НЕОРГАНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ, 2015, том 51, № 3, с. 267-271
УДК 541.123.3
ПРОВОДИМОСТЬ И ТЕРМО-ЭДС КРИСТАЛЛОВ (TlInSe2)02(TlGaTe2)0.8 © 2015 г. С. Н. Мустафаева*, М. М. Асадов**, А. И. Джаббаров*, Э. М. Керимова*
*Институт физики Национальной академии наук Азербайджана, Баку
e-mail: solmust@gmail.com **Институт катализа и неорганической химии им. акад. М.Ф. Нагиева Национальной академии наук Азербайджана, Баку e-mail: mirasadov@gmail.com Поступила в редакцию 11.12.2013 г.
Из исходных элементов получены соединения TlInSe2 и TlGaTe2, а из них твердый раствор (TlInSe2)0 2(TlGaTe2)0 8. Выращены кристаллы твердого раствора (TlInSe2)0 2(TlGaTe2)0 8 с тетрагональной сингонией. Измерены проводимость в постоянном электрическом поле и термо-ЭДС в изготовленных образцах в температурном диапазоне 77—347 К. Показано, что при низких температурах в области прыжковой проводимости термо-ЭДС в (TlInSe2)02(TlGaTe2)0.8 пропорциональна Т, а с повышением температуры, когда в проводимости основную роль начинают играть носители заряда, возбужденные в разрешенную зону, термо-ЭДС становится обратно пропорциональной температуре.
DOI: 10.7868/S0002337X15030112
ВВЕДЕНИЕ
Трехкомпонентные полупроводниковые соединения типа Т1Б111С^1 (В111 = 1п, Оа, С^ = 8, 8е, Те) являются предметом многочисленных исследований [1—4]. Наряду с интенсивным изучением соединений Т1ВШС2 проводятся работы по физико-химическому исследованию систем типа
III „VI
Т1Б С2 -Т1Б С2 , где получены твердые растворы анионного или катионного замещений [5, 6] в широком интервале концентраций. Такого типа твердые растворы представляют интерес, так как изучение свойств этих систем позволяет выявить закономерности, определяющие зависимость свойств от состава. Установление подобных закономерностей дает возможность проводить целенаправленный поиск материалов, обладающих заданным сочетанием физических свойств.
В работе [5] представлены результаты изучения химического взаимодействия в системе Т11п8е2—Т1ОаТе2. Показано, что диаграмма состояния этой системы характеризуется непрерывным рядом твердых растворов с минимумом при 45 мол. % Т1ОаТе2. Исходные фазы Т11п8е2 и Т1ОаТе2, а также твердые растворы, образующиеся на их основе, кристаллизуются в тетрагональной сингонии. В работе [6] изучены фотоэлектрические и рентгендозиметрические характеристики монокристаллов твердых растворов (Т1Оа82)1 -х(Т11п8е2)х в зависимости от их состава.
В работе [7] рентгенографическим методом определены значения параметров элементарной ячейки кристаллов Т11п8е2, Т1ОаТе2 и (Т11п8е2)1-х(Т1ОаТе2)х,
а также коэффициенты теплового расширения и установлено наличие непрерывного ряда твердых растворов в системе Т11п8е2—Т1ОаТе2.
В [8] выращены кристаллы твердых растворов (Т11п8е2)1-х(Т1ОаТе2)х (х = 0.4 и 0.6) с тетрагональной сингонией. Проведенные измерения физических свойств полученных образцов (Т11п8е2)06(Т1ОаТе2)0.4 позволили определить диэлектрические характеристики и их частотную дисперсию, установить природу диэлектрических потерь, механизм переноса заряда на переменном токе. Оценены плотность и энергетический разброс локализованных состояний, среднее время и расстояние прыжков, а также концентрация глубоких ловушек, ответственных за проводимость на переменном токе в образце (ТПп8е2)0.6(ТЮаТе2)0.4. Измерена термо-ЭДС в кристаллах (Т11п8е2)04(Т1ОаТе2)0.6 и определен их тип проводимости.
В настоящей статье приводятся результаты получения кристаллов состава (Т11п8е2)02(Т1ОаТе2)0.8, изучение их электрических и термоэлектрических свойств в области температур 77—347 К с целью установления механизма переноса заряда.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Образцы твердого раствора (Т11п8е2)02(Т1ОаТе2)0.8 получали сплавлением стехиометрических навесок заранее приготовленных исходных компонентов Т11п8е2 и Т1ОаТе2 в вакуумированных до 10-3 Па и запаянных кварцевых ампулах. Для приготовления Т11п8е2 и Т1ОаТе2 использовали таллий марки Т1-000, 1п-000, 0а-000, теллур ТВ-3 и
268
МУСТАФАЕВА и др.
Рентгенографические данные исходных соединений и состава (Т11п$е2)0 2(ТЮаТе2)0 8 системы Т11п8е2—ТЮаТе2 с тетрагональным типом решетки и пространственной
18 /
группой Д^-М/ тст, в скобках приведены данные [5]
Фаза а, А с, А
Т11п$е2 8.084 ± 0.002 6.844 ± 0.004
(8.0230) (6.7614)]
ТЮаТе2 8.430 ± 0.002 6.858 ± 0.004
(8.3884) (6.8459)
(ТИп8е2)0.2(ТЮаТе2)0.8 8.373 ± 0.002 6.828 ± 0.004
селен "ос. ч."-16-4 с содержанием примеси не
выше 5 х 10
мас.
Образцы при периодиче-
ском перемешивании выдерживали 6—8 ч при температуре, на 25—30 К превышающей температуру ликвидуса и остужали до комнатной температуры. Индивидуальность соединений Т11п8е2 и ТЮаТе2 контролировали методами ДТА и рентге-нофазового анализа с последующим сопоставлением полученных данных с литературными. Температура плавления Т11п8е2 и ТЮаТе2 составляла соответственно 1040 и 1048 К.
Из синтезированных образцов
(Т11п8е2)02(ТЮаТе2)08 методом Бриджмена— Стокбаргера выращивали кристаллы. Синтезированный образец измельчали и в измельченном виде помещали в кварцевую ампулу длиной 8—10 см, внутренним диаметром 1 см и заостренным концом. Вакуумированную до остаточного давления не хуже 10-3 Па кварцевую ампулу с образцом помещали в двухтемпературную печь установки для выращивания монокристалла. В процессе выращивания кристалла из расплава в верхней зоне печи поддерживали температуру 1063 ± 10 К (выше температуры плавления исходных соединений), а в нижней зоне — 953 ± 10 К (ниже температуры плавления исходных соединений). Скорость перемещения ампулы в печи составляла 0.3—0.5 см/ч, а градиент температуры у фронта кристаллизации 25 ± 5 К. Указанная скорость перемещения ампулы в печи оказалась оптимальной для роста зародыша монокристалла.
Для определения параметров элементарной ячейки синтезированного (Т11п8е2)02(ТЮаТе2)08 проводили рентгенографические измерения порошковых образцов, полученных путем растирания выращенного кристалла. Дифрактограммы порошковых образцов записывали на рентгеновском дифрактометре ДРОН-3 (Си^а-излучение) при комнатной температуре.
Рентгенографические данные изученных фаз и исходных соединений системы Т11п8е2—ТЮаТе2 приведены в таблице. Видно, что оба соединения кристаллизуются в тетрагональной сингонии типа Т18е. Поверхности полученных образцов кри-
сталла (Т11п8е2)0.2(ТЮаТе2)08 были зеркально-гладкими, что позволило исследовать их без дополнительной обработки.
Образцы из (Т11п8е2)0.2(ТЮаТе2)0 8 для электрических измерений имели форму параллелепипеда размером 11.6 х 4.31 х 2.0 мм. Торцевые контакты к изученным образцам создавали путем электролитического осаждения меди. Т.е. геометрическая конфигурация контактов образца была такова, что внешнее постоянное электрическое поле из омического участка вольтамперной характеристики было приложено вдоль цепей кристалла. Электрическую проводимость (а) и тер-мо-ЭДС (а) полученных образцов измеряли че-тырехзондовым методом с точностью до 1% в температурном диапазоне 77—347 К.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
На рис. 1а представлена температурная зависимость термо-ЭДС в (Т11п8е2)0.2(ТЮаТе2)08. По мере роста температуры от 77 К значение термо-ЭДС увеличивалось вначале незначительно, а затем более резко и при 300 К достигало максимального значения (710 мкВ/К). При дальнейшем повышении температуры вплоть до 347 К термо-ЭДС резко уменьшалась. Во всей изученной области температур термо-ЭДС имела положительный знак, это указывает на то, что основными носителями заряда в (Т11п8е2)0.2(ТЮаТе2)08 являются дырки.
Согласно [9], формула для термо-ЭДС халько-генидных полупроводников в случае ^-типа проводимости имеет вид:
а( Т) = -к е
'— - 1 + 1 .кТ к
(1)
где к — постоянная Больцмана; е — заряд электрона; АЕ — энергия активации проводимости; у — температурный коэффициент энергии активации проводимости.
Полученные экспериментальные результаты показывают, что для твердого раствора (Т11п8е2)0.2(ТЮаТе2)08 уравнение (1) имеет физический смысл в температурном интервале 300— 347 К. При этом наклон полученной зависимости
а (1/ Т) составлял АЕа = 0.24 эВ. Экстраполяция высокотемпературной ветви кривой а(1/7) до пересечения с осью ординат а(1/Т = 0) отсекала ее в точке — 100 мкВ/К. Значение термо-ЭДС отсечки по уравнению (1) позволило определить температурный коэффициент энергии активации проводимости (у), который оказался равным 1.86 х 10-4 эВ/К. Что дало возможность оценить температурный коэффициент оптической щели (в) в (Т11п8е2)02(ТЮаТе2)08 по формуле в = 2у [9]. Значение в составляло 3.72 х 10-4 эВ/К.
ПРОВОДИМОСТЬ И ТЕРМО-ЭДС В КРИСТАЛЛАХ (Т11п8е2)02(Т1ааТе2)08 269
а, мкВ/К
2 4 6 8 10 12 14
103/Т, К-1
Рис. 1. Температурная зависимость термо-ЭДС в твердом растворе (Т11п8в2)о 2(ТЮаТв2)о 8: а — в координатах Аррени-уса, б — в области прыжковой проводимости.
Энергия активации проводимости (А Еп), определенная по наклону высокотемпературной ветви зависимости а(103/Т) в (Т11п8е2)0.2(ТЮаТе2)08 (рис. 2а), составляла 0.14 эВ. Расхождение в значениях АЕа и АЕст можно приписать погрешностям экспериментов. Кроме того, существует возможность одновременного действия нескольких механизмов проводимости в исследуемом кристалле. Отметим, что следует ожидать ухудшения
согласия в значениях АЕа и АЕст и в том случае, когда в наклон прямой 1п а от 1/Т вносит вклад температурная активация подвижности носителей заряда.
Из рис. 2а видно, что на кривой температурной зависимости проводимости (Т11п8е2)0.2(ТЮаТе2)0 8 наблюдаются аномалии при Т1 = 84.5 и Т2 = 176.5 К. При 84.5 К и на зависимости а(1/7) проглядывался небольшой всплеск термо-ЭДС (рис. 1а). Аномалии наблюдались также на кривой температурной зависимости параметра элементарной ячейки а для кристалла ТЮаТе2 при Т1 ~ 98.5 и Т2 ~ 180 К [7]. Наличие аномалий такого типа свидетельствует о фазовых переходах в кристалле в области этих температур. Особенно четко были видны эти аномалии в области фазовых переходов на кривой температурной зависимости коэффициента теплового расширения для кристалла ТЮаТе2 (на кривой температурной зависимости в области фазовых переходов наблюдали аномалии в виде
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.