Электронные явления в экструдированных образцах твердого раствора Bi85Sb15 и его переходных контактах с эвтектическими сплавами тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

ИНСТИТУТ ФИЗИКИ им. академика Г.М.АБДУЛЛАЕВА _АН АЗЕРБАЙДЖАНСКОЙ РЕСПУБЛИКИ_

РГб од

На правах рукописи

^ - лег 19ЧВ

САМЕДОВ ФАРХАД СОХРАБ оглы

УДК 621.315.592

ЭЛЕКТРОННЫЕ ЯВЛЕНИЯ В ЭКСТРУДИРОВАННЫХ ОБРАЗЦАХ ТВЕРДОГО РАСТВОРА В^Ь» И ЕГО ПЕРЕХОДНЫХ КОНТАКТАХ С ЭВТЕКТИЧЕСКИМИ СПЛАВАМИ

01.04.07 - Физика твердого тела

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

БАКУ - 1998

Работа выполнена в Институте Фотоэлектроники АН Азербайджанской Республики.

Научный руководитель:

доктор физико-математических

наук, профессор АБДИНОВ Д.Ш.

Официальные оппоненты: Доктор физико-математических

наук, профессор ИСКЕНДЕР-ЗАДЕ З.А.

Доктор физико-математических

наук, профессор ПАНАХОВ М.М.

Ведущая организация: Азербайджанское Национальное Аэрокосмическое

Агентство

Зашита состоится «» СёМТ&2рЗ 1998 г. в « -<%> часов на заседании разового Специализированного Совета по присуждению ученой степени кандидата физико-математических наук при Институте физики Академии Наук Азербайджанской Республики по адресу:

370143, Баку, пр. Г.Джавида, 33.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Института физики АН Азербайджанской Республики.

Автореферат разослан «/£>» 1998 г.

Ученый секретарь

разового Специализированного

Совета

д.ф.-м.н.,профессор />. ^"МЕХТИЕВА С.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Аиггуальность темы. Твердые растворы систем В1 - вЬ применяются для создания низкотемпературных термо - и магнитотермоэлектрических, а также фотоэлектрических преобразователей и являются перспективными материалами в этом направлении. Существенным недостатком монокристаллов систем В1 - 8Ь , обладающих самыми высокими параметрами для электронных преобразователей, является их механическая хрупкость. Исследования последних лет показывают, что этот недостаток можно в значительной мере устранить применением экструдировапных образцов твердых растворов систем В^Ь.

Эффективность термо- и фотоэлектрических преобразователей, кроме фундаментальных параметров полупроводникового материала, определяется также и физическими свойствами переходных контактов указанных преобразователей. Так как электронные преобразователи на основе систем В1 - БЬ особенно эффективны при низких температурах и магнитных полях, выявление закономерностей зависимости электрических свойств переходных контактов твердого раствора систем В» - БЬ с контактными сплавами от температуры и напряженности магнитного поля особенно важно.

Настоящая работа посвящена получению экструдировапных образцов твердого раствора В|'858Ь15 , структур твердый раствор В^вЬи - контактный сплав, выявление закономерностей зависимости термоэлектрических и гальваномагнитных свойств кристаллов и электрических свойств переходных контактов от структурных дефектов, возникающих при экструзии, концентрации акцепторных ( РЬ ) и донорных ( Те ) примесей и напряженности магнитного поля, в различных направлениях относительно оси экструзии в интервале температур от 77 до 300 К.

Целью диссертационной работы является установление закономерностей и механизмов электронных явлений и действия примесей в экструдировапных образцах твердого раствора В^Ь^ с различными структурными дефектами в параллельном и перпендикулярном направлениях относительно оси экструзии и его переходных контактов с эвтектическими сплавами, разработка предложений для создания низкотемпературных магнитотермоэлектрических преобразователей с улучшенными параметрами.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

- получить экструдированные образцы твердого раствора В¡5581)15 с акцепторными (РЬ ) и донорными ( Те ) примесями и изготовить образцы для исследования;

- исследовать электропроводность ( а ) и коэффициенты термо-э.д.с. ( а ) и Холла ( ) в экструдированных образцах твердого раствора В^БЬи , легированных РЬ и Те, не прошедших и прошедших термообработку после экструзии в интервале температур от ~ 77 до 300 К и напряженности магнитного поля до ~ 74x104 А/м;

- исследовать зависимости электрических свойств переходных контактов твердого раствора В^БЬ^ с различными эвтектическими сплавами от температуры, термообработки, концентрации примесей РЬ и Те, напряженности магнитного поля;

- исследовать адгезионные свойства контактов твердого раствора В^вЬи с различными эвтектическими сплавами.

Научная новизна диссертации заключается в следующем:

1. Установлено, что экструдированные образцы В^Ьи обладают в широком интервале температур анизотропией электрических свойств относительно оси экструзии, что обусловлено возникновением текстуры и дефектов в структуре под действием пластической деформации в процессе экструзии.

2. Установлено, что из-за структурных дефектов, возникающих при экструзии, влияние примесей РЬ и магнитного поля на электрические свойства экструдированных образцов твердого раствора В^БЬ^, не прошедших послеэкструзионный отжиг, значительно слабее, чем в отожженных образцах. Сильное по сравнению с отожженными образцами, влияние примесей Те на электрические свойства неотожженных образцов обусловлено упорядочивающим действием теллура на структуру твердого раствора В^вЬн.

3. Показано, что сопротивление переходных контактов образцов твердого раствора ВЦ^Ьн с эвтектическими сплавами, содержащими компоненты РЬ и Бп определяются, в основном, сопротивлением перехода между В^Ь^ с электронной проводимостью и приконтактным слоем, сильно легированным диффундирующими из контактного сплава атомами РЬ и 8п, и обладающим дырочным типом проводимости при 77 К.

4. Установлено, что компенсацией действия донорных центров в Ша^БЬ^ примесями РЬ, или действия акцепторных центров в приконтакгаой области примесями Те можно достичь существенного уменьшения сопротивления

переходных контактов экструдированных образцов твердого раствора В^ЗЬи с эвтектическими сплавами.

Практическая ценность работы.

Показано, что легированием приконтактного слоя твердых растворов систем В! - БЬ атомами теллура ( или других доноров ) в структурах твердый раствор ( В! - вЬ ) - контактный сплав молено существешю уменьшить сопротивление переходных контактов в этих структурах. Применение данного результата позволит значительно улучшить и стабилизировать параметры термо- и фотоэлектрических преобразователей на основе твердых растворов систем В1 - ЯЬ .

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Электрические свойства экструдированных образцов В1858Ьи анизотропны относительно оси экструзии и это обусловлено возникновением текстуры и дефектов в структуре под действием пластической деформации в процессе экструзии.

2. Влияние магнитного поля и примесей свинца на термоэлектрические и гальваномагнитные свойства экструдированных образцов твердого раствора В!в58Ь15, непрошедших термообработку после экструзии значительно слабее, чем в отожженных образцах; малые же примеси Те более активны в неотожженных образцах.

3. Легированием экструдированных образцов твердого раствора В^вЬц акцепторными примесями РЬ и донорными примесями Те можно на порядок снизить сопротивление переходных контактов этого твердого раствора с эвтектическими сплавами.

4. Экспериментальные данные по зависимости термоэлектрических и гальваномагнитных свойств экструдированных образцов твердого раствора В^Ьи , прошедших и непрошедших послеэкструзионную термообработку, а также по зависимости электрических свойств их контактов с эвтектическими сплавами от концентрации примесей РЬ и Те, напряженности магнитного поля и температуры.

Апробация. Результаты диссертации докладывались на XIV Международной конференции по термоэлектричеству ( г. Санкт-Петербург, 1995 г. ), V Межгосударственном семинаре ( г. Санкт-Петербург, 1996 г. ), на научных конференциях аспирантов АН Азербайджана ( г. Баку, 1996,1997 г.г.), на второй международной конференции « Физические проблемы в полупроводниковых материалах» ( г. Черновцы, 1997 г. ), Первой Республиканской конференции « Актуальные проблемы физики » ( г. Баку,

б

1998 г. ), Республиканской научной конференции аспирантов и молодых ученых ( г.Баку, 1998 г. ) и научных семинарах Института Фотоэлектроники АН Азербайджана.

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в пяти научных статьях и двух тезисах.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 158 страницах машинописного текста, состоит из введения, четырех глав, выводов, списка использованной литературы, включающего 165 рабог отечественных и зарубежных авторов, содержит 48 рисунков и 6 таблиц.

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, ставятся цель и задача исследований, приведены научная новизна, практическая ценность, основные положения, выносимые на защиту, кратко изложено содержание отдельных глав.

В первой главе диссертации приведен краткий обзор литературных данных по кристаллической и энергетической структуре, термоэлектрическим и гальваномагнитным свойствам твердых растворов систем Bi - Sb , на основе которого сформулирована цель диссертации.

Во второй главе описаны технология получения экструдированных образцов Bi85Sb,5 с примесями РЬ и Те и экспериментальные методы исследования термоэлектрических и гальваномагнитных свойств образцов, а также методика измерения сопротивления переходных контактов Bi83Sbis с эвтектическими сплавами.

В третьей главе изложены результаты исследований электропроводности ( а ), коэффициента термо-э.д.с. ( а ) и постоянной Холла ( Rx ) экструдированных образцов твердого раствора BigsSbis, легированных свинцом и теллуром. Эксперименты проводились на образцах, непрошедших и прошедших послеэкструзионный отжиг в направлениях параллельно и перпендикулярно оси экструзии в интервале температур от 77 до 300 К и напряженности магнитного поля до ~ 74x104 А/м.

Выяснено, что электрические и магнитотермоэлектрические параметры экструдированных образцов BissSbu очень чувствительны к

послеэкструзионному отжигу.

При этом влияние магнитного поля на параметры р, a, Rx в отожженных образцах значительно сильнее, чем в образцах, непрошедших отжиг.

При экструзии вследствие пластической деформации в образцах одновременно с образованием текстуры происходит и образование структурных дефектов и эти дефекты являются центрами рассеяния для носителей заряда и

уменьшают их подвижность. При термообработке происходит нормализация структуры, т.е. как бы залечивание структурных дефектов. Незначительное влияние отжига на коэффициент термо-э.д.с. при существенном изменении р ( в ~ 3 раза ) показывает, что при термообработке, главным образом, меняется подвижность носителей заряда, т.е. уменьшается концентрация центров рассеяния. Причем особенно наглядно эти изменения происходят при низких температурах ( ~ 77 К ), где роль примесной проводимости и рассеяния электронов на дефектах превалирующая.

Рост Rx при ~ 77 К в 2 раза после термообработки, связан, по-видимому, главным образом, с изменением механизма рассеяния.

Показано, что электрические параметры экструдированных образцов твердого раствора BiasSbu обладают заметной анизотропией относительно оси экструзии. При этом в экструдированных образцах, непрошедших термообработку, в отсутствие магнитного поля электропроводность при 77 и 300 К в направлении перпендикулярном оси экструзии выше, чем в направлении, параллельном оси экструзии. После отжига это соотношение изменяется на обратное, т.е. анизотропия электропроводности меняет свой знак.

В монокристаллах висмута и висмут-сурьма анизотропия электрических параметров обусловлена анизотропией поверхностен Ферми - экстремумов, участвующих в проводимости и отличием в рассеянии носителей заряда по разным направлениям.

При экструзии полшфисталлического материала Big5Sbi5 происходит аксиальная текстура, т.е. часть зерен поликристалла ориентируется так, что их тригональная ось становится параллельной оси экструзии. Одновременно, в результате пластической деформации возникают различные дефекты кристаллической решетки отдельно взятых зерен. При этом указанные структурные дефекты преимущественно скапливаются между плоскостями спайности ( 111 ) кристаллов. В результате, в экструдированных образцах, непрошедших термическую обработку, электроны проводимости рассеиваются сильнее в направлении экструзии, чем в направлении, перпендикулярном оси экструзии.

Изотермический отжиг приводит к уменьшению концентрации структурных несовершенств. В результате концентрация носителей уменьшается, а их подвижность растет, что отражается в изменениях значений о , а и Rx . При этом особенно наглядно эти изменения происходит при низких температурах, где роль примесной проводимости и рассеяния электронов на дефектах превалирующая. Так как дефекты были сосредоточены

s

преимущественно между плоскостями ( 111 ), то рост подвижности и электропроводности в направлении оси экструзии в результате термообработки больше, чем в направлении перпендикулярном оси экструзии.

Наши рентгеновские исследования подтвердили возникновение текстуры при экструзии сплавов и показали, что при термообработке в образцах BissSbis не происходит текстура рекристаллизации. Термообработка при ~ 503 К сопровождается частичным разрушением текстуры, возникающей при экструзии. При температуре 77 К в образцах BissSbi5 прошедших термообработку с ростом напряженности магнитного поля анизотропия а и Rx усиливается. Чувствительность параметров р , а и Rx к магнитному полю также зависит от термообработки и направления относительно оси экструзии.

При высоких температурах в образцах BigsSbis превалирует собственная проводимость и электроны, в основном, рассеиваются на акустических колебаниях решетки. Поэтому при высоких температурах влияние термообработки и магнитного поля на электрические свойства экструдированных образцов Bi85Sbls сильно ослаблено. Однако, анизотропия электрических свойств относительно оси экструзии сохраняется и при -300 К.

При термообработке в обоих направлениях относительно оси экструзии степень п в зависимости подвижности от температуры U~T"n растет по абсолютному значению, т.е. при термообработке роль рассеивающих центров, обусловленных структурными дефектами, ослабляется. Значения п в случае образцов, непрошедших термообработку в параллельном и перпендикулярном направлениях, равны 1,50 и 1,55. После термообработки эти значения становятся ~ 1,85 и 2,65 соответственно.

Выявлено, что характер зависимости р , а и Rx от концентрации свинца и напряженности магнитного поля для образцов, непрошедших и прошедших термообработку почти одинаковые. Однако, образцы, прошедшие термообработку более чувствительны к концентрации и напряженности магнитного поля.

При этом, при низких температурах ( ~ 77 К ) нелегированные образцы и образцы с концентрацией РЬ до ~ 0,01 ат.% имеют электронный тип проводимости, образцы же с концентрацией 0,05 ат.% РЬ и выше обладают дырочным типом проводимости.

Во всех случаях, при - 77 К термообработка приводит к уменьшению электросопротивления в отсутствие магнитного поля и увеличению коэффициента Холла образцов. В то же время коэффициент термо-э.д.с.

образцов с 0,001 ат.% РЬ (т.е. образцов с чисто электронной проводимостью ), а также с 0,05 ат.% РЬ и выше ( т.е. образцов с чисто дырочной проводимостью) с термообработкой меняется несущественно.

С ростом концентрации РЬ до 0,01 ат.% влияние термообработки на удельное сопротивление образцов сильно ослабляется и при концентрации 0,01и 0,05 ат.% РЬ термообработка почти не влияет на р образцов. Однако, с термообработкой а и Ях образцов с 0,01 ат.% растет примерно в 2 раза, оставаясь электронным типом.

Влияние магнитного поля на р образцов, имеющих электронный тип проводимости значительно сильнее, чем образцов, имеющих дырочный тип проводимости. При этом, в случае образцов п- типа магнитосопротивление в образцах, прошедших термообработку, всегда в несколько раз ( в ~ 3 раза ) больше, чем в образцах, непрошедших термообработку. В образцах же с р - типом проводимости ( образцы с 0,05 ат.% РЬ и выше ) магнитосопротивление почти не зависит от термообработки.

Образцы с 0,001 ат.% РЬ, как нелегированные образцы во всем интервале напряженности магнитного поля обладают электронным типом, а образцы с 0,05 ат.% РЬ дырочным типом проводимости. Образцы с концентрацией 0,005 и 0,01 ат.% РЬ с ростом напряженности магнитного поля меняют знак проводимости с электронного на дырочный. В обоих случаях инверсия знака проводимости в образцах, прошедших термообработку происходит при напряженности магнитного поля в 2,0 - 2,5 раза меньше, чем в образцах, непрошедших термообработку.

Выше температуры 130 - 140 К образцы легированные свинцом обладают электронным типом проводимости.

С добавлением свинца влияние термообработки на удельное сопротивление ослабляется и в случае образцов с концентрациями 0,01 и 0,05 ат.% РЬ термообработка почти не влияет на р . Это показывает, что деформационные дефекты в В^Ь^ рассеивают, в основном, электроны, а дырки на этих дефектах не рассеиваются.

Слабое магнитосопротивление в образцах, непрошедших термообработку,отличие значений напряженности магнитного поля, соответствующей инверсии знака коэффициентов термо-э.д.с. и Холла в этих образцах от значений напряженности для образцов, прошедших термообработку, также связаны с малой подвижностью электронов в образцах, непрошедших термообработку. С ростом температуры в проводимости решающую роль начинают играть электроны и, поэтому, выше точки

температурной инверсии a, Rx и магнитосопротивление растет. Магнитное поле в этом случае также увеличивает абсолютные значения термо-э.д.с. и расширяет границы положительных значений. Увеличение концентрации свинца в сплаве приводит к возрастанию отрицательных значений термо-э.д.с., но с понижением температуры анизотропия уменьшается и в области положительных значений термо-э.д.с. становится изотропной.

В легированных свинцом до 0,005 ат.% и непрошедших термообработку образцах Bi85Sbu электропроводность в отсутствие магнитного поля во всем интервале температур в направлении перпендикулярном оси экструзии ( о± ) выше, чем в направлении, параллельном оси экструзии ( с и ). После отжига это соотношение изменяется на обратное, т.е. анизотропия электропроводности меняет свой знак, как и в нелегированных образцах. При легировании BigsSbu свинцом до 0,05 ат.% ( когда образцы при ~ 77 К обладают дырочным типом проводимости ) как непрошедшие, так и прошедшие термообработку образцы во всем интервале температур и магнитного поля в направлении, перпендикулярном оси экструзии обладают большей электропроводностью, чем в параллельном направлении.

Анизотропией обладают также коэффициенты термо-э.д.с. и Холла образцов, легированных до 0,005 ат.% РЬ . При этом при 77 К в образцах, прошедших термообработку с ростом напряженности магнитного поля анизотропия а и Rx усиливается. Чувствительность параметров р , а , Rx к магнитному полю также зависит от термообработки и направления оси экструзии, как и в нелегированном Big5Sbis.

В образцах с 0,05 ат.% РЬ и выше концентрация дырок при 77 К значительно превосходит концентрацию электронов и проводимость при этой температуре, в основном, осуществляется дырками. При этом дырки в направлении оси экструзии, т.е. в кристаллографическом направлении [111], рассеиваются сильнее, чем в направлении перпендикулярном оси экструзии. Из-за этого в этих образцах во всех случаях сх > оц Некоторое уменьшение о в направлении оси экструзии при термообработке говорит о том, что часть деформационных дефектов в экструдированных образцах BigsSbjs создает акцепторные центры.

Добавление теллура в количестве 0,0001 - 0,1 ат.% к сплаву существенно снижает абсолютную величину удельного сопротивления относительно удельного сопротивления для нелегированного сплава во всем исследованном интервале температур. При этом сильное изменение р происходит при низких температурах, где превалирует примесная проводимость. С ростом температуры

заметное влияние примесей Те на р происходит при концентрациях 0,05 - 0,1 ат.% Те. Аналогичное влияние Те наблюдается и на коэффициенты термо - э.д.с. и Холла.

С другой стороны, р экструдированных образцов твердого раствора Ш85$Ь15 , непрошедшие послеэкструзионный отжиг, при малых концентрациях более чувствительны к примесям теллура, чем образцы, прошедшие послеэкструзионный отжиг. При больших концентрациях Те влияние примесей Те на р образцов, прошедших и непрошедших термообработку, почти одинаково. В этом интервале концентраций почти одинаковы и магаитосопротивления отожженных и неотожженных образцов. В образцах с 0,05 и 0,1 ат.% Те магаитосопротивления отсутствует.

Влияние магнитного поля на удельное сопротивление образцов, легированных до 0,001 ат.% Те и прошедших термическую обработку при 503 К в течение 2 часов, больше, чем в образцах, непрошедших послеэкструзионный отжиг. При высоких концентрациях теллура влияние термической обработки и магнитного поля на р незначительно.

Примеси Те, создавая дополнительные электроны в зоне проводимости приводят к уменьшению удельного сопротивления при 77 К. Изменение р образцов Ш^Ь^ при ~ 300 К при 0,05 - 0,1 ат.% Те обусловлено, вероятно, изменением ширины запрещенной зоны.

Сильное влияние примесей Те на электрические свойства неотожженных образцов при малых концентрациях можно объяснить тем, что примеси Те оказывают упорядочивающее действие на структуру систем В1 - БЬ.

Уменьшение магаитосопротивления в образцах с большой концентрацией Те вызвано уменьшением подвижности электронов. Лишь некоторый рост, как и в случае монокристаллических образцов, наблюдается у образца, легированного 0,005 ат.% Те.

При малых концентрациях теллура ( до 0,0005 ат.% ) анизотропия ст при 77 К без магнитного поля в образцах, непрошедших термообработку, сильно ослабляется. Однако с ростом напряженности магнитного поля появляется сильная анизотропия. При этом во всех случаях в магнитном поле <тц> Стх. При больших концентрациях теллура анизотропия электропроводности и ее зависимость от магнитного поля еще больше ослабляется.

При 77 К для отожженного и неотожженного образцов при отсутствии магнитного поля теллур в количестве 0,0001 ат.% практически не влияет на значения термо-э.д.с. Увеличение его концентрации до 0,001 ат.% приводит к резкому уменьшению термо-э.д.с., особенно при низких температурах.

Послеэкструзиошшй отжиг мало влияет на абсолютное значение термо-э.д.с. в отсутствие магнитного поля у образцов, легированных 0,0001 и 0,0005 ат.% Те . Для образцов, нелегированных и легированных до 0,005 ат.% Те, прошедших и непрошедших термическую обработку сильное изменение коэффициента Холла наблюдается при низких температурах. Поведение коэффициента Холла подтверждает наличие большого электронного вклада в явления переноса рассматриваемых сплавов.

В четвертой главе изложены результаты по электрическим и адгезионным свойствам границ раздела экструдированных образцов В^ЗЬи со сплавами масс.%: 25 В| + 50 РЬ + 12,5 С<1 + 12,5 Бп с Т„ « 343 К ( сплав Вуда) и 57 В1 + 43 Бп с Тал« 412 К.

Выявлено, что характер изменения сопротивления переходного контакта твердого раствора В^а^БЬи с указанными сплавами и удельного сопротивления самого твердого раствора в магнитном поле почти одинаковы. Однако, изменения ( гх - гка ) / гю с ростом напряженности магнитного поля во всех случаях сильнее, чем изменения ( р - р 0) / р 0 • В экструдированных образцах непрошедших отжиг после экструзии, соотношения ( гк - Гщ ) / гю и ( р - р ») / рв при всех напряженностях магнитного поля меньше, чем для образцов прошедших отжиг после экструзии. С ростом температуры до 300 К зависимость гк и р от напряженности магнитного поля ослабляется, однако, закономерности, наблюдаемые при ~ 77 К, влияния магнитного поля на гкир, сохраняются и при высоких температурах.

Контактные сплавы содержат компоненты из атомов свинца и олова, являющихся эффективными акцепторами в твердых растворах систем В1 - БЬ. Поэтому, при формировании контактов в результате диффузии атомов РЬ и вп в твердый раствор В^ЯЬ^ вблизи контакта возникает приконтактный слой данного твердого раствора, легированный атомами свинца и олова в результате чего возникает трех слойная структура: твердый раствор В^вЬи промежуточный слой твердого раствора В1858Ь15 , сильнолегированный акцепторными атомами - контактный сплав. Удельное сопротивление промежуточного слоя при 77 К (твердого раствора В^вЬи , легированного РЬ и вп ) в несколько раз превышает удельное сопротивление чистого твердого раствора. Кроме этого, образцы, легированные атомами РЬ или вп с концентрацией более 0,01 ат.% обладают при ~ 77 К р- типом проводимости. Вследствие этого, вблизи контакта возникает переход п - В^ЗЬ^ — р - В|858Ьн и гк структуры определяется сопротивлением этого перехода. В магнитном поле с ростом напряженности магнитного поля удельное сопротивление

Big5Sbi5 сильно растет. Одновременно растет и удельное сопротивление промежуточного слоя. Из-за этого рост гк структуры твердый раствор BigsSbi5 - промежуточная фаза под действием магнитного поля более сильный, чем рост удельного сопротивления чистого BissSbis .

С ростом температуры тип проводимости промежуточного слоя становится электронным и действие примесей РЬ и Sn на р промежуточного слоя ослабляется. Поэтому при 300 К, несмотря на то, что удельное сопротивление как BigsSbjs , так и промежуточного слоя, легированного атомами РЬ и Sn незначительно отличаются от значений р при 77 К, контактное сопротивление гк при 300 К в ~ 2 раза меньше, чем при 77 К. Изменение гк структуры под действием магнитного поля при 300 К также хорошо коррелирует с изменением р чистого BissSbis и промежуточного слоя.

Кроме электрических параметров, контакты характеризуются и механическими свойствами. Связь и сцепление между экструдированным твердым раствором BissSbu и контактным сплавом определяются процессом смачивания поверхности кристалла этим контактным сплавом.

Характеристикой сил сцепления жидкости и твердого тела является удельная работа адгезии

А, = <r ( X + cos 0 ),

где ст - коэффициент поверхностного натяжения расплава контактного материала, 0 - краевой угол смачивания - угол между поверхностью твердого тела и касательной к точке контакта с жидкостью на границе раздела с окружающей средой.

Эксперименты показали, что при использовании в качестве контактного материала сплава Вуда, краевой угол равен ~ 23 - 24° , а в случае сплава масс.%: 57 Bi + 43 Sn составляет 9 я 21 - 22°.

При ~ 410 - 415 К поверхностное натяжение сплава Вуда и сплава масс.%: 57 Bi + 43 Sn составляли 424 и 410 мН/м, соответственно, а работа адгезии А, , вычисленная из вышеприведенного выражения при температуре ~ 410 - 415 К составляет соответственно 780 и 850 мДж/м2.

Эти значения А, свидетельствуют в пользу того, что хорошее смачивание вышеприведенными контактными сплавами поверхности экструдированных образцов твердого раствора BissSbis обеспечивается за счет достаточно

сильного физико- химического взаимодействия расплава контактного материала с кристаллами.

В случае как отожженных, так и неотожженных образцов при малых концентрациях РЬ зависимости гк и р от концентрации РЬ при 77 К противоположны друг другу : при концентрациях до ~ 0,01 ат.% РЬ с увеличением концентрации свинца р растет, а гк уменьшается. При концентрациях больше 0,01 ат.% зависимости гк и р от концентрации свинца удовлетворительно коррелируют между собой.

Кроме того, при 77 К с ростом концентрации РЬ в твердом растворе В*£Ьи зависимости ( гк - гю) / гк» и ( Р - Р о ) / ро от напряженности магнитного поля ослабляется. При этом зависимость ( гк - г„ ) / гю от напряженности магнитного поля всегда сильнее, чем зависимость магнитосопротивления от Н. С повышением концентрации РЬ в твердом растворе В^БЬи величина ( гк - гю ) / гга приближается к значению (Р-Ро)/РО.

Как и в случае структур на основе чистого твердого раствора В!^!)^ контактное сопротивление гк и р структур на основе отожженных образцов, легированных свинцом, более чувствительны к изменениям напряженности магнитного поля, чем структуры на основе неотожженных образцов В^вЬи .

При легировании твердого раствора атомами РЬ концентрация электронов в нем уменьшается и твердый раствор при концентрациях РЬ или вп больше 0,01 - 0,05 ат.% РЬ приобретает р- тип проводимости при 77 К. В результате, в структурах на основе твердого раствора, легированного РЬ или Бп с концентрациями больше 0,01 - 0,05 ат.% р-п переход на границе твердый раствор ВздЗЬц - контактный сплав отсутствует. Вследствие этого в структурах на основе образцов, легированных РЬ или 8п , контактное сопротивление гк меньше, чем в структурах на основе чистого твердого раствора В18з$Ь15.

В отожженных образцах твердого раствора ВвдвЬде концентрация структурных дефектов меньше, чем в отожженных образцах. Вследствие этого, подвижность электронов и дырок в отожженных образцах более высокая. Поэтому в структурах твердый раствор В^ЗЬ« - контактный сплав на основе неотожженных образцов В1858Ьи, а также на основе образцов, легированных РЬ зависимости ( гк - гк„)/ гк„ и (р-р,)/ р 0 от напряженности магнитного поля слабее, чем в структурах на основе чистого отожженного твердого раствора В^Ьде.

В экструдированных образцах твердого раствора изменение р и гк в зависимости от концентрации Те носить почти одинаковый характер и с ростом степени легирования твердого раствора теллуром гк и р уменьшаются. При этом при малых концентрациях ( до ~ 0,005 ат.% ) влияние примесей Те на гк ( и на р ) образцов непрошедших отжиг сильнее, чем образцов, прошедших отжиг.

При введении Те в структурах твердый раствор В^БЬн - контактный сплав одновременно происходят два процесса : а) в приконтактной области твердого раствора происходит компенсация акцепторных центров РЬ и 8п ( созданные за счет диффузии этих элементов из контактного сплава в приконтактную область твердого раствора ) примесями теллура. В результате этого приконтактный слой при ~ 77 К обладает электронным типом проводимости ; б) в объемной части твердого раствора растет концентрация электронов, которые являются основными носителями заряда.

Оба процесса приводят к снижению высоты потенциального барьера на контакте, т.е. к уменьшению сопротивления переходного контакта.

По-видимому, начиная с 0,005 - 0,01 ат.% Те акцепторные центры РЬ и 8п в приконтактной области полностью компенсируются. Поэтому, начиная с этой концентрации теллура в твердом растворе В)м8Ьи контактное сопротивление структуры полностью определяется сопротивлением перехода твердый раствор В1858Ь15- контактный сплав. Начиная с 0,01 ат.% Те с ростом концентрации Те концентрация основных носителей заряда в приконтактной области растет, что приводит к резкому уменьшению гк .

Установлено, что с легированием приконтактной области термоэлементов на основе твердых растворов Вт - 8Ь можно в 10 - 15 раз уменьшить гк контактов, и тем самым, повысить добротность термоэлементов. При этом такое легирование приводит к тому, что в магнитном поле сопротивление переходного контакта не растет, что очень важно для магнитотермоэлектрических преобразователей на основе твердых растворов висмут — сурьма.

Таким образом, легируя теллуром приконтактную область термоэлементов на основе твердых растворов В1 - 8Ь можно создать термо - и магнитотермоэлектрические преобразователи с более высокой добротностью и стабильными параметрами.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Проведено комплексное исследование зависимостей термоэлектрических и гальваномагнитных свойств экструдированных образцов твердого раствора BissSbjs и электрических свойств переходного контакта этих образцов с эвтектическими сплавами от структурных дефектов, возникающих при пластической деформации, в направлении относительно оси экструзии, концентрации акцепторных ( РЬ ) и донорных ( Те ) примесей, напряженности магнитного поля в интервале температур от 77 до 300 К. Установлены закономерности и механизмы указанных зависимостей. Показаны пути улучшения параметров преобразователей на основе твердых растворов систем висмут — сурьма.

2. Установлено, что экспедированные образцы BisjSbu обладают анизотропией электрических свойств относительно оси экструзии, что обусловлено возникновением текстуры в структуре под действием пластической деформации при экструзии и скапливанием структурных дефектов, возникающих при экструзии между плоскостями ( 111 ). В образцах, непрошедших после экструзии термообработку, роль структурных дефектов решающая и превалирует над эффектом анизотропии р за счет текстурообразования. В отожженных образцах из-за высокой подвижности электронов в направлении оси экструзии, электрические параметры в данном направлении более чувствительны к магнитному полю, чем в направлении перпендикулярном оси экструзии.

3. Показано, что деформационные структурные дефекты в экструдированных образцах BigsSb^ , в основном, электронейтральны и они являются эффективными рассеивающими центрами для электронов. Дырки на этих дефектах фактически не рассеиваются, что объясняется разной вероятностью рассеивания электронов и дырок на дефектах.

4. Установлено, что влияние примесей РЬ и напряженности магнитного поля на электрические свойства экструдированных образцов твердого раствора BigsSbu , непрошедших послеэкструзионный отжиг в интервале температуры от 77 до 300 К значительно слабее, чем отожженных образцов. Сильное влияние примеси Те на электрические свойства неотожженных образцов, по сравнению, с отожженными, обусловлено упорядочивающим действием теллура на структуру твердого раствора Big5Sbi5.

5. Показано, что сопротивление переходных контактов экструдированных образцов твердого раствора Bi85Sb15 со сплавами масс.%: 25 Bi + 50 РЬ -t

12,5 Cd + 12,5 Sn и 57 Bi + 43 Sn при ~ 77 К определяется, в основном, сопротивлением структуры твердый раствор BigsSbis - твердый раствор BigsSbis, сильнолегированный атомами РЬ или Sn диффундирующими из контактного сплава в приконтактную область твердого раствора BigsSbis.

6. Установлено, что легированием экструдированных образцов твердого раствора BigsSbis с атомами РЬ можно достичь уменьшения гк переходного контакта BigsSbis - контактный сплав. Такое уменьшение обусловлено компенсацией донорных центров в BigsSbis акцепторными атомами РЬ , приводящей к инверсии знака проводимости при 77 К от электронного к дырочному, т.е. исчезновению потенциального барьера, обусловленного переходом твердый раствор BigsSb^ (с п-типом проводимости ) - твердый раствор BigsSbis , сильнолегированный атомами РЬ и Sn ( с р-типом проводимости), диффундирующими из контактного сплава.

7. При легировании экструдированных образцов твердого раствора BigsSbis атомами теллура гк переходного контакта на основе этого твердого раствора с контактными сплавами резко падает, что обусловлено как компенсацией акцепторного действия атомов РЬ и Sn, диффундирующих из контактного сплава в приконтактную область твердого раствора атомами Те, так и ростом концентрации основных носителей заряда (электронов ) в BigsSbis .

8. Легированием приконтакгаого слоя твердых растворов систем Bi - Sb атомами теллура в структурах твердый раствор Bi - Sb - контактный сплав можно существенно ( на порядок ) уменьшить сопротивление переходных контактов в преобразователях на основе этих структур и тем самым значительно увеличить эффективность преобразователей.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Самедов Ф.С. Анизотропия электрических свойств экструдированных материалов на основе твердых растворов систем Bi - Sb // Материалы Научной Конференции аспирантов АН Азербайджана. Баку. 1996. С. 31 - 33.

2. Tagiyev М.М., Samedov F.S., Abdinov D.Sh. Extruded material on the basis of BigsSbis solid solution for magnetothermoelectric coolers // XIV International conference on Thermoelectrics. St - Petersburg. Russia. 1996. p. 74.

3. Tagiyev M.M., Samedov F.S., Samedov S.R. Anisotropy of electrical properties of lead doped extruded samples of BigsSbu // International Journal of Infrared and Millimeter Waves. New York. USA. 1997. Vol. 18. № 9. p. 1813 - 1820.

4. Tagiyev M.M., Samedov F.S. Anisotropy of electrical properties of extruded samples of BigsSbis doped by lead and tellurium // Second International School - Conference on Physical Problems in Material Science of Semiconductors. Chemivtsi, Ukraine. 1997. p.243.

5. Samedov F.S., Tagiyev M.M. Structural defects and electrical properties of extruded samples of BigsSbu solid solutions // The Turkish Journal of Physics. 1998. Vol. 22. № 2. p.131-138.

6. Самедов Ф.С., Тагиев M.M., Абдинов Д.Ш. Влияние отжига на электрические свойства экструдированных образцов твердого раствора Bio.85Sbo.15// Российская АН. Неорган. Материалы. 1997 т. 33. №12. С. 1460 -1462.

7. Самедов Ф.С., Тагиев М.М., Абдинов Д.Ш. Структура и анизотропия электрических свойств экструдированных образцов твердого раствора Bi«$Sbis // Термоэлектричество и их применение. Российская АН. Санкт-Петербург. 1997. С. 89 - 91

СЭМЭДОВ ФЭРЬАД СОБРАВ оглу

ЕКСТРУЗША ОЛУНМУШ Bi85SbiS БЭРК МЭЬЛУЛУ ВЭ БУ МЭЬЛУЛУН ЕВТЕКТИК ЭРИНТИЛЭРЛЭ КОНТАКТЫНДА ЕЛЕКТРОН ЬАДИСЭЛЭРИ

X Y Л А С Э

EKcrpy3nja олулмуш BigjSbis барк мэьлулунун термоелектрик вэ галваномагнит хассэларинин вэ бу нумунзлэрин евтектик эршггилэрлэ кечид контактынын електрик хассэлэршшн пластик деформаси]а заманы japaHaH структур дефектлзрин, аксептор ( РЬ ) ва донор ( Те ) ашгарларынын консентрасизасывдан асылылыг ганунаэдгунлуглары 77 - 300 К температур интервалында ва матит саьэ интенсивлиршдэ тэдгиг олунмушдур.

Myajjaa олунмушдур ки, екструиуа олунмуш Bi85Sbi5 бэрк мэьлулунун електрик параметрлэри екструлца охуна нисбэтэн эьэмицатли ainnoTporoijaja маликдир ки, бу да екструнуа заманы ( 111 ) мустэвилэри арасында пластик деформаауа натичасиндэ структурда текстураньт ¿аранмасы илэ елагэдардыр. BigsSbu бэрк мэьлулундакы бу структур дефектлэри эсасэн eлeкгpoнejтpaлдыp вэ онлар електронлар учуй сэпилмэ мэркэзларидир.

MyajjaH олунмушдур ки, Bi - Sb системинин електрик хассэларинэ РЬ ашгарларьшьш вэ магнит саьэсшпш та'сири 77 - 300 К температур шггервальшда термики шплэма кеямэмиш нумунэлэрдэ кечэнлэрз нисбэтэн зэифдир. Термики ишлэмэ кечмашпп нумунэлэрэ нисбэтэн термики ишлама ксчмиш нумунэлэрин електрик параметрларина Те атгарларынын кучлу тэ'сири термики ишламада BigsSbis бэрк мэьлулунун структурунун тэкмиллэтмэси илэ алагэдардыр.

Костарилмишдир ки, BissSbis бэрк маьлулуну РЬ атомлары илэ ашгарламагла, BigsSbjj - контакт эршггасикин кечид контактынын ( г» ) мугавимэтини азалтмаг олар. Бела азалма аксептор РЬ атомларьшын BigsSbi; донор мэркэзлэри илэ компенсаацасы илэ элагэдардыр.

BigsSbis бэрк мэьлулуну теллур атомлары илэ ашгарладыгда контакт^акы областда диффунуа етмиш РЬ вэ Sn атомларыньш компенсаацасы ьесабына кечид контакты гк каскин азалыр.

Bi - Sb системинин контактами тэбэгэсини теллур атомлары ила ашгзрламагла, Bi - Sb - контакт эркнтиси структурунун, бу структур эсасында чевиричилэрин кечид контактынын мугавимэтини xejnH азалтмаг вэ чевиричилэрин еффектл(фпш артырмаг мумкундур.

SAMEDOV F.S.

ELECTRONIC PROCESSES IN EXTRUDED SAMPLES OF Bi8sSbls SOLID SOLUTIONS AND ITS TRENSITION CONTACTS WITH EUTECTIC ALLOYS

ABSTRACT

The dependencies of thermoelectric and galvanomagnetic properties of the extruded BigjSbu solid solution samples as well as electrical properties of the transition contacts of these samples with eutectic alloys depending on structural defects, created while plastic deformation in the direction of extrusion axis, concentration of acceptor ( Pb ) and donor ( Tc ) impurities, intensity of magnetic field over the temperature range 77 - 300 K have been investigated.

It is found that extruded Bi$jSb15 samples possess anisotropy of the electrical properties in respect of extrusion axis, which is due to creation of texture in structure under the effect of plastic deformation under extrusion and accumulation of the structural defects, created under extrusion between ( 111 ) planes. These structural defects in extruded BigsSbis samples are mainly electroneutral and provide effective scattering centers for electrons.

It is established that effect of Pb impurities and intensity of magnetic field on the electrical properties of Bi - Sb systems over the temperature range 77 - 300 K are less for non-annealed samples in comparison to annealed ones. Strong effect of Te impurities on electrical properties of non-annealed samples in comparison to annealed ones is due to ordering effect of the tellurium on the structure of the Big5Sbij solid solution.

It have been ascertained that by doping of the samples of BissSbu solid solution by Pb atoms one can reach decreasing on rK value for the transition contacts in BissSbis - contact alloy interface. Such decreasing is due to compensation of donor centers of BigsSbis by the acceptor atoms.

When doping the BigsSbis solid solution by Te atoms rK for the transition contacts sharply decreases due to compensation of Pb and Sn acceptor atoms, diffused from contact alloy into subcontact region of the solid solution.

By doping of the subcontact layer in Bi - Sb - contact alloy structures one can achieve substantially decreasing the resistivity of transition contacts in transducers on the base of these structures and appreciably increase efficiency of the transducers.