Диплом, курсовая, контрольная работа
Помощь в написании студенческих работ

Кинетические явления в кристаллах HgSe, содержащих примеси железа со смешанной валентностью

Диссертация: Кинетические явления в кристаллах HgSe, содержащих примеси железа со смешанной валентностью
ДиссертацияПомощь в написанииУзнать стоимостьмоей работы

Может быть объяснен уменьшением вероятности рэлеевского рассеяния фононов на пространственно коррелированной системе ионов Ре3+. Исследовано влияние межпримесных кулоновских корреляций в системе ионов железа со смешанной валентностью на теплопроводность кристаллов8еТе при низких температурах. Вычислено время релаксации фононов на коррелированной системе ионов железа Ре3+. Показано, что рост… Читать ещё >

Содержание

  • ГЛАВА 1. Физические свойства кристаллов ЩБе, содержащих примеси железа со смешанной валентностью. Литературный обзор
    • 1. 1. Зонная структура и примесные состояния в полупроводниках АПВУ
    • 1. 2. Особенности физических свойств твердых растворов ^8е:Ре
    • 1. 3. Два варианта модели короткодействующих корреляций
    • 1. 4. Время релаксации электронов в кристаллах
    • 8. е:Ге при рассеянии на коррелированной системе ионов Ге3+ и сплавном потенциале
      • 1. 5. Влияние хаотически распределенных примесей на явления электронного переноса в кристаллах
    • 8. е:Ре, Оа
      • 1. 6. Термоэлектрические и термомагнитные эффекты в вырожденных проводниках
      • 1. 7. Увлечение электронов фононами
      • 1. 8. Зависимость термоэдс и поперечного эффекта НЭ от температуры и концентрации железа в кристаллах
    • 8. е:Ре
  • ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
  • ГЛАВА 2. Пространственные корреляции и механизмы релаксации электронного импульса в системах со смешанной валентностью
    • 2. 1. Введение
    • 2. 2. Время релаксации электронов в кристаллах8е:Ре при учете сплавного рассеяния
    • 2. 3. Пространственные корреляции и парциальные функции распределения системы примесей железа со смешанной валентностью
    • 2. 4. Подвижность электронов и нарушение правила Маттиссена для рассеяния электронов на системе со смешанной валентностью Ре3±Ре2+
    • 2. 5. Выводы
  • ГЛАВА 3. Влияние хаотически распределенных примесей галлия на пространственное упорядочение в системе ионов железа со смешанной валентностью в кристаллах Н?8е:Ре-Оа
    • 3. 1. Введение
    • 3. 2. Легирование кристаллов Н^Бе^е хаотически распределенными ионами галлия
    • 3. 3. Результаты экспериментальных исследований поперечного эффекта Нернста-Эттингсгаузена
    • 3. 4. Время релаксации электронов в кристаллах
    • 8. е:Ре, Оа
      • 3. 5. Расчет поперечного эффекта Нернста-Эттингсгаузена для кристаллов
    • 8. е:Ре, Оа
      • 3. 6. Обсуждение результатов
      • 3. 7. Выводы
  • ГЛАВА 4. Ослабление рассеяния фононов пространственно коррелированной системой ионов железа и низкотемпературные аномалии термоэдс и теплопроводности в кристаллах Р1?8е:Ре
    • 4. 1. Введение
    • 4. 2. Термоэлектрические явления в кристаллах Р^Бе.'Ре, содержащих примеси железа со смешанной валентностью
      • 4. 2. 1. Результаты эксперимента
      • 4. 2. 2. Диффузионная и фононная составляющие термоэдс
      • 4. 2. 3. Рассеяние фононов на коррелированной системе ионов Ре
      • 4. 2. 4. Обсуждение результатов
      • 4. 2. 5. Влияние взаимного увлечения на термоэдс в кристаллах Р^е^е

Кинетические явления в кристаллах HgSe, содержащих примеси железа со смешанной валентностью (реферат, курсовая, диплом, контрольная)

Интенсивное развитие технологий требует постоянного поиска материалов с новыми физическими свойствами. Активность исследователей в этой области с каждым годом растет, появляются новые классы соединений, такие как манганиты, органические проводники, фуллериды, нитриды галлия, нанокристаллы. В связи с этим особую актуальность приобретает понимание на фундаментальном уровне физических процессов, происходящих в этих соединениях. Одно из центральных мест в физике конденсированного состояния занимают исследования электронных процессов в неупорядоченных системах. В частности, значительный интерес для микроэлектроники представляет задача о пространственном упорядочении заряженных центров и его влиянии на кинетические явления в полупроводниках. Модельными системами для рассмотрения этих процессов могут служить достаточно хорошо изученные узкощелевые и бесщелевые полупроводники. Среди таких веществ следует выделить твердые растворы на основе халькогенидов ртути, обладающие целым рядом уникальных свойств.

Исследование рассеяния носителей тока и фононов на заряженных и нейтральных в решетке примесных центрах в металлах и полупроводниках является одной из фундаментальных проблем физики твердого тела. Несмотря на многочисленные работы в этой области, остается ряд нерешенных вопросов, связанных, например, с влиянием резонансных примесных состояний на механизмы релаксации импульса электронов и фононов. Кристаллы на основе селенида ртути, легированные переходными элементами (такими как железо, хром, кобальт) являются удобной модельной системой для решения таких задач. Исследование кинетических явлений в них интересно как с фундаментальной, так и с прикладной точек зрения. Отличительной особенностью этих соединений является то, что примеси переходных 3¿-/-элементов создают резонансные состояния на фоне сплошного спектра зоны проводимости. С ростом содержания примесей уровень Ферми стабилизируется на резонансном ¿-/-уровне, что приводит к возникновению необычного состояния — состояния со смешанной валентностью из ионов переходных элементов. Кулоновские межпримесные корреляции приводят к пространственному упорядочению положительных зарядов в системе примесей со смешанной валентностью. Этот эффект обусловливает существенное ослабление рассеяния электронов проводимости на примесях и проявляется в необычных зависимостях кинетических эффектов от содержания легирующей примеси и температуры.

Изучение пространственных корреляций в системах со смешанной валентностью важно для объяснения природы аномального характера физических свойств этих соединений. Кристаллы Н§ 8е:Ре более удобный объект для исследования роли межпримесных кулоновских корреляций, чем другие системы со смешанной валентностью. Во-первых, ионы Ре2+, замещая в узлах кристаллической решетки не нарушают спектр зонных носителей тока, а приводят только к сплавному рассеянию из-за разности потенциалов ионов железа и ртути. Во-вторых, этот потенциал локализован в элементарной ячейке, поэтому вклады в рассеяние электронов на нейтральных центрах и коррелированной системе ионов Ре3+ могут быть разделены. В-третьих, определение вклада в рассеяние на ионах Ре3+ в кинетические характеристики этих кристаллов позволяет определить степень упорядочения в зависимости от концентрации примесей железа и проследить изменение упорядочения ионов Ре3+ с температурой. Поэтому исследование межпримесных кулоновских корреляций именно в бесщелевых полупроводниках Н^БегРе может оказаться полезным при изучении пространственного упорядочения в других системах со смешанной валентностью (например, манганитах лантана).

Круг наблюдаемых явлений очень широк и многие из них пока что не находят не только количественного объяснения, но даже на качественном уровне не имеют однозначной интерпретации. Последовательный подход к решению этих проблем и определяет актуальность темы диссертационной работы как с фундаментальной, так и практической точек зрения.

В связи с вышеизложенным мы предприняли работу, целью которой было исследование влияния межпримесных кулоновских корреляций в системе примесей железа со смешанной валентностью на кинетические явления в кристаллах Ь^8е:Ре при низких температурах.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения.

4.3.5. Выводы.

Проведены исследования термоэдс и теплопроводности на образцах Щ8е: Ре с различным содержанием примесей железа в интервале температур 8 -60 К:

• объяснен экспериментально обнаруженный аномальный рост величины.

18 термоэдс в интервале концентраций примесей железа 5−10 < 7Уре < (1 -2)-1019 см" 3 при Т < 12 К. На основе расчета диффузионных и фононных (связанных с эффектом увлечения) компонент термоэдс от температуры и содержания примесей железа показано, что аномальный рост величины термоэдс обусловлен вкладом от эффекта электрон-фононного увлечения и.

125 может быть объяснен уменьшением вероятности рэлеевского рассеяния фононов на пространственно коррелированной системе ионов Ре3+. Исследовано влияние межпримесных кулоновских корреляций в системе ионов железа со смешанной валентностью на теплопроводность кристаллов8еТе при низких температурах. Вычислено время релаксации фононов на коррелированной системе ионов железа Ре3+. Показано, что рост степени пространственного упорядочения ионов железа приводит не только к росту величины термоэдс, но также к заметному увеличению решеточной теплопроводности в том же интервале температур и концентраций примесей железа. Таким образом, эффект ослабления рэлеевского рассеяния фононов является физической причиной низкотемпературных аномалий термоэдс и теплопроводности.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В результате проведенных исследований можно сделать следующие выводы:

• развит метод расчета парных корреляционных функций распределения для систем со смешанной валентностью с учетом межпримесных кулоновских корреляций. Этот метод позволил проанализировать пространственное перераспределение зарядов в системе ионов железа Ре3±Ре2+ в кристаллах Р|?8е:Ре. Установлено, что кулоновское отталкивание положительных зарядов на ионах железа приводит не только к пространственным корреляциям в системе заряженных центров, но и к коррелированному расположению нейтральных центров относительно заряженных.

• Показано, что пространственное упорядочение трехвалентных ионов железа приводит к интерференции рассеяния электронов на заряженных и нейтральных в решетке ионах железа. Этот эффект обусловливает нарушение правила Маттиссена для обратных времен релаксации электронов на заряженных и нейтральных центрах. Проанализирована зависимость подвижности электронов от концентрации примесей железа в кристаллах Н§ 8е:Ре. Показано, что интерференционный механизм играет важную роль в релаксации импульса электронов, и дает существенный.

1Я 3 вклад в величину подвижности электронов при АРе > 5 -10 см .

• Исследовано влияние хаотической совокупности мелких донорных примесей на корреляционные свойства системы ионов железа со смешанной валентностью в кристаллах Р^8е:Ре, Са. Интерпретированы экспериментально обнаруженные необычные зависимости поперечного эффекта Нернста-Эттингсгаузена от содержания примесей галлия в кристаллах Н^8е:Ре, Оа при низких температурах. Установлено, что в области малых концентраций железа и галлия степень пространственного упорядочения трехвалентных ионов железа возрастает с увеличением содержания хаотически распределенных примесей галлия.

• Проведены исследования термоэдс кристаллов Щ8е: Ре при низких температурах. Объяснен экспериментально обнаруженный аномальный рост величины термоэдс в интервале концентраций примесей железа 5−1018 < ЖРе < (1 — 2)-1019 см" 3 при Г < 12 К. На основе расчета диффузионных компонент термоэдс, а также фононных, связанных с эффектом увлечения, от температуры и содержания примесей железа показано, что аномальный рост величины термоэдс обусловлен вкладом от электрон-фононного увлечения и может быть объяснен уменьшением вероятности рэлеевского рассеяния фононов на пространственно.

— с 3+ коррелированной системе ионов Р е .

• Исследовано влияние межпримесных кулоновских корреляций в системе ионов железа со смешанной валентностью на теплопроводность кристаллов Н§ 8е:Ре при низких температурах. Вычислено время.

3+ релаксации фононов на коррелированной системе ионов железа Ре. Показано, что рост степени пространственного упорядочения ионов железа приводит не только к росту величины термоэдс, но также к заметному увеличению решеточной теплопроводности в том же интервале температур и концентраций примесей железа. Таким образом, эффект ослабления рэлеевского рассеяния фононов является физической причиной низкотемпературных аномалий термоэдс и теплопроводности.

Показать весь текст

Список литературы

  1. A.A., Бенеславский С. Д. О возможножности существования веществ, промежуточных между металлами и диэлектриками.//ЖЭТФ -1970-Т.59-С.1280−1298.
  2. И.М. Эффект Нернста-Эттингсгаузена в сильных магнитных по лях.//Программа VIII Всесоюзной конференции по физике полупроводников. JI., 1955 г., С.6−7.
  3. И.М. Эффект Нернста-Эттингсгаузена в теллуриде ртути.//ЖТФ -1957 Т.27 — вып. 10 — С. 1744−1752.
  4. И.М. Зонная структура полупроводников.//М. Наука 1978 -328с.
  5. Groves S., Paul W. Band Structure of Gray Tin. // Phys. Rev. Lett. 1963 -V.ll -P.194- 196.
  6. И.М., Харус Г. И., Шелушинина Н. Г. Примесные состояния и явления переноса в бесщелевых полупроводниках. //Свердловск, изд-во. УНЦ АН СССР 1987 — 151с.
  7. И.М. Бесщелевые полупроводники с магнитными примесями, образующими резонансные донорные состояния.//УФН 1992 -Т. 162 вып.2 — С. 63 — 105.
  8. С.Ю., Паранчич Л. Д., Макогоненко В. Н., Лотоцкий В. Б. Структурные, электрические и тепловые свойства FexHgixSe. //Известия АН СССР, серия неорганические материалы 1989 — Т.25 — вып.2 — С. 233 -236.
  9. Pool F., Kossut J., Debska U., Reifenberger R. Reduction of the charge-center scattering rate in HgjJFexSe./ZPhys.Rev.B. 1987 — V.35. — P.3900−3908.- Dobrovolski W., Dubko K., Skierbiszewski C., Suski Т., Litwin-Staszewska E.,
  10. Miotowska S., Kossut J., Mycleski A. Studies of the ionized donor super-lattice in HgSe and HgSeiyTey mixed crystals. //Proc.of the 19th Intern. Conference on physics of Semiconductors /Ed.W.Zawadaki. Warsaw 1988 V.2 -P.1247−1254.
  11. Mycielski J. Formation of a superlattice of ionized resonant donors or acceptors in semiconductors. //Sol. State Commun-1986 V.60 -N.2 — P. 165−168.
  12. Wilamowski Z., Swiatek K., Dietl Т., Kossut J. Resonant states in gapless semiconductors: a quantitative study of HgSe: Fe.//Sol.St.Comm 1990 — V.74 -P.833−836.
  13. Wilamowski Z. HgSe: Fe a system with mixed valence. //Acta Phys. Polonica -1990 — V. A77 — C.133−145.
  14. И.М., Кулеев И. Г., Ляпилин И. И. «Аномалия» рассеяния электронов на коррелированной системе заряженных доноров.// ЖЭТФ -1992 Т. 102 — вып. 1(7) — С.326−337.
  15. Percus.J.K., Yevick G.J. Analisis of classical statistical mechanics by means of collective coordinates. // Phys.Rev. 1958 — V. l 10 — P. l-13.
  16. И.Г. Пространственное упорядочение и кулоновская энергия взаимодействия ¿-/-дырок в системе ионов железа со смешанной валентностью в кристаллах HgSe: Fe.//OTT 1997 — Т.39 — вып.2 -С.250−255.
  17. И.Г., Ляпилин И. И., Лончаков А. Т., Цидильковский И. М. Термомагнитные эффекты в селениде ртути, легированном железом.// ЖЭТФ 1993 — Т. 103 — С.1447−1458.
  18. Mott N.F. Electrons in disordered structures.// Adv. Phys. 1967 — V.16. — N.61 — P.49−152.
  19. Е.И., Лысов В. П., Федоров В. Е. Физика жидких металлов. //Киев, Вища школа 1979 — 246 с.
  20. .М. Электронные явления переноса в полупроводниках.// М. Наука 1985 — 317 с.
  21. Дж. Равновесные теории жидкого состояния.// В сборнике статей: Физика простых жидкостей, под ред. Зубарева Д. Н., Плакиды Н. М. М.: Мир, 1971 -С.30- 59.
  22. И.Г., Ляпилин И. И., Цидильковский И. М. Температурная зависимость подвижности электронов в HgSe:Fe в модели сильно коррелированной кулоновской жидкости.//ФТТ 1995 — Т.37 — вып.8 -С.2360−2369.
  23. Protapatas P., Parlee N. On a theory for the derivation of the hard-sphere diametrs of liquid metals as a function of temperarure.//High Temp. Science -1974-V.6-N.1 -C.1−15.
  24. Кулеев И.Г. HgSe: Fe система со смешанной валентностью и проблема основного состояния.//ФТТ — 1998 — Т.40 — вып. З — С.425−432.
  25. Kuleyev I.G., Lerinman N.K., Sabirzyanova L.D., Shtrapenin G.L., Paranchich S.Yu. Electron transport in HgSe: Fe, Ga crystals containing iron impurities with mixed valence.//Semicond.Sci.Technol. 1997 — V. 12 — P.840−848.
  26. И.М. Термомагнитные явления в полупроводниках.//М. Наука 1960−329 с. 31 .Tsidilkovskii I.M., Kuleyev I.G. Spatial Correlations of Impurity Charges in Gapless Semiconductors// Semicond. Sci. Technol. 1996 — VI1 — P.625−640.
  27. И.Г., Ляпилин И. И., Лончаков A.T., Цидильковский И. М. Влияние увлечения электронов фононами на термоэлектрические и термомагнитные эффекты в селениде ртути, легированном железом.// ФТП 1994 — Т.28 -вып.6 — С.937−948.
  28. И.Г., Ляпилин И. И., Лончаков А. Т., Цидильковский И. М. Неупругое рассеяние электронов в кристаллах HgSe:Fe.// ЖЭТФ 1994 -Т.106 — вып.4(10) — С.1205−1218.
  29. С.А., Коренблит Л. Л., Шалыт С. С. Электронная и решеточная теплопроводность селенида ртути. //ФТТ 1966 — Т.8 — вып.З. — С.705−711.
  30. Д.И. Проблема промежуточной валентности.//УФН 1979 — Т. 129- С.443−486.
  31. Уагта С.М. Mixed-valence compounds.//Rev.Mod.Phys. 1976 — V.48 -P.219 -239.
  32. Anderson P.W. Localized Magnetic States in Metal //Phys.Rev. 1961 — V.124- P.41−53.
  33. И.Г., Арапова И. Ю. Пространственные корреляции и механизмы релаксации импульса электронов в кристаллах со смешанной валентностью.// ФММ 1999 — Т.88 — вып. З — С.43−50.
  34. Laty P., Joud J.C., Mathieu J.C., Desre P. Influence of the shtort-range chemical order effect on the patial interference functions of a dilute binary liquid alloy.// Phyl.Mag. В 1978 — V.38 — N. l — P. l-13.
  35. Dietl Т., Szymanska W. Electron scattering in HgSe.//J. Phys. Chem. Sol. 1978- V.39-P.1041−1059.
  36. И.М., Кулеев И. Г., Штрапенин Г. JI. О нарушении правила Маттиссена для бесщелевых полупроводников, содержащих примеси со смешанной валентностью. // ДАН 1996 — Т.347 — Вып.4 — С.472−474.
  37. И.Г., Цидильковский И. М., Лончаков А. Т., Леринман Н. К., Сабирзянова Л. Д. Электронный перенос в бесщелевых полупроводниках HgSe:Fe, Ga. //Труды II Российской конференции по физике полупроводников, С. Петербург 1996 — Т. 1 — С. 72.
  38. И.Г., Лончаков А. Т., Штрапенин ГЛ., Арапова И. Ю. Поперечный эффект Нернста-Эттингсгаузена в кристаллах HgSe:Fe, Ga, содержащих примеси железа со смешанной валентностью.// ФТТ 1997 — Т.39 — вып. 10 -С.1767- 1774.
  39. Whitset C.R., Nelson D.A., Broerman J.G., Paxhia. Lattice thermal conductivity of mercury selinide.// Phys.Rev. B. 1973 — V.7 — N.10 — P.4625−4640.
  40. Szymanska W., Boguslawki P., Zavadzki W. Elastic electron scattering in symmetry-induced zero-gap semiconductors.//Phys. Stat. Sol. В 1974 — V.65 -P.641 — 654.
  41. И.Г., Лончаков А. Т., Арапова И. Ю. Рассеяние фононов пространственно-коррелированной системой ионов железа и низкотемпературная аномалия теплопроводности кристаллов HgSe:Fe.// ФТП 2000 — Т.34 — вып.4 — С. 402 — 410.
  42. Дж. Теория звука. т.2//Гостехиздат. Москва 1955 382 с.
  43. Klemens P.G. The scattering of low-frequency lattice waves by static imperfection. //Proc.Phys.Soc. A 1955 — V.68 — N.432 — P. 1113 — 1129.
  44. Griffin A., Carruthers P. Thermal conductivity of solids IV: Resonance fluorescence Scattering of Phonon by donor electron in germanium.//J.Phys. Rev. 1963 — V.131 — N.5 — P. 1976−1995.
  45. .М., Чудновский А. Ф. Теплопроводность полупроводников. //Наука Москва — 1972 — 536с.57.0скотский B.C., Смирнов И. А. Дефекты в кристаллах и теплопроводность.//Наука Ленинград — 1972 — 205 с.
  46. Tompson J.C., Younglove В.А. Thermal conductivity of silicon at low temperatures. //Phys.Chem.Solids 1961 — V.20 — N. l/2 — P.146 -149.
  47. Slack G.A. Thermal conductivity of pure and impure silicon, silicon carbide and diamond. //J.Appl.Phys. 1964 — V.35 — N.12 — P.3460 -3466.
  48. Glassbrenner C.J., Slack G.A. Thermal conductivity of silicon and germanium from 3°K to melting point. //Phys. Rev. 1964 — V. 134 — N.4A — P. l058−1069.
  49. И.И., Биккин X.M. Взаимное увлечение электронов и фононов в сильно легированных полупроводниках HgFeSe. //ФТП -1999 Т. ЗЗ -вып.6 — С. 701 -707.
  50. И.Г. Кинетические коэффициенты неравновесных электрон-фононных систем вырожденных проводников в классических магнитных полях. //ФММ 2000 — Т.89 — вып.2 — С. 29 -40.
  51. И.Г., Арапова И. Ю. О взаимном увлечении электронов и фононов и о низкотемпературных аномалиях термоэлектрических и термомагнитных эффектов в кристаллах HgSe:Fe. // ФТП в печати.
  52. Callaway J. Model for lattice thermal conductivity at low temperatures.// Phys.Rev. 1959-V.113 -N.4-P.1046- 1051.
  53. И.Г. Эффекты взаимного увлечения электронов и фононов и электронный перенос в вырожденных проводниках.//ФММ 1999 — Т.87 -вып.6 — С.5−16.
  54. Ю.И. Методы исследования полупроводников в применении к халькогенидам свинца. //М.: Наука 1968 — 267с.
  55. М.К., Немов С. А., Равич Ю. И. Влияние рассеяния фононов на нейтральных и заряженных примесных центрах на теплопроводность решетки в PbTe: (Tl, Na).//OTT 1998 — Т.40 — вып.7 — С. 1206−1208.
  56. Кера H., Giebultowicz Т. A neutron scattering study of lattice dynamics of HgTe and HgSe. // Physica Scripta 1982 — V.25 — P.807−809.
  57. Holland M.G. Analysis of lattice thermal conductivity.// Phys.Rev. 1963 -V.132-N.6-P.2461 -2471.
  58. Asen-Palmer M., Bartkowski K., Gmelin E., Cardona M., Zhernov A.P., Inyushkin A.V., Ozhegin V.I., Itoh K.M., Haller E.E. Thermal conductivity of germanium crystals with different isitopic compositions. //Phys.Rev.B. 1997 -V.56-N.15 -P.9431 -9447.
Заполнить форму текущей работой

На отлично!