ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2012, том 76, № 3, с. 437-440
УДК 539.89; 538.95
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ИОННЫХ ПРОВОДНИКОВ СИСТЕМЫ Cu-Ag-Ge-As-Se ПРИ ВЫСОКИХ ДАВЛЕНИЯХ © 2012 г. О. Л. Хейфец, А. Л. Филиппов, Н. В. Мельникова, А. Н. Бабушкин
Уральский федеральный университет имени первого президента России Б.Н. Ельцина, Екатеринбург
E-mail: Olga.kobeleva@usu.ru
Исследовано влияние статического давления на электрические свойства стеклообразных материалов Cuj _xAgxGeAsSe3, x = 0.95, 0.9, 0.85. Проанализированы барические зависимости импеданса и тангенса угла диэлектрических потерь при давлениях 15—45 ГПа. Определены области существенных изменений электрических свойств образцов.
Потребности современной низкотемпературной электроники требуют создания новых полупроводниковых соединений с низкими температурами начала ионной проводимости. Исследования четырехкомпонентных халькогенидов серебра и меди типаЛВСБ3 (А = А§, Си; В = РЬ, 8п; С = Аз, 8Ь; Б = 8, 8е) показали перспективность применения этих материалов в криогенной микроэлектронике [1—7]. В частности, были обнаружены практически 100%-ные ионные проводники А§ОеАз83, А§ОеАз8е3 и др. с температурой начала ионного переноса около 120 К. Ионная проводимость в таких соединениях обусловлена слабосвязанными с жестким остовом ионами А§+ или Си+, доля которой определяется особенностями кристаллической структуры. Изучение халькогенидов серебра и меди при воздействии высоких статических давлений показало наличие фазовых переходов, вызванных высоким давлением [5, 6]. В связи с этим изучение материалов, обладающих ионной проводимостью, подвергнутых всестороннему сжатию, — актуальная задача.
Настоящая статья посвящена изучению влияния высоких давлений на электрические свойств синтезированных материалов Си1 _ хА§хОеАз8е3, х = 0.95, 0.9, 0.85, полученных заменой части атомов серебра на атомы меди в А§ОеАз8е3 [2]. При нормальном давлении исследованные материалы — это смешанные электронно-ионные проводники с областью температур начала ионного переноса 190—260 К, с долей ионного переноса 0.87—0.97, зависящей от содержания меди (серебра) в образце.
СИНТЕЗ, АТТЕСТАЦИЯ, ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Синтез осуществляли сплавлением исходных компонентов в кварцевых ампулах, стеклообразные соединения получены закалкой. Полученные материалы имеют металлический цвет, ракови-
стый излом, характерный для стеклообразных соединений. Состав образцов был определен методом рентгенофазного анализа. Поверхность образцов изучали с помощью металлографического инвертированного микроскопа и сканирующего электронного микроскопа. Проведенный энергодисперсионный анализ показал, что образцы однородны по составу. На дифрактограммах (рис. 1) всех соединений наблюдали гало в одних и тех же областях углов. По мере роста содержания атомов меди (при равных условиях съемки) интенсив -ность рассеяния возрастает. Дифрактограммы типичны для стеклообразных халькогенидов в системах типа А§—Ое—Аз—8 и А§—Ое—Аз—8е [7].
Исследование электрических свойств в диапазоне давлений 15—45 ГПа проводили с помощью метода диэлектрической импедансной спектроскопии. Электрические характеристики в области частот 1—200 кГц измеряли с помощью измерителя-анализатора импеданса И1С-2000 (погрешность измерения параметров импеданса 0.025%). Измерения проводили на порошкообразных образцах. Давления до 45 ГПа получали с помощью камеры высокого давления типа закругленный конус — плоскость из поликристаллических алмазов "карбонадо". Эти алмазы хорошо проводят
Интенсивность 300 250 200 150 100 50
0 10 20 30 40 50 60 70 80 2©, град
Рис. 1. Дифрактограммы соединений Cui _ xAgxGeAsSe3.
1тX, кОм а
Р, ГПа
1тZ, кОм
* л л 4 л0'11
♦ л 14
♦ 19.5
д 26.9
■ 31.4
« 32.4
4 34.5
о 38.5
4 42.3
20
15
10
/ ч
_I_к!_I_I*_I
X
_|_I_I_I_I_
0
Р, ГПа
• 19.5 ■ ■ ■
А 23 ■
* 25.5 ■
в 26.9 ■
4 31.4 ж
Ф 42.3 А.
* А
\- О к
.1_
> 3
л
_|_I_I_I_I_
2
—1т Z, кОм 1600
1200
800 400 0
4 6 8 Яе^, кОм
10
12
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 'RJeZ, кОм
1т2, кОм
Р, ГПа
о 19.5
31.4
- 32.4
■■ = ■ 33.5
38.5
42.3
3200 2400 1600 800 0
■ ■ ■
- ■ _ а * £ * *
• А ~ А Р, ГПа
> А -1 1 ~ я 19.5 " 23 " 28.1 42.3
ж о т* .........
1,1,
—1т£, кОм
300
500 1000 1500 2000 2500 'RJeZ, кОм
200
100
. А А А А л
. . * 0 ■ о * А А
° (3
Р, ГПа
^ Чт
'8 ,
■ 19.5
23
* 31.4
о 36.3
Л 39.2
0 42.3
J_I_I_I_I_I_1_
_|_I_I_I_I_I
0 100 200 300 400 500 600 700 Яе2, кОм
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 Яе^, кОм
—1т Z, кОм 1600
1200
800
400
0
|_|_I_
0 500 1000 1500 2000 2500 Яе Z, кОм
Рис. 2. Годографы импеданса соединений Си _хАхОеАБ8е3: а, б — х = 0.95; в, г — х = 0.9; д, е — х = 0.85. Зависимости а, в, д получены при увеличении давления; б, г, е — при уменьшении давления.
5
г
в
0
д
0
электрический ток, поэтому могут быть использованы в качестве электрических контактов к образцу [9]. Диаметр контактного пятна составлял приблизительно 0.2 мм. Толщина выборок, измеренных в месте контакта наковальни после прижимных обработок, находится в диапазоне 2—15 мкм. Толщина и диаметр связаны с механическими свойствами сжатого слоя, ошибка не превышает 10%. Сопротивление короткозамкнутых накова-
лен не превышает 10 Ом и не зависит от частоты и давления [10].
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Годографы импеданса при повышении давления (а, в, д) и понижении давления (б, г, е) приведены на рис. 2. Годографы могут быть аппроксимированы дугами окружностей, проходящими
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ИОННЫХ ПРОВОДНИКОВ
439
ЯеX, кОм 50 г
40 30 20 10
/, кГц
а
л
■ 16.5
А 83.3
• 200
□ 16.5
Л 83.3
о 200
» * и
5
100
80 60 40 20
15
20
Яе 2, кОм
/, кГц
25 30 Р, ГПа
35
40
45
400 300 200 100 0
■ 16.5
50
- • 200
16.5
50
- 200
- ■
- 0
-
А
а
л А
о о.о 8 э
£
15
20
Яе Z, кОм 250
200
150
100
50
0
25 30 Р, ГПа
о □
35
40
/, кГц
□ ■
А 8.
1 16.5
Л 50
* 200
с 16.5
Л 50
0 200
2 АЛЛ**
„ я вйооовШ$Зво1
15
20
25 30 Р, ГПа
35
40
45
15
18 5 20
15
10
20
25
18 5
30
/, кГц
20 16.5
83.3
• 200
- 16.5
10 - 83.3
200
0
45 15 20
30 35 Р, ГПа
40
45
п00
25 30 Р, ГПа
35
40
45
15
20
25
30 Р, ГПа
35
40
45
Рис. 3. Барические зависимости сопротивления (а, в, д) и тангенса угла диэлектрических потерь (б, г, е) Си1 _ хЛ8хОеЛБ8е3 при увеличении давления (темные точки) и уменьшении давления (светлые точки); а, б — х = 0.95; в, г — х = 0.9; д, е — х = 0.85.
а
0
0
в
г
д
5
0
через начало координат, с центрами окружностей, лежащими ниже оси абсцисс. На годографах соединений Си1 _ хЛ§хОеЛ88е3 (х = 0.9, 0.85) при увеличении давления в областях 34—35 и 36— 37 ГПа соответственно наблюдается резкое уменьшение диаметров аппроксимирующих окружностей
(см. рис. 2в, 2д). Уменьшение давления приводит к возвращению характеристик годографов к своим первоначальным значениям, наблюдавшимся до увеличения давления, в области частот, больших 50 кГц (см. рис. 3г и 3е). Характеристики годографов материала с х = 0.95 при уменьшении давле-
ния не возвращаются к своим первоначальным значениям (см. рис. 2б). Наблюдаемый вид годографов импеданса характерен для материалов с ионной проводимостью. Уменьшение радиусов окружностей годографов импеданса связано с резким падением сопротивления и возрастанием диэлектрических потерь в этой области давлений.
На зависимостях сопротивления от давления при разных частотах (см. рис. 3) для всех исследованных соединений наблюдаются максимумы: для х = 0.95 в области давлений 31—33 ГПа (при увеличении давления), для х = 0.9 в областях 32— 34 ГПа (увеличение давления) и 27—28 ГПа (уменьшение давления) и для х = 0.85 в областях 34—36 ГПа (увеличение давления) и 28—30 ГПа (уменьшение давления). Тангенс угла диэлектрических потерь для всех исследованных соединений при повышении давления возрастает с давлением. В областях, где наблюдаются максимумы на барических зависимостях сопротивления, скорость роста тангенса угла диэлектрических потерь начинает резко возрастать. При снижении давления тангенс угла диэлектрических потерь возвращается к первоначальной величине, на кривых
(Г) наблюдается гистерезис, причем середина петли приходится на указанные выше области давлений, в которых наблюдался максимум на кривых ReZ(P) при нагружении. Причем видно, что с увеличением доли меди указанные барические области смещаются в сторону более высоких давлений. Это можно объяснить различием значений радиусов атомов А§ и Си. Чем меньше атом, тем при больших давлениях наблюдаются искажения структуры и появляются возможные фазовые переходы. Проведенный анализ барических зависимостей электрических характеристик исследуемых соединений указывает на обратимость изменений электрических свойств.
Ранее было обнаружено, что в аморфных многокомпонентных селенидах серебра и меди при увеличении и последующем уменьшении давления наблюдается гистерезис электрических характеристик, и электрические свойства материалов возвращаются к исходным значениям после снятии нагрузки [11, 12]. Такое поведение электрических характеристик может быть связано с обратимыми структурными превращениями и изменениями электронной структуры. Этими же причинами может быть вызван наблюдаемый гистерезис электрических свойств в исследованных материалах в системе Сих _ хАхОеА88е3 (х = 0.95, 0.9, 0.85).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В материалах Cux _ xAgxGeAsSe3 (х = 0.95, 0.9, 0.85) существуют особенности поведения всех исследованных электрических характеристик в областях давлений 31—33, 34—35 и 36—37 ГПа соответственно.
Уменьшение доли серебра от 0.95 до 0.85 приводит к небольшому смещению областей возможных фазовых переходов в область более высоких давлений. По сравнению с соединением AgGeAsSe3, которое существует в кристаллическом и в аморфном виде, область перехода для исследованных материалов смещается в сторону более низких давлений [6].
Исследования выполнены при частичной финансовой поддержке ФЦП "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России" на 2009-2013 годы и РФФИ, г
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.