Гальваномагнитные явления в пленках висмута, легированного теллуром тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ
|
Матвеев, Даниил Юрьевич
АВТОР
|
||||
|
кандидата физико-математических наук
УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ
|
||||
|
Санкт-Петербург
МЕСТО ЗАЩИТЫ
|
||||
|
2013
ГОД ЗАЩИТЫ
|
|
01.04.07
КОД ВАК РФ
|
||
|
|
||||
На правах рукописи УДК. 538.9
Матвеев Даниил Юрьевич
ГАЛЬВАНОМАГНИТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ В ПЛЕНКАХ ВИСМУТА, ЛЕГИРОВАННОГО ТЕЛЛУРОМ
Специальность: 01.04.07 - физика конденсированного состояния
АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук
18 НОЯ 2013
Санкт-Петербург 2013
005539735
005539735
Работа выполнена на кафедре общей и экспериментальной физики Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Российский государственный педагогический университет имени А.И. Герцена».
Научный руководитель:
кандидат физико-математических наук, доцент Комаров Владимир Алексеевич, доцент кафедры общей и экспериментальной физики Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Российский государственный педагогический университет имени А.И. Герцена».
Официальные оппоненты:
доктор физико-математических наук, профессор Немов Сергей Александрович, профессор кафедры технологии и исследования материалов Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет»;
доктор физико-математических наук, профессор Иванов Константин Георгиевич, зав. кафедрой физики Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет технологии и дизайна».
Ведущая организация — Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук»
Защита состоится «12» декабря в 2013 г. «15» часов на заседании Совета по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук, на соискание ученой степени доктора наук Д 212.199.21 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Российский государственном педагогическом университете имени А.И. Герцена» по адресу: 191186, Санкт-Петербург, наб. реки. Мойки, 48, корпус 3, ауд. 52.
С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Российский государственный педагогический университет имени А.И.Герцена», 191186, Санкт-Петербург, наб. реки. Мойки, 48, корпус 5.
Автореферат разослан «-/У» ноября 2013 г.
Ученый секретарь диссертационного совета кандидат физико-математических наук, доцент
Н.И. Анисимова
Общая характеристика работы
Актуальность работы
С развитием технологии и физики наноструктур представляется перспективным изучение фундаментальных закономерностей изменения свойств вещества при переходе от объемных монокристаллов к низкоразмерным системам и наноструктурам. При варьировании условий получения пленок, их структура может изменяться от неупорядоченного мелкодисперсного состояния до достаточно совершенного крупноблочного кристалла [1]. Использование дополнительных методов позволяет улучшить структуру пленки до монокристалла [2,3]. Отличие физических свойств тонких плёнок от свойств массивного вещества может быть обусловлено проявлением классического и квантового размерных эффектов, вследствие малости толщины плёнки по сравнению с длиной свободного пробега или длиной волны де Бройля носителей заряда [3].
Типичным объектом при исследовании размерных эффектов являются тонкие пленки висмута [4,5]. При исследовании их гальваномагнитных и термоэлектрических свойств выявлены целый ряд особенностей обусловленных малой толщиной пленки и малыми размерами кристаллитов в плоскости пленки. Корректный анализ этих особенностей затруднен вследствие наличия в висмуте нескольких групп носителей заряда. Дополнительной трудностью является анизотропия свойств носителей заряда, различная для различных групп носителей.
Одним из способов преодоления указанных трудностей при исследовании закономерностей изменения свойств при переходе к тонкопленочному состоянию является исследование легированных тонких пленок [6-8]. Процесс легирования позволяет управлять концентрацией носителей заряда, что в ряде случаев позволяет упростить интерпретацию экспериментальных результатов, обеспечивая дополнительные возможности исследования параметров носителей заряда и электронных свойств полуметаллов.
Кроме того, исследование легированных пленок позволяет получить дополнительную информацию о механизмах рассеяния электронов, как на границах кристаллитов, так и на поверхности пленки, обуславливающих проявление классического размерного эффекта в электронных явлениях переноса.
Представленная работа посвящена изучению гальваномагнитных явлений в пленках висмута, легированного теллуром. В отличие от ранее выполненных работ [1,4-8], в которых рассматривались особенности структуры и гальваномагнитных свойств пленок чистого и легированного висмута, в настоящей работе проведено целенаправленное комплексное исследование влияния толщины и донорной примеси теллура на гальваномагнитные свойства пленок висмута.
Наряду с блочными плёнками в работе методом зонной перекристаллизации [3] первые были изготовлены и исследованы монокристаллические плёнки висмута, легированного теллуром. Это позволило
кардинально улучшить кристаллическую структуру пленок, тем самым существенно приблизиться к свойствам объемного монокристалла.
Работа является продолжением проводимых в лаборатории полуметаллов РГПУ им. А.И. Герцена исследований закономерностей физических явлений в низкоразмерных системах на основе висмута [2]. Результаты, полученные в настоящей работе, дополняют систему закономерностей проявления размерных эффектов ограничения подвижности носителей заряда при переходе от массивных монокристаллов к низкоразмерным объектам в виде монокристаллических и блочных пленок висмута, легированного теллуром, различной толщины. Цель работы:
Установление закономерностей изменения гальваномагнитных явлений в пленках висмута, легированного теллуром, изготовленных методом термического испарения в глубоком вакууме, определение влияния размеров (толщины пленки), степени легирования и дефектов структуры на подвижность носителей заряда.
Наряду с блочными пленками висмута, легированного теллуром, исследовать возможность получения монокристаллических пленок висмута, легированного теллуром, используя методы, разработанные для пленок чистого висмута, что позволило бы разделить влияние поверхности пленки и границ кристаллитов на рассеяние носителей заряда в пленках висмута.
Для достижения намеченной цели при выполнении диссертационной работы необходимо решить следующие задачи:
• используя метод вакуумного термического напыления, получить блочные пленки висмута на слюде с содержанием теллура 0,005-0,150 ат.%, в диапазоне толщин 0,11,0 мкм, и однородным распределением теллура по всему объёму пленки;
• методом зонной перекристаллизации изготовить монокристаллические плёнки висмута с содержанием теллура 0,005-0,150 ат.%;
• провести исследования структуры изготовленных плёнок методами атомно-силовой микроскопии (АСМ) и рентгеноструктурного анализа, определить кристаллографическую ориентацию плёнок и выявить основные закономерности влияния примеси теллура на структуру пленок висмута на слюде;
• исследовать гальваномагнитные явления в изготовленных пленках висмута, легированного теллуром, в интервале температур 77-300 К и магнитном поле до 0,65 Тл;
• исследовать влияние толщины и примеси теллура на гальваномагнитные явления в плёнках висмута, легированного теллуром;
• основываясь на результатах исследований гальваномагнитных явлений, проанализировать влияние толщины, структуры, степени легирования на подвижность носителей заряда в пленках висмута, легированного теллуром.
Научная новизна:
1. Установлены причины значительного отличия гальваномагнитных коэффициентов в плёнках висмута с содержанием теллура 0,005-0,075 ат.% от монокристаллов того же состава.
2. Показано, что во всех исследованных пленках концентрация носителей заряда не зависит от толщины.
3. Методом зонной перекристаллизации под покрытием впервые получены и исследованы монокристаллические пленки висмута, что позволило обеспечить возможность разделения вкладов поверхности и дефектов структуры в ограничение подвижностей носителей заряда в монокристаллических и текстурированных плёнках.
Положения, выносимые на защиту:
1. В пленках висмута, легированного теллуром, полученных методом термического напыления в вакууме и подвергнутых отжигу, размеры кристаллитов меньше по сравнению с пленками нелегированного висмута, полученными при аналогичных технологических режимах.
2. Метод зонной перекристаллизации под покрытием позволяет получить монокристаллические (моноблочные) пленки висмута, легированного теллуром, с равномерным распределением теллура по объему пленки.
3. В пленках висмута, легированного теллуром, при возрастании концентрации легирующей примеси уменьшается влияние классического размерного эффекта на гальваномагнитные свойства.
4. В пленках висмута, легированного теллуром, в количестве 0,050 - 0,075 ат.%, при увеличении температуры выше 77 К наблюдается переход от электронной проводимости к электронно-дырочной, при этом определяющими механизмами ограничения подвижности является рассеяние на поверхности и границах кристаллитов, приводящее к практической независимости подвижности носителей зарада от температуры для пленок толщиной менее 100 нм.
Теоретическая значимость работы
Полученные результаты позволяют уточнить особенности влияния легирующих примесей на кристаллические низкоразмерные объекты на основе висмута; исследовать проявления размерных эффектов при изменении, вследствие легирования, концентрации и энергии носителей заряда на уровне Ферми; дополнить систему закономерностей изменения физических свойств при переходе от массивных монокристаллов к низкоразмерным объектам в виде монокристаллических и блочных плёнок висмута различной толщины, легированного теллуром. Практическая значимость работы
Выбор технологических режимов, оптимальных для получения блочных плёнок висмута, легированного теллуром, с совершенной субструктурой блоков, а также изготовление монокристаллических плёнок позволяет приблизиться к свойствам объемного монокристалла. Это может существенно расширить возможность создания первичных тонкоплёночных преобразователей различного назначения, таких как термоэлектрические
преобразователи, измерители магнитного поля, тонкоплёночные болометры, тензодатчики, приемники ИК-излучения и т.д...
Полученные результаты работы могут быть использованы при изготовлении низкоразмерных структур на основе висмута с контролируемой концентрацией электронов.
Диссертационная работа финансировалась министерством образования и науки РФ в рамках реализации аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2011 годы)» (грант № 2.1.1/9206), Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (гос. контракт от 22 марта 2010 г. № 02.740.11.0544), Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы» (соглашение № 14.В37.21.0891) и государственного задания Министерства на оказание услуг (выполнения работ), проект № 2. 7576.2013.) Достоверность и обоснованность результатов и выводов исследования обеспечиваются: использованием разработанных в лаборатории и хорошо апробированных методов выращивания массивных монокристаллов, получения плёнок висмута и сплавов висмут-сурьма, их легирования донорными или акцепторными примесями, методов исследования структуры и свойств массивных монокристаллов и плёнок (АСМ, времяпролетная масс-спектрометрия, рентгеноструктурный анализа, автоматизированный метод исследования по классическому алгоритму комплекса гальваномагнитных явлений), которые, с учетом минимальных погрешностей, позволяют реализовать детальное исследование кристаллической структуры, состава, гальваномагнитных свойств плёнок висмута, легированного теллуром.
Достоверность обеспечивается сравнительным анализом полученных результатов с результатами по исследованию свойств плёнок чистого висмута и монокристаллов висмута, легированного теллуром, использованием современных моделей и представлений в области физики полуметаллов, согласованностью с результатами исследований, опубликованными другими авторами, в той части, где такое сравнение возможно. Апробация работы
Основные научные результаты докладывались на следующих конференциях и семинарах: XI Межвузовской студенческой научной конференции «студент-исследователь-учитель» (Санкт-Петербург, 2009 г.), VI Всероссийской межвузовской конференции молодых учёных (Санкт-Петербург, 2009 г.), XII Межгосударственном семинаре «Термоэлектрики и их применения» (Санкт-Петербург, 2010 г.), XLIX международной студенческой конференции «Студент и научно-технический прогресс» (Новосибирск, 2011г.), II Всероссийской школе-семинаре молодых учёных «Конструкционные наноматериалы» (Москва, 2011г.), XIII Межгосударственном семинаре «Термоэлектрики и их применения» (Санкт-Петербург, 2012г.), I Всероссийском конгрессе молодых учёных (Санкт-Петербург, 2012г.), «Конференции-конкурсе работ молодых физиков России» (Москва, 2012, 2013гг.), Всероссийском научно-практическом семинаре
молодых ученых по тонкопленочным технологиям (Елец, 2012г), II Всероссийской научно-практической конференции «Физические явления в конденсированном состоянии вещества» (Чита, 2013 г) и на научных семинарах лаборатории полуметаллов кафедры общей и экспериментальной физики Российского государственного педагогического университета им. А. И. Герцена.
Личное участие соискателя в получении результатов, изложенных в диссертации, заключается в постановке задач исследования (совместно с соавторами), выборе объектов исследования, изготовлении тонкоплёночных образцов, получении, обработке и интерпретации экспериментальных результатов исследования влияния концентрации примеси теллура на структуру и гальваномагнитные явления, а также влияния механизмов рассеяния на подвижность носителей заряда в пленках висмута, легированного теллуром.
В работах, написанных в соавторстве, постановка задач, определение направлений исследования, а также обсуждение полученных данных осуществлялись совместно.
Публикации: по теме диссертации опубликовано 14 работ, из них 3 работы опубликованы в рецензируемых научных журналах, рекомендованных Высшей аттестационной комиссией. Структура и объем диссертации
Диссертационная работа состоит из Введения, 4 глав, Заключения и списка используемой литературы. Диссертация изложена на 130 страницах машинописного текста сквозной нумерации, включая 49 рисунков, 7 таблиц и 125 наименований библиографии.
Основное содержание работы
Во введении рассмотрены актуальность работы, цель работы, научная новизна, научные положения, выносимые на защиту, теоретическая и практическая значимость полученных результатов.
В первой главе «Анализ литературных источников по теме исследования» представлена информация о кристаллической и зонной структуре висмута, моделях энергетического спектра носителей заряда в висмуте и его сплавах, а также структуре и гальваномагнитных свойствах плёнок висмута. Рассматриваются причины изменения концентрации носителей заряда в плёнках висмута при уменьшении их толщины. Кратко изложена теория гальваномагнитных коэффициентов в плёнках висмута.
В отдельной части литературного обзора приводятся данные работ [6-8], в которых рассматривается влияние толщины и донорной примеси теллура на свойства плёнок висмута.
В отличие от массивных кристаллов висмута, легированного теллуром, в плёнках наблюдается заметное различие в поведении коэффициентов переноса, причины которого до настоящего времени не изучены.
Результатом анализа, проведенного в литературном обзоре, является вывод о том, что в плёнках висмута, легированного теллуром, как и в
кристаллах [2], увеличение концентрации примеси теллура приводит к расширению области слабого поля и к существенному уменьшению подвижности электронов. При этом, существенную разницу между подвижностью электронов в плёнке и кристалле авторы связывают с их рассеянием на поверхности плёнки и границах кристаллитов. В связи с этим возникла необходимость разделения вкладов поверхности и дефектов структуры в ограничение подвижностей носителей заряда в плёнках висмута, легированного теллуром.
На основании анализа литературных источников сформулированы цели и задачи диссертационного исследования.
Во второй главе «Методика получения и исследования свойств плёнок висмута, легированного теллуром» представлено описание экспериментальных методов исследования структуры поверхности, толщины, гальваномагнитных эффектов и легирующего состава плёнок висмута, легированного теллуром.
Изготовление блочных пленок висмута, легированного теллуром, производилось методом дискретного термического испарения в вакууме около 210"3Па на подложку из слюды (мусковит). Использование дискретного метода обусловлено большим различием давления паров висмута и теллура при температуре испарения висмута. Выбор слюды (мусковит), в качестве материала подложки, обусловлен тем фактом, что слюда оказывает ориентирующее действие на кристаллическую структуру напыляемых пленок висмута. В результате, в получаемых пленках ось третьего порядка Сз ориентирована перпендикулярно плоскости подложки, что значительно упрощает анализ и интерпретацию экспериментальных результатов.
С целью улучшения кристаллической структуры осаждение пленок висмута, легированного теллуром, при вакуумном напылении производилось при технологических параметрах, оптимальных для получения пленок чистого висмута [9]. В качестве исходного материала использовался кристалл висмута с соответствующей концентрацией примеси теллура.
Содержание теллура в исходном кристалле контролировалось времяпролётной масс-спектрометрией при помощи масс-анализатора «ЛЮМАС-30» с импульсным тлеющим газовым разрядом низкого давления в комбинированном полом катоде. Пробы для анализа количественного состава были вырезаны из середины исходного кристалла и представляли собой тонкие пластины размером 10><10 мм и толщиной в 1мм, которые укреплялись в качестве дна полого катода в газоразрядной ячейке, где происходила импульсная ионизации атомов образца в плазме тлеющего разряда.
Монокристаллические пленки висмута, легированного теллуром, создавались методом зонной перекристаллизации под покрытием [3]. В качестве защитного покрытия использовался КВг. Защитное покрытие, в основном, служило для предотвращения скатывания расплавленной пленки в капли. Нанесение защитного покрытия производилось методом термического испарением материала покрытия в вакууме 5 10~5 мм. рт. ст. Толщина защитного слоя составляла 1-4 мкм. В процессе исследований было
установлено, что наиболее оптимальным режимом изготовления монокристаллической пленки висмута, легированного теллуром, является использование исходной пленки с мелкоблочной разупорядоченной структурой, поэтому заготовки для зонной перекристаллизации получали при комнатной температуре подложки без отжига.
Толщина полученных плёнок определялась методами многолучевой оптической интерферометрии при помощи микроскопа МИИ-4. Толщина блочных плёнок составляла от 0,1 до 1,0 мкм. В связи со сложностью процесса зонной перекристаллизации, особенно образцов малой толщины, были изготовлены монокристаллические плёнки толщиной 0,8-1,0 мкм. Толщина монокристаллической пленки считалась равной толщине исходной пленки.
Исследование структуры полученных блочных и монокристаллических плёнок проводилось с использованием сканирующего зондового микроскопа Solver компании NT-MDT методом атомно-силовой микроскопии (АСМ) в полуконтактном режиме и методом вращения кристалла на рентгеновском дифрактометре ДРОН-7 по схеме в-2в сканирования в излучении медного анода.
Для проведения измерений гальваномагнитных эффектов в пленках висмута, легированного теллуром, использовалась автоматизированная установка.
Измерения удельного сопротивления, относительного поперечного магнетосопротивления и коэффициента Холла производились в стационарных условиях по классической методике: при фиксированных значениях температуры в интервале 77-300 К, постоянном электрическом токе и магнитном поле до 0,65 Тл. Относительная погрешность при измерении удельного сопротивления составляла около 12 %, постоянной Холла около 14 %, магнетосопротивления около 5 %.
В третьей главе «Результаты исследования структуры и гальваномагнитных свойств пленок висмута, легированного теллуром» представлены результаты экспериментального исследования влияния донорной примеси теллура и размеров тонкоплёночных образцов (толщины пленки) на структуру поверхности и гальваномагнитные явления пленок висмута. Обсуждаются причины поведения температурных зависимостей удельного сопротивления, магнетосопротивления, коэффициента Холла и их изменения в зависимости от концентрации примеси теллура.
Структура плёнок. Рентгеноструктурное исследование структуры блочных и монокристаллических плёнок висмута, легированного теллуром, показало, что все они имеют кристаллографическую ориентацию соответствующую положению плоскости (111) в кристаллитах параллельно плоскости подложки. Наличие треугольной формы фигур роста блочных плёнок, выявленных методом атомно-силовой микроскопии, также указывает на параллельную ориентацию плоскости (111) плёнки относительно подложки. Фигуры роста имеют противоположную ориентацию одной из вершин треугольника, что соответствует противоположным направлениям бинарной оси С2 в соседних кристаллитах.
Установлено, что введение примеси теллура не оказывает существенного влияния на кристаллическую структуру плёнок висмута, но приводит к изменению размеров кристаллитов и фигур роста (рис. 1).
Рис. 1, а. Изменение средних Рис. 1, б. Изменение средних
размеров кристаллитов в плоскости размеров фигур роста в плоскости
подложки в зависимости от подложки в зависимости от
концентрации примеси теллура концентрации примеси теллура
Размеры кристаллитов в плёнках висмута, легированного теллуром, (рис. 1, а) подвергнутых отжигу меньше по сравнению с пленками нелегированного висмута, полученными при тех же технологических параметрах, что, возможно, обусловлено ослаблением рекристаллизации в процессе отжига при добавлении в пленку теллура. Слабое влияние отжига на размеры кристаллитов плёнок висмута, легированного теллуром, указывает на их высокую временную стабильность структуры.
Фигуры роста (рис. 1, б) имеют существенно меньшие размеры по сравнению с пленками чистого висмута и продолжают уменьшаться при увеличении концентрации теллура, что, возможно, обусловлено уменьшением миграционной способности атомов по поверхности за счет присутствия теллура.
Гальваномагнитные явления. Для исследования влияния толщины и примеси теллура на коэффициенты переноса в пленках висмута были измерены удельное сопротивление р, магнетосопротивление Ар/р и коэффициент Холла Я в магнитном поле до 0,65 Тл (рис. 2,3,4). Экспериментально измеряемые гальваномагнитные коэффициенты для пленок висмута при индукции магнитного поля, параллельной нормали к плоскости пленки (В||п), соответствуют компонентам ри, ^12,3, Рп.зз монокристалла висмута. Исследования показали, что удельное сопротивление блочных плёнок висмута увеличивается, а магнетосопротивление уменьшается с уменьшением толщины, особенно при низких температурах. Чем больше концентрация примеси теллура, тем меньше это изменение (рис. 2,3), так как при увеличении концентрации легирующей примеси теллура в висмуте происходит существенное уменьшение подвижности электронов при рассеянии на фононах
10
[6-8], в результате чего размерный эффект проявляется слабее при той же толщине пленок. Для монокристаллических плёнок, в области температур ниже температуры Дебая, для любой степени легирования значение удельного
Массивный кристалл Монокристаллические
—г— 0.050 ат.% Те 0,050ат.%Те 0,150ат.%Те —*— 0,150 ат.% Те -*—0,80 мкм -»-0,80 мкм " ......и —»—го мкм
Елочные 0,050 ат.% Те —■— 0,12 мкм —•—0,26 мкм —0,40 мкм —▼—0,70 мкм 0,150 ат.% Те —а— 0,10 мкм —о— 0,30 мкм —V— 0,60 мкм
Монокристаллические
150 200 Г, К
Блочные 0.050 ат.% Те — ■—0,12 мкм —•—0,26 мкм —'—0,40 мкм —▼—0,70 мкм 0,150 ат.% Те —о—0,10 мкм —°— 0,30 мкм 0,60 мкм
Рис. 2. Температурная зависимость удельного сопротивления блочных и монокристаллических плёнок Bi с содержанием теллура 0,050 и 0,150 ат.% различной толщины
Рис. 3. Зависимость магнетосопротивления от температуры плёнок Bi с содержанием теллура 0,050 и 0,150 ат.% различной толщины
сопротивления ниже, а магнетосопротивления выше, чем в блочных плёнках, что обусловлено более совершенной структурой монокристаллических плёнок по сравнению с блочными [3,10].
Характерная для металлов, близкая к линейной, температурная зависимость удельного сопротивления пленок висмута с содержанием теллура
0,150 ат.% (рис.2), близкие значения коэффициента Холла в массивных монокристаллах, монокристаллических и блочных пленках и независимость его от температуры (рис. 4) указывают на то, что носителями заряда являются только электроны зоны проводимости, концентрация которых одинакова в пленках и монокристаллах и не зависит от температуры в исследованном интервале.
В плёнках висмута с содержанием теллура 0,050 ат.% уменьшение значения удельного сопротивления и абсолютной величины коэффициента Холла
Блочные 0,050 ат.% Те —■—0,12 мкм —•—0,26 мкм —а—0.40 мкм —▼—0,70 мкм 0,150 ат.% Те —о—0,10 мкм —о—0,30 мкм —V—0,60 мкм у/Монокристаллические •»"0,050 ат.% Те 0,150 ат.% Те —*—0,80 мкм —"—0,80 мкм —♦—1,0 мкм
250
300
Рис. 4. Температурная зависимость коэффициента Холла блочных и монокристаллических плёнок Bi с содержанием теллура 0,050 и 0,150 ат.% различной толщины
при повышении температуры выше 110 К указывает на увеличение концентрации носителей заряда вследствие температурного возбуждения электронно-дырочных пар. При этом, температурное возрастание концентрации носителей заряда становится заметным только в тонких пленках при существенном ограничении подвижности носителей заряда вследствие размерного эффекта. Оно незаметно на температурных зависимостях удельного сопротивления монокристаллов и достаточно толстых монокристаллических пленок висмута, легированного теллуром, вследствие существенной температурной зависимости подвижности носителей заряда при рассеянии на фононах, при температурах выше температуры Дебая и ~ Т1.
На основании измеренных коэффициентов переноса рассчитаны концентрации и подвижности носителей заряда, проанализировано влияние структурных характеристик, толщины и степени легирования на ограничение подвижности носителей заряда. Полученные результаты представлены в главе 4.
В четвертой главе «Анализ экспериментальных результатов»
проводится расчёт концентрации носителей заряда в пленках висмута, легированного теллуром, в рамках модели Джонса-Шенберга. Показана эффективность расчёта данной модели для плёнок висмута с содержанием теллура 0,150 ат.% в исследуемом интервале температур и плёнок с меньшим содержанием теллура в области низких температур.
Путем сравнения подвижностей носителей заряда в монокристаллах, монокристаллических и блочных пленках различной толщины определены вклады взаимодействия носителей заряда с фононами, поверхностью, границами и структурными дефектами блоков в пленках висмута, легированного теллуром.
В случае независимости вкладов различных механизмов рассеяния в
ограничение подвижностей носителей заряда фононами ( —), поверхностью
Кь
( —) и дополнительными по отношению к массивному монокристаллу
"ls
дефектами, присутствующими в пленках (например, границами кристаллитов) ), можно использовать правило Матиссена [3]:
1111
— = — + — + — (1) U\ Mlph «ls Mldef
Для монокристаллических плёнок, используя правило Матиссена (1), можно определить не зависящий от температуры вклад классического размерного эффекта в ограничение подвижности носителей заряда. Для плёнок
толщиной 0,8 мкм он составляет: —^ = —---3— ~ 0,25 (м"/В • с) (см. рис. 5):
"ls U\ Mlph 12
(рис. 5).
Для блочных пленок висмута, легированного теллуром, с целью разделения вкладов различных механизмов рассеяния в ограничение
1 /Г
подвижности электронов, приведены зависимости — =
Щ Ч^у
Установлена линейная зависимость обратной подвижности электронов от
обратной толщины — = /(— ] пленок висмута, легированного теллуром, Щ \с1)
(рис. 5). При увеличении донорной примеси теллура подвижность электронов в плёнках висмута уменьшается, аналогично массивным кристаллам [2,7,8].
3,5-, Г= 77 К
3,0 2,5- Блочные ^
X-, 2,0 пленки q ^
5? ■ 1/«, 0,050 ат.% Те
1,5 / о 1/м~0,150 ат.% Те
1,0 0,5 я ^ ^^
Монокристаллические
0,0 пленки
Рис. 5. Зависимость обратного значения подвижности электронов 1 /щ от обратного значения толщины 1/d в блочных плёнках висмута с содержанием теллура 0,050 и 0,150 am. % при 77 К. При 1/d = О приведены значения обратных подвижностей электронов для массивного монокристалла.
2 4 6 1 Id, мкм
Экстраполяция зависимостей — = /[ — ) при температуре 77 К к — —>■ О
г/, ' d
позволяет получить значения подвижности носителей заряда, обусловленные рассеянием на фононах и дополнительных дефектах структуры пленок, т.е.
значения —+ —. Вычитанием из этого значения обратной подвижности
массивного монокристалла висмута данного состава
1
Iph
можно определить
вклад дефектов структуры пленки в ограничения этой подвижности. Из рис. 5 можно заключить, что вклад дефектов структуры пленки в ограничения подвижности электронов не зависит от концентрации примеси теллура и
составляет ——^1(м2/В-с) , что коррелирует с тем, что с теллуром слабо
1,\аи<
изменяется размер кристаллитов для пленок различной концентрации. Этот вывод можно использовать в дальнейшем для анализа результатов пленок других концентраций с учетом рассеяния электронной подсистемы.
Заключение
В ходе проведенных исследований установлено следующее:
1. В блочных пленках висмута, легированного теллуром, обеспечивается высокая временная стабильность структуры, полученные монокристаллические пленки, сохраняют параметры, которые близки к монокристаллам, что может расширить возможности их практического использования.
2. Уменьшение удельного сопротивления и абсолютной величины коэффициента Холла блочных плёнок висмута с содержанием теллура 0,050 ат.% при повышении температуры выше 110 К указывает на увеличение концентрации носителей заряда вследствие температурного возбуждения электронно—дырочных пар.
3. В плёнках висмута, легированного теллуром, для концентраций 0,0500,150 ат.%Те в интервале температур 77-300 К концентрация носителей заряда не зависит от толщины плёнки.
4. В пленках висмута, легированного теллуром, в эффектах переноса при понижении температуры и уменьшении вклада фононного рассеяния классический размерный эффект, действие которого ослабевает при увеличении концентрации примеси теллура, проявляется в ограничении подвижности носителей заряда, возрастающем при уменьшении толщины плёнок.
5. Проведенный в работе расчет концентрации электронов в пленках висмута, легированного теллуром, в рамках модели Джонса-Шенберга хорошо согласуется с экспериментальными данными для плёнок висмута с содержанием теллура 0,050 ат.% в области температур 77-110 К, а также
0.150.ат.% во всем температурном интервале, что свидетельствует о переходе вещества в однозонное состояние.
6. В плёнках висмута с содержанием теллура 0,050-0,150 ат.% вклад дефектов структуры плёнки в ограничение подвижности электронов не зависит от концентрации теллура.
Полученные результаты дополняют систему закономерностей проявления размерных эффектов ограничения подвижности носителей заряда при переходе от массивных монокристаллов к низкоразмерным объектам в виде монокристаллических и блочных пленок висмута, легированного теллуром, различной толщины и могут быть использованы при создании низкоразмерных структур на основе висмута с контролируемой концентрацией электронов.
Список цитируемой литературы:
1. Асеев, A.C. Влияние структурных факторов на магнетосопротивление конденсированных плёнок висмута / A.C. Асеев, БА. Авраменко, А.Г. Равлик, З.И. Колупаева // Вестник ХНУ. - 2012. - № Ю20.-В. 17,- С. 36-41.
2. Иванов, Г.А. Физические свойства кристаллов типа висмута / Г.А. Иванов, В.М. Грабов//ФТП,- 1995.-Т. 29,-№5.-С. 1040-1050.
3. Грабов, В.М. Явления переноса в монокристаллических пленках висмута / В.М. Грабов, В.А. Комаров, Е.В. Демидов, М.М. Климантов // Известия РГПУ им. А.И. Герцена. Научный журнал. - СПб. - 2010. - №122. - С. 22-31.
4. Rogacheva, E.I. Semimetal-semiconductor transition in thin Bi films / E.I. Rogacheva, S.G. Lyubchenko, M.S. Dresselhaus // Thin Solid Films. - 2008. -V. 516.-№ 10.-P. 3441-3415.
5. Cho, S. Large magnetoresistance in postannealed Bi thin films / S. Cho, Y. Kim, A.J. Freeman, G.K.L. Wong, J.B. Ketterson, L.J. Olafsen, I. Vurgaftman, J.R. Meyer and C.A. Hoffman // Applied Physics Letters. - 2001. - 79. -№ 22. -P. 3651-3653.
6. Орлова, Д.С, Гальваномагнитные свойства тонких пленок висмута, легированного теллуром / Д.С. Орлова, Е.И. Рогачёва // 1МФ, наносистемы, наноматериалы, нанотехнологии. - Харьков. - 2009. - т. 7. - №2. -С. 487-493.
7. Schnelle, W. Electrical and galvanomagnetic properties of undoped and doped polycrystalline bismuth films. I. Preparation and experimental characterization / W. Schnelle, U. Dillner//Phys. Stat. Sol. A.- 1989. - V.115.-№2.-P. 505-513.
8. Heremans, J. Properties of tellurium-doped epitaxial bismuth films / J. Heremans,
D. T. Morelli, D. L. Partin, С. H. Oik, С. M. Thrush, and T. A. Perry // Phys.Rev.B. -1988. — V 38. -№15. - P. 10280-10284.
9. Грабов, В.М. Оптимизация режимов термического осаждения в вакууме плёнок висмута при контроле их дефектности методом атомно-силовой микроскопии / В.М. Грабов, Е.В. Демидов, В.А. Комаров // ФТТ. - 2010. - Т. 52. -№ 6. - С. 1219-1222.
10.Yang, F.Y. Large magnetoresistance and finite-size effects in electrodeposited single-crystal Bi thin films / F.Y. Yang, Kai Liu, C.L. Chien, and P.C. Searson // Physical Review Letters. - 1999. - V. 82. - № 16. - P. 3328-3331.
Основное содержание и результаты диссертации отражены в следующих публикациях:
['] Матвеев, Д.Ю. Особенности структуры плёнок висмута, полученных методом термического испарения в вакууме / Д.Ю Матвеев, В.М. Грабов,
E.В. Демидов, В.А. Комаров, М.М. Климантов, С.В. Слепнев, Е.В. Усынин, Е.Е. Христич, Е.В. Константинов // Известия РГПУ им. А.И. Герцена. Естественные и точные науки: Научный журнал. - 2009. - № 95. - С. 105 -120. (1 п.л./0,3п.л.).
[г] Матвеев, Д.Ю. Явления переноса в тонких пленках висмута, легированного теллуром / Д.Ю. Матвеев, В.А. Комаров, И.И. Худякова, А.Н. Крушельницкий // Известия РГПУ им. А.И. Герцена. Естественные и точные науки: Научный журнал.-2012. — № 147. — С. 50-63. (0,88 п.л./0,5 п.л.).
[3] Матвеев, Д.Ю. Гальваномагнитные свойства тонких плёнок висмута, легированного теллуром, полученных методом термического испарения в вакууме / Д.Ю. Матвеев, В.А. Комаров, Е.В. Демидов, А.Н. Крушельницкий // Научно-технический вестник информационных
технологий, механики и оптики. - 2013. - № 1 (83). - С. 113-118. (0,38 п.л./0,25 п.л.).
[4] Матвеев, Д.Ю. Электрические свойства плёнок висмута, легированного теллуром / Д.Ю. Матвеев, Е.Е. Христич // Физический вестник. Сборник научных статей. - 2009. - Вып. 3. - С. 25-29.(0,31 пл./0,2 пл.).
[5] Матвеев, Д.Ю. Электрические свойства плёнок висмута и висмута легированного теллуром / Д.Ю. Матвеев, Е.Е. Христич // Сборник трудов VI Всероссийской конференции молодых учёных. - СПб.: Изд. СПбГУ ИТМО. -2009. - Вып. 3. - С. 75-81. (0,44 п.л./0,35 пл.).
[6] Матвеев, Д.Ю. Структура и явления переноса в пленках висмута, легированных донорными и акцепторными примесями / Д.Ю. Матвеев, В.А. Комаров, C.B. Слепнев, A.B. Басов, Е.В. Константинов // Термоэлектрики и их применения. Доклады XII Межгосударственного семинара. - СПб.: Изд. ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН. - 2010. - С. 350-356. (0,38 п.л./0,2 пл.).
[7] Матвеев, Д.Ю. Структура и явления переноса в тонких плёнках висмута, легированного теллуром / Д.Ю. Матвеев, Е.В. Константинов // Материалы XLIX международной студенческой конференции «Студент и научно-технический прогресс». - Новосибирск: Новосиб. гос. ун-т. — 2011. — С. 226. (0,06 п.л./0,04 пл.).
[8] Матвеев, Д.Ю. Исследование явлений переноса в тонких плёнках висмута, легированного теллуром / Д.Ю. Матвеев // Сборник трудов II Всероссийской школы-семинара студентов, аспирантов и молодых ученых. - М.: Изд. НИТУ «МИСИС». - 2011. - С. 55. (0,06 п.л./0,06 пл.).
[9] Матвеев, Д.Ю. Особенности структуры и явления переноса в тонких плёнках висмута, легированного теллуром / Д.Ю. Матвеев, А.Н. Крушельницкий // Сборник трудов конференции-конкурса молодых физиков. -М: Изд. МФО. - 2012. - Т. 18. -№ 1. - П. 48. (0,06 п.л./0,04 пл.).
[10] Матвеев, Д.Ю. Исследование явлений переноса в плёнках висмута, легированного теллуром / Д.Ю. Матвеев // Сборник трудов конференции-конкурса молодых физиков. - М: Изд. МФО. - 2012. - Т. 18. - № 4. - П. 19. (0,06 п.л./0,06 пл.).
[и] Матвеев, Д.Ю. Влияние донорной примеси теллура на структуру и гальваномагнитные свойства тонких плёнок висмута / Д.Ю. Матвеев, А.Н. Крушельницкий // Сборник докладов I Всероссийского конгресса молодых учёных. - СПб.: Изд. НИУ ИТМО. - 2012. - Вып. 2. - С. 175-176. (0,13 п.л./0,1 пл.).
[12] Матвеев, Д.Ю. Размерный эффект в гальваномагнитных явлениях в плёнках висмута, легированного теллуром / Д.Ю. Матвеев // Сборник материалов Всероссийского научно-практического семинара по тонкопленочным технологиям. - Елец: Изд. ЕГУ им. И.А. Бунина. -2012. - С. 75-79. (0,31 п.л./0,31 пл.).
[13] Матвеев, Д.Ю. Структура и явления переноса в плёнках висмута, легированного теллуром / Д.Ю. Матвеев, В.А. Комаров, A.C. Парахин, А.Н. Крушельницкий // Термоэлектрики и их применения. Доклады XIII
Межгосударственного семинара. - СПб.: Изд. ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН. -2013. - С. 358-363. (0,38 п.л./ 0,25 пл.).
[14] Матвеев, Д.Ю. Явления переноса в монокристаллических и поликристаллических плёнках висмута, легированного теллуром / Д.Ю. Матвеев, В.А. Комаров // Доклады II Всероссийской научно-практической конференции «Физические явления в конденсированном состоянии вещества». -Чита: Изд. Заб. госуниверситета. - 2013. - С. 26-34. (0,56 п.л./0,4 пл.).
Подписано в печать 08.11.2013 г. Формат 60x84/16 Бумага офсетная. Печать офсетная. Уся. печ. л. 1,3. Тираж 100 экз. Заказ №186945
Типография «Восстания - 1» 191036, Санкт-Петербург, Восстания, 1.
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Российский государственный педагогический университет им. А.И. Герцена»
На правах рукописи
04201455866
Матвеев Даниил Юрьевич
«Гальваномагнитные явления в пленках висмута, легированного
теллуром»
Специальность: 01.04.07 - физика конденсированного состояния
Диссертация на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук
Научный руководитель кандидат физико-математических наук,
доцент В.А. Комаров
Санкт-Петербург 2013
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение...........................................................................................................................4
Глава 1. Анализ литературных источников по теме исследования.........................11
§1.1. Структура кристаллов типа висмута..............................................................11
§ 1.2. Зонная структура висмута в окрестности энергии Ферми при
низких температурах..................................................................................................15
1.2.1. Закон дисперсии носителей заряда в точках Г- зоны Бри.пюэна...........20
1.2.2. Закон дисперсии носителей заряда в точке Т- зоны Бриллюэна.............23
§ 1.3. Структура и гальваномагнитные свойства плёнок висмута........................24
§ 1.4. Особенности плёнок и нанонроволок висмута,
легированного теллуром............................................................................................33
§ 1.5. Теория гальваномагнитных явлений в плёнках висмута.............................37
1.5.1. Феноменологическая теория гальваномагнитных явлений
в плёнках висмута...................................................................................................37
1.5.2. Электронная теория гальваномагнитных явлений
в плёнках висмута...................................................................................................41
Выводы к главе 1........................................................................................................44
Глава 2. Методика получения и исследования свойств плёнок
висмута, легированного теллуром...............................................................................46
§ 2.1. Методика приготовления висмута, легированного теллуром.....................46
§ 2.2. Методы получения блочных и монокристаллических плёнок
висмута, легированного теллуром............................................................................47
2.2.1. Метод термического испарения в вакууме................................................47
2.2.2. Метод зонной перекристаллизации под покрытием................................50
§ 2.3. Методика исследования гальваномагнитных явлений
в плёнках висмута, легированного теллуром..........................................................53
§ 2.4. Методика исследования структуры плёнок висмута,
легированного теллуром............................................................................................57
2.4.1. Метод атомно-силовой микроскопии........................................................57
2.4.2. Метод рентгеноструктурного анализа.....................................................59
§ 2.5. Метод времяпролетной масс-спектрометрии................................................61
Выводы к главе 2........................................................................................................64
Глава 3. Результаты исследования структуры и гальваномагнитных
свойств плёнок висмута, легированного теллуром...................................................65
§ 3.1. Структура поверхности плёнок висмута,
легированного теллуром............................................................................................65
§ 3.2. Гальваномагнитные свойства плёнок висмута,
легированного теллуром............................................................................................75
3.2.1. Удельное сопротивление..............................................................................75
3.2.2. Магнетосопротивленые...............................................................................82
3.2.3. Коэффициент Холла.....................................................................................87
§ 3.3. Влияние магнитного поля на гальваномагнитные коэффициенты
плёнок висмута, легированного теллуром...............................................................93
Выводы к главе 3........................................................................................................96
Глава 4. Анализ экспериментальных результатов.....................................................97
§ 4.1. Расчёт концентрации носителей заряда в плёнках висмута,
легированного теллуром, в приближении модели Джонса-Шенберга.................97
§ 4.2. Механизмы рассеяния носителей заряда в плёнках висмута,
легированного теллуром..........................................................................................104
Выводы к главе 4......................................................................................................113
Заключение...................................................................................................................114
Основные результаты и выводы работы................................................................114
Список литературы.....................................................................................................117
Благодарности...........................................................................................................130
Введение
Актуальность работы. С развитием технологии и физики наноструктур представляется перспективным изучение фундаментальных закономерностей изменения свойств вещества при переходе от объемных монокристаллов к низкоразмерным системам и наноструктурам. При варьировании условий получения пленок, их структура может изменяться от неупорядоченного мелкодисперсного состояния до достаточно совершенного крупноблочного кристалла [1-4]. Использование дополнительных методов позволяет улучшить структуру пленки до монокристалла [5]. Отличие физических свойств тонких плёнок от свойств массивного вещества может быть обусловлено проявлением классического и квантового размерных эффектов вследствие малости толщины плёнки по сравнению с длиной свободного пробега или длиной волны де Бройля носителей заряда [2,6].
Вот уже на протяжении многих лет висмут, относящийся к классу полуметаллов, привлекает широкий круг исследователей вследствие своих уникальных свойств [7-9]. В сравнении с типичными металлами электроны в висмуте имеют низкую концентрацию 10"' м" ) и малую энергию Ферми 25 мэВ) [10]. Вследствие небольшого фермиевского импульса вероятность фононного рассеяния носителей заряда при низких температурах мала и, соответственно, электроны в совершенных монокристаллах висмута имеют чрезвычайно большую длину свободного пробега (~103мкм при 4,2 К). Эти особые свойства монокристаллического висмута приводят к тому, что размерные эффекты как классические, так и квантовые, проявляются при значительно больших размерах, чем в металлах. Эта особенность висмута обуславливает то, что он уже более полувека используется как модельный материал при исследовании размерных эффектов. Типичным объектом при исследовании размерных эффектов являются тонкие пленки висмута [2,11]. При исследовании их гальваномагнитных и термоэлектрических свойств выявлен целый ряд
особенностей, обусловленных малой толщиной пленки и малыми размерами кристаллитов в плоскости пленки. Корректный анализ этих особенностей затруднен вследствие наличия в висмуте нескольких групп носителей заряда. Дополнительной трудностью является анизотропия свойств носителей заряда, различная для различных групп носителей.
Одним из способов преодоления указанных трудностей при исследовании закономерностей изменения свойств при переходе к тонкопленочному состоянию является исследование легированных тонких пленок. Процесс легирования позволяет управлять концентрацией носителей заряда, что в ряде случаев позволяет упростить интерпретацию экспериментальных результатов, обеспечивая дополнительные возможности исследования параметров носителей заряда и электронных свойств полуметаллов.
Кроме того, исследование легированных пленок позволяет получить дополнительную информацию о механизмах рассеяния электронов, как на границах кристаллитов, так и на поверхности пленки, обуславливающих проявление классического размерного эффекта в электронных явлениях переноса.
В связи с этим настоящая работа посвящена изучению закономерностей изменения гальваномагнитных явлений в пленках висмута, легированного донорными примесями. В качестве легирующей примеси использовался теллур. Указанная примесь широко использовалась при исследовании объемных кристаллов В1, [7-9]. Работа выполнена в лаборатории полуметаллов отдела физики конденсированного состояния РГПУ им. А.И. Герцена, в которой изучение структуры и физических свойств полуметаллов ведется уже несколько десятков лет. За это время накоплен богатый опыт по исследованию гальваномагнитных и термоэлектрических свойств монокристаллов висмута, чистого и легированного [12,13].
Наряду с исследованиями массивных кристаллов в лаборатории полуметаллов накоплен большой опыт исследования тонких пленок полуметаллов.
Необходимо отметить, что к настоящему времени подавляющее большинство исследований было посвящено поиску оптимальных режимов получения пленок висмута, обеспечивающих высокую степень совершенства структуры, и изучению влияния структуры на физические свойства пленок висмута. Работы же по исследованию влияния легирования на структуру и гальваномагнитные явления в тонких плёнках висмута единичны и не систематизированы [14-19]. Например, Орловой и Рогачёвой в результате исследований тонких плёнок висмута, легированного теллуром, показано, что используя метод термического испарения в вакууме кристаллов висмута, легированного теллуром, можно осуществить более глубокое легирование висмута в плёночном состоянии по сравнению с массивом [14]. Хереманс [ 1 5] и Дилнер [16-18] отмечают, что увеличение концентрации примеси теллура приводит к расширению области слабого ноля и к существенному уменьшению подвижности электронов.
Целью работы является установление закономерностей изменения гальваномагнитных явлений в пленках висмута, легированного теллуром, изготовленных методом термического испарения в глубоком вакууме, определение влияния размеров (толщины пленки), степени легирования и дефектов структуры на подвижность носителей заряда.
Наряду с блочными пленками висмута, легированного теллуром, исследовать возможность получения монокристаллических пленок висмута, легированного теллуром, используя методы, разработанные для пленок чистого висмута, что позволило бы разделить влияние поверхности пленки и границ кристаллитов на рассеяние носителей заряда в пленках висмута.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
1. Используя метод вакуумного термического напыления, получить блочные пленки
висмута на слюде с содержанием теллура 0,005-0,150 ат.%, в диапазоне толщин 0,1 -
/
1,0 мкм, и однородным распределением теллура по всему объёму пленки.
2. Методом зонной перекристаллизации изготовить монокристаллические плёнки висмута с содержанием теллура 0,005-0,150 ат.%.
3. Провести исследования структуры изготовленных плёнок методами атомно-силовой микроскопии (АСМ) и рентгеноструктурного анализа; определить кристаллографическую ориентацию плёнок и выявить основные закономерности влияния примеси теллура на структуру пленок висмута на слюде.
4. Исследовать гальваномагнитные явления в изготовленных пленках висмута, легированного теллуром, в интервале температур 77-300 К и магнитном поле до 0,65 Тл.
5. Исследовать влияние толщины и примеси теллура на гальваномагнитные явления в плёнках висмута, легированного теллуром.
6. Основываясь на результатах исследований гальваномагнитных явлений, проанализировать влияние толщины, структуры, степени легирования на подвижность носителей заряда в пленках висмута, легированного теллуром.
Работа, посвященная решению этих задач, содержит 4 главы.
Научная новизна. В отличие от ранее выполненных работ, посвященных исследованию структуры и гальваномагнитных явлений в пленках висмута, легированного теллуром [14-19], в настоящей работе проведено целенаправленное комплексное исследование влияния толщины и донорной примеси теллура на структуру поверхности и гальваномагнитные свойства плёнок висмута с применением современных методов исследования. Установлены причины значительного отличия гальваномагнитных коэффициентов в плёнках висмута с содержанием теллура 0,005-0,075 ат.% от монокристаллов того же состава. Показано, что в исследованных пленках концентрация носителей заряда не зависит от толщины. Методом зонной перекристаллизации иод покрытием впервые получены и исследованы монокристаллические пленки висмута, что позволило обеспечить возможность разделения вкладов поверхности и дефектов структуры в ограничение подвижностей носителей заряда в монокристаллических и текстурированных плёнках.
Теоретическая значимость работы
Полученные результаты позволяют уточнить особенности влияния легирующих примесей на кристаллические низкоразмерные объекты на основе висмута; исследовать проявления размерных эффектов при изменении, вследствие легирования, концентрации и энергии носителей заряда на уровне Ферми; дополнить систему закономерностей изменения физических свойств при переходе от массивных монокристаллов к низкоразмерным объектам в виде монокристаллических и блочных плёнок висмута, легированного теллуром, различной толщины.
Практическая значимость работы
Выбор технологических режимов, оптимальных для получения блочных плёнок висмута, легированного теллуром, с совершенной субструктурой блоков, а также изготовление монокристаллических плёнок позволяет приблизиться к свойствам объемного монокристалла. Это может существенно расширить возможность создания первичных тонкоплёночных преобразователей различного назначения, таких как термоэлектрические преобразователи, измерители магнитного поля, тонкоплёночные болометры, тензодатчики, приемники ИК-излучения и т.д... [20,21].
Полученные результаты работы могут быть использованы при изготовлении низкоразмерных структур на основе висмута с заданной концентрацией электронов.
Связь темы с планом научных работ
Диссертационная работа является частью научных исследований научно-исследовательской лаборатории полуметаллов НИИ физики РГПУ им. А.И. Герцена и выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках реализации аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (20092011 годы)» (грант № 2.1.1/9206), Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (гос. контракт от 22 марта 2010 г. № 02.740.11.0544), Федеральной целевой программы «Научные и научно-
педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы» (соглашение № 14.В37.21.0891) и государственного задания Министерства на оказание услуг (выполнения работ), проект № 2.7576.2013.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. В пленках висмута, легированного теллуром, полученных методом термического напыления в вакууме и подвергнутых отжигу, размеры кристаллитов меньше по сравнению с пленками нелегированного висмута, полученными при аналогичных технологических режимах.
2. Метод зонной перекристаллизации под покрытием позволяет получить монокристаллические (моноблочные) пленки висмута, легированного теллуром, с равномерным распределением теллура по объему пленки.
3. В пленках висмута, легированного теллуром, при возрастании концентрации легирующей примеси уменьшается влияние классического размерного эффекта на гальваномагнитные свойства.
4. В пленках висмута, легированного теллуром, в количестве 0,050 - 0,075 ат.%, при увеличении температуры выше 77 К наблюдается переход от электронной проводимости к электронно-дырочной, при этом определяющими механизмами ограничения подвижности является рассеяние на поверхности и границах кристаллитов, приводящее к практической независимости подвижности носителей заряда от температуры для пленок толщиной менее 100 нм.
Достоверность и обоснованность результатов диссертационной работы, а также их выводов обеспечивается: использованием разработанных в лаборатории и хорошо апробированных методов выращивания массивных монокристаллов, получения плёнок висмута и сплавов висмут-сурьма, их легирования донорными или акцепторными примесями, методов исследования структуры и свойств массивных монокристаллов и плёнок (АСМ, времяпролетная масс-спектрометрия, рентгеноструктурный анализ, автоматизированный метод исследования по классическому алгоритму комплекса гальваномагнитных явлений), которые, с учетом минимальных погрешностей, позволяют реализовать
детальное исследование кристаллической структуры, состава, гальваномагнитных свойств плёнок висмута, легированного теллуром.
Достоверность обеспечивается сравнительным анализом полученных результатов с результатами по исследованию свойств плёнок чистого висмута и монокристаллов висмута, легированного теллуром, использованием современных моделей и представлений в области физики полуметаллов, согласованностью с результатами исследований, опубликованными другими авторами, в той части, где такое сравнение возможно.
Апробация работы. Основные научные результаты, изложенные в диссертационной работе, докладывались на следующих конференциях и семинарах: XI Межвузовской студенческой научной конференции «студент-исследователь-учитель» (Санкт-Петербург, 2009 г.), VI
