Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ МОНОКРИСТАЛІВ

УДК 539.2; 621.38

Явища переносу і квантові розмірні ефекти в тонких плівках телуриду свинцю і вісмуту ТА структурах на їх основі

01.04.10 - фізика напівпровідників та діелектриків

автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

Любченко Світлана Григорівна

Харків-2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Національному технічному університеті “Харківський політехнічний інститут” Міністерства освіти і науки України, м. Харків

Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук, професор Рогачова Олена Іванівна Національний технічний університет “Харківський політехнічний інститут”, професор кафедри теоретичної та експериментальної фізики

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, професор Лашкарьов Георгій Вадимович, Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України, завідувач відділом кріогенних і плівкових матеріалів функціонального призначення

доктор фізико-математичних наук, професор Агєєв Леонід Опанасович, Харківський національний університет ім. В.Н. Каразіна, завідувач кафедри фізичої оптики

Захист відбудеться “ 26 ” вересня 2007 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.169.01 при Інституті монокристалів НАН України Адреса: 61001, м. Харків, пр. Леніна, 60

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту монокристалів НАН України за адресою: м. Харків, пр. Леніна, 60

Автореферат розісланий “ 21” серпня 2007 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

кандидат фізико-математичних наук Добротворська М.В.

Любченко С.Г. Явища переносу і квантові розмірні ефекти в тонких плівках телуриду свинцю та вісмуту та структурах на їх основі. - Рукопис. Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.10 - фізика напівпровідників та діелектриків. - Інститут монокристалів НАН України, Харків, 2007.

Дисертація присвячена дослідженню квантових розмірних ефектів в тонких плівках телуриду свинцю і вісмуту, гетероструктурах PbTe/Bi, отриманих методом термічного випаровування в вакуумі на підкладки з слюди, шляхом вивчення електрофізичних, гальваномагнітних та термоелектричних властивостей в залежності від товщини тонких шарів (d=1-600 нм), температури (80-300 К) та різних чинників (концентрація носіїв заряду, температура підкладки, склад шихти, наявність або відсутність захисного покриття), які впливають на характер прояву розмірного квантування енергетичного спектру носіїв заряду. В результаті проведених досліджень встановлено, що залежності кінетичних коефіцієнтів від товщини як тонких плівок PbTe та Bi, так і тонких шарів Bi в гетероструктурах PbTe/Bi мають осцилюючий характер, що свідчить про дискретну структуру енергетичного спектру. Спостерігається добра відповідність між результатами теоретичного розрахунку періоду осциляцій і експериментальними даними. випаровування квантовий вісмут свинець

Ключові слова: телурид свинцю, вісмут, тонкі плівки, гетероструктури, товщина, квантові розмірні ефекти, електрофізичні властивості, гальваномагнітні властивості, термоелектричні властивості, осциляції.

Любченко С.Г. Явления переноса и квантовые размерные эффекты в тонких пленках теллурида свинца и висмута и структурах на их основе. -Рукопись. Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.10 -физи-ка полупроводников и диэлектриков.-Институт монокристаллов НАН Украины, Харьков, 2007.

Диссертация посвящена исследованию квантовых размерных эффектов в тонких пленках теллурида свинца и висмута, гетероструктурах PbTe/Bi, полученных методом термического испарения в вакууме на подложки из слюды, путем изучения электрофизических, гальваномагнитных и термоэлектрических свойств в зависимости от толщины тонких слоев (d=1-600 нм), температуры (80-300 К) и различных факторов (концентрация носителей заряда, температура подложки, состав шихты, наличие или отсутствие защитного покрытия), влияющих на характер проявления размерного квантования энергетического спектра носителей заряда. В результате проведенных исследований установлено, что зависимости кинетических коэффициентов от толщины как тонких пленок PbTe и Bi, так и тонких слоев Bi в гетероструктурах PbTe/Bi имеют осциллирующий характер, свидетельствующий о дискретной структуре энергетического спектра. Наблюдается хорошее соответствие между результатами теоретического расчета периода осцилляций и экспериментальными данными.

Показано, что процессы окисления тонких пленок PbTe при взаимодействии с воздухом даже при комнатной температуре приводят к качественным изменениям толщинных зависимостей кинетических свойств, вплоть до инверсии знака проводимости, не позволяя выявить квантовые размерные осцилляции. С учетом акцепторных поверхностных состояний кислорода, в рамках модели полупроводника с двумя сортами носителей и модели двухслойного сэндвича дано аналитическое описание толщинных зависимостей кинетических свойств тонких пленок PbTe с различными концентрациями носителей, хорошо согласующееся с экспериментальными результатами.

В тонких пленках Bi в интервале толщин 25-300 нм подтверждено существование квантовых осцилляций, соответствующих квантованию электронного энергетического спектра, а в интервале толщин 25-60 нм обнаружены осцилляции с периодом Дd ? 5±1 нм, соответствующие квантованию дырочного газа. На основе детального исследования толщинных и температурных зависимостей кинетических свойств тонких пленок Bi сделан вывод о существовании перехода полуметалл-полупроводник и в полупроводниковой области установлено увеличение ширины запрещенной зоны с уменьшением толщины пленки Bi.

Установлено, что растворение элементарного Bi в кристаллах и пленках PbTe приводит к резкому изменению кинетических свойств и немонотонному характеру их зависимости от концентрации Bi, что связывается с изменением механизма растворения Bi при увеличении его концентрации и процессами самоорганизации в примесной подсистеме кристалла. Этот факт должен быть учтен при разработке технологии приготовления гетероструктур PbTe/Bi и интерпретации их свойств.

Показано, что зависимости кинетических свойств гетероструктур PbTe/Bi с защитным покрытием (Al₂O₃) и без него от толщины слоя Bi (d_Bi=1-80 нм) при фиксированной толщине слоя PbTe (d_PbTe=50 нм) в интервале температур 80-300 К носят осциллирующий характер с периодами, соответственно, Дd=152 нм и Дd=252 нм, свидетельствуя о квантовании энергетического спектра в Bi квантовой яме. Уменьшение Дd по сравнению с периодом осцилляций в пленке Bi на слюде (Дd=30±5 нм) объясняется изменением типа одного из барьеров, а увеличение Дd при отсутствии защитного покрытия - с уменьшение концентрации электронов в слое PbTe, которое может иметь место в результате проникновения кислорода через тонкий слой Bi. Показано, что в гетероструктурах PbTe/Bi можно достичь более высоких значений термоэлектрической мощности, чем в пленках Bi и PbTe.

Ключевые слова: теллурид свинца, висмут, тонкие пленки, гетероструктуры, толщина, квантовые размерные эффекты, электрофизические свойства, гальваномагнитные свойства, термоэлектрические свойства, осцилляции.

Lyubchenko S.G. transport phenomena and quantum size effects in thin films of bismuth and lead telluride and structures on their basis. - Manuscript. Thesis for degree of the candidate of sciences in physics and mathematics by specialty 01.04.10 - Physics of semiconductors and dielectrics. - Institute for Single Crystals, National Academy of Sciences of Ukraine, Kharkiv, 2007.

Thesis is devoted to study of quantum size effects in thin films of lead telluride and bismuth, hete-rostructures PbTe/Bi obtained by the method of thermal evaporation in a vacuum on mica substrates, by the study of electrical, galvanomagnetic and thermoelectric properties depending on the thickness of thin layers (d=1-600 nm), temperature (80-300 K) and different factors (charge carrier concentration, temperature of substrate, composition of charge, presence or absence of protective coating) influencing on nature of size quantization of charge carriers energy spectrum. It is shown as a result of the conducted researches, that dependences of kinetic coefficients on the thickness of both the thin films PbTe and Bi and thin layers Bi in heterostructures PbTe/Bi have oscillatory character testifying to the discrete structure of energy spectrum. There is good accordance between the results of theoretical calculation of oscillation period and experimental data.

Key words: lead telluride, bismuth, thin films, heterostructures, thickness, quantum size effects, electrical properties, galvanomagnetic properties, thermoelectric properties, oscillations.

Актуальність теми. Інтенсивний розвиток нанофізики і нанотехнологій стимулює дослідження квантових розмірних ефектів (КРЕ), що виявляються, коли розмір системи стає порівнянним з довжиною хвилі де Бройля. Квантування квазіімпульсу і енергетичного спектру носіїв заряду в низькорозмірних структурах приводить до радикальної зміни властивостей, внаслідок чого розмір системи стає важливим параметром, що дозволяє керувати її властивостями [1]. Одним із слідств розмірного квантування енергетичного спектру в двовимірних системах є поява осциляцій на залежностях термодинамічних і кінетичних властивостей від товщини плівки або шару в гетероструктурі, вперше завбачена Лівшицем І.М. і Косевичем А.М. [2]. Для виявлення товщинних осциляцій необхідне виконання певних умов (виродження електронного газу, достатньо високі значення рухливості носіїв заряду, дзеркальне відбиття електронів на інтерфейсах і т.д.). Метали не зручні об'єкти для дослідження КРЕ, оскільки величина періоду осциляцій d у них порівнянна з величиною міжатомних відстаней, що ускладнює проведення експерименту. Зручнішими об'єктами є напівметали і напівпровідники, у яких величина d може досягати значно більших значень. Саме тому вперше осцилюючий характер залежностей кінетичних властивостей від товщини спостерігався в тонких плівках напівметалу вісмуту і незабаром після цього в плівках вузькозонних напівпровідників InSb і Cd₃As₂. Проте надалі роботи в цьому напрямі практично не проводилися. Між тим, осцилюючий характер товщинних залежностей властивостей треба враховуватися при інтерпретації і прогнозуванні фізичних параметрів наноструктур, і це стимулює детальні дослідження залежностей властивостей цих структур від товщини плівки або ширини квантової ями і вимагає встановлення впливу різних факторів на характер проявлення КРЕ.

Напівпровідники типу IV-VI відносяться до числа перспективних матеріалів, що використовуються в термоелектриці, ІЧ-техніці, оптоелектроніці, тензометрії, лазерах. На їх основі виготовляються гетероструктури різного типу, включаючи надгратки [3]. Після теоретичного прогнозу американських фізиків про значне збільшення термоелектричної добротності при зменшенні ширини квантової ями до нанорозмірів [4] і подальших експериментальних підтверджень різко зріс інтерес до дослідження наноструктур на основі IV-VI для термоелектричних цілей. На початок даної роботи (2002 р) з'явилися дослідження (див., напр., [5]), автори яких вперше спостерігали осциляції гальваномагнітних і термоелектричних властивостей в тонких плівках сполук IV-VI, вирощених на підкладках KCl. Відомо, що структура та електронні властивості тонких плівок PbTe у значній мірі визначаються технологічними факторами (типом і температурою підкладки, складом шихти, взаємодією із киснем повітря і т.д.), що визначає необхідність вивчення впливу цих факторів на проявлення осциляційних ефектів. Можливість підвищення термоелектричної ефективності в гетероструктурах і надгратках PbTe/Bi [4] привертає увагу до детального дослідження цих об'єктів.

Напівметал вісмут, який відзначається унікально високими значеннями довжини вільного пробігу, рухливості носіїв заряду та малою ефективною масою, є надзвичайно зручним об'єктом для дослідження КРЕ [6]. Але, не дивлячись на велику кількість робіт по вивченню КРЕ в тонких плівках Bi, ряд питань не розв'язано. Так, на цей час немає переконливих доказів існування передбаченого теоретично переходу напівметал - напівпровідник (НМНП) при зменше-нні товщини плівки до нанорозмірів. Між тим, внаслідок цього переходу прогнозується різке підвищення термоелектричної ефективності у низькорозмірних структурах на основі ві [4].

Усе вищевказане визначило постановку цієї роботи, що присвячена дослідженню квантових розмірних ефектів у явищах переносу в тонких плівках PbTe і Bi та в гетероструктурах PbTe/Bi.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Роботу виконано згідно з планом аспірантури та з тематикою та планами наукових досліджень кафедри теоретичної та експериментальної фізики Національного технічного університету “Харківський політехнічний інститут”, зокрема за держбюджетними темами: “Механізми формування термоелектричних властивостей у кристалах і тонкоплівкових структурах на основі напівпровідників IV-VI” (2003-2005рр., № державної реєстрації 0103U001514); “Розробка фізичних основ керування властивостями кристалів і наноструктур для термоелектричних і фотоелектричних перетворювачів енергії” (2006-2008рр., № державної реєстрації 0106U001492).

Мета і задачі досліджень. Основна мета роботи полягала у виявленні впливу квантових розмірних ефектів на кінетичні властивості тонких плівок телуриду свинцю і вісмуту та гетероструктур PbTe/Bi, одержаних методом термічного випаровування у вакуумі на підкладки із слюди, шляхом дослідження явищ переносу в залежності від товщини тонких шарів, температури, концентрації носіїв заряду та інших факторів.

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

1. Експериментально встановити залежності електрофізичних, гальваномагнітних та термоелектричних властивостей тонких плівок PbTe та Bi від їх товщини, температури (80-300 К) та технологічних факторів і дати теоретичну інтерпретацію результатів з урахуванням розмірного квантування енергетичного спектру носіїв заряду.

2. Експериментально і теоретично дослідити вплив процесів окислення при кімнатній температурі на кінетичні властивості тонких плівок PbTe, Bi та гетероструктур PbTe/Bi в залежності від товщини плівок, температури підкладки та концентрації носіїв заряду.

3. Встановити залежності кінетичних властивостей тонких плівок вісмуту, одержаних при різних температурах підкладки, від товщини плівок і температури (80-300К) з метою виявлення впливу температури підкладки на проявлення квантових розмірних ефектів.

4. Одержати залежності електрофізичних, гальваномагнітних і термоелектричних властивостей гетероструктур PbTe/Bi від товщини шару Bi в інтервалі температур 80-300 К, виявити вплив КРЕ на кінетичні властивості та фактори, що визначають характер цього впливу.

5. Встановити вплив елементарного Bi на кінетичні властивості кристалів і тонких плівок телуриду свинцю в інтервалі температур 80-300 К з метою прогнозування характеру зміни властивостей в гетероструктурах PbTe/Bi внаслідок можливої взаємодії PbTe та Bi на інтерфейсі.

Об'єкт дослідження - квантові розмірні ефекти у явищах переносу в тонких плівках та тонкоплівкових структурах.

Предмет дослідження - електрофізичні, гальваномагнітні та термоелектричні властивості тонких плівок PbTe та Bi, гетероструктур PbTe/Bi, кристалів і тонких плівок PbTe, легованого Bi, в залежності від товщини тонких шарів, концентрації носіїв заряду, температури, складу та інших факторів.

Методи дослідження. Вимірювання електропровідності, коефіцієнта Холла, магнітоопору, коефіцієнта Зеєбека в інтервалі температур 80-300К, вимірювання мікротвердості, рентгенівська дифрактометрія, оптична та електронна мікроскопія, електронографія.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному:

1. Встановлено, що залежності електрофізичних, гальваномагнітних і термоелектричних властивостей від товщини (d=5-100 нм) тонких плівок PbTe із захисним покриттям Al₂O₃, одержаних методом термічного випаровування у вакуумі на підкладки із слюди з шихти з концентрацією електронів n=1.0·10²⁰ cм^-3, мають осцилюючий характер, що пов'язується із квантуванням енергетичного спектру носіїв заряду, яке проявляється при малих товщинах плівок. Експериментально визначений період осциляцій (d=202 нм) добре узгоджується з результатами теоретичних розрахунків.

2. Показано, що процеси окислення суттєво змінюють товщинні залежності кінетичних властивостей тонких плівок PbTe без захисного покриття навіть при кімнатній температурі, не дозволяючи виявити квантові розмірні осциляції, і характер зміни залежить від концентрації носіїв заряду (10¹⁷-10²⁰ см^-3) та температури підкладки (380-520 К). В рамках уявлень про існування акцепторних станів кисню на поверхні плівки одержано теоретичні залежності гальваномагнітних і термоелектричних властивостей від товщини плівки PbTe з використанням моделі напівпровідника з двома сортами носіїв та моделі двошарового сендвіча, які добре узгоджуються із експериментальними результатами.

3. В тонких плівках Bi на підкладках із слюди в інтервалі товщин d=25-60 нм виявлено осцилюючий характер товщинних залежностей кінетичних коефіцієнтів з періодом d=51 нм і висловлено припущення, що осциляції, які спостерігаються, є проявом розмірного квантування енергетичного спектру діркового газу. В інтервалі товщин d=25-300 нм підтверджено наявність осциляцій, що обумовлені квантуванням енергетичного спектру електронів (d=305 нм), і показано, що при підвищенні температури підкладки з 300 К до 380 К ці осциляції проявляються більш чітко.

4. На основі дослідження температурних і товщинних залежностей кінетичних коефіцієнтів тонких плівок Bi (d=7-200 нм) зроблено висновок, що із зменшенням товщини плівок при d255 нм має місце перехід напівметал - напівпровідник, який обумовлений розмірним квантуванням енергетичного спектру носіїв заряду. Встановлено, що при зменшенні d у напівпровідниковій області ширина забороненої зони зростає, і це підтверджує наявність і квантову природу переходу.

5. Показано, що розчин елементарного Bi у PbTe призводить до різкої зміни кінетичних властивостей кристалів і плівок PbTe і немонотонного характеру їх залежності від концентрації Bi, що пов'язується із зміною механізму розчинення Bi при збільшенні його концентрації і процесами самоорганізації в домішковій підсистемі кристала.

6. Встановлено осцилюючий характер (Дd=152 нм) залежностей кінетичних властивостей від товщини шару Bi в гетероструктурах слюда/PbTe/Bi/Al₂O₃ (d_Bi=1-80 нм, d_PbTe=50 нм), що свідчить про розмірне квантування енергетичного спектру носіїв заряду. Зменшення періоду осциляцій у порівнянні з Дd у плівці Bi пояснюється зміною структури і параметрів квантової ями для електронів . У відсутності захисного шару Al₂O₃ період осциляцій зростає до Дd=252 нм внаслідок процесів окислення, які знижують концентрацію електронів у шарі PbTe. Показано, що в гетероструктурах PbTe/Bi можна досягти вищих значень термоелектричної потужності в порівнянні із плівками Bi.

Практичне значення отриманих результатів:

1. Встановлений у роботі осцилюючий характер залежностей електрофізичних, гальваномагнітних та термоелектричних властивостей від товщини тонких шарів PbTe та Bi у тонких плівках телуриду свинцю та вісмуту і гетероструктурах PbTe/Bi слід приймати до уваги при прогнозуванні властивостей тонкоплівкових структур та розробці приладів на їх основі для використання у термоелектриці, ІЧ - техніці, мікроелектроніці і т.д.

2. Одержані на прикладі плівок PbTe на слюді основні закономірності процесів окислення, що мають місце при взаємодії поверхні плівки з повітрям при кімнатній температурі, слід враховувати при розробці технології виготовлення плівок напівпровідникових сполук типу IV-VI із запрограмованими властивостями, особливо в області малих товщин плівок.

3. Встановлення залежностей структури і термоелектричних властивостей нелегованих та легованих Bi плівок PbTe від складу шихти, температури підкладки, товщини плівки, наявності або відсутності захисного шару і т.д. дає можливість керувати термоелектричною ефективністю шляхом варіювання технологічними параметрами.

4. Виявлені залежності фазового складу, концентрації носіїв, механічних та кінетичних властивостей, а також термоелектричної потужності PbTe від вмісту елементарного Bi в кристалах та тонких плівках дозволяють керувати властивостями PbTe шляхом зміни концентрації Bi та прогнозувати характер зміни властивостей в гетероструктурах PbTe/Bi при можливій взаємодії PbTe та Bi на інтерфейсі.

5. Одержані результати сприяють розвитку фундаментальних фізичних уявлень про розмірне квантування у нанооб'єктах, а також стимулюють подальший розвиток низькорозмірного термоелектричного матеріалознавства.

Особистий внесок здобувача. Теоретичні та експериментальні дослідження, наведені у роботі, виконані автором особисто або за його безпосередньою участю. В роботах [1-24] дисертант виконала дослідження електрофізичних, гальваномагнітних та термоелектричних властивостей тонких плівок PbTe, Bi та гетероструктур PbTe/Bi, кристалів і тонких плівок PbTe, легованих елементарним Bi, приймала безпосередню участь у формуванні напрямку дослідження, обробці експериментальних результатів, розробці фізичних моделей і механізмів встановлених процесів, а також формулюванні висновків. В роботах [4,5,7,11,24] безпосередньо дисертантом виготовлені зразки та проведені дослідження мікроструктури і вимірювання мікротвердості кристалів PbTe, легованих елементарним Bi. В роботах [1-3,5-10,12-18,20-24] дисертант приймала участь у розробці технології вирощування тонких плівок PbTe, Bi та гетероструктур слюда/PbTe/Bi. Дослідження проводились на тонкоплівкових структурах, виготовлених співробітниками кафедри фізики металів та напівпровідників НТУ “ХПІ” д.ф.-м.н. Сипатовим О.Ю. та к.ф.-м.н. Волобуєвим В.В. Наведені в [1,3,12,17] результати електронномікроскопічних досліджень (в яких приймала участь дисертант) одержані співробітником кафедри теоретичної та експериментальної фізики НТУ “ХПІ” к.ф.-м.н. Григоровим С.М.. В роботах [9,16] теоретичні розрахунки виконувались за участю співробітника кафедри мікро- та наноелектроніки НТУ“ХПІ” к.ф.-м.н. Меріуца А.В.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи доповідалися та обговорювалися на наступних конференціях: 1) 21 International Conference on Thermoelectrics, USA, 2002; 2) ІХ Міжнародної конференції з фізики і технології тонких плівок, Ів.-Франківськ (Україна), 2003; 3) Міжнародна конференція молодих науковців з теоретичної та експериментальної фізики “ЕВРИКА-2004”, Львів (Україна), 2004; 4) Міжнародна науково-практична конференція “MicroCAD-2004”, Харків (Україна), 2004; 5) 8^th European Workshop on Thermoelectrics, Krakow (Poland), 2004; 6) ХХІІІ International Conference on Thermoelectrics, Adelaide (Australia), 2004; 7) Х Міжнародної конференції з фізики і технології тонких плівок, Ів.-Франківськ (Україна), 2005; 8) V міжнародної школи конференції “Актуальні проблеми фізики напівпровідників”, Дрогобич (Україна), 2005; 9) 24 International Conference on Thermoelectrics, (USA), 2005; 10) IV European Conference on Thermoelectrics, Wales (UK), 2006; 11) ІІ науково-технічна конференція з міжнародною участю “Матеріали електронної техніки та сучасні інформаційні технології”, Кременчук (Україна), 2006; 12) 25 International Conference on Thermoelectrics, Wien (Austria), 2006.

Публікації. По темі дисертації опубліковано 24 роботи, із них 7 статей у фахових журналах, 4 статті в матеріалах конференцій і 13 тез доповідей на конференціях.

Структура дисертації. Дисертація складається з вступу, шести розділів, загальних висновків та списку використаних джерел з 347 найменувань, містить 67 рисунків та 10 таблиць. Загальний обсяг дисертації складає 206 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи та її зв'язок із науковими програмами, планами і темами досліджень, сформульована мета та задачі роботи, відзначена наукова новизна та практична значимість отриманих результатів, представлені відомості про апробацію роботи, вказано основні публікації, висвітлено особистий внесок здобувача та описано структуру дисертації.

У першому розділі наведено загальні відомості про класичні та квантові розмірні ефекти, характер їх прояву і умови спостереження в двовимірних системах. Особлива увага надана прояву КРЕ у явищах перенесу. Дано огляд наявних експериментальних і теоретичних робіт, в яких спостерігалися квантові осциляції кінетичних властивостей у металах, напівметалах і напівпровідниках, проведено аналіз сучасного стану питання. Відзначається, що кількість робіт з КРЕ у явищах переносу в напівпровідникових тонких плівках дуже обмежена, хоча можливості для спостереження товщинних осциляцій у цих об'єктах достатньо великі та існує широке коло напівпровідників з необхідним набором параметрів. Наведено відомості про структуру та кінетичні властивості кристалів і тонких плівок PbTe та Bi, сплавів і гетероструктур системи PbTe-Bi. Наголошується, що в літературі відсутні дані про спостереження осциляцій на товщинних залежностях транспортних властивостей плівок PbTe на слюді. З літературних джерел відомо, що поверхнева адсорбція кисню, який діє як акцептор, в значній мірі впливає на властивості кристалів і плівок PbTe, але на цей час результати з окислення плівок PbTe було одержано на відносно товстих (0.1-10 мкм) і звичайно полікристалічних плівках, причому основними параметрами, які варіювались, були тиск кисню, температура і час відпалу, а не товщина плівок.

Показано, що на цей час немає надійних експериментальних доказів наявності (внаслідок розмірного квантування енергетичного спектру носіїв заряду) передбаченого теоретично переходу напівметал - напівпровідник при зменшенні товщини плівки Bi, а також товщинних осциляцій, пов'язаних із квантуванням спектру діркового газу. Практично відсутні роботи по впливу технологічних факторів, а також висоти потенціальних бар'єрів на інтерфейсах на характер проявлення товщинних осциляцій кінетичних властивостей у плівках Bi. Можлива взаємодія компонентів на інтерфейсі в гетероструктурі PbTe/Bi вимагає знання характеру фазової взаємодії в системі PbTe-Bi і характеру зміни властивостей, що має при цьому місце. На закін чення розділу сформульовані мета роботи і конкретні задачі дослідження.

Другий розділ містить описи методик приготування та дослідження тонких плівок і кристалів PbTe та Bi, а також гетероструктур PbTe/Bi. Шихту для одержання тонкоплівкових структур і сплави системи PbTe- Bi синтезували ампульним методом із елементів високої чистоти (99.9999 ат.% основного компонента) при 127010 К із застосуванням вібраційного перемішування. Зразки відпалювали при 82010 К протягом 170 годин з подальшим охолоджуванням з піччю. Хімічний і рентгеноспектральний аналізи показали, що відхилення складу сплавів від розрахункового по всіх елементах не перевищувало 0.02 ат.%. Тонкі плівки PbTe та Bi були отримані методом термічного випаровування у вакуумі ~10^-5-10^-6 Па та наступної конденсації на підкладки (111) слюди. Швидкість конденсації дорівнювала 0.1-0.3 нм/c. Температура підкладки Т_s для PbTe варіювалась від 38010 до 55010 К, а для Bi від 30010 до 38010 К. Готувались тонкі плівки без і з захисним покриттям (EuS або Al₂O₃). Шари EuS або Al₂O₃ вирощувалися методом електронно-променевого випаровування у вакуумі. При виготовленні гетероструктур PbTe/Bi після нанесення PbTe на слюду при Т_s=55010 К температура підкладки знижувалась до Т_s= 38010 К і провадилось випаровування Bi. Товщина плівок вимірювалась за допомогою кварцового резонатора, що калібрувався як з використанням інтерферометра (для значних товщин), так і за допомогою рентгенодифракційного методу малокутового розсіяння. Мікроструктура та кристалічна структура плівок досліджувались методами просвічуючої електронної мікроскопії та електронографії. Вимірювання електропровідності , коефіцієнта Холла R_H, магнітоопору /, коефіцієнта Зеєбека S (відносно міді) проводилося на свіжевиготовлених зразках у формі подвійного холлівського хреста в інтервалі температур 80-300 К. Використовувався метод постійного струму через зразок та постійного магнітного поля (В=0.1-1 Тл).В якості контактів для PbTe та Bi застосовували індій та срібну пасту відповідно. Похибка у вимірюванні R_H і не перевищувала 5 %, коефіцієнта Зеєбека - 3 %. Холлівська рухливість носіїв струму обчислювалась як

_H=R_H·

а концентрація носіїв струму у кристалах і тонких плівках PbTe як

n= r/(R_He)

де r =1. У кристалах і тонких плівках Bi для обчислення концентрацій і рухливостей електронів і дірок використовувалася система рівнянь для , R_H та / у випадку двох сортів носіїв.

У третьому розділі наведено результати комплексних досліджень явищ переносу в тонких плівках PbTe на слюді з метою виявлення осциляційного характеру товщинних залежностей кінетичних властивостей та встановлення умов спостереження КРЕ.

Для дослідження КРЕ у плівках PbTe було виготовлено тонкі плівки з шихти n-PbTe з концентрацією електронів n=1.0·10²⁰см^-3 в інтервалі товщин d =5-100 нм із захисним покриттям Al₂O₃. Всі плівки мали електронний тип провідності. На d-залежностях , R_H, _H та S було виявлено осциляції з періодом Дd ? 202 нм. На основі кривих (d) та S(d) було розраховано термоелектричну потужність P=S²·у і побудовано залежність P(d), яка подібно залежностям (d), R_H(d), _H(d) та S(d) мала осцилюючий характер з тим же періодом осциляцій Дd. Максимальне значення термоелектричної потужності (P = 30·10^-4 Вт/м·К²) практично співпадало із максимальними значеннями P, які одержують у масивних кристалах PbTe. Природно припустити, що осцилюючий характер залежностей кінетичних коефіцієнтів є слідством розмірного квантування енергетичного спектру, що має місце в квантовій ямі PbTe, яка оточена діелектричними бар'єрами (слюда та Al₂O₃). Для такої системи може бути використана модель нескін-

ченно глибокої прямокутної потенціальної ями. Обмеження руху електронів приводить до квантування компоненти квазіімпульсу, перпендикулярної до поверхні плівки, і, відповідно, до квантування енергетичного спектру у цьому напрямі. Використовуючи вказану модель і наближення ефективної маси, можна записати формулу для дискретних рівнів енергії E_n електрона в ямі:

, (1)

де k_x та k_y, m_x^* та m_y^*- компоненти хвильового вектора та ефективної маси електрона в напрямі, паралельному поверхні, m_z^* - ефективна маса для руху перпендикулярно поверхні, n - квантове число (n = 1, 2, 3 і т.д.), h - стала Планка. Співвідношення (1) справедливе для квазічастинок із квадратичним законом дисперсії за умови, що відбиття від стінок ями є дзеркальним, бар'єри симетричні, а об'ємні та поверхневі дефекти відсутні. Кожне значення E_n є дном двовимірного континууму станів, що містить значення енергії для всіх можливих значень k_x та k_y, при фіксованому k_z і зветься підзоною. Таким чином, просторове квантування приводить до розщеплення енергетичної зони на двовимірні підзони, у яких закон дисперсії визначається умовою квантування (1). Причиною осциляцій є зміна кількості підзон в межах області квантування при зміні d.

Для теоретичної оцінки періоду осциляцій використовувалась формула [2]:

(2)

де _F фермієвська довжина хвилі (довжина хвилі де Бройля для виродженого електронного газа), е_F - енергія Фермі. Коли d збільшується на половину _F, наступна підзона опускається нижче за рівень Фермі е_F і стає провідною. При d, при яких нова підзона починає заповнюватися, густина станів змінюється стрибкоподібно, що визначає осцилюючий характер густини станів і, відповідно, кінетичних властивостей. При фіксованому значенні d, із зростанням концентрації носіїв е_F зростає, що приводить до збільшення числа зайнятих підзон і зменшення періоду осциляцій.

Знаючи ефективні маси електронів у n-PbTe та оцінивши е_F за значеннями концентрації електронів, можна приблизно оцінити період осциляцій Дd, використовуючи рівняння (2). Розрахунки показали, що Дd?15 нм і це значення трохи нижче, ніж експериментальне значення Дd ? 20±2 нм. Різницю у теоретичному та експериментальному значеннях Дd можна пояснити упрощенням теоретичної моделі в порівнянні з реальною ситуацією. Слід враховувати також, що зонні параметри в масивному і тонкоплівковому станах можуть відрізнятися. Тому наведений розрахунок слід вважати як приблизну оцінку , що вказує лише порядок величини.

Для дослідження впливу процесів окислення на електрофізичні властивості тонких плівок PbTe було виготовлено без захисного покриття при температурі підкладки T_s = 520 К дві серії тонких плівок з товщинами d=10-600 нм із шихти з концентрацією електронів n=1.0·10¹⁷ см^-3 (1 серія) та n=1.0·10²⁰ см^-3 (2 серія) і одержано залежності R_H(d) та S(d) . Для плівок обох серій на залежностях R_H(d) та S(d) спостерігався різкий максимум при d=d_max і точка інверсії, при якій знак провідності змінювався (d_inv110 та d_inv25 нм для 1 та 2 серії,відповідно).

При інтерпретації експериментальних даних і проведенні розрахунків передбачалося, що 1) єдиною причиною інверсії знаку носіїв заряду при зменшенні d є окислення, що має місце на поверхні плівки при контакті з повітрям (за наявності захисного покриття ефекти, що спостерігалися, відсутні); 2) носії n-типу присутні в об'ємі плівки; 3) адсорбований кисень концентрується поблизу поверхні і утворює акцепторні стани, захоплюючі електрони з об'єму, внаслідок чого поблизу поверхні утворюється інверсійний шар; 4) адсорбція кисню поверхнею має місце значною мірою за рахунок присутності поверхневих станів, які можуть бути зайняті електронами або дірками, та товщина інверсійного шару d_p дорівнює дебаєвському радіусу екранування L_D; 5) поверхнева концентрація акцепторних рівнів n_s постійна; оскільки для монокристалічних плівок окислення - це переважно поверхневий ефект, і всі плівки вивчалися в ідентичних умовах; 6) процесами дифузії можна нехтувати, тому що вимірювання здійснювалися на свіжевиготовлених плівках при кімнатній температурі; 7) внесок в електропровідність дірками визначається відношенням товщин d_p і d.

Плівка, що окислена, може розглядатися як напівпровідник з двома сортами носіїв заряду і тому можна записати для R_H и S:

;

(3)

де r - холл-фактор, p та n - об'ємні концентрації дірок та електронів, індекси p та n відносяться до дірок і електронів відповідно, а S_p та S_n взято як позитивні числа. При дуже малих d (d<d_p), коли внесок дірок в електропровідність може значно перевищувати внесок електронів, для обчислення R_H можна використовувати рівняння для одного сорту носіїв (дірок) і R_H є пропорційним d:

, (4)

що, дійсно, спостерігається для обох серій (рис. 2). Використовуючи рівняння для коефіцієнта Зеєбека у випадку одного сорту носіїв:

, (5)

підставляючи значення p, що відповідають експериментальним значенням R_H, а також значення r=1, m_p=0.22 m₀, T=300 K, було одержано теоретичні залежності S(d) в інтервалі, де R_H зростає (пунктирні лінії на рис.2). Видно, що теоретичні залежності S(d) добре відповідають експериментальним даним для плівок серії 1, на відміну від плівок серії 2. Це вказує на значний внесок у провідність електронів у плівках серії 2, концентрація в яких вище ніж у плівках серії 1.

Після того як d=d_p, об'ємна концентрація дірок досягає мінімуму і далі не змінюється при зростанні d, оскільки товщина інверсного шару залишається незмінною. Тому можна припустити, що d_max~d_p. наведено залежність d_max від L_D для двох серій плівок, а також для плівок (001)KCl/PbTe (з використанням літературних джерел). Товщина тонкої плівки d_max, яка відповідає максимуму на залежностях R_H(d) та S(d) в p-області, знаходиться у добрій відповідності з товщиною окисленого шару і з розрахунковим значенням дебаєвського радіусу екранування L_D:

, (6)

де - статична діелектрична проникність (=430 [3]), ₀ - електрична стала, e - заряд електрона, k - стала Больцмана, T - абсолютна температура, n - об'ємна концентрація електронів в товстій плівці видно, що залежність d_max від L_D - лінійна і що L_D - дорівнює d_max/2. Саме тому із товщинних залежностей R_H та S можливо оцінити товщину окисленого шару.

При d>d_max вклад носіїв n-типу стає більш значущим і визначається відношенням товщин інверсного шару і плівки. Це приводить до зменшення R_H та S і подальшої інверсії знаку носіїв. В області провідності n-типу, експериментальні результати краще всього інтерпретуються в рамках моделі двошарового сендвіча, який складається з шарів n- и p-типу:

, (7)

де індекси p и n відносяться до шарів p- и n-типів з товщинами d_p и d_n, відповідно, d=d_p+d_n, та d_p=d_max. На рис. 2 лініями представлені теоретичні криві R_H(d) и S(d), які отримані в рамках двошарової моделі для d > d_max. Вибір оптимальних електрофізичних параметрів для n- и p-шарів, при яких спостерігається найкраща відповідність між експериментальними даними і теоретичними розрахунками, визначається положенням точки інверсії, значеннями параметрів при d=d_max і значеннями параметрів в товстій плівки. що має місце добра відповідність між результатами теоретичних розрахунків та експериментальними даними.

Дослідження впливу температури підкладки Т_s на тип провідності у тонких плівках PbTe показало, що зниження Т_s від 530 К до 380 К приводить до збільшення внеску у провідність носіїв заряду р-типу. Так, у плівках, що виготовлено з шихти з n~1.0·10¹⁷ см^-3 при Т_s=380 К без захисного покриття, при усіх товщинах (d = 10 - 450 нм) спостерігався р-тип провідності, а при наявності покриття точка інверсії відповідає d_inv170 нм. Отримані d-залежності інтерпретовано з урахуванням не тільки процесів окислення, але і впливу Т_s на стехіометрію плівки.

У четвертому розділі наведено результати дослідження товщинних (d=4-300 нм), температурних (80-300 К) та польових залежностей (0.1-1.0 Тл) кінетичних коефіцієнтів у тонких плівках Bi, отриманих на підкладках із слюди з температурами Т_s¹= 300 К та Т_s²= 380 К. Частина плівок була покрита шаром EuS для запобігання можливого окислення. Було встановлено, що при однаковій температурі підкладки наявність або відсутність захисного покриття EuS практично не змінюють значень у, R_H и S при кімнатній температурі, а також загальний характер температурних залежностей кінетичних коефіцієнтів, що дозволило не враховувати процеси окислення.

Електронно-мікроскопічне дослідження показало, що плівки ростуть за острівковим механізмом, стають суцільними, коли їх ефективна товщина досягає d_с 4 нм (при Т_s¹= 300 К) або d_с 9 нм. (при Т_s²= 380 К), і що переважна орієнтація росту відповідає тригональній вісі, перпендикулярній площині підкладки. Розмір зерен звичайно значно перевищував товщину плівки. Плівки, одержані при Т_s²= 380 К, мали більш досконалу структуру. Відмінна від нуля провідність спостерігалась, починаючи з критичних товщин d_с.

Для того щоб вірно розрахувати кінетичні коефіцієнти для досліджуваних плівок Bi, було експериментально перевірено виконання критерію слабкого магнітного поля. Було встановлено, що для усіх плівок, в усьому температурному інтервалі для магнітних полів 0.1-1.0 Тл магнетоопір / змінюється з полем за квадратичним законом, а R_H практично не змінюється, тобто виконується критерій слабкого магнітного полю. Дослідження показали також, що в усіх плівках вісмуту R_H мав позитивний знак, а коефіцієнт Зеєбека - від'ємний, що можна пов'язати з анізотропією властивостей кристалів Bi, зокрема з відмінністю знаку R_H у різних кристалографічних напрямках.

Дослідження товщинних залежностей , R_H, _H та S в інтервалі d=5-300 нм при кімнатній температурі показало, що при температурі підкладки Т_s²=380 К спостерігаються осциляції з періодом d=305 нм, що узгоджується з більшістю літературних даних. Загальний характер залежностей зберігається і при температурі підкладки Т_s¹=300 К, але осциляції проявляють-ся менш чітко. Осцилюючий характер залежностей з тим же d має місце і при низьких температурах причому відносна зміна кінетичних коефіцієнтів в результаті осциляцій, пра-ктично не залежить від температури вимірювання Якщо приймати до уваги тільки монотонну складову кривих , R_H і _H (d), слід відзначити зростання усіх кінетичних коефіцієнтів із збільшенням товщини плівки до 200 нм і вихід на насичення при подальшому зростанні d. Факт збереження загального характеру залежностей властивостей від товщини плівок, незважаючи на те, що кожний з досліджуваних зразків одержано в окремому експерименті, вказує на гарне відтворення результатів та вірогідність закономірностей, що спостерігаються.

Було досліджено температурні залежності (80-300 К) у, R_H и S тонких плівок Bi при різних товщинах плівок і різних температурах підкладки. Майже всі досліджені плівки мали, на відміну від масивних кристалів, від'ємний термічний коефіцієнт опору в усьому інтервалі температур. На температурних залежностях R_H тонких плівок Bi, на відміну від кристалів Bi, знайдено дві ділянки з різною швидкістю зміни R_H(T). Перша ділянка (Т<150 К), що відсутня у кристалів Bi, обумовлена впливом поверхневих станів. Друга ділянка (T>150 К), яка спостерігається для масивного Bi, відповідає напівметалевій провідності. Зміна температури підкладки і нанесення захисного покриття не змінюють загальний характер залежностей у(T), R_H(T) та S(T).

Було проведено детальне дослідження товщинних залежностей кінетичних властивостей тонких плівок Bi в інтервалі d=7-60 нм. В межах цих товщин можна виділити дві підобласті з різною залежністю властивостей від товщини: d=7-25 та d=25-60 нм. У першій підобласті залежності мають вид кривих з максимумом при d~20 нм, а в другій - осцилюючий характер з періодом осциляцій d=51 нм. Висловлюється припущення, що товщина d=255 нм відповідає переходу НМНП, розмежовуючи підобласті з напівпровідниковим і напівметалевим характером провідності, і що в області d=25-60 нм має місце прояв розмірного квантування дірок. Теоретична оцінка d для діркового газу показує, що це значення наближається до експериментального.

На основі одержаних температурних залежностей R_H для плівок з d=7-60 нм було проведено теоретичний розрахунок значень ширини забороненої зони E_g в припущенні, що критична товщина, яка відповідає переходу НМНП, дорівнює d=255 нм і при d<255 нм має місце напівпровідниковий хід провідності.

Для визначення залежності E_g (d) було враховано поверхневі стани, які присутні в плівці через викривлення зон в приповерхневому шарі або на межі розділу з підкладкою. Згідно [6]:

, (8)

де p_і- концентрація носіїв в об'ємному кристалі Bi, p_s - концентрація поверхневих станів. Вираз (8) було підставлено у формулу для коефіцієнта Холла R_H у випадку моделі напівпровідника з двома сортами носіїв заряду в припущенні, що p_i = n_i і м_p = м_n:

. (9)

На основі експериментальних температурних залежностей R_H(T), можливо розрахувати E_g для плівок різної товщини. Концентрація власних носіїв n_i = p_i в припущенні параболічності енергетичних зон та невиродженості електронного газу може бути записана так:

, (10)

де и -ефективні маси електронів і дірок, відповідно; х -число долин, для ві х=3. Підставивши вираз (10) у формулу (9) і провівши всі перетворення, одержимо вираз для визначення E_g:

, (11)

,

перестає змінюватися із зростанням температури, що відповідає переходу в напівметалеву област видно, що при збільшенні d ширина забороненої зони E_g зменшується, що узгоджується з передбаченнями існування переходу НМНП, який є наслідком розмірного квантування енергетичного спектру носіїв заряду.

У п'ятому розділі наведено результати дослідження впливу елементарного Bi на властивості кристалів і тонких плівок PbTe. Встановлено, що розчинність Bi в кристалах PbTe не перевищує ~1.5 ат.% і в межах області гомогенності при збільшенні вмісту Bi має місце зміна типу провідності і немонотонна залежність механічних та кінетичних властивостей від складу, яка вказує на якісні зміни у дефектній підсистемі кристала. Різке збільшення мікротвердості та концентрації електронів, зниження рухливості носіїв при введенні малих добавок Bi (~0.1 ат.%) свідчить про значну деформацію кристалічної ґратки і збільшення розсіяння носіїв заряду на іонах домішки. Можна припустити у зв'язку з цим, що до ~0.1 ат.% атоми Bi переважно локалізуються в міжвузловинах кристалічної гратки, практично не взаємодіючи ні між собою, ні з катіонними вакансіями.

Аналогічна ситуація спостерігається для тонких плівок PbTe, легованого Bi, що були виготовлені з кристалів PbTe з різною концентрацією Bi при конденсації на підкладки із слюди. Було встановлено, що усі плівки, включаючи плівки нелегованого PbTe, мають електронний тип провідності і збільшення концентрації Bi у шихті приводить до збільшення n у тонких плівках від ~1.0·10¹⁸ cм^-3 до ~1.0·10¹⁹ cм^-3 при одночасному зменшенні коефіцієнта Зеєбека. Різниця в ході ізотерм кінетичних властивостей кристалів та тонких плівок PbTe, легованого Bi, пов'язана тільки з тим, що склад шихти не відтворюється в тонкій плівці, хоча між складом шихти, з одного боку, і концентрацією електронів та коефіцієнтом Зеєбека у плівці, з другого боку, спостерігається відтворювана кореляція. Максимальні значення термоелектричної потужності досягаються при концентрації Bi в шихті ~ 0.4 ат.%. Немонотонний і різкий характер залежностей властивостей PbTe від вмісту Bi слід приймати до уваги при розробці технології одержання гетероструктур PbTe/Bi, щоб усунути процеси дифузії і взаємодію між PbTe та Bi на інтерфейсі.

У шостому розділі наведено результати дослідження електрофізичних, гальваномагнітних та термоелектричних властивостей гетероструктур слюда/PbTe/Bi (без захисного покриття) і слюда/PbTe/Bi/Al₂O₃ (з захисним покриттям) в залежності від товщини шару Bi (d_Bi=1-80 нм) при фіксованій товщині шару PbTe (d_PbTe=50 нм) в інтервалі температур 80-300 К. Електронно-мікроскопічне дослідження гетероструктур PbTe/Bi показало, що плівки PbTe мають орієнтацію (111) паралельно поверхні (001) слюди, зародження та ріст Bi на поверхні плівок PbTe відбувається за острівковим механізмом, але вже при d_Bi=1 нм реалізується канальна стадія росту. На поверхні зерен PbTe в орієнтації (111) спостерігається псевдоморфне спряження.

Дослідження температурних залежностей кінетичних властивостей гетероструктур слюда/PbTe/Bi/Al₂O₃ показало, що коефіцієнт Холла з ростом температури знижується, причому при d_Bi ? 30 нм, знак R_H залишається від'ємним у всьому інтервалі температур, але при подаль-шому зростанні d_Bi - змінюється для більшості плівок на позитивний при ~ 125 - 200 К. Характер температурних залежностей _H(Т) практично співпадає із характером залежностей R_H(Т) з тією різницею, що у тих гетероструктурах, де має місце зміна знаку R_H, точці інверсії відповідає мінімум на залежності _H(Т). Коефіцієнт Зеєбека зростає, залишаючись від'ємним за знаком у всьому температурному інтервалі і при усіх товщинах шару Bi. Термоелектрична потужність P=S²·у теж збільшується з температурою, досягаючи максимального значення при 300 К.

Було встановлено, що в обох гетероструктурах залежності кінетичних властивостей від товщини шару Bi в усьому досліджуваному інтервалі температур мають осцилюючий характер який пов'язується з проявленням розмірного квантуванням енергетичного спектру електронів, коли їх рух обмежується у квантовій ямі. Слід відзначити, що амплітуда осциляцій практично не залежить від температури. Експериментально визначені періоди осциляцій в гетероструктурах слюда/PbTe/Bi/Al₂O₃ та слюда/PbTe/Bi дорівнюють Дd=152 нм і Дd=252 нм, відповідно. 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). Порівняння робіт виходу PbTe та Bi показує, що шар PbTe повинен бути бар'єром тільки для дірок, внаслідок чого квантова яма для електронів може розглядатися такою, що складається з двох підобластей з різними ефективними масами. Оскільки ефективна маса електронів та енергія Фермі у PbTe декілька перевищують аналогічні параметри у Bi, це може привести до зменшення Дd. Крім того, ефективна маса дірок Bi, для яких товщина шару Bi дорівнює ширині квантової ями, значно перевершує масу електрона, і це, у свою чергу, може привести до зменшення d в порівнянні з періодом осциляцій для електронного газу в плівках Bi. Збільшення Дd у гетероструктурах слюда/PbTe/Bi без захисного покриття у порівнянні з періодом осциляцій в гетероструктурах слюда/PbTe/Bi/Al₂O₃ пов'язується із процесами окислення шару PbTe за відсутності захисного покриття. Кисень повітря, який проникає через тонкий шар Bi при малих товщинах останнього, в результаті акцепторної дії, впливає на властивості шару PbTe, знижуючи концентрацію електронів в шарі PbTe, що приводить до зростання Дd.