Электронный спектр полупроводниковых соединений типа TiFeSe2 тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

РГ6 од

ОРДЕНА ДРУЖБЫ НАРОДОВ АКАДЕМИИ НАУК АЗЕРБАЙДЖАНСКОЙ РЕСПУБЛИКИ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ИНСТИТУТ ФИЗИКИ

На правах рукописи

ДЖАХАНГИРОВ ЗАКИР АГАСОЛТАН оглы

УДК 621.315.592

ЭЛЕКТРОННЫЙ СПЕКТР ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ

СОЕДИНЕНИЙ ТИПА ТПе5е2

01.04.10 — Физика полупроводников и диэлектриков

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Баку —

1903

Работа выполнена в Азербайджанском Национальном Аэрокосмическом Агентстве.

Научные руководители-

доктор физико-математических наук, профессор, член-корреспондент АН Азербайджанской Республики Ф. М. ГАШИМ-ЗАДЕ, кандидат физико-математических наук Г. С, ОРУДЖЕВ

Официальные оппоненты;

доктор физико-математических наук, профессор, член-корреспондент АН Азербайджанской Республики СЕИДОВ Ю. М., кандидат физико-математических наук ПАНАХОВ М. М.

Ведущая организация — БГУ им. М. Э. Расулзаде.

Защита состоится » 1993 года ц ^ часов

на заседании специализированного совета Д-004.04.01 по защите диссертации на соискание ученой степени, кандидата физико-математических наук при Институте Физики АН Азербайджанской Республики.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института Физики АН Азербайджанской Республики (370143, Азерб. Республика, Баку, проспект Г. Джавида, 33).

Автореферат разослан « й1/ » 1993 г.

Ученый секретарь специализированного совета, доктор физико-математических наук,

профессор ШАФИЗАДЕ Р. Б.

Актуальность т'еыы. В последние годы объектами интенсивных экспериментальных и теоретических исследований стал новый класс полупроводниковых соединений,кристаллизующихся в цепочечной структуре.Эти кристаллы иыевт большие еозмояиости для практического применения и различных областях техники.В них ожидается обнаружение ряда новых физических явлений,предска-эываешх теорией .связанных с предельной анизотропией электронных и фононных спектров. . . ,

Полупроводниковые соединения типа Т(Ре крис-

таллизуются в моноклинную базоцентрированнув решетку с пространственной группой симметрии ^2/щ ' ^ • Ионы железа занимают тетраедрическое положение »плоскости ионов.ке-леза расположены между слогами халькогенов'.которш а свою очередь разделены слоями ионов Т2 . .Тетраедры [гвЦ] .:'• соединены в линейные цепи.Обменное взаимодействие между ионами железа вдоль цепи осуществляется по ряду атскоэ Й- .'•' образующих определенный уголь,а в направлениях перпендикулярных цепочке тетраедров [Г* J ,дол:сио осуществляться по цепочке : Рг -$-г - Т? - 5г - ' •Иоэтоцу.монно' ' предположить,что 'обменные взаимодействия ( 0 ) между и она!,'и вдоль цепи намного меньке обменных взаимодействий ( □ ) между, ионами железа,находящихся в соседних цепях.Отношение 1 указывает на квазиоднокерность этих магнитных систем.Монокристаллы ТСРг 5-2, легко расчленяатся на тончайшие монокрксталлическив. волоски выдерживающие изгиб на 100° и являются ярковыраяеннвма представителями цепочечных квнзиоднокерных кристаллов.В то же время сочетание полупроводниковых й-магнитных свойств делааг их чрезвычайно интересными объектами физических исследований.

Характер физических явлений,имеющих место в полупроводник ах и обуславливающих их [фактическое применение в значительной степени определяется структурой энергетического спектра плектра нов . Для дальнейшего применения и направленного поиска важно изучение закономерностей энергетической яонной структуры.Ре--шоние этой задачи требует комплексного подхода,включающего получение надежных экспериментальных данных в сочетании с рае -четом лонной структуры.

Целью настоящей работы является установление особенное И! электронного энергетического спектра и природы химической, сипни в цепочеч1Шх> кристаллах типа Т1Ре

Для достижения поставленной Не*и необходимо Онло решить следующий задачи:, ,

~ Рассчитать зонную структуру и плотность электронных состояний

-•• Рассчитать распределение плотности валентных электронов и ус тянопить природу химической гвязи в цепочечных соединениях чипа Т 1Ре S€, ••

- Установить генезис зонных состояний. >.

Научная новизна. -

- Проведен теоретико-групповой анализ энергетического спектра носителей, заряда в полупроводниках типа ТбГс ,

а так же определены точки нулевого наклона ( экстремумы зон ).

- Рассчитаны зонные структуры полупроводниковых соединений типа Т{ Ре 5-2-методом псепдопотенпипла.Устшюн-

.лено,что валентная зона этих соединений состоит из четырех подзон.Самап нижняя подзона из чежрес зон отдалено от остальных широким энергетическим зазором около 10 пВ.

- ь -

• Произведен '.еоретико-гругаюиий анализ проюхождения зонных, состояний из атомных 5 и р -состояний с помощью метода зонных представлений Зака.Установлено^ччо нижние четыре валентные зоны происходят из $ состояний Следующая группа из двух зон обьязала своим происхождением

$ - состояниям Ре ,а самые верхние две валентные зоны можно приписать $ - состояниям Т£ ; Остальные ТО валентных зон происходят из р - состояний Т£ , Яе и Проведен расчет распределения заряда валентных электронов цлп соединения ТЕ Ре . Показано, что связь меж-

ду атомами Ре и 3-е носит ковалентный характер с некоторой долей иоаности.

Практическая ценность работы заключается и том,что полученные и ней результаты могут быть использованы для интерпретации электрических и оптических свойств,а также прогнозировании возможности применения цепочечных кристаллов при разработке приборов на их основе.

Основные положения,выносимые на защиту: !. Структура зон: цепочечные кристаллы типа ТСРе

являются непрямозонными полупроводниками.Патентная зона ачлч соединений состой! из четырех групп подзон .Самая нижняя подзона ил четырех зон отдалена от других широким анвргстичеоким зазором около 10 эВ.Подзоны,состояние из следующих двух валенчных зон и самых последних двух зон, слегка перекрываются с подзоной,состоящей из иотплвних 10-и валентных зон.

Генезис зон Г£Ре : Нимние четыре зоны принад-

лежат V • с .о стояниям нтоми» 5-е , следующая группа зон

С Ь-«> ) ||{'01<-.'.чод»| нз $ - состоннчИ а":о(/.1»!1 Ре .Ва-

яектные зоны ( 7-16 ) происходят из р -подобных орбитадей атомов Т£ , Ее и .Саше верхние две валентные зоны происходят из V-состояний атомов ■

3. Связь между атомами Ре и $е носит ковалентный харак-^ тер с частично ионным вкладом.Свяэь между атомамиТ£ и Ре , а также между атомами Т6 и носит ионный харак-

' ' тер. \ •

4. Плотность заряда валентных электронов на плоскостях ( 100 ), проходящих между атомами Т£ , ,а также на плоскостях перпендикулярных к ( 010 ) и состовляшцих уголь ~ 60° .

с плоскостями ( 100 ) в несколько раз меньше,чем на плоскости ( 010 ), проходящей через атомы ТС и

Повидимому.указанные плоскости являются плоскостями легко-

1 ■. »

го скола..

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались на III Всесоозной конференции. "Материаловедение халькогенидных полупроводников" ( 1991 г., г. Черновцы ) , на :ХХХ Международной конференции "Материалы и химические превращения под давлением" ( г. Баку,, 1992 г, ) , и на У Республиканской межвузовской конференции по физике (г.Баку, 1992 г.). .

Публикации. По результатам диссертации опубликованы шесть печатных работ,перечень которых приведен в конце авторефера-■ та. •

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения,четырех глав,основных результатов и жнецов.Она содержит. $5 страниц машинописного ? елста,включа^-дего 1Ъ рисунков«'таблиц и библиографического списка из .ЪЗ наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дается общая характеристика работы,обоеноьиьа-• ется ее актуальность и практическая ценность,формулируются цели и задачи исследования,приводится краткое изложение диссер-; тационной работы и выносимые на защиту положения.

В первой главе изложен краткий обзор литературных сведений о кристаллической структуре,кристаллохимических'свойств кристаллов типа ТСРе ,а также приведены оригинальные результаты теоретико-группового анализа.

Полупроводниковые соединения типа крио-

',таллизуются в моноклинную баэоцёнтрированную реветку с прострем -

..... • . • • ' м' ■ •

ственной группой симметрии ^'¿/т' ^ ^РК ) .Моноклинная , элементарная .'ячейка кристалла содержит четыре формульные единицу. Атомы Те и находятся о кристаллографическом положении 4(1 ) , а атомы ре в 4 ( £ ) .Тетраедрн

[Ре Бе^ ]■ ' соединены в линейные цепи,в центре которых 'находятся ионы келеэа.Обменное, взаимодействие вдоль цели происходит по цепочке - 5е - Рс «а и напранле-ниях .перпендикулярных цепи тетраедрон* [Ре осуществляется по ряду атомов Ре - $€ - Т€- .£« - /«'■ Межатомные расстояния н тетраецре [ ре ] между аюыпми Ге и 5« лежат в области ЗЬ ■ А,что близко к суше их коиалетннх радиусов;' < i ) .- 1,26 Л + ','6 Л • 2,42 Л ,и свидетельствует о коиплетном характере связи между этими атомами.Расстояния между атомами

Ре в цепочках составляет Л,?4+2,?Ь А,и всего на .9 % Оолите, чем и кристалле Р< .Поэтому,можно ожидать,что ноаимодойст-яи<; между атомами Рг является сильннми.

.Проведен' •< еорь-1 шш-группоьоП анализ' энергетинь-лорь .-не«-

- в -

■ipa носителей заряда в полупроводниках типа те fe Se/ Здесь же приводятся таблицы неприводимых представлений групп волновых векторов зоны Бриллюэна,таблица совместности непри-.. водимых представлений простых групп,а также правила отбора . прямых дипольных переходов в критических точках зоны Бриллтоэ-г.а .Для изучения структуры зон вблизи экстремальных Точек ня<; дены точки нулевого наклона по методу разработанному Рашбой. Оказалось,что без учета спин-орбитального взаимодействия всё еимметрич(Шв точки зоны Бриллюэна являются точками нулевого наклона. '

»

Вторая глава посвящена изложению метода псев.цопотенциплп и его развитию в последние годы,а также выбора подходящего

исевдопотенциала.Приведены результаты расчетов зонных структур

■ 1

соединений . ТС Fe S*¿ к Т€ Fe S&. .Определен

характерные особенности зонных структур этих соединений.

Расчет зонной структуры цепочечных кристаллов и ТС Fe SA . проводился с учетом 200 плоских

волн в разложении волновых функций электрона,что обеспечивает практически хорошую сходимость уров'нрй,лежащих в окресности • запрещенной зоны с точностью 0,2 эВ.Формфакторы псевдопотеи-циала таллия,сблена,серы и железа взяты из литературы.Результаты расчета показывают,что валентная зона обоих соединений состоит из четырех подзон.Нияшяя подзона пириной — ] эВ состоящая из 4-х зон,отдалена от остальных энергетическим задором около 10 эВ.Один из двух максимумов валентной зога расположенных вблизи точки Т »находится на' плоскости симметрии И и соответствует неприводимому прецстаилению Hj .Другой максимум находящийся на линии В ^соответствует неприводимому представлению Б-, ЛретиЙ и четверзыИ- по величине максимумы

валентной зоны расположены на симметричной линии А и соответствуют неприводимым представлениям А^ и А^ •.Можно выделить семь минимумов зоны проводимости для обоих соединений.

Абсолютный минимум зоны проводимости для обоих соединений рас* . * *

положен приблизительно посередине 1/екцу симметричными точками , Т и £ на плоскости симметрии Н и соответствует неприводимому представлению .Ширина запрещенной зоны из наших расчетов получается-1,6 эВ ( для Т) и

-1,8 эВ ( дчя. ) и отвечает непрямому пе-

реходу В| - Нт для обоих соединений.Приблизительно такой ке энергией обладает прямой переход.. И, - Н^ .который разрешен .. • при поляризации ( & - плоскость отражения ).Второй по величине ( ~-1,8 эВ для и ~ 1,7 зВ для

Те Ре ) прямой переход соответствует переходу -

а третий по величине прямой энергетический эаз<?р -3 аВ соответствует переходу А^ - .Оба эти .перехода также раэреше- '; ны при <1 и (> .

В третей главе излагаются основные идеи метода зонных представлений Зака и на основе этого метода проведен анализ происхождения зонных состояний, из атошыя 5 - " р - состояний.

Пользуясь концепцией зонных представлений удается извлечь полезную информации о характере локализации собственных функций, принадлежащих к одной зоне,т.е. фактически о природе химической связи,ответственной за ппблюдаемуга зонную структуру.

Анализируя полученные таблица простых зонных представлений и картину зонной структуры ТС/е : можно сделать

следующие выводы: нижние четыре валентные зоны могут происходить как из 5 - состояний,тах и из рх рд -состояний Т(. и 5е ,но вероятнее происхождение этих зон из 5 состо-

яний.так как трудно представить расхождение зон происходящих из рх | Pg. ~ состояний за счет, кристаллического ноля в несколько эВ ( здесь разница между нижними зонами и последующей за ».ими Группой зон составляет 10 эБ ). Далее, так как энергетически s - состояния^ ниже чем s - состояния

Tt ; ,то мы предполагаем,что нижние четыре валентные зоны происходят из $ - состояний Sc , .Следующую группу из 2-х зон,из тех же соображений,полагаем оОьязанными своим происхождением 5 - состояниям Fe .Затем идёт большая группа из

10. зон.Мы полагаем.цто эта группа зон происходит иа* р -состояний атомов Tt, Fe и Se .Наконец,саше верхние две валентные зоны можно приписать 5 - состояниям Т€

Вышеизложенный анализ химической связи не всегда дает однозначный результат.Только расчет плотности валентных электронов для этих кристаллов можеть дать действительную картину химической связи,что и сделано в четвертой главе.

D четвертой главе используя метод специальных точек зоны Бриллюэна рассчитаны внуЪриаокная плотное ь состояний и плотность валентных электронов.

В Начале главы излагается методика нахождении специальных точек зоны Бриллюэни.По методу предложенному Смирновым ii.II. и Уварестовым P.A. найден следующий набор специальных.точек оонн Бриллюэна:

Kj t 0,0,0 ) , Kg ( 0,0,1/у ) ,

'•«3 ( -Т/->»1/2,0 :)-,. К4 ( l/j,, i/o,f/2 )-.

с равными весами

и •'

% С о,;/£.о ) , к,-. ( о, 1/р,i/o )

: весами >

o¿ - i ¡4

"a ■

координаты точек приведены в единицах 6. , 4 > £

• Л. 3

где

.-i :

i- > f;"' ^ ; '''i**)

базисные векторы обратной решетки, а £ , с (уЗ -параметры решетки ' ТЕ Fe Se^ : а = TI,973 А, £ = 5,49 А, с = 7,1*05 А, р -- И8,165°.

Используя найденный набор специальных точек зоны Брилл-юэна рассчитаны внутризонная плотность состояний и плотность валентных электронов.При этом,использовались псевдопотенциаль-инс! волновые функции полученные из зонных расчетов.

Плотность распределения валентных электронов вычисляется по формуле, . ' .... .

^ i** *

где cCj -весовые множители специальных точек зоны Брилл-гаэка , YhK волновые функции электронов валентной зоны. ' ' "

Из распределения плотности валентных электронов на плоскостях симметрии (OID ) »проходящих или через атокы яеле-за или через атомы и £е ,а так па вдоль направлений

Fe -Sefí) » Fe - £<? видно,что максимум

пло'шэсти заряда находится вблизи .что неудивительно

ввиду основного вклада Siг в общее число валентных электронов.Тем не менее,следа от комитет ных мостиков ft-.Sc

нроолежшшечся.в чо время как между атомами Т"£ вдоль

направлении [ iOo J ,а так же под углом 60° к ути-му направленны плотность заряда минимальна.Гас чет распределения [точности заряда на плоскостях проходящих через эти направления и перпендикулярных плоскости ( 010 ) показал,ччо на очих плоскостях плотность заряда в несколько раз меньше, чем на плоскости ( 010 ) проходящей через ачомы Т€ и Se Невидимому,оти плоскости являются плоскостями легкого скола, п результате которых образуются тончайшие ьолоеки.

Для того, побы проследить за изменением характера распределения 'заряда в аааисмюсш оч номера зоны,рассчитана зарядовая точность для отдельных групп налетных зон.Распределение плотности заряда налетных олекч-ронои для оч дельных зон и Tt Fi fe^ показывает: четыре самые нижние налетные зоны соответствуют поччи негибридизиронаииым

S - состояниям ачомон S« ,ч.е. принадлежат иесшиш-внющим есК'Юшшям.Валенчпые зоны { 5-6 ) и ( I7-.1B ) происходит,соочиетс.чиешю,' из $ - состояний атомов Fe и

те .

Таким обрааом.иолучешше результаты кахидклл ь r unut i-стиин с:'решулматами полученными по шпону эошшл «рид.'чан-лений.

• Расчеч иокаиывает.ччо uuuouhuö максимум! пн-ч-ограммы плотное'!и электронных еосчояиий находятся и слицующих то'.кал: - 1С ей и - 4,2 эй для ТС Fe

, - 16,2 aü И -4 oll для TCFe.Sj ( нуль онергии еооч'иечетоуеч- абсолютному максимуму наленчноР. . ашш ) .

осношм: й'луш'лтн и виводи

О-нонные выводи ди-еертяционной работы сводятся к следующему:

! . (.'«ч о дом псрхдопотрипиялп рассчитаны зонные структуры полупроводниковых соединений "Т( р€ ^^ и ~Т€ Ре ^ У> ляпов теме, что лги кристаллы являются непрямозонннми г.о-лупронодншсями.Вялеитнэя зона этих соединений постоит из четырех групп подзон.Первая подзона из четырех зон отп.але им о: других широким пнергетичееким запорем около *0 зВ. Подзоны,сое;оялш'1 из следующих валентных зон и елммх. иос-педних двух зен,''.тгка порекрыияюТ'-я с подзоной.состоящей из остальных '0 -и валентных зон.

7. Произведен анализ происхождения ионных-состояний из атомикм 5 и р - состояний с помощью метода зонных представлений Йака.Установлено,что нижние четыре валентные зоны происходят- из 4 - сотояний

-Следующая группа из двух зон обязаны споим происхождением $ " состояниям Ре. а елмно верхние две валентные зоны мо*ко приписать 5

состояниям ТЕ

'.>. Связь мекду чтомпм! Ре п $€ носит ковалентный характер с частичо ионным вкладом.Связь между атомами Т2 и Ре ■ , а тлкче медду атомами Т€ и Зе. носит ионный характер.

4. Плотное1ь заряда валентных электронов на плоскостях ( 100 ), про>-"дгаии:< мечду атомами Г-£ , а твкче на плоскостях т-рпищикулярных к .( О "О ) и состоя;, .г «них уголь 00° • с ( "Г») ) в несколько рял меньше,чем нп плоскости ( 010

" . проходящей через атомы 72 и S« .Повидимому,эти плоскости являются, плоскоетяш легкого скола.

Основные результаты диссертации опубликованы . ' в следующих работах: .

1. Оруджев Г.С..Джахангиров 3. А; «Струны непрерывности зон и зонная структура ТС ре ЛИ Всесоюзная конференция "Материаловедение халькогенидных полупроводников" г.Черновцы, J99I ,чЛ,с.240

2. Оруджев П.С.,Джахангиров З.А.«Гулиев Д.Г., Зонная структура ТС Fe S^ ' . . ДАН Аз.Республики, 199,1,

; : Т.Х1УП1 ,112,. •

3. Оруджев Г.С.,Алиева Н.А'. ¿Джахангиров 3.А., Зонные структуры Те Fe Se^ '■..:'«■■ TZ Fe и струны

. непрерывности зон.«Препринт П14.НП0 КИ .г.Баку,1991

4. Оруджев Г.С..Джахангиров З.А.,Гулиев Д.Г..Расчет онергети-ческих спектров и плотности электронных состояний кристаллов Те Fe SCj и TCFeSji . .Тезисы докла-

"дов-XXX Международной конференции "Материалы и химические превращения под давлением" ,г.Баху-1992,с.28

Ь. Оруджев Г.С. «Джахангиров 3.А., Расчет суммы одно-олек ipo;i-нух энергий и плотности электронных состояний методом специальных точек зоны Бриллюэна кристаллов Т £ F-c и ТС Fe. SA .Тезисы докладов У Республиканской

межвузовской конференции по физике , г.Баку-1992

6. Гешимзаде Ф.М.«Оруджев Г.С,«Джахангиров З.А.«Ргспределешю плотности валентных электронов в Tfife S^ ОТ,1993, т.ЗЬ, S7 \

' С ПгчУТ liiii. AI IIA____ • ' "

Гмку-ГГ) I, »p .Via.'i ил', -'ü