Встановлено, що осцилюючий характер товщинних залежностей притаманний і термоелектричній потужності. При кімнатній температурі максимальне значення термоелектричної потужності (P=S²у=16·10⁴Вт/м·К²) для гетероструктури слюда/PbTe/Bi/Al₂O₃ перевищує майже удвічі значення, одержане на плівках вісмуту, отриманих на підкладках із слюди.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ТА ВИСНОВКИ

В дисертаційній роботі виявлені квантові розмірні ефекти в тонких плівках телуриду свинцю, вісмуту та гетероструктурах PbTe/Bi, одержаних методом термічного випаровування у вакуумі на підкладки із слюди, шляхом дослідження кінетичних властивостей в залежності від товщини тонких плівок, температури, концентрації носіїв заряду та інших факторів.

Результати проведених експериментальних та теоретичних досліджень дозволили сформулювати такі основні висновки:

1. Вперше на залежностях електрофізичних, гальваномагнітних та термоелектричних властивостей від товщини d тонких плівок напівпровідникової сполуки PbTe, вирощених на слюді, виявлені осциляції з періодом d=202 нм, наявність яких пов'язується із розмірним квантува-нням квазіімпульсу та енергетичного спектру електронів. Спостерігається добра відповідність між результатами теоретичного розрахунку періоду осциляцій та експериментальними даними.

2. Експериментально і теоретично досліджено вплив процесів окислення на повітрі на кінетичні властивості тонких плівок PbTe, вирощених на слюді без захисного покриття. Показано, що взаємодія поверхні плівки з повітряною атмосферою при кімнатній температурі приводить до зміни кінетичних коефіцієнтів, навіть до інверсії типу провідності, і товщина плівки є одним із важливих параметрів, що визначає характер цієї зміни. Підвищення температури підкладки і збільшення концентрації електронів в шихті приводять до звуження інтервалу товщин, що відповідає дірковій провідності. В рамках моделей двошарового сендвіча та напівпровідника з двома сортами носіїв заряду, з урахуванням поверхневих акцепторних станів кисню дано аналітичні описи товщинних залежностей кінетичних властивостей тонких плівок PbTe з різними концентраціями електронів, які добре узгоджуються із експериментальними результатами.

3. Досліджено температурні (80-300 К) та польові (0.1-1.0 Тл) залежності кінетичних властивостей тонких плівок Bi різних товщин. Встановлено, що на відміну від масивних кристалів, майже всі досліджені плівки мали негативний термічний коефіцієнт опору в усьому інтервалі температур, а на температурних залежностях коефіцієнта Холла можна було виділити дві ділянки з різною швидкістю зміни R_H(T): перша ділянка (до Т~150 К), відсутня у кристалів Bi, була обумовлена впливом поверхневих станів, а друга ділянка (T>150 К) відповідала напівметалевій провідності. Показано, що до значень магнітного поля В=1.0 Тл для плівок вісмуту R_H не залежить від магнітного поля, а магнітоопір змінюється з полем за квадратичним законом, тобто виконується критерій слабкого магнітного поля. Встановлено, що загальний характер температурних та польових залежностей не залежить від температури підкладки та наявності захисного покриття і що при однаковій температурі підкладки наявність або відсутність захисного покриття EuS не змінюють кінетичних коефіцієнтів.

4. Показано, що в тонких плівках Bi на слюді (d=25-300 нм) на товщинних залежностях гальваномагнітних і термоелектричних властивостей в інтервалі температур 80-300 К спостеріга-ються осциляції з періодом d=305 нм, наявність яких пов'язується з квантуванням енергетичного спектру електронного газу. Встановлено, що підвищення температури підкладки з Т_s¹=300 К до Т_s²=380 К викликає поліпшення структури і приводить до більш чіткого проялення осциляцій.

5. В тонких плівках Bi на слюді в інтервалі товщин d=25-60 нм спостережено осцилюючий характер залежностей кінетичних коефіцієнтів від товщини з періодом осциляцій d=51 нм. Виказане припущення, що ці осциляції є проявом розмірного квантування енергетичного спектру діркового газу. Діркові осциляції накладаються на осциляції, обумовлені квантуванням енергетичного спектру електронів, які спостерігаються в інтервалі товщини d=25-300 нм.

6. На основі детального аналізу температурних і товщинних залежностей кінетичних коефіцієнтів тонких плівок Bi в інтервалі товщин d=7-200 нм, з урахуванням наявності поверхневих станів, зроблено висновок про існування при d=255 нм переходу напівметал - напівпровідник, який є слідством розмірного квантування енергетичного спектру носіїв заряду. Встановлено, що при зменшенні товщини плівки в напівпровідниковій області спостерігається зростання ширини забороненої зони E_g.

7. Досліджено вплив Bi, що вводиться в елементарному вигляді на кінетичні і механічні властивості кристалів і тонких плівок PbTe. Встановлено немонотонний характер залежностей цих властивостей від вмісту Bi, що пов'язується із зміною механізму розчинення Bi при зміні складу, процесами взаємодії та самоорганізації в домішковій підсистемі кристала. Ефекти, що спостерігаються, треба приймати до уваги при розробці технології одержання гетероструктур PbTe/Bi.

8. Показано, що існує відтворювана кореляція між концентрацією електронів в тонких плів-ках PbTe на слюді, одержаних методом термічного випаровування у вакуумі стехіометричного PbTe, легованого Bi, і концентрацією Bi у шихті. Це дає можливість контролювати концентрацію носіїв заряду у тонких плівках PbTe без використання в процесі одержання тонких плівок додаткового джерела і спрощувати технологію приготування плівок з необхідною концентра-цією носіїв.

9. Встановлено вплив товщини шару Bi (d_Bi=1-80 нм) при фіксованій товщині шару PbTe (d_PbTe=50 нм) на гальваномагнітні та термоелектричні властивості гетероструктур PbTe/Bi з захисним покриттям Al₂O₃ і без нього в інтервалі температур 80-300 К. В обох гетероструктурах залежності кінетичних властивостей (включаючи термоелектричну потужність) від товщини шару Bi в усьому інтервалі температур мають осцилюючий характер з періодами Дd=152 нм і Дd=252 нм, відповідно, що пов'язується з розмірним квантуванням енергетичного спектру електронів у квантовій ямі. Зменшення Дd у порівнянні з періодом осциляцій у тонкій плівці Bi на слюді (Дd=30±5 нм) пояснюється зміною структури квантової ями та її параметрів (ефективної маси носіїв заряду та енергії Фермі) при введенні шару PbTe, а збільшення Дd при відсутності захисного покриття - зменшенням концентрації електронів в шарі PbTe, яке може відбуватися через проникнення через шар Bi кисню. Показано, що в гетероструктурах PbTe/Bi можна досягти вищих значень термоелектричної потужності в порівнянні із значеннями у плівках Bi.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ ВИКЛАДЕНО У ПУБЛІКАЦІЯХ

Статті:

1. Rogacheva E.I., Grigorov S.N., Nashchekina O.N., Lyubchenko S., Dresselhaus M.S.. Quantum-size effects in n-type bismuth thin films // Appl. Phys. Let. -2003. -V.82, №15. -P.1-6.

2. Rogacheva E.I., Lyubchenko S.G., Dresselhaus M.S.. Effect of oxidation on thickness dependen-ces of thermoelectric properties in PbTe/mica thin films // Thin Solid Films. -2005. -v.476. -p.391-395.

3. Rogacheva E.I., Lyubchenko S.G., Grigorov S.N., Sipatov А.Yu., Volobuev V.V., Dresselhaus M.S.. Investigation of the growth mechanism, structure and thermoelectric properties of thin PbTe films grown on mica // Functional materials. -2005. -V.12, №1. -P.21-27.

4. Rogacheva E.I., Lyubchenko S.G. Thermoelectric and mechanical properties of bismuth-doped lead telluride // Thermoelectricity. -2005. -№3. -С.23-30.

5. Любченко С.Г., Водорез О.С., Волобуев В.В., Сипатов А.Ю., Рогачева Е.И. Управление концентрацией носителей заряда тонких пленок PbTe на слюде путем легирования висмутом // Нові технології. - 2006. -№2 (12). - С.57-61.

6. Любченко С., Рогачова О.. Вплив температури підкладки на знак носіїв заряду в плівках PbTe // Вісник Львівського університету. Серія фізична. -2006. -Т.39. -С.122-126.

7. Rogacheva E.I., Lyubchenko S.G., Vodorez O.S. Temperature dependences and isotherms of galvanomagnetic properties of Bi doped PbTe crystals and thin films // Functional materials. - 2006. -V.13, №4. -Р.571-576.

Матеріали конференцій:

8. Рогачева Е.И., Любченко С.Г., Яковлева А.А., Дресселхаус М.С.. Размерное квантование в тонких пленках висмута // Proc. 15^th Int. Symp. “Thin Films in Electronics”. -Kharkov (Ukra-ine). -2003. -p.144-147.

9. Rogacheva E.I., Lyubchenko S., Yakovleva A.A., Meriuts A.V., Dresselhaus M.S., Dresselhaus G.. Thermoelectric properties of Bi-based thin film structures // Proc. 23 Inter. Con-ference on Thermoelectrics. -Adelaide (Australia). -2004. -Р.106(1)-106(4).

10. Rogacheva E.I., Lyubchenko S.G., Volobuev V.V., Sipatov A.Yu. Quantum size effects in PbTe/mica films // Proc. IV European Conference on Thermoelectrics. - Wales (UK). -2006.

11. Rogacheva E.I., Lyubchenko S.G., Vodorez O.S., Kuzmenko A.M., and Dresselhaus M.S.. Thermoelectric Properties of PbTe <Bi> Crystals and Thin Films // Proc. Int. Conf. on Thermo-electrics. -Vienna (Austria). -2006. -P.656-661.

Тези конференцій:

12. Rogacheva E.I., Grigorov S.N., Nashchekina O.N., Lyubchenko S., Yakovleva A., Dressel-

haus M.S.. Thicknes dependences of the thermoelectric properties of Bi thin films // Abst. XXI International Conference on thermoelectrics. - 2002. -USA. -p.111.

13. Рогачева Е.И., Любченко С.Г., Яковлева А.А.. Температурные зависимости гальваномагнитных свойств тонких пленок висмута n-типа // Материали Х Міжнародної конференції “Фізика і технологія тонких плівок”. -Ів.-Франківськ (Україна). -2003. -т.2. -с.171-172.

14. Любченко С., Рогачова О.. Вплив температурі підкладки на знак носіїв заряду в плівках PbTe // Збірник тез Міжнародної конференції молодих науковців з теоретичної та експериментальної фізики “ЕВРИКА-2004”. -Львів (Украина). -2004. -с.74.

15. Рогачова О., Любченко С.. Вплив окислення на товщинні залежності термоелектричних властивостей тонких плівок PbTe // Збірник тез Міжнародної науково-практичної конференції “MicroCAD-2004”. -Харків (Украина). -2004. -с.310.

16. Rogacheva E.I., Lyubchenko S.G., Yakovleva A.A., Meriuts A.V., Dresselhaus M.S., Dresselhaus G.. Thermoelectric properties of Bi-based thin film structures // Abst. 23 International Conference on Thermoelectrics. -Adelaide (Australia). -2004. -p.138.

17. Rogacheva E.I., Lyubchenko S.G., Grigorov S.N., Dresselhaus M.S.. Growth mechanism, structure and thermoelectric properties of thin PbTe/mica films // 8^th European Workshop on Thermoelectrics. -Krakow (Poland). -2004. -P.52.

18. Любченко С.Г., Волобуев В.В., Рогачева Е.И.. Гальваномагнитные свойства гетероструктур Bi-PbTe // Материали Х Міжнародної конференції “Фізика і технологія тонких плівок”. -Ів.-Франківськ (Україна). -2005. -т.1. -с.335-336.

19. Любченко С.Г., Рогачева Е.И.. Термоэлектрические свойства твердых растворов PbTe-Bi // Тези доповідей V міжнародної школи конференції “Актуальні проблеми фізики напівпровідників”. -Дрогобич (Україна) . -2005. -с.118.

20. Rogacheva E.I., Lyubchenko S.G., Volobuev V.V., Dresselhaus M.S., Dresselhaus G.. Temperature and thickness dependences of Seebeck coefficient in mica/PbTe/Bi heterostructures // Abst. 24 International Conference on Thermoelectrics. -USA. -2005.

21. Рогачева Е.И., Любченко С.Г., Волобуев В.В., Сипатов А.Ю., Водорез О.С. Управление концентрацией носителей заряда тонких пленок PbTe на слюде путем легирования висмутом // Тези доповідей ІІ науково-технічної конференції “Матеріали електронної техніки та сучасні інформаційні технології”. -Кременчуг (Україна). -2006. -С.94-95.

22. Rogacheva E.I., Lyubchenko S.G., Volobuev V.V., Sipatov A.Yu., Dresselhaus M.S. Quantum si-ze effects in PbTe/mica films // Abstr. IV European Conference on Thermoelectrics. -Wales (UK). -2006.

23. Rogacheva E.I., Lyubchenko S.G., Volobuev V.V., Sipatov A.Yu. Growth of PbTe/mica thin films with controlled electron concentration // Abst. IV European Conference on Thermoelectrics. - Wales (UK). -2006.

24. Rogacheva E.I., Lyubchenko S.G.,Vodorez O.S., Kuzmenko A.M., Dresselhaus M.S. Thermoelectric properties of PbTe<Bi> crystals and thin films //Abstr. 25 International Conference on Thermoelectrics. -Wien (Austria). -2006. -P. PC14.

Размещено на Allbest.ru