Фазові переходи в кристалах і плівках SnTe та надгратках SnTe/PbTe

Размещено на http://www.allbest.ru/

ХАРКІВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук

ФАЗОВІ ПЕРЕХОДИ В КРИСТАЛАХ І ПЛІВКАХ SnTe ТА НАДГРАТКАХ SnTe/PbTe

НАЩЕКІНА Ольга Миколаївна

УДК 536.424.1; 539.21; 548.4

01.04.07 - фізика твердого тіла

Харків -1999

Дисертація є рукописом.

Работа виконана в Харківському державному політехнічному

Університеті Міносвіти України.

Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук, професор

Федоренко Анатолій Іванович (професор кафедри

фізики металів і напівпровідників Харківського

державного політехнічного університету).

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, професор

Неклюдов Іван Матвійович (директор Інституту

фізики твердого тіла, матеріалознавства і технологій

ННЦ “Харківський фізико-технічний інститут”).

доктор фізико-математичних наук, професор

Кошкін Володимир Моісеєвич

(завідувач кафедри фізичної хімії Харківського

державного політехнічного університету).

Провідна установа: НТК “Інститут монокристалів” НАН України

Відділ конденсованих молекулярних плівок.

Захист відбудеться “ 12 ” листопада 1999 р. о 16 годині

на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.051.03 у Харківському

державному університеті (310077, м. Харків, м. Свободи, 4,

ауд. ім. К.Д.Синельникова).

З дисертацією можна ознайомитися у Центральній науковій бібліотеці Харківського державного університету.

Автореферат розіслано “ 6 ” жовтня 1999 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради В.П.Пойда

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

фазовий перехід кристал плівка

Актуальність теми. Широкий інтерес, який приділяється дослідженню напівпровідникових сполук типу IV-VI зумовлюється їх застосуванням як детекторів та генераторів ІЧ-випромінювання, інжекційних лазерів, термоелектричних перетворювачів, датчиків Холла, магніторезисторів та ін. Ці вузькозонні матеріали привертають увагу дослідників і як зручні модельні об'єкти для вивчення зокрема таких фізичних явищ, як структурні фазові переходи (ФП), нестехіометрія, надпровідність.

Внаслідок особливостей зонної структури та електрон-фононної взаємо-дії сполуки типу IV-VI відрізняються схильністю до поліморфізму, зокрема до ФП сегнетоелектричного типу. Зумовлюючи нестійкість електронної та граткової підсистем у певному температурному інтервалі, ФП істотно впливають на властивості та стабільність різних важливих з практичної точки зору характе-ристик. Оскільки сполуки IV-VI характеризуються значним відхиленням від стехіометрії, яке зумовлює високу концентрацію власних дефектів, ФП не можуть розглядатися без врахування дефектної підсистеми кристала у зв'язку з її впливом на механізм і характеристики ФП, а також можливістю реалізації ФП, ініційованих взаємодією дефектів нестехіометрії між собою.

Широке застосування сполук IV-VI у тонкоплівковому стані визначає необхідність вивчення специфіки прояву ФП в умовах, коли розмірний ефект може істотно впливати на термодинамічну рівновагу. За останні десятиріччя окрім традиційних методів керування властивостями напівпровідникових сполук (введення домішок, відхилення від стехіометрії, отримання тонких плівок та ін.) з'явилася нова унікальна можливість спрямованої зміни властивостей - створення надграток (НГ) на їх основі. Інтерес до останніх, як з теоретичного, так і з практичного боку зумовлюється виявленням у НГ ряду властивостей, які відсутні у звичайних напівпровідників, можливістю управління зонною структурою та фізичними властивостями, широкими перспективами практичного використання. На цей час вже створені пристрої на основі НГ із сполук IV-VI, які використовуються в ІЧ-оптоелектроніці, завдяки наявності у них специфічних та важливих з практичної точки зору властивостей. У зв'язку з цим постає проблема з'ясування характеру проявлення у НГ фазових переходів різного типу, властивих компонентам. Крім того, з огляду специфіки об'єкту можна очікувати появи нових ФП.

На початок цього дослідження питання, пов'язані з впливом дефектів нестехіометрії та інших факторів на температурні характеристики, механізм та кінетику ФП у сполуках IV-VI, взаємодією дефектів нестехіометрії між собою, що приводять до їх упорядкування і появи нових ФП, а також із специфікою прояву ФП у тонких шарах та НГ, практично не вивчалися. Між тим, всі ці проблеми становлять, безперечно, науковий і практичний інтерес. Це і визначило актуальність постановки цієї роботи.

Об'єкти дослідження - телурид олова і НГ SnTe/PbTe. SnTe- напівпровідникова фаза змінного складу з широким ( 1 ат. %) одностороннім інтервалом гомогенності, високою концентрацією власних дефектів (переважно катіонних вакансій) та носіїв заряду р-типу (1020-1021 см-3). Кількістю цих дефектів легко керувати, змінюючи ступінь відхилення від стехіометрії в межах інтервалу гомогенності, що дає можливість вивчати процеси взаємодії і упорядкування дефектів. РbTe - напівпровідникова сполука з вузьким (не більше 0.03 ат. %) двостороннім інтервалом гомогенності. SnTe має ФП сегнетоелектричного типу при 100 К і переходить до надпровідного (НП) стану при Т 0.2 К, PbTe не зазнає ФП. НГ SnTe/PbTe - зручні модельні об'єкти для виявлення специфіки прояву ФП у НГ, оскільки тільки один з компонентів НГ має структурний ФП та НП перехід. Плівки SnTe і PbTe досить технологічні, хоч проблема одержання шарів SnTe з контрольованою стехіометрією залишається актуальною.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертація виконана на кафедрі фізики металів і напівпровідників Харківського державного політехнічного університету і входила в НДР кафедри за темами, затвердженими наказом Міносвіти України №37 від 13.02.97, “Інтердифузія в надтонких багатошарових композиціях та надгратках” (№ держреєстрації 0197У001910) та “Розробка фундаментальних проблем фізики тонких плівок і створення стабільних в екстремальних умовах нових матеріалів для елементів електроніки та інших областей науки і техніки” (№ держреєстрації 0196У014669).

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є встановлення впливу дефектів нестехіометрії та інших факторів на характеристики сегнетоелектричного фазового переходу (СФП), виявлення ФП, зумовлених взаємодією дефектів нестехіометрії між собою, а також встановлення специфіки прояву ФП в тонких шарах SnTe і НГ SnTe/PbTe.

Для досягнення поставленої мети необхідно було розв'язати такі задачі:

- синтезувати об'ємні кристали SnTe з різним ступенем відхилення від стехіометрії;

- дослідити температурні залежності параметра елементарної комірки, коефіцієнта теплового розширення (КТР), електропровідності , коефіцієнта Холла RH, рухливості носіїв заряду H в інтервалі 4.2-300 К в об'ємних кристалах SnTe з різним ступенем відхилу від стехіометрії;

- вивчити вплив дефектів нестехіометрії на динаміку кристалічної гратки SnTe;

- розробити методи отримання тонких плівок SnTe з контрольованою концентрацією дефектів нестехіометрії та дослідити температурні залежності гальваномагнітних властивостей;

- дослідити механізм росту тонких шарів SnTe і PbTe один на одному і розробити методи отримання НГ SnTe/PbTe;

- дослідити температурні залежності гальваномагнітних властивостей НГ SnTe/PbTe в інтервалі 1.6 - 300 К.

Наукова новизна роботи.

- Вперше проведено комплексне дослідження сегнетоелектричного ФП у кристалах та плівках SnTe з одночасним застосуванням методів вимірювання параметра гратки, КТР, гальваномагнітних властивостей у температурному інтервалі 4.2 - 300 К. Встановлено вплив відхилення від стехіометрії на температуру ФП Тс в SnTe і вплив ступеня досконалості структури на характер проявлення ФП. Одержана температурна залежність додаткового питомого опору поблизу СФП і дана її інтерпретація на основі уявлень про внутрішньозонне розсіяння дірок на м'якій моді ТО-фононів.

- Вперше в об'ємних кристалах і тонких плівках SnTe з високою концентрацією нестехіометричних вакансій виявлено два нових ФП в температурних інтервалах 135-150 і 200-215 К. Припускається, що ці ФП пов'зані з процесами перерозподілу дефектів нестехіометрії і утворенням найбільш енергетично вигідних конфігурацій. Встановлено, що характер температурних аномалій властивостей в областях цих ФП залежить як від концентрації власних дефектів, так і від кінетичних факторів (швидкості нагріву-охолодження, товщини плівки, ступеня структурної досконалості і т.д.). Встановлено вплив релаксаційних явищ на характер проявлення ФП. Показано, що процеси перерозподілу дефектів більш легко реалізуються у тонких плівках і порошкових зразках у порівнянні з об'ємними кристалами.

- Визначена залежність граткової теплопровідності об'ємних кристалів SnTe від концентрації катіонних вакансій в інтервалі 300-650 К. Встановлено, що катіонні вакансії є центрами ефективного розсіювання фононів. Поперечний переріз розсіяння на вакансіях складає S = 2.5 aо2, де ао - параметр елементарної комірки, що добре узгоджується з розрахунками за теорією Клеменса.

- Вперше виявлено екстремальний характер залежності КТР від концентрації власних дефектів з мінімумом при складі 50.4 ат. % Те, який відповідає максимуму на кривих ліквідуса і солідуса в системі Sn-Te. Припускається, що максимальна динамічна стійкість SnTe при певній концентрації дефектів (~1.6 % вакансій в катіонній підгратці) є непрямим підтвердженням існування ФП, зумовлених процесами упорядкування катіонних вакансій при їх значній концентрації, а мінімальне значення КТР відповідає оптимальному складу упорядкування.

- Розроблені методи отримання тонких плівок SnTe з контрольованою концентрацією дефектів нестехіометрії. Встановлена кореляція між значеннями і температурним ходом кінетичних коефіцієнтів у плівках SnTe та ступенем структурної досконалості, товщиною і складом плівок. Показано, що значення рухливості та ступеневого коефіцієнта у залежності Н(Т) зростають при переході від полі- до монокристалічних плівок і зменшенні концентрації носіїв. Встановлені переважні механізми розсіяння дірок в різних температурних інтервалах. Показано, що на відміну від СФП при ФП, пов'язаних з процесами в дефектній підсистемі, має місце не тільки зміна рухливості носіїв заряду, але і коефіцієнта Холла.

- Досліджено механізм росту плівок SnTe і PbTe одна на одній. Показано, що плівки SnTe і PbTe ростуть одна на одній за механізмом Франка-ван дер Мерве, визначені основні параметри росту (критична товщина псевдоморфного шару, період сітки дислокацій невідповідності на міжфазній межі та ін.)

- Вперше досліджено СФП у НГ. Встановлені закономірності спостереження та проявлення структурних ФП у НГ SnTe/PbTe, які в значній мірі зумовлюються характером дефектоутворення на міжфазній межі під час ФП. В результаті цього величина додаткового електроопору, що супроводжує ФП, залежить від орієнтації шарів.

- Знайдено надпровідний перехід у напружених НГ SnTe/PbTe (TC~ 3.4 К) і встановлені умови його спостереження. Виявлено погіршення НП властивостей при переході від напружених НГ до дислокаційних. Показано, що НП у НГ SnTe/PbTe спостерігається в умовах псевдоморфного розтягнутого стану шарів SnTe.

Наукові результати і положення, які виносяться на захист.

1. Результати комплексного дослідження температурних залежностей параметра елементарної комірки, коефіцієнта термічного розширення, електропровідності, коефіцієнта Холла, рухливості носіїв заряду в кристалах та плівках SnTe, які виявили температурні аномалії властивостей, підтверджують існування СФП в SnTe та встановлюють залежність характера його прояву від ступеня досконалості кристалічної структури, а його температури - від ступеня відхилення від стехіометрії SnTe.

2. У кристалах та тонких плівках SnTe з високою концентрацією нестехіометричних вакансій крім відомого СФП спостерігаються, принаймні, ще два ФП в інтервалах 135-150 та 200-215 К, які, напевно, пов'язані з процесами перебудови дефектної підсистеми кристалу, ініційованими взаємодією дефектів нестехіометрії між собою. Характер проявлення цих ФП залежить як від концентрації власних дефектів, так і від кінетичних факторів (швидкості нагріву-охолодження, товщини плівок і т.д.)

3. При певній концентрації дефектів нестехіометрії (катіонних вакансій) кристал SnTe має максимальну динамічну стабільність, про що свідчить мінімальне значення КТР. Це є непрямим підтвердженням існування ФП, зумовлених процесами перерозподілу катіонних вакансій при їх значній концентрації і утворення упорядкованих конфігурацій, які відповідають мінімуму вільної енергії.

4. Характер проявлення СФП, властивого SnTe, у НГ SnTe/PbTe істотно залежить від характера дефектоутворення на межах шарів у процесі ФП, яке дає основний внесок у зміну опору в області переходу. Величина і характер напруження, що виникає у міжфазній межі, залежать від орієнтації росту шарів.

5. У надгратках SnTe/PbTe з напруженими шарами спостерігається надпровідний перехід з критичною температурою ~3.4 К. Надпровідність у НГ SnTe/PbTe спостерігається лише за умови псевдоморфного розтягнутого стану SnTe. Введення дислокацій невідповідності у міжфазну межу SnTe/PbTe знижує напруження на інтерфейсі (англ. interface - поверхня розділу) і призводить до пригнічення надпровідності.

Практичне значення одержаних результатів. Результати проведених комплексних досліджень структури, теплових та електрофізичних властивостей кристалів та тонких плівок телуридів олова-свинцю у широкому інтервалі температур можуть використовуватися на практиці для управління властивостями цих матеріалів.

Розроблені методи отримання тонких плівок SnTe з контрольованою концентрацією власних дефектів, а також методи одержання шляхом вакуумної конденсації напружених, частково напружених та дислокаційних НГ можуть застосовуватися при створенні плівкових термоперетворювачів, детекторів ІЧ-випромінювання та іншіх пристроїв, а також при проведенні магнітних, оптичних, магнітооптичних та іншіх вимірювань, при яких ставляться особливі вимоги до постійності товщини об'єкта та якості поверхні.

Отримані експериментальні та теоретичні результати розширюють уявлення про природу та механізм ФП, роль власних дефектів у гратковій нестабільності кристалів, специфіку прояву ФП у тонких шарах і НГ і можуть використовуватися у лекційних курсах.

Особистий внесок здобувачки. Авторкою безпосередньо розроблені технології приготування і отримані об'ємні кристали, тонкі плівки та надгратки на основі телуридів олова-свинцю; досліджено структуру отриманих об'єктів; проведені вимірювання теплопровідності, електропровідності, коефіцієнта Холла, магнітоопору, коефіцієнта теплового розширення у широкому температурному інтервалі; проведено обробку та аналіз експериментальних даних; підготовлені матеріали до публікацій; сформульовані основні положення та висновки роботи.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботы оприлюднені, доповідалися і обговорювалися на III Всесоюзній конференції з фізики і технології тонких напівпровідникових плівок (Iвано-Франкiвськ, 1990); 22th International School of Physics of Semiconducting Compounds (Jaszowiec, Poland, 1993); 3 Всесоюзній конференції “Материаловедение халькогенидных полупро-водников” (Чернiвцi, 1991); 1 Мiжвузiвській конференцiї “Матерiалознавство i фiзика напiвпровiд-никових фаз змiнного складу” (Нiжин, 1991); V Українській конференцiї “Фiзика i технологiя тонких плiвок складних напiвпровiдникiв (Ужгород, 1992); 2 Українській конференцiї “Матерiало-знавство i фiзика напiвпровiдникових фаз змiнного складу (Нiжин, 1993); 4 Мiжнародній конфе-ренцiї з фiзики i технологii тонких плiвок (Iвано-Франкiвськ, 1993); 1 Мiжнародній конференцiї “Матерiалознавство алмазоподiбних i халькогенiдних напiвпровiд-никiв” (Чернiвцi, 1994); 1 International Autumn School-Conference “Solid State Physics: Fundamentals and Application” (Uzhgorod, Ukraine, 1994); 7th Inter-national Conference on Narrow Gap Semiconductors (Santa Fe, USA, 1995); Spring Meeting Materials Research Society (San Francisco, USA, 1995); International School-Conference “Physical Problems in Material Science of Semiconductors” (Ukraine, Chernivtsi, 1995); International Conference “Material Science and Material Properties for Infrared Optoelectronics” (Uzhgorod, Ukraine, 1996); IV Ukrainian-Polish Meeting on Phase Transition and Ferroelectric Physics (Dniepropetrovsk, Ukraine, 1998); IV International Conference “Materials Science and Material Properties for Infrared Optoelectronics” (Kyiv, Ukraine, 1998).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 27 друкованих праць. З них 11 статей у наукових журналах та 16 тез доповідей на наукових конференціях.

Структура і обсяг роботи: Дисертація складається із вступу, 6 розділів, висновків та списку використаних літературних джерел із 334 найменувань. Вона містить 147 сторінок машинописного тексту, 4 таблиці та 49 рисунків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтована актуальність теми, визначена мета роботи; викладені основні результати і сформульовані положення, які виносяться на захист; вказані практична цінність результатів та їх наукова новизна.

У першому розділі “Огляд літератури” наведені загальні відомості про телуриди олова та свинцю - фазові діаграми, інтервали гомогенності, кристалічну та зонну структуру. Головна увага приділяється розгляду даних про СФП у SnTe, а також ФП в системі SnTe-PbTe, надпровідность у сполуках IV-VI. Розглянуто методи отримання плівок SnTe і PbTe, а також наведено огляд робіт з вивчення гальваномагнітних властивостей плівок SnTe. Описані властивості НГ SnTe/PbTe і зроблено огляд наявних робіт по НП у НГ. З аналізу літературних даних випливає, що дані про СФП у SnTe нерідко суперечні, серед них практично відсутніми є роботи, в яких би СФП досліджувався одночасно за допомогою різних методів на зразках з контрольованою стехіометрією. Практично не вивчалися і питання, пов'язані із взаємодією дефектів нестехіометрії між собою, а також ФП, зумовленими перерозподілом цих дефектів, наприклад, їх упорядкуванням; не з'ясовувалася специфіка проявлення ФП у тонких плівках і НГ. У заключній частині літературного огляду сформульовані основні задачі роботи.

У другому розділі “Методика експерименту” описано методики дослідження. Об'єктами дослідження були об'ємні кристали SnTe, полі- і монокристалічні плівки SnTe, а також НГ SnTe/PbTe. Плівки отримували за методом термічного випаровування у вакуумі 10-4 Па, а також за методом “гарячої стінки” на скло і (001)KCl, а НГ - шляхом послідовного осадження шарів SnTe и PbTe на підкладки (001)KCl і (111) слюди. Було застосовано такі методи дослідження: мікроструктурний, електронномікроскопічний, електронографічний, рентгенівська дифрактомет-рія, вимірювання КТР, , RH, магнетоопору і теплопровідності . Вимірювання і RH проводили в інтервалі температур 4.2 - 300 К або 77 -300 К на зразках, виготовлених у формі подвійного холлівского хреста, при постійному струмі крізь зразок та магнітних полях з індукцією 0 - 1.5 Тл.

Третій розділ “Фазові переходи в об'ємних кристалах телурида олова” присвячений дослідженню температурних ФП в об'ємних кристалах телурида олова, встановленню впливу дефектів нестехіометрії на механізм і характеристики ФП, а також виявленню ролі цих дефектів в існуванні структурних нестабільностей гратки.

Перша частина розділу присвячена систематичному дослідженню відомого з літератури СФП за методами вимірювання температурних залежностей параметра елементарної комірки (а), КТР () та кінетичних властивостей (RH, , H) на полікристалічних зразках з різним вмістом телуру. Для стехіометричного складу SnTe комплексне дослідження дозволило виявити температурні аномалії а, , і H в області 90-100 К. Вперше спостерігалася чітко виражена -аномалія, притаманна ФП другого роду, на залежностях (Т) для зразка із стехіометричним складом. Встановлено, що додаткове зниження рухливості H, зумовлене взаємодією електронів з ТО-фононами при СФП, складає 8 %, а RH при цьому практично не змінюється.

Аналіз одержаних та літературних даних показав, що характер прояву СФП на температурних залежностях кінетичних властивостей істотно залежить від ступеня структурної досконалості зразків. Величина аномального додаткового збільшення електроопору зростає в міру зниження ступеня структурної досконалості кристалів і появи додаткових механізмів електрон-фононної взаємодії, зокрема при переході від моно- до полікристалічних зразків.

У другій частині розділу 3 наведені результати дослідження впливу дефектів нестехіометрії на динаміку кристалічної гратки. Отримані залежності фононної теплопровідності p, КТР, рух-ливості носіів заряду H від концентрації власних дефектів при різних температурах. Встановлено, що заряджені вакансії є центрами ефективного розсіяння фононів: експериментально знайдений переріз розсіяння фононів на вакансіях в SnTe складає s 2.5 ао2, де ао- параметр елементарної комірки SnTe, що добре узгоджується з результатами теоретичного розрахунку відповідно до теорії Клеменса. Показано, що введення катіонних вакансій призводить до істотного зниження рухливості та збільшення внеску розсіяння на заряджених дефектах у загальне значення H.

Встановлено, що збільшення ступеня відхилення від стехіометрії призводить до різкого спаду температури СФП і при 50.4 ат.% Те СФП не спостерігається. Таким чином, збурюючи електронну та граткову підсистеми, дефекти нестехіометрії стабілізують несегнетоелектричну кубічну фазу. З іншого боку, зростання концентрації власних дефектів веде до збільшення ймовірності їх взаємодії між собою та перерозподілу у кристалічній гратці з утворенням конфігурацій, відповідних мінімуму вільної енергії. Було встановлено, що мінімальне значення КТР в межах інтервалу гомогенності SnTe при температурах вищих за D спостерігається для складу 50.4 ат.% Те, який відповідає максимуму на кривих плавкості в системі Sn-Te. Припускається, що збільшення динамічної стабільності гратки SnTe з ростом концентрації дефектів нестехіометрії пов'язане з процесами упорядкування вакансій. Нескладний розрахунок показує, що склад 50.4 ат. % Те відповідає утворенню ГЦК-гратки вакансій з параметром а = 4ао,, де ао - параметр елементарної комірки. З отриманих даних випливає, що виникає можливість ФП, пов'язаних не з пом'якшенням поперечної моди, а з перебудовою дефектної підсистеми кристалу в результаті міжчастинкової взаємодії. Виявленню таких ФП присвячена третя частина розділу 3.

У зразках нестехіометричного SnTe (50.4 і 50.8 ат.% Те) на температурних залежностях а(Т) виявлені дві аномалії в інтервалах 135-150 та 200-215 К, найбільш чітко виражені для зразка із 50.4 ат.% Те, в якому вони супроводжуються значними (1.5 %) стрибками а і переходом КТР в область від'ємних значень. Нестійкість кристалічної гратки у певних температурних інтервалах пов'язується з ФП у підсистемі власних дефектів - нестехіометричних вакансій, зумовленими їх перерозподілом у катіонній підгратці при зміні температури та складу. Припускається, що значна величина ефектів, які супроводжують ФП у зразку з 50.4 ат.% Те, і від'ємний знак КТР в області аномалій зумовлені дією кінетичних факторів - нерівноважним характером вихідного стану в результаті швидкого охолодження до температури 80 К і релаксаційними явищами, які мають місце при нагріві. Це припущення підтверджується дилатометричними дослідженнями температурних залежностей КТР, знятих при різних швидкостях нагріву. Встановлено, що, починаючи з ~ 180 К, криві (Т) співпадають для різних швидкостей нагріву. Збільшення концентрації катіонних вакансій призводить до зростання швидкості дифузійних процесів, завдяки чому величина ефектів, що супроводжують ФП, зменьшується.

У розділі 4 “Фазові переходи в тонких плівках SnTe” описані результати отримання, дослідження структури та кінетичних властивостей тонких плівок SnTe у широкому температурному інтервалі. Проведено комплекс досліджень із встановлення впливу різних факторів - методів одержання плівок, температури підкладки, складу вихідної наважки - на склад та кінетичні властивості плівок SnTe. На основі проведенних досліджень розроблена технологія отримання моно- та полікристалічних тонких плівок SnTe з контрольованою концентрацією нестехіометричних дефектів. Найкращі результати були одержані при застосуванні методу “гарячої стінки”: змінюючи склад вихідної наважки вдавалося отримувати плівки високої структурної досконалості з контрольованою концентрацією носіїв заряду в інтервалі (0.5-10)1020см-3 і H = 40 - 1350 см2/Вс. Мінімальна концентрація носіів, одержана у плівках SnTe, виявилася нижчою, ніж в об'ємних кристалах, вирощених без застосування спеціальних технологій. Значення H монокристалічних плівок SnTe відповідали H об'ємних кристалів. При зниженні температури підкладки зростала максимально можлива концентрація дефектів нестехіометрії у плівках.

Для плівок з різною концентрацією носіїв pH отримані залежності , RH, H від Т в інтервалі 4.2 - 300 К. Встановлено, що величина коефіцієнта b у степеневій залежності HТ-b визначається ступенем структурної досконалості плівок, Т і pH, змінюючись в межах b = 0 0.85. Значення b знижуються при переході від моно- до полікристалічних плівок, а також із зростанням pH. При збільшенні Т до 150-200 К b зростає, що відповідає переходу від розсіяння на іонізованих дефектах (катіонних вакансіях) до розсіяння на акустичних коливаннях.

На залежностях RH(T) і H(T) для більшості плівок можна було виділити два інтервали: у першому (до 150-200 К) значення RH залишалося практично постійним, а H зменшувалася; у другому - значення RH зростало, а коефіцієнт b у залежності H(Т) зменшувався. Звичайно зростання RH з температурою у сполуках IV-VI пояснюється на основі двозонної моделі і пов'язується із зростанням внеску у провідність носіїв з “важкої” підзони при підвищенні температури. Встановлено, що за певних умов (в монокристалічних плівках з певною товщиною та концентрацією носіїв) перехід від одного інтервалу до другого супроводжується появою чітко виражених аномалій (мінімумів) RH і H близько 200 К, а в окремих випадках двох аномалій поблизу 130 і 200 К. Враховуючи цей факт, а також наявність аномалій на температурній залежності параметра елементарної комірки об'ємних кристалів, було висловлено припущення, що спостережені аномалії є проявленням ФП, пов'язаних з перерозподілом дефектів нестехіометрії. Високі значення H і b в цих плівках нижче 200 К вказують на можливість утворення упорядкованої структури, в якій розсіяння електронів на дефектах виявляється слабким через їх періодичний розподіл у кристалічній гратці. Оскільки ці процеси в значній мірі контролюються кінетичними факторами, характер проявлення ФП може бути істотно різним. Стрибкоподібний характер ФП в деяких зразках та поступовий в більшості плівкових зразків та об'ємних кристалах, очевидно, зумовлені саме кінетичними факторами, які визначають масштаб і ступінь упорядкування нестехіометричних вакансій. Так, при малих товщинах плівок процеси упорядкування можуть бути утруднені завдяки значному внеску поверхневої енергії. У об'ємних кристалах в порівнянні з тонкими плівками утруднені процеси дифузії, що перешкоджає перерозподілу дефектів. Можна припустити, що в тонких плівках за певних обставин утворюються більш сприятливі умови для реалізації процесів перебудови системи дефектів. Можлива реалізація мікродоменного стану. Висловлюється припущення, що зростання RH з температурою, яке спостерігається в SnTe, пов'язане з процесами розупорядкування дефектів та/або появою дефектів нового типу.

У розділі 5 “Фазові переходи у надгратках SnTe/PbTe” викладені результати вивчення ФП у НГ SnTe/PbTe. Досліджені умови та визначені основні параметри епітаксійного росту у вакуумі плівок SnTe и PbTe одна на одній за механізмом Франка-Ван-дер-Мерве. Визначена критична товщина псевдоморфного росту hC = 10 нм, період сітки дислокацій невідповідності на міжфазній межі р = 32 нм. Методами просвічуючої електронної мікроскопії вивчено структуру міжфазної межі і показано можливість отримання при вакуумній епітаксії напружених псевдоморфних, частково напружених та дислокаційних НГ SnTe/PbTe. Проведені гальваномагнітні дослідження НГ SnTe/PbTe в інтервалі температур 1.5 - 300 К і магнітних полях до 1.5 Тл. Одержані термопольові залежності провідності, коефіцієнта Холла, поперечного та поздовжнього магнітоопору. Виявлено НП перехід у НГ з періодом 16.5 нм (ТС 3.4 К). Вивчення кутових залежностей другого критичного поля показало, що НП не є квазідвовимірною, як у НГ системи PbTe/PbS, де вона локалізується на міжфазних поверхнях. Експериментально показано, що НП у НГ SnTe/ PbTe зумовлена напруженим, розтягнутим станом шарів SnTe і може бути пов'язана як з розм'якшенням фононного спектра, так і з певним відносним розташуванням термів L6+ і L6- PbTe та SnTe на гетеромежі. Порівняння результатів структурних та гальваномагнітних досліджень показало, що НП у НГ PbTe і SnTe не пов'язана, як у НГ системи PbTe/PbS, з існуванням на міжфазних межах сіток дислокацій невідповідності, ступінь досконалості яких у НГ SnTe/PbTe значно нижчий, ніж у PbTe/PbS. Введення дислокацій невідповідності у міжфазну межу SnTe/PbTe частково знижує напруження у шарах SnTe і призводить до пригнічення НП, в той час, як у НГ PbTe/PbS регулярні сітки дислокацій невідповідності на інтерфейсах зумовлюють НП.

Для дослідження специфіки прояву структурних ФП у НГ були отримані напружені НГ SnTe/PbTe з пружно здеформованими шарами без дислокацій невідповідності на межах розділу шляхом термічного випаровування у вакуумі та послідовного осадження телуридів олова та свинцю на підкладки (001)KСl та (111) слюди. У НГ (001) SnTe/PbTe крім аномалії електропровідності, пов'язаної з НП переходом, в інтервалі 60-130 К було спостережено максимум , найбільш чітко виражений у першому циклі охолодження. У повторних циклах охолодження аномальний максимум практично зникав. Для НГ (111) SnTe/ PbTe аномалія не спостерігалася, і залежність (Т) залишалася незмінною у всіх циклах охолодження. Для пояснення спостережених ефектів були розвинені уявлення про дефектоутворення на межах шарів при ФП. Оскільки шар SnTe, який зазнає ФП, у площині (001) жорстко зв'язаний з двома суміжними шарами PbTe (завдяки реалізації шарового росту за механізмом Франка-Ван дер Мерве в даній ориєнтації), то при досягненні структурного ФП на межах шарів повинні виникнути додаткові зсувні напру-ження, які можуть зніматися тільки в результаті дефектоутворення різного типу. Основний внесок у зміну опору НГ в області переходу дає дефектоутворення на межах шарів. Відсутність аномалії у НГ, що були вирощені в орієнтації (111) може мати таке пояснення. Ромбоедричність виникає за рахунок витягнення кристалу типу NaCl вздовж осі <111>. У орієнтації (001) розтягуючі напруження мають як нормальні, так і тангенційні складові. У випадку ж орієнтації (111) зсувне (дотичне) напруження, яке може викликати утворення і рух дефектів, відсутнє, завдяки чому температурна залежність провідності не має аномалії.

У розділі 6 “Обговорення результатів” зроблено підсумки результатів комплексного дослідження ФП у об'ємних кристалах, тонких плівках і надгратках. З'ясовується подвійна роль дефектів нестехіометрії, які, з одного боку, змінюють температурні характеристики СФП, а, з другого боку, при значній концентрації взаємодіють між собою, що приводить до нових ФП, обумовлених процесами перерозподілу дефектів. Виявлена специфіка прояву ФП у тонких шарах, пов'язана з розмірним ефектом, та надгратках, де ФП здійснюється в умовах складного напруженого стану.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ І ВИСНОВКИ

На основі комплексного дослідженя температурних залежностей параметра елементарної комірки, КТР, електропровідності та коефіцієнта Холла в інтервалі 4.2.-300 К підтверджено існування сегнетоелектричного ФП в об'ємних кристалах та плівках SnTe; встановлена залежність температури ФП від концентрації дефектів нестехіометрії і показано, що величина температурної аномалії питомого опору зростає при переході від моно- до полікристалів.

Методами рентгенівської дифрактометрії, вимірювання КТР та гальваномагнітних властивостей встановлено, що крім сегнетоелектричного ФП у кристалах та тонких плівках SnTe можуть реалізуватися ще, принаймні, два ФП (при 135-150 К і 200-215 К), які, напевно, пов'язані з процесами перебудови дефектної підсистемі кристалу при зміні температури. Запропонована модель процесів, які призводять до граткової та електронної нестабільності, що враховує можливість далекого упорядкування катіонних вакансій при певних їх концентраціях, утворення мікрогетерогенної структури, що складається з фаз з більш обмеженою стехіометрією, а також колективних ефектів у дірковій підсистемі кристалу.

Показано, що кількість вказаних ФП і характер температурних аномалій властивостей залежать від концентрації дефектів нестехіометрії, технології виготовлення зразка, товщини плівки і температури підкладки, а також кінетичних факторів (швидкості нагріву-охолодження, тривалості витримки при постійній температурі при вимірах). Вихідний нерівноважний стан зразків, що має місце при гартуванні, призводить при нагріві до накладення ФП і релаксаційних явищ. Це, з одного боку, визначає більш складну картину температурних аномалій, а, з другого боку, більш виразне проявлення ФП. Виявлено, що процеси перерозподілу дефектів легше реалізуються у тонких плівках та порошкових зразках, ніж у масивних кристалах, що пов'язується із зростанням дифузійної рухливості у тонких шарах в порівнянні з об'ємними кристалами.

Визначена залежність теплового опору гратки і КТР SnTe від концентрації катіонних вакансій при різних температурах. Встановлено, що катіонні вакансії є центрами ефективного розсіювання фононів, що стимулює процеси їх упорядкування при зниженні температури. Мінімальне значення КТР спостерігається при складі 50.4 ат % Те, який відповідає максимуму на кривих ліквідусу та солідусу. Максимальна динамічна та термічна стабільність SnTe при 50.4 ат.% Те пов'язується з процесами упорядкування нестехіометричних вакансій.

Одержані температурні залежності гальваномагнітних властивостей кристалів і плівок SnTe в інтервалі 4.2 - 300 К і досліджено вплив ФП на їх характер. Встановлені переважні механізми розсіяння носіїв заряду в різних температурних інтервалах і значення ступеневого коефіцієнту в температурній залежності рухливості носіїв заряду при різних концентраціях дефектів нестехіометрії і ступеня структурної досконалості. Показано, що при зростанні температури має місце перехід від розсіяння на іонізованих дефектах до розсіяння на акустичних і оптичних коливаннях. Виявлено зниження ступеневого коефіцієнту при зростанні концентрації дефектів нестехіометрії і переході від моно- до полікристалічних об'єктів. Одержані температурні залежності додаткового питомого опору при сегнетоелектричному ФП узгоджуються з теорією Кобаяші, що враховує внутрішньозонне розсіяння носіїв м'якою модою ТО-фононів. При сегнетоелектричному ФП не спостерігається зміна коефіцієнта Холла, в той час як для іншіх ФП така зміна має місце, що може бути пов'язано з упорядкуванням вакансій.

Досліджено механізм росту плівок SnTe та PbTe одна на одній, визначені основні параметри росту (критична товщина псевдоморфного шару, період сітки дислокацій невідповідності на міжфазній межі та ін.). Розроблена методика отримання при вакуумній конденсації напружених псевдоморфних, частково напружених та дислокаційних надграток SnTe/PbTe.

Виявлено НП перехід у надгратках SnTe/PbTe із напруженими шарами з TС3.4 К. Показано, що НП спостерігається тільки за умов псевдоморфного розтягнутого стану SnTe. Встановлено, що введення дислокацій невідповідності призводить до пригнічення НП.

Встановлені закономірності реалізації ФП у НГ SnTe/PbTe. Показано, що проявлення ФП залежить від характеру дефектоутворення на міжфазній межі в процесі ФП, яке в свою чергу, зумовлене орієнтацією росту шарів.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗДОБУВАЧА ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ:

Mironov O.A., Chistyakov S.V., Skrylev I.Yu., Fedorenko A.I., Sipatov A.Yu., Savitskii B.A., Shpakovskaya L.P. Nashchekina O.N., Oszwaldowski M. The galvanomagnetic properties of short-period SnTe/PbTe superlattices // Superlattices and Microstructures.-1990.-V.8.-№ 4.-P.361-363.

Mironov O.A., Chistyakov S.V., Fedorenko A.I., Shpakovskaya L.P., Sipatov A.Yu., Savitskii B.A., Nashchekina O.N., Oszwaldowski M. Superconductivity of non-strained PbTe-PbS and strained PbTe-SnTe superlattices // Acta Physica Polonica A.-1991.-V.80.-N 3.-P.329-332.

Fedorenko A.I., Nashchekina O.N., Savitskii B.A., Shpakovskaya L.P., Mironov O.A., Oszwaldowski M. Strain in PbTe/SnTe heterojunctions grown on (001) KCl // Vacuum.-1992.-V.43.-№ 12.-P.1191-1193.

Rogacheva E.I., Sinelnik N.A., Nashchekina O.N., Popov V.P., Lobkovskaya T.A. Defects of non-stoichiometry and dynamic stability of SnTe crystal lattice // Acta Physica Polonica A.-1993.-V.84.-№ 4.-P.733-736.

Миронов О.А., Шпаковская Л.П., Нащекина О.Н., Федоренко А.И., Макаровский О.Н. Аномалии электропроводности и структурные фазовые переходы в сверхрешетках PbTe-SnTe // Функциональные материалы.-1994.-Т.1.-№ 2.-С.132-134.

Nashchekina O.N., Rogacheva E.I., Shpakovskaya L.P., Pinegin V.I., Fedorenko A.I. Non-stoichiometric defects in semiconductor SnTe thin films // Material Research Society Symposium Proceedings.-1995.-V.378.-P.255-260.

Rogacheva E.I., Gorne G.V., Nashchekina O.N. Deviation from stoichiometry and lattice properties of semiconducting SnTe phase // Material Research Society Symposium Proceedings.-1995.-V.378.-P.107-112.

Рогачева Е.И., Нащекина О.Н. Упрочнение решетки при катионных замещениях в полупроводниковом соединении SnTe // Неорган. Материалы.-1995.-Т.31.-№ 6.-С.723-726.

Mironov O.A., Makarovskii O.N., Nashchekina O.N., Shpakovskaya L.P., Litvinov V.I., Oszwaldowski M., Berus T. SnTe phase transition in strained superlattices PbTe/SnTe // Acta Physica Polonica A.-1995.-V.88.-№ 5.-P.853-856.

Nashchekina O.N., Rogacheva E.I. Temperature anomalies of transport properties in SnTe epitaxial thin films // Physica Status Solidi.-1998.-V.169.-N 2.-P.235-238.

Nashchekina O.N., Isakina A.P., Prokhvatilov A.I., Rogacheva E.I., Fedorenko A.I. Low temperature lattice instability of SnTe // Low Temperature Physics.-1999.-V.25.-N 4.-P. 390-395.

Миронов О.А., Чистяков С.В., Скрылев И.Ю., Сипатов А.Ю., Савицкий Б.А., Федоренко А.И., Шпаковская Л.П., Нащекина О.Н. Инверсные эпитаксиальные сверхрешетки на основе халькогенидов свинца и олова - модельные объекты ВТСП // Тез. докл. 3-й Всесоюзн. конф. по физике и технологии полупроводниковых пленок.- Ивано-Франковск.- 1990.- Ч.2.- С.338.

Рогачева Е.И., Нащекина О.Н. Нестехиометрические вакансии и теплопроводность монотеллурида олова //Тез. докл. 3 Всесоюзн. конф. "Материаловедение халькогенидных полупроводников".- Черновцы.-1991.-Ч. II.- C.40.

Миронов О.А., Чистяков С.В., Федоренко А.И., Шпаковская Л.П., Сипатов А.Ю., Савицкий Б.А., Нащекина О.Н., Ошвальдовский М. Экзотическая сверхпроводимость эпитаксиальных сверхрешеток на основе халькогенидов свинца и олова // Тез. докл. 3 Всесоюзной конф. "Материаловедение халькогенидных полупроводников."- Черновцы.-1991.- Ч.I.- С.15.

Рогачева Е.И., Нащекина О.Н., Попов В.П. Отклонение от стехиометрии и тепловые свойства SnTe // Тез. докл. 1 Межвузовской конф. "Материаловедение и физика полупроводн. фаз переменного состава".- Нежин.- С.42.

Миронов О.А., Шпаковская Л.П., Нащекина О.Н., Федоренко C.З. Аномалии электросопротивления в сверхрешетках PbTe-SnTe // Тез. доп. V-ї Української конф. “Фізика і технологія тонких плівок складних напівпровідників”.- Ужгород.- 1992.- С.122-124.

Нащекина О.Н., Пинегин В.И., Рогачева Е.И., Шпаковская Л.П. Структура и гальваномагнитные свойства тонких пленок пленок SnTe // Матеріали IV Міжнародної конф. з фізики і технології тонких плiвок.- Івано-Франківськ (Україна).- 1993.- Ч.2.-С.234.

Rogacheva E.I., Sinelnik N.A., Nashchekina O.N., Popov V.P., Stepanova S.V. Defects of non-stoichiometry and dynamic stability of SnTe crystal lattice // Abstr. of the 22 Intern. School of Physics of Semiconducting Compounds.- Jaszowiec (Poland).- 1993.- P. 112.

Федоренко А.И., Нащекина О.Н., Шпаковская Л.П. Исследование фазы переменного состава Sn1-xTe в тонкопленочном состоянии // Тез. доп. II Української конф. “Матеріалознавство і фізика напівпровідникових фаз змінного складу”.- Ніжин.- 1993.- Ч.1.- С.68-70.

Рогачева Е.И., Нащекина О.Н. Упрочнение решетки при катионном замещении в полупровод-никовых соединениях типа А4В6 // Тез. докл. 1 Международн. конф. по материаловедению халькогенидов и алмазоподобных полупроводников.- Черновцы.- 1994.- Т.1.- С.159.

Nashchekina O.N., Shpakovskaya L.P., Fedorenko A.I., Mironov O.A. Structural phase transitions in the strained superlattices PbTe-SnTe // Proceedings of the 1st Intern. Autumn School-Conference “Solid State Physics: Fundamentals and Applications” (SSPFA'94).- Uzhgorod (Ukraine)- 1994.- P.R75-R76.

Mironov O.A., Makarovskii O.N., Nashchekina O.N., Shpakovskaya L.P., Fedorenko A.I., Roga-cheva E.I. Manifestation of SnTe phase transition in the strained superlattices PbTe/SnTe. // Abstr. of the 7 Intern. Conf. on Narrow Gap Semiconductors. - Santa Fe, New Mexico (USA).- 1995.- P.47.

Fedorenko A.I., Nashchekina O.N., Pinegin V.I., Rogacheva E.I., Shpakovskaya L.P. Electrical properties of SnTe thin films // Intern. School-Conf. "Physical Problems in Material Science of Semiconductors".- Chernivtsi.- 1995.- P.129.

Nashchekina O.N, Rogacheva E.I., Shpakovskaya L.P., Pinegin V.I., Fedorenko A.I. Non-stoichiometric defects in semiconductor SnTe thin films // Abstr. of MRS 1995 Spring Meeting.- San-Francisco (USA).- 1995.- P.53.

Fedorenko A.I., Nashchekina O.N., Pinegin V.I., Rogacheva E.I., Shpakovskaya L.P. Growth of SnTe thin films with controlled concentration of non-stoichiometric defects // Abstr. of Intern. Conf. "Material Science and Material properties for Infrared Optoelectronics".-Uzhgorod (Ukraine).-1996.- P.157.

Rogacheva E.I., Nashchekina O.N., Fedorenko A.I. Deviation from stoichiometry and ferroelectric phase transition in SnTe. // Abstr. of the IV Ukrainian-Polish Meeting on Phase Transitions and Ferroelectric Physics.- Dniepropetrovsk (Ukraine).- 1998.- P.99.

Nashchekina O.N., Rogacheva E.I., Fedorenko A.I. Phase transitions and transport properties in the SnTe crystals and thin films // Abstr. of IV Intern. Conf. “Material Science and Material Properties for Infrared Optoelectronics”.- Kyiv (Ukraine).- 1998.- P.110.

Нащекіна О.М. Фазові переходи в кристалах і плівках SnTe та надгратках SnTe/PbTe.- Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичніх наук за спеціальністю 01.04.07 - фізика твердого тіла. Харківський державний університет, Харків, 1999.

Робота присвячена комплексному дослідженню температурних нестабільностей фізичних властивостей (параметра елементарної комірки, КТР, електропровідності, коефіцієнта Холла, рухливості носіїв заряду) в об'ємних кристалах і плівках SnTe та надгратках SnTe/PbTe з метою встановлення впливу дефектів нестехіометрії та інших факторів на характеристики сегнетоелект-ричного фазового переходу (СФП), виявлення фазових переходів (ФП), зумовлених взаємодією дефектів нестехіометрії між собою, а також встановлення специфіки прояву ФП в тонких шарах SnTe і надгратках SnTe/PbTe. У кристалах та тонких плівках SnTe з високою концентрацією каті-онних вакансій крім відомого СФП спостерігаються, принаймні, ще два ФП в інтервалах 135-150 та 200-215 К, напевно, пов'язані з процесами перебудови дефектної підсистеми кристалу. Харак-тер прояву цих ФП залежить як від концентрації власних дефектів, так і від кінетичних факторів (швидкості нагріву-охолодження та ін.). Показано, що прояв СФП, властивого SnTe, у надгратках SnTe/PbTe істотно залежить від орієнтації росту шарів. У надгратках SnTe/PbTe з напруженими шарами виявлено надпровідний перехід з критичною температурою ~3.4 К. Введення дислокацій невідповідності у міжфазну межу SnTe/PbTe призводить до пригнічення надпровідності.

Ключові слова: фазові переходи, телурид олова, нестехіометрія, власні дефекти, об'ємні кристали, тонкі плівки, надгратки, теплові властивості, гальваномагнітні властивості, температурні залежності властивостей, надпровідність.

Нащекина О.Н. Фазовые переходы в кристаллах и тонких пленках SnTe и сверхрешетках SnTe/PbTe. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.07 - физика твердого тела. - Харьковский государственный университет, Харьков. 1999.

Работа посвящена комплексному исследованию температурных нестабильностей физических свойств в объемных кристаллах и тонких пленках SnTe, а также сверхрешетках SnTe/PbTe с целью установления влияния дефектов нестехиометрии и других факторов на характеристики известного сегнетоэлектрического фазового перехода (СФП), выявления фазовых переходов (ФП), обусловленных взаимодействием дефектов нестехиометрии между собой, а также установления специфики проявления ФП в тонких пленках и сверхрешетках.

Проблема влияния дефектов, в том числе дефектов нестехиометрии на ФП имеет, по край-ней мере, два аспекта. С одной стороны, дефекты могут влиять на ФП, изменяя их температуру, характер протекания и т.д. С другой стороны, взаимодействие дефектов при их значительной концентрации может привести к новым ФП, связанным с перестройкой дефектной подсистемы. Все расширяющееся использование материалов в тонкопленочном состоянии требует выяснения специфики проявления ФП в низкоразмерных системах, а широкие перспективы управления свойствами объектов при использовании сверхрешеток привлекают внимание к проблеме ФП в сверхрешетках.

В качестве объектов исследования выбраны соединение SnTe и сверхрешетки SnTe/PbTe. Широкий интерес к исследованию полупроводниковых соединений типа IV-VI определяется их применением в качестве детекторов и генераторов ИК-излучения, инжекционных лазеров, термо-преобразователей и т.д. Эти узкозонные материалы привлекают внимание и как удобные модельные объекты для изучения таких физических явлений, как структурные ФП, нестехиометрия, сверхпроводимость и т.д.

Впервые проведено комплексное исследование СФП в кристаллах и пленках SnTe с одновременным использованием методов измерения параметра элементарной ячейки, КТР и гальваномагнитных свойств в интервале температур 4.2-300 К. Установлено влияние отклонения от стехиометрии на температуру ФП в SnTe, а также влияния степени совершенства структуры на характер проявления ФП. Установлено, что кроме СФП в кристаллах и тонких пленках SnTe могут реализоваться еще, по крайней мере, два ФП, предположительно связанные с процессами пере-стройки дефектной подсистемы кристалла при изменении температуры. Предложена модель про-цессов, приводящих к решеточной и электронной нестабильности, учитывающая возможность дальнего упорядочения катионных вакансий, образования микрогетерогенной структуры, а также коллективных эффектов в дырочной подсистеме кристалла. Показано, что количество указанных ФП и характер температурных аномалий свойств зависят от концентрации дефектов нестехио-метрии, технологии приготовления образца, толщины пленки и температуры подложки, а также от кинетических факторов (скорости нагрева-охлаждения и др.). Исходное неравновесное состояние образцов, получаемое при закалке, приводит при нагреве к наложению ФП и релаксационных явлений, что, с одной стороны, определяет более сложную картину температурных аномалий, а, с другой стороны, более отчетливо проявляет ФП. Обнаружено, что процессы перераспределения дефектов легче реализуются в тонких пленках и порошковых образцах, чем в массивных кристал-лах, что связывается с увеличением диффузионной подвижности в тонких слоях по сравнению с объемными кристаллами. Определена зависимость теплового сопротивления решетки и КТР SnTe от концентрации катионных вакансий при различных температурах. Установлено, что катионные вакансии являются центрами эффективного рассеяния фононов, что стимулирует процессы их упо-рядочения. Минимальное значение КТР соответствует составу 50.4 ат.% Те, отвечающему макси-муму на кривых ликвидуса и солидуса в системе Sn-Te. Максимальная динамическая и термиче-ская стабильность SnTe при 50.4 ат.% Те связывается с процессами упорядочения нестехио-метрических вакансий.

Получены температурные зависимости гальваномагнитных свойств кристаллов и пленок SnTe в интервале 4.2 - 300 К и исследовано влияние ФП на их характер. Установлены преобладающие механизмы рассеяния носителей заряда в разных температурных интервалах и значения степенного коэффициента в температурной зависимости подвижности носителей заряда при различных концентрациях дефектов нестехиометрии и степени структурного совершенства. Обнаружено снижение степенного коэффициента при увеличении концентрации дефектов нестехиометрии и переходе от моно- к поликристаллическим объектам. Полученные температурные зависимости дополнительного удельного сопротивления при СФП согласуются с теорией Кобаяши, учитывающей внутризонное рассеяние носителей мягкой модой ТО-фононов.

Исследован механизм роста пленок PbTe и SnTe друг на друге, определены основные параметры роста (критическая толщина псевдоморфного слоя, период сетки дислокаций несоответствия на межфазной границе и т.д.). Разработана методика получения при вакуумной конденсации напряженных, частично напряженных и дислокационных сверхрешеток SnTe/PbTe.

Обнаружен СП переход в сверхрешетках SnTe/PbTe с напряженными слоями с TС 3.4 К. Показано, что СП наблюдается только в условиях псевдоморфного растянутого состояния SnTe, а введение дислокаций несоответствия приводит к подавлению СП.

Установлены закономерности наблюдения и характера проявления ФП в сверхрешетках SnTe/PbTe. Показано, что проявление ФП зависит от характера дефектообразования на межфазной границе в процессе ФП, которое, в свою очередь, определяется ориентацией роста слоев.

Ключевые слова: фазовые переходы, теллурид олова, нестехиометрия, собственные дефекты, объемные кристаллы, тонкие пленки, сверхрешетки, тепловые свойства, гальваномагнитные свойства, температурные зависимости свойств, сверхпроводимость.

Nashchekina O.N. Phase transitions in bulk crystals and thin films of SnTe and SnTe/PbTe superlattices. - Manuscript.

Thesis for the scientific degree of candidate of physical and mathematical sciences, speciality 01.04.07 - solid state physics. - Kharkov State University, Kharkov, 1999.

The thesis is devoted to complex investigation of temperature instabilities of physical properties (unit cell parameter, thermal expansion coefficient, electrical conductivity, the Hall coefficient, charge carrier mobility) in SnTe bulk crystals and thin films and SnTe/PbTe superlattices. The aim of the work was to establish effect of nonstoichiometric defects and other factors on characteristics of the ferroelectric phase transition (FPT), detect new phase transitions (PT) caused by defect interactions and reveal specificity of phase transition manifestation in SnTe thin layers and SnTe/PbTe superlattices. In SnTe bulk crystals and thin films with high concentration of cation vacancies, at least two more PT in addition to the known FPT were observed in the ranges 135-150 K and 200-215 K. They are believed to be connected with restructuring in the crystal defect subsystem. The character of manifestation of these PT depends both on native defect concentration and kinetic factors (rate of heating/cooling, etc.) It was shown that manifestation of the FPT inherent in SnTe, in SnTe/PbTe superlattices significantly depends on layer growth orientation. In SnTe/PbTe superlattices with strained layers, superconductivity with the critical temperature ~3.4. K was detected. Introduction of misfit dislocations onto SnTe/PbTe interfaces led to suppression of superconductivity.

...