LOW-TEMPERATURE CONDUCTIVITY OF MONOCRYSTALS p-TlInSe2
LOW-TEMPERATURE CONDUCTIVITY OF MONOCRYSTALS p-TlInSe2
Abstract
The temperature dependence of the electrical conductivity of chain-layered p-TlInSe2 single crystals grown in the temperature range 120–290 K has been studied. The temperature dependence of the electrical conductivity of p-TlInSe2 single crystals plotted on a semilogarithmic scale was found to be nonlinear. In the temperature range starting from 120 K to 200 K, the electrical conductivity of crystals shows one rectilinear section with one slope, and when the temperature rises above 200 K, it shows the second rectilinear section with another slope. In the studied temperature range, the conductivity of p-TlInSe2 crystals is most likely of the usual activation character, with acceptor activation energies of 0,196 and 0,445 eV.
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.