Гальваномагнитные свойства тонких пленок висмута, легированного теллуром

Установлено, что, используя метод термического испарения в вакууме кристаллов висмута, легированного теллуром, на подложки из слюды, можно не только реализовать донорное действие теллура в тонкопленочном состоянии, но и осуществить более глубокое легирование висмута, чем в объемном кристалле. Пок...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2009
Автори:	Орлова, Д.С., Рогачева, Е.И.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України 2009
Назва видання:	Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології
Теми:	Galvanomagnetic Properties of Bismuth Thin Films Doped with Tellurium
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/76430
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Гальваномагнитные свойства тонких пленок висмута, легированного теллуром / Д.С. Орлова, Е.И. Рогачева // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2009. — Т. 7, № 2. — С. 487-493. — Бібліогр.: 11 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-76430
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-764302015-10-31T21:05:04Z Гальваномагнитные свойства тонких пленок висмута, легированного теллуром Орлова, Д.С. Рогачева, Е.И. Galvanomagnetic Properties of Bismuth Thin Films Doped with Tellurium Установлено, что, используя метод термического испарения в вакууме кристаллов висмута, легированного теллуром, на подложки из слюды, можно не только реализовать донорное действие теллура в тонкопленочном состоянии, но и осуществить более глубокое легирование висмута, чем в объемном кристалле. Показано, что подвижность носителей заряда (электронов) в пленках уменьшается по сравнению с объемным кристаллом, что естественно связать как с ростом концентрации электронов, так и с увеличением вклада поверхностного рассеяния в тонкопленочном состоянии. На основе анализа магнитополевых зависимостей коэффициента Холла и магнетосопротивления установлено, что для пленок Bi, легированного Te, и для кристаллов Bi с содержанием 0,5 ат.% Te в интервале значений магнитной индукции 0,1—1,0 Тл магнитное поле можно считать слабым. Полученные результаты могут быть использованы при изготовлении низкоразмерных структур на основе висмута с контролируемой концентрацией электронов. Встановлено, що, використовуючи методу термічного випаровування у вакуумі кристалів бисмуту, леґованих телюром, на підложжя з лосняку, можна не тільки реалізувати донорну дію телюру в тонкоплівковому стані, але й здійснити глибше леґування бисмуту, аніж в об’ємному кристалі. Показано, що рухливість носіїв заряду (електронів) у плівках зменшується в порівнянні з об’ємним кристалом, що пов’язане як із зростанням концентрації електронів, так і зі збільшенням внеску поверхневого розсіяння у тонкоплівковому стані. На основі аналізи магнетопольових залежностей Голлового коефіцієнта і магнетоопору встановлено, що для плівок Bi, який леґований Te, і для кристалів Bi із вмістом 0,5 ат.% Te у інтервалі значень магнетної індукції 0,1—1,0 Тл магнетне поле можна вважати слабким. Одержані результати можуть бути використані при виготовленні низькорозмірних структур на основі бисмуту з контрольованою концентрацією електронів. As revealed, using method of thermal evaporation in vacuum for deposition of Bi crystals doped with Te on mica substrates, one can provide donor action of Te in thin-film state and reach deeper alloying of Bi than that in bulk crystal. As shown, the mobility of charge carriers (electrons) in thin films is lower than that for bulk crystals. It may be conditioned by both the growth of electrons’ concentration and the increase of input of surface scattering in the thin-film state. Magnetofield dependences of Hall coefficient and magnetoresistance are analyzed, and conclusion is made that magnetic field in region of 0.1—1.0 T can be considered as weak for thin films of Bi doped with Te and for Bi crystals with 0.5 at.% Te content. These results can be used for fabrication of bismuth-based low-dimensional structures with controlled concentration of electrons. 2009 Article Гальваномагнитные свойства тонких пленок висмута, легированного теллуром / Д.С. Орлова, Е.И. Рогачева // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2009. — Т. 7, № 2. — С. 487-493. — Бібліогр.: 11 назв. — рос. 1816-5230 PACS numbers: 72.20.My,73.43.Qt,73.50.Jt,73.61.At,73.63.Bd,81.07.Bc,81.15.Ef http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/76430 ru Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Galvanomagnetic Properties of Bismuth Thin Films Doped with Tellurium Galvanomagnetic Properties of Bismuth Thin Films Doped with Tellurium
spellingShingle	Galvanomagnetic Properties of Bismuth Thin Films Doped with Tellurium Galvanomagnetic Properties of Bismuth Thin Films Doped with Tellurium Орлова, Д.С. Рогачева, Е.И. Гальваномагнитные свойства тонких пленок висмута, легированного теллуром Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології
description	Установлено, что, используя метод термического испарения в вакууме кристаллов висмута, легированного теллуром, на подложки из слюды, можно не только реализовать донорное действие теллура в тонкопленочном состоянии, но и осуществить более глубокое легирование висмута, чем в объемном кристалле. Показано, что подвижность носителей заряда (электронов) в пленках уменьшается по сравнению с объемным кристаллом, что естественно связать как с ростом концентрации электронов, так и с увеличением вклада поверхностного рассеяния в тонкопленочном состоянии. На основе анализа магнитополевых зависимостей коэффициента Холла и магнетосопротивления установлено, что для пленок Bi, легированного Te, и для кристаллов Bi с содержанием 0,5 ат.% Te в интервале значений магнитной индукции 0,1—1,0 Тл магнитное поле можно считать слабым. Полученные результаты могут быть использованы при изготовлении низкоразмерных структур на основе висмута с контролируемой концентрацией электронов.
format	Article
author	Орлова, Д.С. Рогачева, Е.И.
author_facet	Орлова, Д.С. Рогачева, Е.И.
author_sort	Орлова, Д.С.
title	Гальваномагнитные свойства тонких пленок висмута, легированного теллуром
title_short	Гальваномагнитные свойства тонких пленок висмута, легированного теллуром
title_full	Гальваномагнитные свойства тонких пленок висмута, легированного теллуром
title_fullStr	Гальваномагнитные свойства тонких пленок висмута, легированного теллуром
title_full_unstemmed	Гальваномагнитные свойства тонких пленок висмута, легированного теллуром
title_sort	гальваномагнитные свойства тонких пленок висмута, легированного теллуром
publisher	Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України
publishDate	2009
topic_facet	Galvanomagnetic Properties of Bismuth Thin Films Doped with Tellurium
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/76430
citation_txt	Гальваномагнитные свойства тонких пленок висмута, легированного теллуром / Д.С. Орлова, Е.И. Рогачева // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2009. — Т. 7, № 2. — С. 487-493. — Бібліогр.: 11 назв. — рос.
series	Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології
work_keys_str_mv	AT orlovads galʹvanomagnitnyesvojstvatonkihplenokvismutalegirovannogotellurom AT rogačevaei galʹvanomagnitnyesvojstvatonkihplenokvismutalegirovannogotellurom
first_indexed	2025-07-06T00:51:34Z
last_indexed	2025-07-06T00:51:34Z
_version_	1836856738643443712
fulltext	487 PACS numbers: 72.20.My, 73.43.Qt,73.50.Jt,73.61.At,73.63.Bd,81.07.Bc, 81.15.Ef Гальваномагнитные свойства тонких пленок висмута, легированного теллуром Д. С. Орлова, Е. И. Рогачева Национальный технический университет «Харьковский политехнический институт», ул. Фрунзе, 21, 61002 Харьков, Украина Установлено, что, используя метод термического испарения в вакууме кристаллов висмута, легированного теллуром, на подложки из слюды, можно не только реализовать донорное действие теллура в тонкопленоч- ном состоянии, но и осуществить более глубокое легирование висмута, чем в объемном кристалле. Показано, что подвижность носителей заряда (электронов) в пленках уменьшается по сравнению с объемным кристал- лом, что естественно связать как с ростом концентрации электронов, так и с увеличением вклада поверхностного рассеяния в тонкопленочном со- стоянии. На основе анализа магнитополевых зависимостей коэффициента Холла и магнетосопротивления установлено, что для пленок Bi, легиро- ванного Te, и для кристаллов Bi с содержанием 0,5 ат.% Te в интервале значений магнитной индукции 0,1—1,0 Тл магнитное поле можно считать слабым. Полученные результаты могут быть использованы при изготов- лении низкоразмерных структур на основе висмута с контролируемой концентрацией электронов. Встановлено, що, використовуючи методу термічного випаровування у вакуумі кристалів бисмуту, леґованих телюром, на підложжя з лосняку, можна не тільки реалізувати донорну дію телюру в тонкоплівковому ста- ні, але й здійснити глибше леґування бисмуту, аніж в об’ємному криста- лі. Показано, що рухливість носіїв заряду (електронів) у плівках зменшу- ється в порівнянні з об’ємним кристалом, що пов’язане як із зростанням концентрації електронів, так і зі збільшенням внеску поверхневого розсі- яння у тонкоплівковому стані. На основі аналізи магнетопольових зале- жностей Голлового коефіцієнта і магнетоопору встановлено, що для плі- вок Bi, який леґований Te, і для кристалів Bi із вмістом 0,5 ат.% Te у ін- тервалі значень магнетної індукції 0,1—1,0 Тл магнетне поле можна вва- жати слабким. Одержані результати можуть бути використані при виго- товленні низькорозмірних структур на основі бисмуту з контрольованою концентрацією електронів. Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології Nanosystems, Nanomaterials, Nanotechnologies 2009, т. 7, № 2, сс. 487—493 © 2009 ІМФ (Інститут металофізики ім. Г. В. Курдюмова НАН України) Надруковано в Україні. Фотокопіювання дозволено тільки відповідно до ліцензії 488 Д. С. ОРЛОВА, Е. И. РОГАЧЕВА As revealed, using method of thermal evaporation in vacuum for deposition of Bi crystals doped with Te on mica substrates, one can provide donor action of Te in thin-film state and reach deeper alloying of Bi than that in bulk crys- tal. As shown, the mobility of charge carriers (electrons) in thin films is lower than that for bulk crystals. It may be conditioned by both the growth of electrons’ concentration and the increase of input of surface scattering in the thin-film state. Magnetofield dependences of Hall coefficient and magne- toresistance are analyzed, and conclusion is made that magnetic field in re- gion of 0.1—1.0 T can be considered as weak for thin films of Bi doped with Te and for Bi crystals with 0.5 at.% Te content. These results can be used for fabrication of bismuth-based low-dimensional structures with controlled concentration of electrons. Ключевые слова: висмут, пленка, теллур, коэффициент Холла, магне- тосопротивление, слабое магнитное поле. (Получено 12 ноября 2008 г.) 1. ВВЕДЕНИЕ Полуметалл висмут благодаря своим уникальным электронным свойствам (аномально высокие значения подвижности и средней длины свободного пробега, малая эффективная масса и др.) являет- ся чрезвычайно удобным объектом для наблюдения и исследования квантовых размерных эффектов [1]. Несмотря на чрезвычайно большое количество работ, посвященных изучению структуры и физических свойств кристаллов и тонких пленок висмута, кинети- ческие свойства висмута в тонкопленочном состоянии продолжают изучаться, что стимулируется в настоящее время как интенсивным развитием нанофизики и нанотехнологий, так и предсказанными перспективами повышения термоэлектрической эффективности в низкоразмерных структурах на основе Bi [2]. Одним из важнейших параметров, используемых при оптимиза- ции термоэлектрических свойств материала, является концентра- ция носителей заряда, существенно влияющая на значения таких характеристик как электропроводность, коэффициент Зеебека и те- плопроводность, определяющих термоэлектрическую добротность материала [3]. Основным методом изменения концентрации носите- лей заряда остается на сегодняшний день введение в матрицу (кри- сталл или тонкопленочный объект) электроактивных примесей. Введение примесей в тонкие слои различных материалов наиболее часто (особенно при использовании метода молекулярно-лучевой эпитаксии) осуществляется путем подпыления легирующего компо- нента из отдельного источника и концентрация носителей заряда ре- гулируется при этом изменением температуры этого источника [4]. Теллур принадлежит к числу основных донорных примесей в Bi, ГАЛЬВАНОМАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ТОНКИХ ПЛЕНОК Bi, ЛЕГИРОВАННОГО Te 489 введение которой позволяет управлять концентрацией электронов и, соответственно, гальваномагнитными, термоэлектрическими и дру- гими свойствами [5, 6]. Известно, что введение теллура ≅ 0,5 ат.% в кристалл висмута обеспечивает достижение концентрации носите- лей (электронов) ≅ (5,6±0,3)⋅1019 см −3 [7]. Цель работы – исследовать возможность получения пленок вис- мута, легированных теллуром, методом термического испарения кристаллов висмута, легированных теллуром, и сопоставить кон- центрации и подвижности носителей заряда в массивном и тонкоп- леночном состояниях. Известно, что определение концентрации и подвижности носите- лей заряда следует проводить в слабых магнитных полях, когда си- ла Лоренца незначительно влияет на движение носителей заряда и гальваномагнитные эффекты в однородной среде зависят в основ- ном от доминирующих механизмов рассеяния [8]. В интервале сла- бых магнитных полей коэффициент Холла не зависит от величины магнитной индукции: RH ≅ const, а изменение магнетосопротивле- ния описывается квадратичной зависимостью: Δρ/ρ ∝ B2. В качест- ве критериев слабого и сильного поля обычно используют величину μВ (μ – подвижность носителей заряда, В – индукция магнитного поля): для слабого поля μВ << 1, а для сильного поля μВ >> 1. Ввиду высоких значений подвижности электронов в кристаллах Bi область слабого магнитного поля даже при комнатной темпера- туре ограничена значениями магнитной индукции B ≅ 0,1 Тл [9]. Можно ожидать, что введение примеси Te, а также увеличение вклада поверхностного рассеяния в пленках Bi по сравнению с кри- сталлами Bi, приведет к снижению подвижности носителей заряда и, соответственно, к расширению области слабого магнитного поля. Поскольку для правильной интерпретации результатов гальва- номагнитных измерений необходимо знать границу слабого маг- нитного поля, одной из задач настоящей работы было получение магнитополевых зависимостей кинетических коэффициентов. 2. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА Шихтой для получения тонких пленок служили поликристаллы висмута, содержащие 0,5 ат.% Te, полученные методом прямого сплавления Bi и Te высокой степени чистоты (99,999%) в эвакуиро- ванных до ≅ 10−3 Па кварцевых ампулах, выдержки расплава при температуре ∼ 800 К в течение 6 часов с применением вибрационного перемешивания и последующей закалки из жидкого состояния на воздухе. Пленки толщиной d = 150 нм были получены методом термиче- ского испарения шихты Bi99,5Te0,5 из вольфрамовых лодочек в без- масляном вакууме (10−5—10−6 Па) и последующей конденсации на 490 Д. С. ОРЛОВА, Е. И. РОГАЧЕВА поверхность (111) слюды, находящейся при температуре 380 К. Скорость роста пленки составляла 0,1—0,3 нм/сек. Толщины пле- нок измерялись с помощью предварительно откалиброванного кварцевого резонатора. Измерения коэффициента Холла RH, магнетосопротивления Δρ/ρ и электропроводности σ проводили при комнатной температуре ме- тодом постоянного магнитного поля и постоянного тока через обра- зец в интервале магнитных полей 0,1—1,0 Тл. В качестве контактов использовали серебряную пасту. Магнитное поле направлялось перпендикулярно поверхности пленки. Погрешность измерений RH и σ не превышала ±5%. Холловская подвижность электронов μH оп- ределялась по формуле μH = RHσ. 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ На рисунке 1 представлены магнитополевые зависимости коэффи- циента Холла и магнетосопротивления, полученные для тонкой Рис 1. Зависимости коэффициента Холла RH и магнетосопротивления Δρ/ρ от величины индукции магнитного поля для пленок висмута, легиро- ванного теллуром (а, б, в), и массивного поликристаллаBi99,5Te0,5 (г, д, е). ГАЛЬВАНОМАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ТОНКИХ ПЛЕНОК Bi, ЛЕГИРОВАННОГО Te 491 пленки Bi<Te> и для исходного поликристалла висмута, содержаще- го 0,5 ат.% Te. Из рисунка видно, что RH сохраняет практически по- стоянное значение во всем интервале значений магнитной индукции. Что касается магнетосопротивления, то построение в логарифмиче- ском масштабе зависимости Δρ/ρ(B) показало, что зависимость близ- ка к квадратичной. Наблюдаемый характер зависимости Δρ/ρ(B) и RH(B) показывает, что для пленок и для кристаллов Bi, легированного Te, магнитное поле вплоть до значений В ≈ 1 Тл можно считать слабым. Заметим, что для кристаллов нелегированного висмута граница слабого поля не превышает 0,1—0,15 Тл [9]. Так как расширение области слабого магнитного поля до 1 Тл для висмута, легированного теллуром, происходит и в массивном, и в тонкопленочном состоянии, можно предположить, что именно донорное действие примеси теллура приводит к резкому снижению подвижности основных носителей заряда и расширению области слабого магнитного поля. Измерения коэффициента Холла показали, что полученный кри- сталл висмута, легированный теллуром (Bi99,5Te0,5) обладал элек- тронным типом проводимости. Концентрация носителей заряда в этом кристалле составляла n = (5,6±0,3)⋅1019 см −3, а холловская под- вижность μH = (400±20) см 2⋅В·с−1. Учитывая, что в полуметалле Bi основными носителями заряда являются электроны и дырки, концентрации которых равны (n = p), коэффициент Холла для Bi должен рассчитываться по фор- муле для проводника с двумя сортами носителей: 1 p n H p n R ne μ − μ = μ + μ , (1) где е – заряд электрона; μp и μn – подвижности дырок и электронов соответственно, n – их концентрация. Отрицательный знак RH чистого Bi обычно связывают с тем, что при равной концентрации электронов и дырок подвижность электронов превышает подвиж- ность дырок ≅ в три раза [10]. Однако ситуация изменяется в случае висмута, легированного теллуром. Согласно [11], при содержании Te более ≅ 0,01 ат.% электроны становятся основными носителями заряда в явлениях переноса, оп- ТАБЛИЦА. Кинетические параметры висмута, легированного теллуром. Bi<Te> σ, Ом⋅см−1 RH⋅102, см3⋅Кл−1 μ, см2⋅В⋅с−1 n⋅10−19, см−3 Δρ/ρ объемный кристалл 4200±210 11,7±0,6 490±25 5,6±0,3 0,0234 тонкая пленка 7500±375 1,27±0,06 100±5 48,0±2,9 0,0014 492 Д. С. ОРЛОВА, Е. И. РОГАЧЕВА ределяя знак коэффициента Холла. Это дает основание использо- вать при определении концентрации электронов в полученных кри- сталлах и тонких пленках Bi<Te>, формулу для полупроводника с одним сортом носителей заряда (электронов): 1 HR ne = . (2) Расчет концентрации носителей заряда в кристалле и в тонкой пленке Bi<Te> с использованием формулы (2) показал, что концен- трация электронов в пленке почти на порядок превышает значение n в исходной шихте Bi99,5Te0,5 (табл.). Это свидетельствует о том, что в тонкопленочном состоянии происходит более глубокое легирова- ние висмута теллуром, чем в массивных кристаллах. Это можно связать с изменением условий термодинамического равновесия в тонкопленочном состоянии по сравнению с объемными кристалла- ми ввиду уменьшения одного из размеров системы. Возможно, на- пример, увеличение предельной растворимости Te в тонкопленоч- ном состоянии, увеличение электрической активности примеси (Te), изменение механизмов дефектообразования и т.д. В то же время рассчитанная подвижность носителей заряда (электронов) в пленках уменьшается ≅ в 5 раз по сравнению с объ- емным кристаллом, что естественно связать как с ростом концен- трации электронов, так и с увеличением вклада поверхностного рассеяния. В табл. для сравнения приведены значения концентра- ции и подвижности электронов в кристаллах висмута, легирован- ного теллуром, и полученных из них тонких пленках. 4. ВЫВОДЫ Установлено, что, используя метод термического испарения в ва- кууме кристаллов висмута, легированного теллуром, можно не толь- ко реализовать донорное действие теллура в тонкопленочном состоя- нии, но и осуществить более глубокое легирование висмута, чем в объемном кристалле. Показано, что подвижность носителей заряда (электронов) в пленках уменьшается по сравнению с объемным кристаллом, что естественно связать как с ростом концентрации электронов, так и с увеличением вклада поверхностного рассеяния в тонкопленочном состоянии. На основе анализа магнитополевых зависимостей коэффициента Холла и магнетосопротивления установлено, что для пленок Bi, ле- гированного Te, в интервале значений магнитной индукции 0,1—1,0 Тл магнитное поле можно считать слабым. Полученные результаты могут быть использованы при изготов- лении низкоразмерных структур на основе висмута с контролируе- ГАЛЬВАНОМАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ТОНКИХ ПЛЕНОК Bi, ЛЕГИРОВАННОГО Te 493 мой концентрацией электронов. ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА 1. Л. А. Фальковский, УФН, 94: № 1: 3 (1968). 2. M. S. Dresselhaus et al., Semiconductors and Semimetals: Recent Trends in Thermoelectric Materials Research. III (Ed. T. M. Tritt) (San Diego, CA: Aca- demic Press: 2001), p. 1. 3. Л. И. Анатычук, Термоэлектричество. Термоэлектрические преобразова- тели энергии (Киев—Черновцы: Институт термоэлектричества: 2003), т. 2. 4. G. Springhols, MBE of IV—VI Heterostructures and Superlattices in Lead Chal- cogenides: Physics and Applications (Ed. D. Khakhlov) (New York: Taylor and Francis: 2002), p. 124. 5. Г. А. Иванов, А. Р. Регель, ЖТФ, 25: № 1: 49 (1955). 6. Д. В. Гицу, Г. А. Иванов, ФТТ, 2, № 7: 1464 (1960). 7. Д. С. Орлова, Е. І. Рогачова, Нові технології. Науковий вісник КУЕІТУ, 1, вип. 19: 52 (2008). 8. А. А. Абрикосов, Основы теории металлов (Москва: Наука: 1987). 9. Г. А. Иванов, А. М. Попов, ФТТ, 5, № 5: 1428 (1963). 10. Ю. И. Равич, А. В. Рапопорт, ФТТ, 34, № 6: 1801 (1992). 11. В. Д. Каган, Н. А. Редько, Н. А. Родионов, В. И. Польшин, О. В. Зотова, ФТТ, 46, № 8: 1372 (2004).

Гальваномагнитные свойства тонких пленок висмута, легированного теллуром

Репозитарії

Схожі ресурси