Термоэлектрическая эффективность пленок теллурида свинца при легировании элементами V группы
В пленках PbTe исследованы зависимости холовских концентраций и подвижностей носителей заряда, коэффициентов термо ЭДС и теплопроводности от количества вводимых примесей Bi и Sb. Определены оптимальные условия легирования, при которых достигается высокая термоэлектрическая эффективность....
Збережено в:
| Дата: | 2009 |
|---|---|
| Автори: | , , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Науковий фізико-технологічний центр МОН та НАН України
2009
|
| Онлайн доступ: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/7963 |
| 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: | Термоэлектрическая эффективность пленок теллурида свинца при легировании элементами V группы / Ш.Б. Атакулов, С.М. Отажонов, Р.Т. Расулов, Н. Розиохунова, Х. Илхомхужаева // Физическая инженерия поверхности. — 2009. — Т. 7, № 1-2. — С. 119-122. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-7963 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-79632010-04-23T12:01:40Z Термоэлектрическая эффективность пленок теллурида свинца при легировании элементами V группы Атакулов, Ш.Б. Отажонов, С.М. Расулов, Р.Т. Розиохунова, Н. Илхомхужаева, Х. В пленках PbTe исследованы зависимости холовских концентраций и подвижностей носителей заряда, коэффициентов термо ЭДС и теплопроводности от количества вводимых примесей Bi и Sb. Определены оптимальные условия легирования, при которых достигается высокая термоэлектрическая эффективность. У плівках PbTe досліджені залежності холівських концентрацій та рухливостей носіїв заряду, коефіцієнтів термо-ЕДС і теплопровідності від кількості домішок, що вводяться, Bi і Sb. Визначено оптимальні умови легування, при яких досягається висока термоелектрична ефективність. In PbTe filma charge carriers Hall concentration and mobility, thermo-e.m.f. and thermal conduction coefficients dependence from Bi and Sb additivies guantity was investigated. High thermoelectrical efficiency access optimal doping conditions was founded. 2009 Article Термоэлектрическая эффективность пленок теллурида свинца при легировании элементами V группы / Ш.Б. Атакулов, С.М. Отажонов, Р.Т. Расулов, Н. Розиохунова, Х. Илхомхужаева // Физическая инженерия поверхности. — 2009. — Т. 7, № 1-2. — С. 119-122. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. 1999-8074 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/7963 621.315.592 ru Науковий фізико-технологічний центр МОН та НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| description |
В пленках PbTe исследованы зависимости холовских концентраций и подвижностей носителей заряда, коэффициентов термо ЭДС и теплопроводности от количества вводимых примесей Bi и Sb. Определены оптимальные условия легирования, при которых достигается высокая термоэлектрическая эффективность. |
| format |
Article |
| author |
Атакулов, Ш.Б. Отажонов, С.М. Расулов, Р.Т. Розиохунова, Н. Илхомхужаева, Х. |
| spellingShingle |
Атакулов, Ш.Б. Отажонов, С.М. Расулов, Р.Т. Розиохунова, Н. Илхомхужаева, Х. Термоэлектрическая эффективность пленок теллурида свинца при легировании элементами V группы |
| author_facet |
Атакулов, Ш.Б. Отажонов, С.М. Расулов, Р.Т. Розиохунова, Н. Илхомхужаева, Х. |
| author_sort |
Атакулов, Ш.Б. |
| title |
Термоэлектрическая эффективность пленок теллурида свинца при легировании элементами V группы |
| title_short |
Термоэлектрическая эффективность пленок теллурида свинца при легировании элементами V группы |
| title_full |
Термоэлектрическая эффективность пленок теллурида свинца при легировании элементами V группы |
| title_fullStr |
Термоэлектрическая эффективность пленок теллурида свинца при легировании элементами V группы |
| title_full_unstemmed |
Термоэлектрическая эффективность пленок теллурида свинца при легировании элементами V группы |
| title_sort |
термоэлектрическая эффективность пленок теллурида свинца при легировании элементами v группы |
| publisher |
Науковий фізико-технологічний центр МОН та НАН України |
| publishDate |
2009 |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/7963 |
| citation_txt |
Термоэлектрическая эффективность пленок теллурида свинца при легировании элементами V группы / Ш.Б. Атакулов, С.М. Отажонов, Р.Т. Расулов, Н. Розиохунова, Х. Илхомхужаева // Физическая инженерия поверхности. — 2009. — Т. 7, № 1-2. — С. 119-122. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT atakulovšb termoélektričeskaâéffektivnostʹplenoktelluridasvincaprilegirovaniiélementamivgruppy AT otažonovsm termoélektričeskaâéffektivnostʹplenoktelluridasvincaprilegirovaniiélementamivgruppy AT rasulovrt termoélektričeskaâéffektivnostʹplenoktelluridasvincaprilegirovaniiélementamivgruppy AT roziohunovan termoélektričeskaâéffektivnostʹplenoktelluridasvincaprilegirovaniiélementamivgruppy AT ilhomhužaevah termoélektričeskaâéffektivnostʹplenoktelluridasvincaprilegirovaniiélementamivgruppy |
| first_indexed |
2025-07-02T10:44:05Z |
| last_indexed |
2025-07-02T10:44:05Z |
| _version_ |
1836531629170884608 |
| fulltext |
ФІП ФИП PSE, 2009, т. 7, № 1-2 vol. 7, No. 1-2 119
Интерес к исследованию свойств вакуум-
ных конденсатов PbTe вызван их использо-
ванием в качестве n-ветвей пленочных тер-
мопреобразователей [1 – 3]. Приборная реа-
лизация пленок определяется их термоэлект-
рической эффективностью Z = α2σ/χ (σ –
электропроводность; α и χ – коэффициенты
термо ЭДС и теплопроводности). Наивысшие
значения параметра α2σ присущи пленкам
PbTe на полиимиде, сконденсированным при
температурах подложки Тс ≈ 620 ÷ 640 К [2,
3]. Для состава PbTe <PbI2> величина α2σ до-
стигает 40 ÷ 55 мкВт/К2⋅см (холловская кон-
центрация электронов nH ≈ (1 ÷ 2)⋅1019 см–3),
что по-видимому, является технологическим
пределом для пленок PbTe. Очевидная эффек-
тивность применения пленок в термоэлект-
ричестве стимулирует поиск способов увели-
чения параметра Z в условиях ограничен-
ности значений параметра α2σ. Известно, что
задача сводится к увеличению в пленках от-
ношения µ/χ (µ – подвижность носителей за-
ряда) [4]. Практически это можно реализо-
вать легированием материала пленок такими
примесями, которые, сильно рассеивая фо-
ноны, снижали теплопроводность решетки и
слабо влияли на подвижность носителей
заряда.
Перспективность легирования кристаллов
PbTe висмутом [5] стимулирует исследования
термоэлектрических и теплофизических
свойств пленок, легированных элементами V
группы, в частности, висмутом и сурьмой. На-
ми изучена термоэлектрическая эффектив-
ность слоев PbTe <Bi> и PbTe <Sb>, полу-
ченных термовакуумным испарением меха-
нических смесей PbTe + Bi, PbTe + BiTe, PbTe
+ Bi2Te3, PbTe + Sb, PbTe + SbTe и PbTe +
Sb2Te3. Исходная шихта PbTe содержала от 0,1
до 6 вес.% добавки с элементом V группы:
Максимальное содержание Bi в шихте сос-
тавляло 2,5⋅1021 см–3, а Sb – 4⋅1021 см–3. Пленки
конденсировались на слюду и полиимид по
технологии, подробно описанной в [1 – 3].
Измерения термоэлектрических параметров
и теплопроводности пленок проводилось по
методике [1] и имели точность ∼ 7 – 8%.
Согласно данным [5] Bi в PbTe оказывает
амфотерное действие и при малом содержа-
нии Bi кристаллы имеют р-тип проводимос-
ти, что связано с акцепторной природой иона
Bi–3 в подрешетке теллура [6]. В наших экспе-
риментах все пленки имели устойчивый
n-тип проводимости. Отсутствие заметного
проявления амфотерности, которое приво-
дило бы к р-типу проводимости, вызвано тем,
что минимальное содержание Bi или Sb в
исходной шихте составляло не менее
2⋅1019см–3, соответствующее минимальному
содержанию легирующей добавки 0,1 вес.%.
Зависимости холловской концентрации
электронов в пленках от концентрации ато-
мов Bi и Sb в исходной шихте даны на рис. 1.
В пленках, полученных из шихты состава
PbTe <BiTe>, при концентрации атомов вис-
мута NBi < 2⋅1020 cм3! на каждый выводимый
атом Bi в зоне проводимости появляется один
электрон. При легировании шихты атомар-
ным Bi такая пропорция отсутствует – кон-
центрация электронов меньше концентра-
ции вводимых атомов Bi. (Еще слабее
донорное воздействие висмута в пленках
УДК. 621.315.592
ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПЛЕНОК ТЕЛЛУРИДА
СВИНЦА ПРИ ЛЕГИРОВАНИИ ЭЛЕМЕНТАМИ V ГРУППЫ
Ш.Б. Атакулов, С.М. Отажонов, Р.Т. Расулов,
Н. Розиохунова, Х. Илхомхужаева
Ферганский государственный университет
Узбекистан
Поступила в редакцию 29.04.2009
В пленках PbTe исследованы зависимости холовских концентраций и подвижностей носителей
заряда, коэффициентов термо ЭДС и теплопроводности от количества вводимых примесей Bi
и Sb. Определены оптимальные условия легирования, при которых достигается высокая термо-
электрическая эффективность.
ФІП ФИП PSE, 2009, т. 7, № 1-2 vol. 7, No. 1-2120
ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПЛЕНОК ТЕЛЛУРИДА СВИНЦА ПРИ ЛЕГИРОВАНИИ ЭЛЕМЕНТАМИ V ГРУППЫ
PbTe < Bi2Te3>, что, по-видимому, связано с
компенсирующим воздействием избытка Те
в конденсатах, так как при использованных
нами температурах испарения Bi2Te3 фракци-
онирует на BiTe и Te2 [7]. Пленки PbTe
<Bi2Te3> не показали заметных практических
свойств и данные для них не приведены). Раз-
личия в зависимости nH (NBi) в пленках PbTe
< BiTe> и PbTe <Bi> объясняются тем, что в
последнем случае имеет место самокомпен-
сация за счет отсутствия преимущественного
расположения атомов Bi в подрешетке свинца
и проявления амфотерности. В пленках, леги-
рованных Sb, проследить однозначную кор-
реляцию в зависимости nH (NSb) с сортом вво-
димой примесной добавки не удалось, поэто-
му кривая 3 отражает всю совокупность дан-
ных.
По-видимому, растворимость висмута в
PbTe достаточно низка. Экспериментального
подтверждения существования твердого рас-
твора Pb1-xBixTe при ощутимых значениях x –
нет [7]1 . На это указывают и структурные ис-
следования пленок PbTe<Bi>.
На рис. 2. приведены электронно-микро-
скопические снимки угольных реплик с по-
верхности пленок PbTe <Bi> с различным со-
держанием Bi. При содержании висмута в
шихте ≥ 0,6 вес % (NBi ≥ 2⋅1020 см–2) в конден-
сатах обнаруживаются включения второй
фазы. Включения имеют сферическую форму,
размер и число которых растет по мере уве-
личения содержания Bi в шихте. При испаре-
нии PbTe практически не разлагается на ком-
поненты, т.е. характеризуются тем, что их
энергия диссоциации превышает теплоту суб-
лимации [8], поэтому с большой долей веро-
ятности можно считать, что включения в
PbTe <Bi> являются фазой Bi. Если в конден-
сатах PbTe <BiTe> и выпадает какая-либо вто-
рая фаза, например BiTe, то на угольных
репликах она не индицируется (снимок 5 на
рис. 2).
Свойства пленок PbTe, легированных эле-
ментами V группы, отображены в табл. 1. Для
сравнения там же, приведены данные для
пленок PbTe <PbI2> из [2, 3].
Как видно из табл. 1 в пленках PbTe, леги-
рованных Bi, параметр Z имеет слабую конц-
ентрационную зависимость как в PbTe <Bi>,
так и в PbTe<BiTe>, однако его величина при-
мерно вдвое ниже соответствующего значе-
ния Z в пленках PbTe, легированных йодом.
Наивысшее значение термоэлектрической
Рис. 1. Зависимость холловской концентрации элект-
ронов от концентрации атомов висмута в шихте;
1 – PbTe <Bi>, 2 – PbTe <BiTe>, 3 – PbTe<Sb> .
1В системе PbTe-BiTe известно лишь одно устойчивое
соединение PbBi4Te7 [7].
1
2
3
4
5
6
Рис. 2. Электронномикроскопические угольных
реплик с поверхности пленок PbTe. Содержание Bi,
вес.%: 1 – 0,4; 2 – 0,6; 3 – 0,8; 4 – 1,0; 5 – 2,0; BiTe,
вес, %: 6 – 1,5.
ФІП ФИП PSE, 2009, т. 7, № 1-2 vol. 7, No. 1-2 121
эффективности в пленках PbTe легированных
висмутом, наблюдаются при значительно
более высоких концентрациях электронов,
чем в пленках PbTe <PbI2>. В пленках PbTe
<Sb> Z приближается к значениям термо-
электрической эффективности в PbTe <PbI2>
причем при сравнимых Z концентрация элек-
тронов в обоих типах пленок имеет близкие
значения.
Обращает внимание, приведенное в
табл. 1 снижение теплопроводности пленок
PbTe, легированных Bi и Sb. По-видимому,
флуктуации массы в решетке PbTe, возникаю-
щие при сильном легировании, вносят замет-
ный вклад в рассеяние фононов.
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
В пленках PbTe <BiTe> при NBi ≤ 2⋅1020 см–3
атомы висмута преимущественно распола-
гаются в подрешетке свинца, и каждый атом
Bi поставляет в зону проводимости один
электрон, находясь в зарядовом состоянии
Bi+3 вместо Pb2+. Скорее всего Bi в PbTe об-
разует примесную зону. При Na ≥ 2⋅1020 cм-3
примесная зона проникает в зону проводи-
мости и стабилизирует уровень Ферми и со-
ответственно концентрацию электронов. При
этом может иметь место межзонное или
электрон-электронное рассеяние носителей
заряда, существенно снижающее подвиж-
ность электронов в области сильного леги-
рования.
В пленках PbTe<Bi> дефицит атомов Те
скорее всего компенсируется частичным рас-
положением атомов Bi в подрешетке Те на-
ряду с локализацией Bi в подрешетке Pb. Оди-
наковое по абсолютной величине зарядовое
состояние Bi (Bi+3и Bi-3) вызывает самоком-
пенсацию легирующего действия висмута.
Количество атомов висмута в разных подре-
шетках можно легко оценить из простого
соотношения электронейтральности
[ ] [ ] ||
N
Bi)1(Bi
Bi
H
TePb enx ≈−−× −+
.
Здесь [ ] [ ] ||BiBi TePb e== −+ ; е – заряд элек-
трона; х – доля висмута в подрешетке свинца.
По данным табл. 1 nH/NBi ≈ 0,6, значит
х ≈ 0,8. По-видимому, при содержании Bi в
PbTe более 0,6 вес.% висмут начинает вы-
теснять из решетки и, Pb и Bi и, коалесциру-
ясь, в PbTe<Bi> образует новую фазу, наблю-
Таблица 1
Параметры пленок PbTe, сконденсированных на полимиде (Т = 300 К)
Состав
примеси в
шихте
NSb, NBi⋅10–19,
см–3
nH⋅10–19,
см–3
σ, Ом–1⋅см–3 α⋅106, B/K α2σ⋅106,
Bт/см⋅K2
χ⋅102,
Bт/см⋅K
Z⋅103, K–1
Bi
2,0
6,0
7,0
15
20
1,1
3,8
4,5
8,0
10
650
1100
1900
2500
3200
170
95
90
70
60
18,9
10,0
15,4
12,3
11,5
17
15
14
12
11
1,11
0,71
1,11
1,01
1,01
BiTe
1,7
4,0
6,0
8,0
10,0
20,0
1,7
4,0
6,0
8,0
10,0
20,0
1000
2250
2900
3200
3700
1900
160
100
80
70
60
40
25,6
22,5
18,6
16,0
13,3
3,0
18
17
16
15
14
15
1,4
1,3
1,2
1,1
0,95
0,1
SbTe
2,0
4,0
8,0
40,0
0,15
0,4
1,0
5,0
300
530
2000
1500
270
240
150
100
21,3
28,5
45,0
15,0
18
17
16
15
1,2
1,7
2,8
1,0
PbI2
–
–
–
–
0,7
0,9
1,2
1,3
250
580
1000
990
220
195
220
215
12,0
22,0
49,0
45,6
19
19
19
19
0,63
1,16
2,55
2,4
Ш.Б. АТАКУЛОВ, С.М. ОТАЖОНОВ, Р.Т. РАСУЛОВ, Н. РОЗИОХУНОВА, Х. ИЛХОМХУЖАЕВА
ФІП ФИП PSE, 2009, т. 7, № 1-2 vol. 7, No. 1-2122
даемую на электронно-микроскопических
снимках.
Что касается пленок PbTe <Sb>, то более
слабую зависимость nH(NSb) в сравнении с
nH (NBi) можно объяснить заметной амфотер-
ностью Sb, нежели Bi, связанной, например,
с меньшим ионным радиусом Sb3+, чем Bi3+.
ЛИТЕРАТУРА
1. Гольцман Б.М., Дашевский З.М., Кайда-
нов В.Н., Коломоец Н.В. Пленочные термо-
элементы: физика и применение. – М.: Наука,
1985. – 236 с.
2. Азимов С.А., Атакулов Ш.Б. Кинетические
явления в поликристаллических пленках
халькогенидов свинца и висмута. – Ташкент:
Фан, 1985. – 102 с.
3. Атакулов Ш.Б., Коканбаев И.М. Термические
и радиационно-стимулированные процессы
в поликристаллических пленках халькогени-
дов свинца. – Ташкент: Фан, 1992. – 96 с.
THERMOELECTRICAL EFFICIENCY OF
LEAD TELLURIDE FILMS DOPING V
GROUP ELEMENTS
Sh.B. Atakulov, S.M. Otajonov, R.T. Rasulov,
N. Roziokhunova, Kh. Ilkhomkhujaeva
In PbTe filma charge carriers Hall concentration and
mobility, thermo-e.m.f. and thermal conduction co-
efficients dependence from Bi and Sb additivies
guantity was investigated. High thermoelectrical ef-
ficiency access optimal doping conditions was foun-
ded.
4. Хейванг В., Биркхольц У., Айнцингер Р., Хан-
ке Л., Кемитер К., Шнеллер А. Аморфные и
поликристаллические полупроводники. – М.:
Мир, 1987. – с. 57-59.
5. Голованова Н.С., Зломанов В.П., Тананае-
ва О.Н., Личева Л.Д. Легирование кристаллов
теллурида свинца висмутом в процессе выра-
щивания//Изв. АН СССР. Неорг. материалы.
– 1984. – Т. 20, № 4. – С. 574-577.
6. Бытенский Л.И., Кайданов В.И., Мащен-
ко В.П., Мельник Р.В., Немов С.А. Самоком-
пенсация донорного действия висмута в
теллуриде свинца//ФТП. – 1984. – Т. 18, Вып.
3. – С. 489-492.
7. Гольцман Б.М., Кудинов В.А., Смирнов И.А.
Полупроводниковые термоэлектрические
материалы на основе Bi2Te3. – М.: Наука, 1973.
– 320 с.
8. Абрикосов Н.Х., Шелимова Л.В. Полупро-
водниковые материалы на основе соединений
АIV BVI. – М.: Наука, 1975. – 195 с.
ТЕРМОЕЛЕКТРИЧНА ЕФЕКТИВНІСТЬ
ПЛІВОК ТЕЛУРИДА СВИНЦЮ ПРИ
ЛЕГУВАННІ ЕЛЕМЕНТАМИ V ГРУПИ
Ш.Б. Атакулов, С.М. Отажонов,
Р.Т. Расулов, Н. Розіохунова,
Х. Ілхомхужаєва
У плівках PbTe досліджені залежності холів-
ських концентрацій та рухливостей носіїв заряду,
коефіцієнтів термо-ЕДС і теплопровідності від
кількості домішок, що вводяться, Bi і Sb. Виз-
начено оптимальні умови легування, при яких
досягається висока термоелектрична ефектив-
ність.
ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПЛЕНОК ТЕЛЛУРИДА СВИНЦА ПРИ ЛЕГИРОВАНИИ ЭЛЕМЕНТАМИ V ГРУППЫ
|