Электросопротивление, гальваномагнитные и магнитотермоэлектрические свойства монокристаллов тантала в области низких температур тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

о'г.

АКАДЕШ НАУК СССР УРАЛЬСКОЕ ОТДЕЛЕШИ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО КИЯьЕЛ КНСТЕПУГ «КЕЯКН КЕГШОВ

рпех^э гясггрсазнкьЗ ссвзт

эяЕКТРосопрстшлЕннв, гдяшно&штныз Н

иАГШГГОТЕК ГОЭЛлКТГЯЧГСКПП СВОЙСТВА конокрпсталеов ТМТАЛА В 05ЛАСТН НИЗКИХ ТПШЕРАТУР

01.04.07. - фзяка гсердого те.тя

Автореферат дассертацта на созсхгшв учокоЛ стгаега кандядчтз $пзпко - иатенатспесквг тук

На правзг рукописи

к37си пзтр рудольфоезч

1-вердловск 1590

/

РаОота Башдашна в даборгтораа незких тешератур Ордена Трудового Красного Зиаиаш Института физн;«; шталлов Уральского отдаления АН СССР

Научной руководитель - доктор фззйжо - штема'шческнх

наук В.2.СТАРЦЕВ

а^мдааяыгпа сплокеют - доктор (Еазшсо - ыатематачаскшс

гшук И ЛЛ. Инраялова доктор фазкко - шгедашческшс наук Д.Я.Кобелеь

Ведущая организация - Уральский пояитеиичгский институт

ьз. С.Ц.Кирове

Засзга диесгртаздла состоится " ^ " ноября г_

14

в часов на заседании Спацаалазлрованшго совета

К 0C2.03.QI в Институте фазиса ¡¿аталлов 1'р0 АН СССР

(620219, Свердяовск, ГСП-170, ул. Софьи Коэалевской, 18)

С диссертацией иокко ознакомиться в библиотеке Института Слзгпси иетаялов УрО АН СССР

Автореферат разослан " 2Э" 0КтдбРя гдед г<

Учрныа секретарь Сп е ц?л а ли заров а илего совета кандидат фаз.- шт. наук

В.Р.ГАЛАХОВ

03

5

ал

• ' • « У Га5

V М

..... \ / ГаJ

-к—

о 100 200 300

г,к

Рис.3. Теипературше зависимости коэффициента Холла монокристаллов Та-1 (90), Та-2 (260), Та-3 (600), Та-4(990), Та-5 (1510) при ориентации магнитного поля

Н н <Ю0>. В сковках указа

но отношение р

Ср

Н в <100>: 1

2.-Г0 КЗ; 3

Н=140 кЭ; 30 кЭ.

20

Рис.4. 1еьтературные зависимости относительного цагнитссопротивлешя образца Та-5 при орентации магнитного поля

£/0

Ю ¡0 Г,*

диетным Э4Р ь области "горячих пятен" листов ГН31» и нЗь ПФ это го металла (см. рисЛ). С увеличением концентрации примесей в металле возникавдее на них упругое рассеяние электронов изотро-пизирует <зг ., что должно проявляться в уменьшении либо исчезновении экстремумов в зависимости »Н(Т) и максимумов в температурной зависимости магнитоеопротивления 1ЛЮ1.

Как видно из табл.З, экстремумы в зависимостях кн(Т) и наблюдаются в том случае,когда величина ЭФ вклада в электросопротивление превышает остаточное сопротивление примерно в два раза (Та-3) и более (Та-4, Та-5).

Степень анизотропии межластного рассеяния электронов максимальна при температуре,при которой выполняется условие ч ~ (ч - величина волнового вектора поперечного фонона, дк - размер

цели в к - пространстве между листами ПФ). Поскольку в кн(Т) тантала Т1111и то ч = г^к^Т^^/пь, где 5 - скорость звука. Полученная из этих оценок Т^.^ в тантале согласуется с экспериментально наблюдаемой 20 К.

Анизотропия гальваномагштшх свойств образцов Та-3, Та-4

и Та-5 объясняется теп, что при Н « <100> анизотропное меклист-

иое МР через щель додаю проявляться сильнее, чем при ■>

Н « <Д0> (си.рис Л), поскольку в первом случае ситуация де-терииннрованная, а во втором, очевидно, стохастическая (площадь "горячих пятен" мала), и вероятность переброса носителя в атом случае не превышает 1'2 ШИ.

Сравнивая проявление эффектч ТП в кн(1) некомпенсированно-тантала с его проявлениями ь компенсировании* переходных ме-мллах «Л'31 отметим, что в тантале згот- эффект проявляется су-Шйетьеино слабее. Причина итого заключается, по - видимому, в той, что к]( компенсированного металла обусловлен в основном рассеяние«! носителей заряца, в том числе и ЗФР, тогда как и некомпенсированного металла определяется в основном разностью концен¡раций электронов и дырок.

Поведение зависимостей к)((Т) и образцов тантала

различной чистоты необходимо рассматривать с учет ом и л пни и эф--

п

ранее не изучался. В - третьих, измерения проводились на сер»!? образцов различной чистоты с однородный составом примесей, включая самый чистый в настоящее вреця образец с отношением со Противления р ,л/р0 = 1510. Это, с одкой стороны, дает воэ-иовшость провести измерения в "чистои пределе", ас другой -позволяет простелить в дянаыяке Елияипе прзиесей из различная механизма рассеяния носителей заряда.

Научная новизна работы состоят в том, что выполнено система тичёское экспериментальное исследование кинетических характеристик монокристаллов тантала различной чистоты как баз магнитного поля, так и в широком интервале эффективных магнитных полей с переходом из области слабых в область сильных колей с учетом локальных особенностей ПФ этого металла. При этом:

1. Исследована роль различных механизмов рассеяния носителей заряда в формировании электросопротивления тантала в "чистом пределе". Установлено, что определяющий иехатазном при этом является анизотропное иеклистное Э35Р в области "горячих пятен" на П5.

2. Исследован эффект ТП в некомпенсированном металле, который является тантал. Показано, что в некомпенсированном металле этот эффект проявляется слабее, чей в кошенсированвдх.

3. Впервые обнаружены проявлеггая эффекта Ш в тантале. Из экспериментальных данных оценено значение поля пробоя п величина энергии спин - орбитального расцепления в этсл иеталле.

Научная и практическая ценность полученных результатов определяется тем, что они развивают представления о природе кинетических свойств некомпенсированных переходных кеталлов со сяо-шшмя иногосвязшпя ПФ. Экспериментальные дашшо, полученные для тантала, иогут быть использована дал прсгкоззровашш результатов подобных экспериментов иа других металлах. Так, мояно ожидать, что в электронном и структурной аналоге тантала - ниобии - ЭФ вклад в низкотемпературную часть электросопротивления будет пропорционален У.озко таксе предполагать, что во всех некомпенсированных переходных металлах эффект ТП будет прояв-

ляться слабее, чей в компенсированных. Кроне тоги, результаты экспериментов в области сильных полей позволили оценить величину энергии спин - орбитального расщепления в тантале и таким образом скорректировать результаты расчетов гЛ6).

Апробация работы. Основные результаты, изложенные в диссертации, докладывались и обсуждались на Пятом Всесоюзном семинаре по низкотемпературной физике металлов (Донецк, 1987г.), конференции молодых ученых ИШ УрО АН СССР (Свердловск, 1990г.) и опубликованы в трех работах.

Диссертационная работа выполнена в лаборатории низких температур ИМ УрО АН СССР. Часть измерений проведена автором в Международной лаборатории сильных магнитных полей и низких температур (г. Вроцлав, Польша).

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитированной литературы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дано обоснование актуальности диссертации, сформулирована основная цель, обоснован выбор объекта исследований, дано краткое содернание по главам.

Первая глава содержит обзор теоретических и экспериментальных работ по изучению влияния различных механизмов . рассеяния носителей заряда на электронные транспортные свойства переходных металлов. Рассмотрены процессы рассеяния в отсутствие магнитного поля, в области промежуточных магнитных полей (ОПШ) и в области сильных магнитных полей.

Дано описание модели Пф тантала и ее локальных особенностей, а также фоконного спектра этого металла. Сформулирована постановка задачи.

В настоящее время не составлено полное представление об ЭЭ рассеянии в переходных металлах. Например, не имеет объяснения

тот ®акт8 что величина вклада в электросопротивление, связанного с 33 столкновештш,, а 3«5- п 4а- (взтаялах праиэрно ка порядок вине, чем в 5«1- металлах Ша. В то заз крггя этот вклад существенно различается по галичине и дли мотаяяои ра?ннх групп Периодической системы злекектоз СЛ31. Для объяснения этого факта необходимо получение новик экспзршюнталышх данных.

В результате кзчеренпа температурных зависимостей электросопротивления ,->(?) металлов пятой группа Периодической системы разннии автораш! было обнаружено, что вклад Э£ рассеяния в р(х) при Т -я в (в - тегаература Д'эбая) ке соответствует заколу Блоха. При этой разидеа автор««!? (см., напр., 1Л7-Л91) предлагаются различные кехешзкн ЭЙР пра кззквх температурах в соответственно различные степашше занягапсостн р3^(Т) . Что касается тантала, то в большинство случаев измерения били выполкени в "грязном пределе*, что не давало возгшшюсти ответить на вопросы, каким? кехаинзиакн определяется Эй? и каксП вид зависимости РЭф(Т) присуп! атому металлу.

Для исследования аилзотропен ЗчР вводятся дополнительные параметры - величина и направление магнитного поля. В условиях магнитного поля и низких тенператур в гальваксыагнитных свойствах переходам металлов могут проявляться ТП, обусловленный анизотропный иежлистиым ЭФ?, и Ш, представляющий соЗоЛ гффзкт квантового ?у1шелировош1я электронов проеодешостег через энергетическую цель в электронном спектре металла под дейстЕиеы магнитного поля. При этом когут тлеть ыесто перестройка электронных траекторий, элективная раскоыпенсация и другие эффекты.

ТП проявляется в СШП (ыт ~ I). В соответствии с (ЛИП этот эффект сопровождается появлением экстремумов в температурной зависимости коэффициента Холла кк(1") и иаксимуиов в температурной зависимости относительного малштосопротивления.

Эффект МП проявляется в области сальных магнитил* полей («.т . • I), Из металлов пятой группы ИераодическоЛ систем И1 обнаружен в ванадии 1Л-И ц ниобии 1Л51. Одняко в гачтаяе, «<ото-рий является электронный н структурлш аналогом ванадия и нпо бия, МП не наблюдался« В связи с этим встает задача исследования кинетических коэффициентов монокристаллов тантячн в ебчясти

сильurn. полей с целью поиска эффекта ЫН.

Модель ПФ тантала состоит из дырочных листов, образованных сшлоякыиьи второй и третьей зон Бршшззна. На рис. 1а и б показаны центральные сечения II® этого металла плоскостями (100) ы (ПО), соответственно. Здесь es указаны характерные яокалыше особакности! вдаль Д*^ цевду открытой поверхностью ГНЗи и эллипсоидом нЗ»> и щель дк2 мекду той не поверхностью ГНЗь и октаэдров Г2п, обусяовлешгая скятиеи спей - орбитального вырождения в электронном энергетической спектра тантала.

Во второй главе приведены характеристика исследованных образцов, описаны использованные экспериментальные иетодики, сис-теиы контроля и стабилизации температуры, источники постоянного ыагннгного поля.

Исследовалась серич конокристаллаческих образцов тантала с отношением сопротивлений ^г73гк^Р0 от 90 до 1510 с однородным составим прнывсей во всех образца!. Измерения проводились на брусках и пластинах. В магнитном поле одновременно измерялись эдс Холла и падение напряжения вдоль образца.

Эксперименты выполнеки в области тешератур 4,2 - 300 К и в магнитных полях до 150' кЭ. При. исследовании угловых зависимостей кинетических характеристик в магнитном поле образцы ыогли врываться вокруг своей продольной! оси на 360°. Параметр "т се-никоя в процессе измерений от 0 до 30.

Третья глава. При исследовании зависимости р(1) тантала рг13ныгл1""аьтораШг"предлагаются различные формулы для ев описания. Так, в IЛ7j предлагается выражение вида

р(Т) = Ро+ аТ?'+'сТ4, (I)

где i-u- остаточное сопротивление, аТ2- ЭЭ и электрон - фонол -приииышй вклад, 34> вклад. Другие авторы 1Ла,Л91 предлагают формулу

р(Т) = Ро+ ВТЭ+ СП5, (2)

где третье слагаемое обусловлено мекзонным рассеянием эдектро iii«а иривидлипсти, в четвертое - енутризонныи рассеянием.

В данной главе изложни результаты исследований (Т) ионо-

гт

1'иоЛ. Центральный сечения поверхности ®ерии тантала: (а) - плоскость» (100); (б) - плоскость» (ПО).

Ьтлс.г. Температурная зависимость электросопротивления образца Та-5 в координата» (р - >> )•''& от Т?'.

кристаллов тантала различной частоты. При этой искались отьвти на вопроси; I) каков вклад ЭЭ в 34 рассеяния в формирование р (X) этого металла в "чистое пределе"? 2) какова при этой роль ыешшстнн* процессов ЭФР ? 3) какой вклад в р(Т) вносит рассеяние электронов проводимости на тепловых колебаниях приьшсных атоыов ?

С цельи опрзделения вида низкотешературной части р(Т) ре-¡»уяьтиты измерений для каадого образца били построена в коорда нотах (р - ри от Т2. Для всех исследованиях образцов результата пзиерйний укладываются на прямую подобно тоиу, как показано на рис,2 для Та-5. Таким образом, электросопротивление всех образцов при Т « &в изменялось по закону (I). Значения ко-а^флциентов а и с для кавдого образца,полученные с помощью графической обработки результатов измерений,приведены в таблице 1.

Таблица I

Характеристика всследовашшх образцов тантала и результаты расчета коэффшдеентов а в с в р(1) по форгиуле (I)

Образец ро- 1010,0м-м а-1014,0м-и-К~2 с ■Ю^.ОИ'М-К-4

•Та-1 14,10 16 1 I ' 2,60 £ 0,05

Та-2 4,75 II ± I 2,44 ± 0,05.

Та-З 2,07 10 ± I 2.40 ± 0,05

Та-4а 1,33 7 ± 2 2,60 ± 0,05

1(1-4 1,25 7 1 2 2,65 + 0,05

'Га -56 1,00 513 2,53 ± 0,05

Та 5а 0,90 Е 1 3 2,54 г 0,05

и-5 0,82 4 ± 4 • 2,50 1 0,05

Ыд шзкотешерятурной части р(Т) определялся также и с иоио^ью ЭШ. Кол14ыщ1енты л и с, а такие значение и , рассчи-■«тнне но форцуле (I), дяя каидого образца совпади в пределах погрешности с результатами графической обработки (си. табл.1). Значения ко^цциентов А,В и С и остаточного сопротивления г , ¡1Ьсл; штанные пи Формуле (2), приведены ь таблице 2 наряду с дяшшш 1Л9К

Таблица 2. Отяосзшз ^273,2х/Po а Р-зуяьтати расчзта Бодпташ ро, А, В, С в р(1) тантала по формула (2) а даника разках авторов

Интервал P273.2S Ро'*010' A-IO14, В-»", C-IO17. Работа

тшпорагур -Ро Ой-ti Оа-ы-К Ои.ц-ИГ3 Ол-a-íT

666 1,81 17,1 1,65 9,58

5,3 - 20,5 К 1052 1,03- -18,6 1,20 9,03 [•и]

im 0,86 -=68,9 ?¿I6 5,21

2,6 - 19,6 К 1Мб 1,03 ± 0,01 5 ±3 1,5 ¿ 0,2 7,2 í 0.1

- 1333 о,so ± 0,01 13 ± б 1,1 - 0,2 7,3 ± 0,1

90 14,21 -56,0 7,60 2,58

260 4,86 -44,5 6,43 3,24

600 2,16 6,21 2,63

4,2 - 25 К 930 1,45 - 31.5 5,16 4,44 ' Насг.

990 1,37 6,76 2.97 psôoïa

1240 1,12 -50,3 6,16 3,51

1380 1,00 -24,2 4,29 5,29

15X0 0,89 -22,9 4,04 5,27 -

1Ь п-блЛ гадко, уса зеллиша козйидаяигс и прл ЧГ уизкь-¿шлась о пантоядои остаточного сопротаавашш ро. Уиеньшнае зиизеша а с поналешзн шнцгнтрацаа припасен свидетельствует о тоа, что зшчагеяыш! чгеть квадратичного по температуре вклада а такта ль связана из с ЗЭ етодккоагззиша, о с ргюселшеи злактрииозз щ^оджлос!'^ теологах катлбагшях стскоь прайс сей. При достаточла акачениях р овгаСка при иэьирешш коз^фз-кзеша «* ккзет парад:»: оспой велпчшш Тозии образов, вклад от ЭЭ столкновении и тантала не превшее? 4-10 14 Ои-и-[£"Ч Это»' вклад в тантале цо крайней иере на порядок иеньшг, чей в его алектроиком я стууктурнои аналоге - винадои.

Иная ситуация наблэдается для коз:Цащ1ента с при Как

ылдно из таблЛ, его величина с поиенешеы чистоты образцов остается постошшои. Это свидетельствует о той, что вклад «Л'"* в р(Т) тантала не связан с причесана и является характерной особенности его как цатаядь. В то ва время из табл.2 видно, что в результате обрьботка результатов измерений зависимости р(Т) по формуле (2) ьэл;ллш коэффициентов В и С существенно изменялись с изиенашши частота образцов. Аналогичное поведение козффацз-

ектои В и С наблюдалось.и в 1ЛЭ1. Это свидетельствует о той, 3 5

что взслада В'Г и СТ на прасуцд зависимости р(Т) чистого тантала, а сам факт изкалешя значений В и С с чистотой образцов указывает ли то, что шракекае (2) неприменимо для описания за-ьисодости р(Т) зюго матглла. Кроме того, при обработке по фор-иулш (2) значения коз^фццнента А для всех образцов в даннсь. работе а дш1 некоторых соразцон в 1ЛЫ сказгшюь отрицательншэ, что евлкетея неЗазическам разультатоц.

Происхождение сдагаьшх В'Г3 и СТ° связано с предполохешя-о дебаеьскоа фошжнои спектре и квадратичном изотропной законе дашероиц электронов проводимости. Поскольку ПФ тантала существенно ышэспрошп, а фошишнй спектр далек от дебаевско-пирате 1ше-(2) нснриыемыо длн описания р(Т) этого металла. Причина того, что й4 вклад в р(Т) тантала пропорционален Т . идее? Суть свнаали с судостшчмшиек нпдуцврьяашшх фононаиа

шр&йросов носителя амида ь I ■■ пространстве через щель лк «ладу шстйсы ГЯЭи и ьй»« ¡[3 этого иаталла (си. рпиЛ). "Горячие

!г;

пятна" з »дзетах изксиналыюго сЗлииения листов ПСЗь ц мЗь ввля-атся эффективными стоками для ишульса из электроннсЯ слете-!.1!! цеталла по двум причинам. Во - первых, перебросы электронов з области этих "горячих пятен" сопровождается сильным изменение» (сараевской скорости ¿V % (на обратную по направленна), поскольку перебросы происходят иеяду однотипинма (дырочшк!) листэг.а ПЗ. Во - втерях, в силу слйбой анизотропия ¡цели д1с1 я плоскости ГиН (сн. рис.1а) площадь "горячих пятен" в районе этой ¡цела сравнила с общей площадью листов пЗь. 3 силу итих причин вклад увклн'стного Э5Р является прэобладлвг'/ш и определяет вид р(Т) тантала.

В четвертой главе изложены результата измерений тешера-туршх зависимостей коэффициента Холла и иагнитосопротивлешя монокристаллов тантала различной чистоты в ОПШ (о т ~ I). При этом искались ответы на вопросы: I) какова роль геометрии ПФ в анизотропией цэклжтном ЗФ? в тантале ? 2) как проявляется э^ фзкт ТП в гальваномаиштннх коэффициентах иекошеисировашюго тантала з сравнении с кошенсировашоп-и переходными иеталлама ? .3) какое влияние оказывает на этот эффект увеличение кенцентра-здш примесей *? 4) как проявляется в поведении гальваномагнитных свойств тантала переход из области слабых в область сильных нагннтшм полей ?

В области сильных магнитных полей при направлении цагнит-

ного поля Н вдоль кристаллографической оси <100> в тантале реализуется детерминированная ситуация: вероятность переброса носителя заряда иекду листами ГНЗь н нзн ГО цогсет бить близка к I ШИ. В такой геометрии эксперимента (см. рясЛа) в случае переброса нейду указанными лнетаия П<3 носитель заряда, продолиая

свое двинение по циклотронной орбите в к - пространстве, на покидает область "горячего пятна", а движется в обратном направлении и вновь проходит эту область. При этой он монет быть еще раз переброшен через щель лк^, и так несколько раз, Из-за слабой анизотропии щели лк( в плоскости ГиН площадь "горячих пятен" листов ГНЗь и МЭИ велика, и вероятность переброса носителя

меиду ними иокет бить близка к I.

На рис.3 показаны температурные зависимости коэффициента Холла кн(Т) ионокристаллов тантала различной чистоты (см.

табл.3) при Н и <100>. Видно, что в зависимостях кц(Т) трех на-

Таблица 3

Некоторые характеристики исследованных образцов тантала

Образец Р 273,ZK • Ориентация магнитного Р^(РЖ) РэфШК) .

ро поля ро ро

Та-1 90 <Ю0> <П0> 0,3 4,7

Та-2 260 <Г00> 0,9 13,2

Та-3 600 <100> <И0> 1,8 29,3

Та-4 990 <Ю0> 3,4 54,5

Та-5 1510 <Г00> <П0> 5,0 78,0

иболее чистых образцов Та-3, Та-4 и Та-5 при температурах около

20 К наблвдались отчетливые шнимуш. При Н и <П0> вид зависимостей R„(T) всех исследованных образцов идентичен виду R„(T)

Н п

образцов 1а-1 к Та-2 на рис.3 (минимумы отсутствовали). Были такке измерены температурные зависимости ыагкитосопротивления

образцов тантала различной чистоты (см. табл.3). При Н и <100>

в трех наиболее чистых образцах Та-3, Та-4 и Та-5 при Т « 20 К

-»

в зависимостях Др„(Т)/р наблвдались максимумы. При Н » <П0> Н о

максимумы в зависимостях üph(TVpo отсутствовали.

Согласно (ЛШ экстремумы в температурных зависимостях гальваномагнитных коэффициентов могут наблюдаться вследствие анизотропии неравновесной части функции распределения электронов <5f¡>. В тантале анизотропия <5f¡» иокет быть обусловлена мект

10 ---...--- т—- ----

ИЗ VI *. * » . ч* • , Н5 •

Рис.3. Температурные зави-

Га 4 симости коэффициента Холла

5 до к монокристаллов Та-1 (90),

Та-2 (260), Та-3 (600), Та-4(990), Та-5 (1510) при

го иг Та! ориентации магнитного поля л Н И <Ю0>. В скобках указа

ол ДО /........'■'••••.. но отношете р /р . г-,э.гк о

09

А юд " т м

го

Р1ю.4. Чеыпературше зависимости относительного магнитосопротивлегая образца Та-5 при орентации мапштного поля

[1 II <100>; I - Н=140 кЭ; 2,- 70 кЭ; 3-30 нЭ.

О

листшм ь области "горячих пятен" листов ГНЗь и нЗи ПФ это ■ го металла (ей. рис.1). С увеличением концентрации примесей в металле возникающее на них упругое рассеяние электронов изотро-пизирует «г-«, что должно проявляться в уменьшении либо исчезло-веши экстремумов в зависимости КН(Т) и максимумов в температурной зависимости иагнитосопрогивления Ш01.

Как видно из табл.3, экстремумы в зависимостях КНШ и наблюдаются в том случае.когда величина ЭФ вклада в электросопротивление превышает остаточное сопротивление примерно в два раза (Та-3) и более (Та-4, Та-5).

Степень анизотропии ыаклистного рассеяния электронов максимальна при температуре,при которой выполняется условие ч * дь (ч - величина волнового вектора поперечного фонона, лк- - размер

щел»1 в к - пространстве мевду листами ПФ). Поскольку в КН(Т) тантала ТВ11|1« то пк(= ц = гпкцТ^^/ьх, где и - скорость звука. Полученная из этих оценок Т и в тантале согласуется с экспериментально наблюдаемой 20 К.

Анизотропия гальваномагнитных свойств образцов Та-3, Та-4

и Та-б объясняется тем, что при Н и <100> анизотропное иемшст-пое ЭФР через щель ^к должно ' проявляться сильнее, чем при

И « <110> (см.рис.1), поскольку в первом случае ситуация де-чермишровашюы, а во втором, очевидно, стохастическая (площадь "гор.ччих пятен" мала), и вероятность переброса носителя в атом случае не превышает 1-'2 ШИ.

Сравнивая проявление эффект« ТП в *Н(Т) некомпенсированного тантала с его проявлениями ь компенсированных переходных ые-тиллах Ш1 отметим, что в твнтале 31'от эффект проявляется су-«цеслвенко слабее. Причина этого заключается, по - видимому, в том, что к^ компенсированного металла обусловлен в основной рассенниеы нистедеи заряца, в том числе и ЗФР, тогда как и некомпенсированного металла определенен в основном разностью коицешраццй илекцюнов и дырок.

Поведение зависимостей к„(Т) и ^¡¡-'р,, образцов тантала различной чиглоты кеобиошшо рассматривать с уче/ым вниния зф-

К

фективного магнитного поля НЭф. Анализ показывает, что положение минимумов в кн(1'> (си. рис.3) приходится для разных' образцов на одно и то не значение Н^. На рис.4 изобрети зависиио-сти образца Та-5 в разных по величине магнитных по-

лях. Оценки показывают, что ыаксинуш в зависимостях ьрн(1)/'ри приходятся на одно и то не значениие ы т ъ 4, что соответствует переходу от слабых (си « I) к сильзшм («_т » I) эффективный магнитным полям.

Таким образом, зкстремуш в температурных • зависимостях гальваномагнитных коэффициентов тантала в О ГИЛ могут быть обус-ловлезш одновременно проявлением эффекта ТП и переходом из области слабых в область сильных магнитных полей.

В пятой главе представлены результаты исследований иагни-тосопротивления, коэффициента Холла и магнитотермоэдс монокристаллов тантала различной чистоты в области сильных магнитных полей. При этом решались следуюгцие задачи: I) установить, что будет происходить с минимумом в зависимости КН(Т) в области сильных полей; 2) исследовать возможность эффекта МП в тантале.

На рис.5 показан вид зависимостей ^Н(Т) образцов тантала различной чистоты в поле 140 кЭ. С увеличением Н , величина

а(Т) возрастает при Н и <Ю0> и уменьшается при Н и <П0>. Возрастание 1'.н с ростом объясняется геометрической раскоы-пенсацией, которая заключается в появлении на открытом дырочном листе ГНЗь замкнутых орбит электронного типа (см. рис.1а). При ■31011 эффективная концентрация носителей составляет 0,43 дыр/а т.

Уиеньшение значения с ростом Ндф при Н « <П0> таюсе связано с переходом к сильным эффективным полям.

Минимум в зависимости КН(Т) при Я и <П0> в районе Т 20К с возрастанием величшш приложенного магнитного поля сдвигается в сторону более высоких температур и уменьиаетея по величине .до полного исчезновения, что является следствием геометрической раскомпенсаими, Таким образом, выделить экспериментальным путем только один механизм, ответственный за образование минимума в зависимости КН(Т), не удается, поскольку причиной его существо-

№ 14 А1 М

Рис.5. Теипературные зависимости коэффициента Холла об-разцоь тантала с различные содержанием прииесей в поле И = 140 кЭ:

А - Та-1 (90); й - Та-2(260); К - Та-З(бОО); о - Та 4(990); о - Та-5(15Ю). В скобках указано отношение р /р .

№ ?« № «

«Ч |

1Ш

им

т

. .л. ..

я

......I.

Н.кЗ

М

1ш ь, Иолеьаи аашсииость производной и&гштоооиротишшшй

>

ири Н н <П0>.

вания всегда может являться как з#екг ТП, так и переход ог слабых магнитных полей к сильным.

Из рис.5 видно, что в зависимости «Н(Г) образца Та-5 образуется максимум при Т < 10 К. Наиболее вероятным объяснением зтого является МП иевду листами ГНЗн и Г2ь ПФ через щель лкг, обусловленную снятием спин - орбитального вырождения в электронном энергетическом спектре тантала (см. рис.1а). При этом в +

к - пространстве в плоскости ГШ возникает сетка МП траекторий. Эффект МП, сопровождающийся появлением открытых траекторий, конкурирует с эффектом геометрической раскомпенсации, связанным с образованием замкнутых электронных траекторий на дырочном листе ГНЗь. В результате конкуренции этих двух механизмов, один из которых приводит к возрастанию, а другой - к уменьшению значения с увеличением Ндф, и образуется максимум в зависимости

«^(Т) при Н « <100> (см. рис.5).

Зависимость Ар„(Ю'р при Н я <П0> в полях до 70 кЭ имеет

п о 4

вид кривой с насыщением, а в полях свыше 100 кЭ - вид степенной функции. Переход от насыщения к квадратичной по полю зависимости хорошо виден ня рис.6, на которой изображен вид производной магнитосопрогивления по полю Н как функции Н.

Согласно Ш21 изменение асимптотики полевой зависимости иагнитосопротивления является одним из доказательств существования МП. При этом в тантале в данной геометрии эксперимента в

"допробойной" ситуации в к - пространстве существуют орбиты, открытые в двух направлениях: <Ю0> - основная и <И0> - вторичная (си. рис.1б). Магнитосопротивление в этом случае стремится к насыщению. В результате МП между листами ГНЗь и Г2ь ПФ орбиты, открытые в направлении <Ю0>, могут переходить, в замкнутые. Тогда открытыми остаются орбиты, параллельные направлению

^ *

тока в к - пространстве, что приводит к квадратичному по И возрастанию иагнитосопротивления.

Величина энергетической щели, через которую мотет происходить МП и которая обуслся хека спин т орбитальным взаимодействием, была рассчитана в ша и составила в направлении л зоны

Бриллюэна 0,08 эВ. Тогда поле пробоя должно быть приблизительно 70 кЭ. Однако в настоящей работе оценка поля пробоя, полученная из эксперимента, дает значение Но* 900 кЭ, что значительно превышает максимальное магнитное поле 150 кЭ, достигавшееся в процессе измерений. Такому значению Но соответствует энергия спин-орбитального расщепления д£ * о,3 эВ.

ВЫВОДЫ

Проведено систематическое экспериментальное исследование кинетических характеристик монокристаллов тантала с различной концентрацией примесей однородного состава,в том числе наиболее чистых в настоящее в, зпя мококристалпов этого металла. Выполнены измерения электросопротивления, гальваномагнитных свойств в широком интервале эффективных магнитных полей с переходом из области слабых в область сильных полей, а также угловых и полевых зависимостей магнитотермоэдс в области сильных полей. Полученные экспериментальные результаты позволяют сделать следующие основные выводы:

1. Вклад ЭЭ рассеяния в низкотемпературную часть электросопротивления тантала не превышает 4-I0-14 0м м-К~2, что по крайней мере на порядок меньше, чем в его электронном аналоге -ванадии.

2. Основным механизмом рассеяния, определяющим поведение зависимости р(Т) тантала в "чистом пределе",является анизотропное ЭФР в области "горячих пятен" мекду листами ГНЗь и иЗь ДФ этого металла. Вследствие этого в отличие от большинства других металлов вклад ЭФР в низкотемпературную часть зависимости р(Т) пропорционален Т4.

3. В 0ПМП (« т - I) в температурных зависимостях гальваномагнитных коэффициентов тантала обнаружены экстремумы, имеющие ярко выраженный анизотропный характер. Минимумы в зависимости rh(T) и максимумы в зависимости Дрн(Т)/ро, проявляющиеся в тантале при Н II <Ю0>, могут бить обусловлены одновременно двумя механизмами. Первый из них - индуцированные фононами перебросы

гт

. Центральные сечения поверхности Ферии тантала; (а) - плоскостью (100); (б) - плоскостью (110),

Рис.2. Температурная зависимость электросопротивлении образца Тэ-5 в координата!: (р - р от I2.

кристаллов тантала различной чистоты. При этом искались отьети на вопроса: I) каков вклад ЭЭ и ЭФ рассеяния в формирование р<Т) этого начата в "частой пределе"? 2) какова при этой роль иешшстнах процессов ЭФР ? 3) какой вклад в р(Т) вносит рассеяние электронов проводимости на тепловых колебаниях пршщсных атоиов ?

С цельа определения вида ннзкотешературной части р(Т) результаты избраний для кандого образца были построены в координатах (р - р0)/г^ от Т2/ Для всех исследованных образцов результаты измерений укладываются на прямую подобно тому, как показано на рис.2 для Та-5. Таким образом, электросопротивление всех образцов при Т « в изменялось по закону (I). Значения коэффициентов а и с да каждого образца,полученные с пошмцыо графической обработки результатов измерений,приведены в таблице I.

Таблица I

Характеристика исследованных образцов тантала и результаты расчета коэффициентов а и с в р(Т) по формуле (I)

Образец ро-1010,0м-и а-1014,0м-Ы'К~2 с Ю15,0ыиК 4

•Та-1 14,10 16 I 2,60 + 0,05

Та-2 4,75 II £ I 2,44 0,05.

Та-3 2,07 10 + I 2.40 + 0,05

Та -4а 1,33 7 2 2,60 + 0,05

Ть-4 1,25 7 Ч 2 2,65 + 0,05

Та-50 1,00 5 4 3 2,53 4- 0,0Ь

Та-5в 0,90 К Ч 3 2,54 г 0,05

Та-5 0,82 4 + 4- 2,50 Ч 0,05

Ыд низкотемпературной часта р(Т) определялся также и с ионии,ь» ЭШ. Коэффициенты а и о, а также значение р , рассчи-танине по форцуле (I), для кавдого образца совпали в пределах силрешсости с результатами графической обработки (сы. табл.1), значения кол^адаентов А,В и С и остаточного сопротивления р , рассчитанные по формуле (2), приведет в таблице 2 наряду с дыашии IЛ91