3 и в табл. 1. Колоколообразные зависимости критической тем- пературы СП перехода Тс(z) и второго критического магнитного поля Hс(z) в твердых растворах PST:In (рис. 1) являются основой для понимания влияния дав- ления на изменение расположения уровня In в инверс- ной зонной структуре PST (z < 0,6), на параметры СП и электрические свойства в нормальном состоянии. При этом необходимо учитывать, что вызванное давлением смещение EIn в пределах спектров L- и Σ-ВЗ определя- ет уровень Ферми EF и концентрацию свободных ды- рок в образцах. Степень заполнения дырками kh-по- лосы примесных состояний In, содержащей два состояния на каждый атом In и один электрон, участ- вующий в связи, имеет вид kh = 0,5 + (Na – p)/2NIn, где Na — концентрация акцепторов, не участвующих в создании локализованных состояний (структурные дефекты, вакансии металла) [15]. Пик плотности при- месных состояний In соответствует половинному за- полнению примесной полосы при Na ≪ NIn, и только при достаточном легировании дополнительным акцеп- тором (Na ~ NIn) уровень Ферми EF может располагать- ся в середине полосы (при фиксированной концентра- ции NIn), что приводит к достижению максимального Рис. 2. Зависимости концентрации дырок р, вычисленной на основании измерений коэффициента Холла (заполненные символы, правая ось), и удельного сопротивления (пустые символы, левая ось) от состава образцов PST:In z = 0–0,45, x = 0,05 при разных температурах. Рис. 3. (Онлайн в цвете) Барические зависимости удельного сопротивления образцов PST с содержанием свинца z = 0,45, 0,3 и 0,05 при T = 4,2 и 77 К. Low Temperature Physics/Физика низких температур, 2015, т. 41, № 2 149 Р.В. Парфеньев, В.И. Козуб, Г.О. Андрианов, Д.В. Шамшур, А.В. Черняев, Н.Ю. Михайлин, С.А. Немов значения Тс(EF) при неизменном составе и концентра- ции In [12]. Как видно из экспериментальных данных Тс(Р) для образца PST:In c z = 0,3 и х = 0,05 (табл. 1 и данные [16]), такая же ситуация с максимумом Тс может быть достигнута при увеличении давления до 5 кбар в PST:In с z = 0,3 за счет изменения концентрации ды- рок р в Σ-ВЗ в результате переходов электронов из за- полненных состояний Σ-ВЗ на пустые примесные состояния In с высокой плотностью. Как следует из экспериментальных данных для ре- зистивного СП перехода в зависимости от температу- ры (рис. 4) и от напряженности магнитного поля (рис. 5), влияние давления на СП переход сводится к увеличению степени перекрытия полосы EIn с тяжелой Σ-ВЗ, что можно охарактеризовать в линейном при- ближении как эффективное уменьшение z на величину ∆z* = –1,6·10–2Р (кбар) относительно выбранных соста- вов z = 0,45, 0,3 и 0,05. Таблица 1. Состав, параметры СП состояния и электрофизические характеристики исследованных объемных образцов (PbzSn1–z)0,95In0,05Te (z = 0,05, 0,3 и 0,45) при разных давлениях: р — холловская концентрация носителей заряда, определенная при Т = 300 К; ρN и ρ300 К — удельное сопротивление в нормальном состоянии (Т ≈ 4,2 К и Т ≈ 300 К); Тс — температура сверхпроводящего перехода; │dHc2/dT│Тс — абсолютная величина производной второго критического магнитного поля по температуре при Т → Тс (Тс и │dHc2/dT│Тс определялись на уровне ρ(Т,Н) = 0,5ρN); N(0) — плотность состояний на уровне Ферми, рассчитанная на одну ориентацию спина по формуле N(0) = 2,84⋅1014⋅∂Hc2/∂TТ→Тс/ρN –1, [N(0)] = эВ–1·см–3, [∂Hc2/∂TТ→Тс] = Э/К, [ρN] = Ом·см zPb Р4,2 К, кбар p300 К, 1020 см–3 ρ300 К, Ом·cм ρN, Ом·cм Тс, К dHc2/dT, кЭ/К N(0), 1021 эВ–1·см–3 0,05 0,001 6,00 0,0013 0,00077 1,72 5,05 1,86 0,05 1,35 0,0017 0,00074 1,49 3,7 1,42 0,05 3,1 0,00113 0,00071 1,15 0,05 4,28 0,00107 0,00068 0,05 6,35 0,00104 0,00066 0,05 6,8 0,00102 0,00065 0,3 0,001 4,00 0,00192 0,00154 2,76 12 2,22 0,3 3 0,00168 0,00146 2,81 11,5 2,23 0,3 5 0,00161 0,00132 2,81 11 2,37 0,3 7 0,00156 0,00122 2,56 10 2,32 0,3 9 0,00151 0,00113 2,31 9 2,27 0,45 0,001 2,6 0,00641 0,01094 0,45 1,35 0,00538 0,01055 0,45 3,1 0,00498 0,00938 0,45 4,28 0,00463 0,00796 1,2 0,45 6,35 0,00443 0,00678 1,56 11,3 0,47 0,45 6,8 0,00435 0,00633 1,72 12,4 0,56 Рис. 4. (Онлайн в цвете) Резистивные СП переходы приведен- ного сопротивления ρ(T)/ρN образцов PST:In (x = 0,05) трех составов z = 0,45, 0,3 и 0,05, иллюстрирующие зависимость критической температуры Тс (определенной по уровню 0,5ρN) и ширины перехода от всестороннего сжатия (см. табл. 1). Рис. 5. (Онлайн в цвете) Влияние внешнего магнитного поля на резистивный СП переход образца PST с z = 0,45, x = 0,05 при P = 6,8 кбар. На вставке представлена зависимость Hc2(T) вблизи Тс для определения производной dHc2/dT \|T→Тс (на уровне 0,5ρN, см. табл. 1). 150 Low Temperature Physics/Физика низких температур, 2015, т. 41, № 2 Влияние давления на параметры сверхпроводящего перехода в полупроводниковых твердых растворах PbzSn1–zTe Построенные зависимости Тс(z) и Hc2(z), где z* = = z – 1,6·10-2Р (кбар) для z = 0,05, 0,3 и 0,45 (рис. 1), хорошо согласуются с зависимостями Тс(z) и Hc2(z), установленных ранее [5], что отражает однонаправлен- ные изменения в спектре PST:In при росте P и умень- шении z. На рис. 1 видно, что в нормальном состоянии при низких температурах (T < 20 К) происходит посте- пенное уменьшение ρ и наклона кривых ρ(1/Т) в об- разце PST:In с z = 0,45 и x = 0,05, характеризующее проводимость по полосе гибридизированных зонно- примесных состояний. Следует отметить, что уменьше- ние содержания свинца z в PST:In так же, как и увели- чение давления, сопровождается уменьшением удель- ного сопротивления в области высоких температур Т > 100 К, где наблюдается зависимость 0 ( )Tρ , харак- терная для металлов. Тенденция изменения Тс(Р) для трех составов на двух склонах колоколообразной зависимости согласу- ется с данными об энергетической картине расположе- ния ЕIn относительно краев ВЗ при соответствующих z. Однако следует учесть не только изменение положе- ния EIn(P), но и влияние давления на процессы элек- трон-электронного взаимодействия, приводящие к уси- лению СП в PST, легированных In. Согласно Шелан- кову [13], в модифицированной модели БКШ для систем с переменной валентностью в случае гибриди- зации примесных и зонных состояний появляется до- полнительный член в электрон-электронном взаимо- действии, обусловленный виртуальным энергетичес- ким смещением локализованного примесного уровня. Величина вклада зависит от ширины примесной поло- сы по сравнению с поляронным сдвигом примесного уровня, связанным с деформацией решетки при изме- нении зарядового состояния примесного центра. При малой ширине полосы ЕIn уровень Ферми испытывает скачок и не может проходить через пик плотности со- стояний примесной полосы из-за относительно боль- шого поляронного сдвига. В этом случае дополнитель- ный член в электрон-электронном притяжении отсут- ствует. Под действием давления зарядовое состояние центров может быть изменено из-за смещения атомов In, вызванного деформацией. Так, всестороннее сжатие образца PSTс z = 0,45 приводит к смещению полосы EIn ниже потолка Σ-ВЗ при Р > 4,5 кбар, тем самым увеличивая степень гибридизации зонно-примесных состояний и ширину примесной полосы за счет резо- нансного рассеяния тяжелых дырок с энергиями, близ- кими к EIn на примеси In, что объясняет возрастание Тс с давлением в образцах с z = 0,45 и 0,3 (табл. 1). При больших давлениях (P > 5 кбар в образце с z = 0,3) и малых z уровень Ферми дырок по мере заглубления EIn в Σ-ВЗ выходит из пика плотности состояний примес- ной полосы, степень заполнения дырками 0hk → . В результате резонансное рассеяние зонных дырок осла- бевает, и Тс уменьшается с давлением. Концентрация дырок и низкотемпературная прово- димость с ростом давления возрастают, и уровень Ферми дырок располагается в Σ-ВЗ во всех образцах (в том числе и в PST:In с z = 0,45 при Р > 4,5 кбар). Пере- сечение ЕF с краем Σ-ВЗ, как видно на рис. 2, происхо- дит при p = 3·1020 см–3 при Т = 77 К, что согласуется с данными [5], и определяет концентрационный порог появления СП состояния в PST, легированном In (x = = 0,05), в зависимости от z при атмосферном давлении. Влияние давления на электрические свойства PST:In при z ≤ 0,45 и 0,3 приводит также к расширению об- ласти металлической проводимости как по температу- ре, так и по составу z за счет увеличения перекрытия волновых функций примесных атомов. Заключение Показано, что изменения электрических и СП ха- рактеристик полупроводниковых твердых растворов PST, легированных In, при всестороннем сжатии свя- заны не только со смещением полосы примесных со- стояний In относительно краев легкой и тяжелой ва- лентных зон, но и с изменением суммарной плотности состояний на уровне Ферми дырок вследствие обмена носителями заряда между зонными состояниями и со- стояниями EIn при их относительном смещении. Полу- ченные результаты важны для установления и управле- ния областями СП состояния и прыжковой проводи- мости в PST путем изменения ширины примесной полосы при ее приближении к потолку тяжелой ва- лентной зоны и расположению в ней. Работа выполнена при поддержке грантов Прези- диума РАН и РФФИ 13-02-00556. 1. В.И. Кайданов, Ю.И. Равич, УФН 145, 51 (1985). 2. Б.А. Волков, Л.И. Рябова, Д.Р. Хохлов, УФН 175, 875 (2002). 3. С.А. Немов, Ю.И. Равич, УФН 168, 817 (1998). 4. Г.С. Бушмарина, И.А. Драбкин, В.В. Компанеец, Р.В. Парфеньев, Д.В. Шамшур, М.А. Шахов, ФТТ 28, 1094 (1986) 5. А.В. Березин, С.А. Немов, Р.В. Парфеньев, Д.В. Шам- шур, ФТТ 35, 53 (1993). 6. G.S. Bushmarina, I.A. Drabkin, D.V. Mashovets, R.V. Par- feniev, D.V. Shamshur, and M.A. Shakhov, Physica B (Amsterdam) 169, 687 (1991). 7. R.V. Parfeniev, D.V. Shamshur, M.A. Shakhov, Zb. Chrap- kiewicz, J. Alloys Comp. 219, 313 (1995). 8. Р.В. Парфеньев, Д.В. Шамшур, С.А. Немов, ФТТ 43, 1772 (2001). 9. В.И. Козуб, Р.В. Парфеньев, Д.В. Шамшур, Д.В. Шакура, А.В. Черняев, С.А. Немов, Письма ЖЭТФ 84, 37 (2006). 10. Д.В. Шамшур, Р.В. Парфеньев, А.В. Черняев, С.А. Не- мов, ФТТ 52, 1693 (2010). 11. Б.А. Акимов, Л.И. Рябова, О.Б. Яценко, С.М. Чудинов, ФТП 13, 752 (1979); Б.А. Акимов, В.П. Зломанов, Л.И. Low Temperature Physics/Физика низких температур, 2015, т. 41, № 2 151 Р.В. Парфеньев, В.И. Козуб, Г.О. Андрианов, Д.В. Шамшур, А.В. Черняев, Н.Ю. Михайлин, С.А. Немов Рябова, С.М. Чудинов, О.Б. Яценко, ФТП 13, 1293 (1979). 12. Р.В. Парфеньев, Д.В. Шамшур, С.А. Немов, ФТТ 41, 2132 (1999). 13. М.Л. Шубников, Приборы и техника эксперимента 5, 178 (1981). 14. В.И. Кайданов, С.А. Немов, Ю.И. Равич, ФТП 26, 201 (1992). 15. В.И. Кайданов, С.А. Немов, Р.В. Парфеньев, Д.В. Шам- шур, Письма ЖЭТФ 35, 517 (1982). 16. Г.О. Андрианов, С.А. Немов, Р.В. Парфеньев, Д.В. Шам- шур, А.В. Черняев, ФТТ 52, 1688 (2010). The high-pressure effect on superconducting transition parameters of In-doped PbzSn1–zTe semiconducting solid solutions R.V. Parfeniev, V.I. Kozub, G.O. Andrianov, D.V. Shamshur, A.V. Chernyaev, N.Yu. Mikhailin, and S.A. Nemov The influences of comprehensive compression up to 10 kbar and lead content on superconducting and elec- trical characteristics of semiconducting solid solutions PbzSn1–zTe doped with indium (5 at.%) are studied. Ex- perimental correlations for the pressure dependences under consideration are found out. It is established that at high pressure condition (P = 6.8 kbar) the material with content of lead z = 0.45 displays a threshold in- crease of superconductivity up to Тс = 1.7 K, which is typical of the z = 0.05 compound at normal pressure. An increase of hydrostatic pressure P > 3 kbar in (Pb0.05Sn0.95)0.95In0.05Te leads to a decrease of Тс be- low 1 K. The observed features and the bell-shaped de- pendence Тс(P) for the z = 0.3 compound are explained by the energy shifting of the band of quasilocal states ЕIn and the state stabilized Fermi energy from the L-va- lence band into the Σ-valence one with a high density of states as was most noticeable for the z = 0.45 com- pound. A concentration threshold for the Fermi energy leaving the Σ-valence band with increasing content of lead was determined from the Hall effect data at T = 77 K. PACS: 71.20.Nr Semiconductor compounds; 71.28.+d Narrow-band systems; intermedi- ate-valence solids; 71.30.+h Metal-insulator transitions and oth- er electronic transitions; 71.55.–i Impurity and defect levels; 74.62.Dh Effects of crystal defects, doping and substitution; 74.62.Fj Effects of pressure. Keywords: semiconductor solid solution, hydrostatic pressure, superconductivity, the critical parameters of the superconducting state. 152 Low Temperature Physics/Физика низких температур, 2015, т. 41, № 2 http://ufn.ru/en/pacs/71.20.Nr/ http://ufn.ru/en/pacs/71.28.+d/ http://ufn.ru/en/pacs/71.28.+d/ http://ufn.ru/en/pacs/71.30.+h/ http://ufn.ru/en/pacs/71.30.+h/ http://ufn.ru/en/pacs/71.55.-i/ http://ufn.ru/en/pacs/74.62.Dh/ http://ufn.ru/en/pacs/74.62.Dh/ http://ufn.ru/en/pacs/74.62.Fj/ Введение Образцы и методика измерений Экспериментальные результаты и их обсуждение Заключение

Влияние давления на параметры сверхпроводящего перехода в полупроводниковых твердых растворах PbzSn₁₋zTe, легированных In

Institution

Ähnliche Einträge