НИЗКОТЕМПЕРАТУРНАЯ ПРОВОДИМОСТЬ МОНОКРИСТАЛЛОВ p-TlInSe2
НИЗКОТЕМПЕРАТУРНАЯ ПРОВОДИМОСТЬ МОНОКРИСТАЛЛОВ p-TlInSe2
Аннотация
Изучена температурная зависимость электропроводность цепочечно-слоистых монокристаллов p-TlInSe2, выращенных в температурном интервале 120–290 К. Установлено, что температурная зависимость электропроводности монокристаллов p-TlInSe2, построенная в полулогарифмическом масштабе, имеет нелинейный характер. В интервале температур, начиная с 120 К до 200 К, электропроводность кристаллов обнаруживает один прямолинейный участок с одним наклоном, а при повышении температуры выше 200 К, обнаруживает второй прямолинейный участок с другим наклоном. В исследованном интервале температур проводимость кристаллов p-TlInSe2 носит, вероятней всего, обычный активационный характер с энергиями активации акцепторов 0,196 и 0,445 эВ.
1. Введение
Среди полупроводниковых кристаллов особое место занимают слоистые и цепочечные полупроводниковые материалы с присущей им сильной анизотропностью физических свойств вдоль различных кристаллографических направлений. Представителями такой группы полупроводников являются слоистые полупроводниковые соединения сравнительно недавно открытого нового класса TlBIIIC2VI (BIII-In, Ga; CVI-S, Se, Te), являющимися перспективными материалами для твердотельной микро-нано-оптоэлектроники полупроводниковых материалов , , , , . Полупроводниковый монокристалл p-TlInSe2, относящийся к выше указанному классу обладает явно выраженной цепочечной кристаллической структурой является перспективным материалом для разработки на его основе приемников излучения для видимой, ближней — ИК и рентгеновской областей спектра, а также высокочувствительных тензодатчиков, что в свою очередь, вызывает как научный, так и практический интерес , , , . Сведения об электропроводности на постоянном токе монокристаллов p-TlInSe2 в температурном интервале 4,2–100 К приведены , где сообщается, что в интервале температур 4,2–100 К наблюдался прыжковый характер проводимости. Исследования электропроводности на постоянном токе для указанных кристаллов проведенные в интервале температур 290–450 К приведены . Список работ по исследованиям диэлектрических, фотоэлектрических и оптических свойств данных приведен в работе . Сведений об особенностях поведения электропроводности кристаллов p-TlInSe2 в температурном интервале 120-290 К к настоящему нет.
Целью настоящей работы является исследования температурной зависимости электропроводности монокристаллов p-TlInSe2 в температурном интервале 110–290 К с целью выявления механизма электропроводности.
2. Методы и принципы исследования
Исходными компонентами служили особо чистые химические элементы: Tl-000, In-000, Se ОСЧ-16-4. Для удаления окисной плёнки таллий подвергался вакуумной дистилляции. Ампулы для синтеза, изготовленные из толсто-стенного кварца внутренним диаметром 25 мм, вначале травили 40% раствором HF в течение 5 минут, интенсивно промывали дистиллированной водой, а затем отжигали в вакуумной печи при температуре 1300 К. Так как селен обладает большим давлением насыщенных паров, то при быстром нагревании скорость испарения селена значительно превышает скорость протекания химической реакции, что приводит к росту давления в ампуле и, как следствие этого, её разрыву. Поэтому необходимо, чтобы скорость испарения селена не превышала скорость протекания химической реакции. Такие условия достигаются использованием двухтемпературного синтеза в печах с двумя независимыми обмотками, а также соответствующим выбором геометрии ампулы Исходные элементы в ампулах располагались на первой стадии синтеза таким образом, чтобы основная масса селена находилась во второй секции печи, а индий и таллий — в первой секции печи.
На первой стадии синтеза температура первой секции поднималась на 40-50 градусов выше температуры плавления соединения TlInSe2, а температура второй-поднималась до 490 К, то есть до температуры плавления селена. Температуры обеих секций печи контролировали и поддерживали с точностью ± 0,5 К посредством регуляторов температуры ВРТ-3. Соблюдение указанных температурных режимов вместе с высокой точностью поддержания температуры в зоне реакции, обеспечивает постоянную скорость испарения селена, не превышающую скорость протекания реакции. После того как весь селен перегнался в основную, находящуюся в первой секции печи часть ампулы, приступают к второй стадии синтеза. Для этого температуру второй секции поднимают до температуры первой секции и выдерживают расплав в течение ~ 4 часов. С целью сокращения времени синтеза, увеличения скорости протекания реакции и достижения высокой гомогенности ампула с шихтой в течение всего времени протекания процесса синтеза подвергается вибрационному перемешиванию с частотой 50 Гц. П Выращивание монокристаллов p-TlInSе2 осуществляли методом Бриджмена-Стокбаргера. Градиент температуры в зоне кристаллизации составлял 50 K/см, а скорость опускания ампул — 0,4 мм/час , , , . Выращенные монокристаллы имели слоистую структуру и обладали р-типом проводимости с концентрацией дырок 2·1011 см-3, удельное сопротивление кристаллов составляло ρ ~ (107 –108) Ом·см. Рентгеноструктурный анализ выполняли на установке Дрон-3 (в CuКα — излучении, Ni- фильтр, 40 кВ, 20 мА, скорость движения счетчика 10/мин). Параметры кристаллической тетрагональной элементарной ячейки (пр. гр. D184h - I4/mcm) TПnSe2 a = 8,074 ± 0,002 Å, c = 6,820 ± 0,004, определенные нами, довольно хорошо согласуются с данными работ , . Образцы с размерами 2х2х1 мм3 для измерений в виде прямоугольных параллелепипедов получали простым скалыванием по плоскостям спайности и имели естественные зеркальные поверхности, к которым на противоположные грани кристалла в потоке водорода напылялся индий в качестве омических контактов. Площадь электродов составляла 0,2–0,3 мм2, а межэлектродное пространство ~ (0,15-0,2) мкм. Измерения электропроводности проводили на постоянном токе в температурном интервале 110-290 К, с использованием заливного криостата на жидком азоте VPF-800 (в комплекте с температурным контроллером 335) в темноте. Точность поддержания заданной температуры составляла ± 0,5 К. Напряжение питания составляло 2–4 В. Схема установки и изображена на рис. 1. Измерения проводились в режиме Rн << Rкр.. Температурный шаг измерения в области температур 170–200 К составлял 5 К. Это связано с тем, что в этом интервале температур электропроводность проявляет явно нелинейный характер.
Рисунок 1 - Принципиальная схема экспериментальной установки
Примечание: Rкр. – сопротивление кристалла; Rн – сопротивление нагрузки; Rн << Rкр; ИПН – источник постоянного напряжения; V – цифровой вольтметр В7-З0
3. Основные результаты
На рис. 2 приведена температурная зависимость электропроводности для кристалла p-TlInSe2. Из рис. 2 видно, что температурная зависимость электропроводности, построенная в полулогарифмическом масштабе, имеет нелинейный характер.
Рисунок 2 - Температурная зависимость электропроводности монокристалла p-TlInSe2
4. Обсуждение
В интервале температур, начиная с 120 К до 200 К электропроводность кристаллов обнаруживает один прямолинейный участок с одним наклоном, а при повышении температуры выше 200 К, обнаруживает второй прямолинейный участок с другим наклоном. В исследованном интервале температур проводимость монокристаллов p-TlInSe2 носит, вероятней всего, обычный активационный характер. Энергии активации акцепторов, определенные из обоих наклонных участков температурной зависимости электропроводности монокристаллов p-TlInSe2, составили 0.196 и 0.445 эВ соответственно. Известно, что чисто стехиометрические монокристаллы p-TlInSe2 содержат заметное количество акцепторных центров, обусловленные присущими самому материалу соединения, структурными дефектами . Поскольку они по своей природе вызваны дефектами самой кристаллической решетки соединения p-TlInSe2, то в отличие от неконтролируемых химических примесей, их невозможно устранить даже многократной зонной чисткой. Энергия активации этих дефектов («термоакцепторов») незначительна и составляет примерно~ 0,08 эВ и поэтому в области комнатных температур, они оказываются уже термически ионизированными, тем самым создают заметное число положительных носителей тока–дырок (3·1012 – 1,2·1013 см-3). С другой стороны, в работе установлено наличие в выращенных монокристаллах p-TlInSe2 примеси кремния, проникающего в кристалл из материала кварцевого тигля при синтезе и выращивании p-TlInSe2 монокристаллов.
5. Заключение
Исследованиями температурной зависимости электропроводности монокристаллов p-TlInSe2, выращенных в температурном интервале 120-290 К, установлено:
1. Температурная зависимость электропроводности монокристаллов p-TlInSe2, построенная в полулогарифмическом масштабе, имеет нелинейный характер.
2. В интервале температур, начиная с 120 К до 200 К электропроводность кристаллов обнаруживает один прямолинейный участок с одним наклоном, а при повышении температуры выше 200 К, обнаруживает второй прямолинейный участок с другим наклоном.
3. В исследованном интервале температур, проводимость кристаллов p-TlInSe2 носит, вероятней всего обычный активационный характер с энергиями активации акцепторов 0,196 и 0,445 эВ.