НЕОРГАНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ, 2004, том 40, № 2, с. 166-171
УДК 536.21
ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ ТЕКСТУРИРОВАННОГО ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО СйТе
© 2004 г. Н. В. Лугуева*, С. М. Лугуев*, А. А. Гусейнов**
*Институт физики им. Х.И. Амирханова ДНЦ Российской академии наук, Махачкала **Институт проблем геотермии ДНЦ Российской академии наук, Махачкала Поступила в редакцию 17.02.2003 г.
Исследована (при 80-400 К) теплопроводность текстурированных поликристаллических образцов теллурида кадмия оптического качества, полученных осаждением из паровой фазы и подвергнутых деформации в направлении роста кристалла и последующей рекристаллизации. В низкотемпературной области измерений обнаружена анизотропия коэффициента теплопроводности С^е относительно направления роста поликристаллических образцов, которая сохраняется и после их деформации и рекристаллизации, что обусловлено рассеянием фононов дислокациями, ориентированными в направлении роста кристалла. На температурной зависимости теплового сопротивления кристаллической решетки образцов в области 200-300 К наблюдается изменение наклона, обусловленное взаимодействием акустических и оптических фононов. Удельная электропроводность С^е измерена в области температур 300-850 К.
ВВЕДЕНИЕ
Теллурид кадмия имеет широкую спектральную полосу пропускания, что обусловливает интерес к нему с целью различных технических применений. Имеется ряд работ, в которых исследована теплопроводность монокристаллов [1-4] и поликристаллических образцов СёТе [5-7]. Для получения материалов с улучшенными эксплуатационными характеристиками широко используются методы осаждения из паровой фазы. Материалы, полученные сублимационно-конденсационным методом, имеют ярковыраженную текстуру. В процессе роста кристалла образуется большое количество протяженных дефектов, являющихся скоплениями примесей и собственных дефектов. Протяженные дефекты в текстурированных образцах СёТе заметно влияют на их электрические и оптические свойства [8, 9]. Некоторые данные о теплопроводности текстурированных образцов СёТе приведены в [6].
Цель настоящей работы - более обстоятельные экспериментальные исследования влияния структурных дефектов на процессы переноса тепла в текстурированных образцах СёТе и в образцах, подвергнутых деформации и рекристаллизации, а также подробный анализ полученных данных.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Были измерены коэффициенты теплопроводности (ж)1, удельной электропроводности (а) образцов, полученных осаждением из паровой фазы, и
1 Поликристаллические образцы СёТе стехиометрического состава были предоставлены НИТИОМ ВНЦ ГОИ им. С.И. Вавилова (г. Санкт-Петербург).
образцов, полученных осаждением из паровой фазы, и образцов, подвергнутых отжигу в вакууме при 850 K.
Образцы, полученные осаждением из паровой фазы на подогретую подложку, характеризуются наличием текстуры: составляющие их кристаллиты геометрически вытянуты в направлении оси роста образцов, которая совпадает с кристаллографическим направлением [111]. Средний размер зерна в плоскости осаждения составляет 2 мм. Часть исследованных образцов была изготовлена из поликристаллического конденсата теллурида кадмия, подвергнутого деформации при нагреве в направлении, параллельном направлению роста кристаллов, и последующему рекристаллизаци-онному отжигу. Деформированные образцы имели изотропную структуру со средним размером зерен в них <1 мм. РФ А показал, что образцы имеют кубическую структуру типа сфалерита.
Коэффициент теплопроводности поликристаллического CdTe определяли абсолютным методом при стационарном тепловом режиме в интервале температур 80-400 K на установке, аналогичной установке типа "А", рассмотренной в [10]. Для исследования к изготавливали образцы сечением 8 х 8 мм и длиной 16 мм. Направление длинной стороны образцов было ориентировано таким образом, что в одном случае оно совпадало с направлением роста поликристалла, а в другом случае было ему перпендикулярно. Это позволяло измерять коэффициент теплопроводности в направлении оси роста кристалла (Жц) и перпендикулярно этому направлению (ж±). Измерения температуры в сечениях образцов осуществляли медь-константановыми термопарами, индивиду-
ально отградуированными по реперным точкам. Относительная погрешность измерений теплопроводности не превышала 2 %.
Электропроводность СёТе измеряли на постоянном токе в вакууме в температурном интервале от 300 К до температуры Ттах, величина которой изменялась в пределах 400-850 К. Описание установки для измерения а приведено в [11]. Удельное сопротивление исследованных образцов при 300 К было 109 Ом см. Температуру образца определяли хромель-алюмелевой термопарой. Измерения коэффициента теплопроводности одного из образцов проводили как до высокотемпературных измерений а, так и после отжига при 850 К.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Температурная зависимость к в интервале 80400 К поликристаллического теллурида кадмия, полученного осаждением из паровой фазы, представлена на рис. 1. Также на рис. 1 приведены аналогичные зависимости для монокристаллов СёТе, выращенных из расплава [1-4], и поликристаллических образцов, синтезированных в твердой фазе при 1170 К [5]. Значения ж, полученные в настоящей работе, совпадают с данными работы [4] почти во всем интервале температур, а в области выше 300 К совпадают и с данными [1]. Монокристаллические образцы стехиометрического состава СёТе, исследованные в [1], были получены кристаллизацией из расплава методом Бриджме-на, а монокристаллы, исследованные в [4], также были выращены из расплава, и их состав соответствовал большой концентрации вакансий Сё и избытку Те. Более высокие значения ж в [2, 3, 5] могут являться следствием различия как в способах получения образцов и их качестве, так и в методиках эксперимента. Поскольку методика [1] однотипна с методикой, использованной в настоящем эксперименте, можно сравнивать данные коэффициента теплопроводности для поликристаллических образцов СёТе, полученных осаждением из паровой фазы, и результаты [1] для монокристалла СёТе, полученного из расплава. Как видно из рис. 1, величина ж монокристалла СёТе при 80 К несколько выше данных для поликристаллических образцов, но с ростом температуры это различие уменьшается.
Анализ значений ж и а позволяет утверждать, что ввиду высокого электросопротивления исследованных образцов носители заряда не вносят вклад в теплоперенос. Поскольку СёТе прозрачен в ИК-области спектра, то в нем возможно наличие фотонного теплопереноса. Расчеты фотонной составляющей теплопроводности (ж^), проведенные по формуле Генцеля [12] с учетом поглощения фотонов и рассеяния их границами кристаллитов, показали, что величина ж^ составляет 1.5%
ж, Вт/(м К)
А
30-
25
20
15
10
о 1 + 2 "3 •4 •5 □ 6 V?
100
200
300
400 Т, К
Рис. 1. Температурные зависимости коэффициента теплопроводности СёТе: 1 - результаты настоящего эксперимента, 2-7 - данные [1], [2], [3], [4], [5], [7] со-
ответственно.
от общей теплопроводности при 300 К и доля ее возрастает до 6% при 400 К. Таким образом, перенос тепла в высокоомном поликристаллическом СёТе осуществляется в основном в результате колебаний кристаллической решетки, а при Т > 300 К некоторый вклад в теплоперенос вносит ж^.
Рассмотрим далее механизмы, ограничивающие перенос тепла в поликристаллическом СёТе, которые могут быть ответственны за более низкие значения коэффициента теплопроводности у них по сравнению с ж монокристаллического СёТе. В процессе теплопереноса фононы в поликристаллических образцах рассеиваются на фононах, дефектах и границах зерен. Размеры кристаллитов, составляющих исследованные нами поликристаллы, таковы, что в исследованном интервале температур рассеяние фононов границами пренебрежимо мало, поэтому рассеяние фононов на фононах и дефектах являются основными механизмами, определяющими их тепловое сопротивление.
Влияние фонон-фононного и фонон-дефект-ного процессов рассеяния на теплоперенос можно оценить, определив длину свободного пробега фононов из данных о коэффициенте теплопроводности. Согласно соотношению Дебая для ре-
5
ж, Вт/(м К) 100 200 300 400 Т, К 30Р
25
20
15
10
5
100
200
300
400 Т, К
Рис. 2. Температурные зависимости коэффициента теплопроводности поликристаллических образцов СёТе (1 - жц, 2 - ж подвергнутых деформации и рекристаллизации (3 - жц, 4 - ж^).
шеточной теплопроводности (жр), средняя длина свободного пробега фононов равна
I _ 3ж р Су V'
(1)
где Су - теплоемкость при постоянном объеме (значения Су взяты из [13]), V - средняя скорость звука (из [14]). Поскольку тепловое сопротивление исследованных образцов обусловлено фонон-фононным рассеянием и рассеянием фононов на дефектах, то среднюю длину свободного пробега фононов можно представить в виде
I _ (Г/ + I-
(2)
где Ц - длина свободного пробега фононов при фо-нон-фононных процессах рассеяния, 11 - длина свободного пробега фононов при фонон-дефектном рассеянии. Величину Ц можно оценить по формуле [15]
I __Ы
Ц _ ауТ,
(3)
где а3 - объем, приходящийся на один атом в кристалле, а - коэффициент теплового расширения, у - параметр Грюнайзена. При расчетах Ц значения а и у взяты из [16]. Значение Цпревышает I на два порядка при 80 К и более чем на порядок -
при 300 К. Такое соотношение между I и Ц свидетельствует о значительном вкладе дефектов в рассеяние фононов в поликристаллическом СёТе во всей области измерений и о снижении влияния дефектов на величину коэффициента теплопроводности с ростом температуры. Действительно, образцы, полученные осаждением из паровой фазы, содержат большое количество структурных дефектов (дислокаций, границ зерен и др.), которые вызывают деформацию решетки, возбуждают вокруг себя поля упругих напряжений и рассеивают фононы. Воздействием этих дефектов на теплоперенос и обусловлено снижение ж исследованных поликристаллических образцов в низкотемпературной области измерений по сравнению с монокристаллами СёТе.
На рис. 2 представлены температурные зависимости коэффициента теплопроводности текстури-рованных поликристаллических образцов СёТе (кривые 1 и 2). На вставке приведена температур
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.