Размещено на http://www.allbest.ru/

ЧЕРНІВЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ІМЕНІ ЮРІЯ ФЕДЬКОВИЧА

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

01.04.10 - фізика напівпровідників і діелектриків

Магнітні, кінетичні, оптичні властивості та зонні параметри кристалів (3HgSe)1-x(Al2Se3)x, легованих марганцем та залізом

Козярський Дмитро Петрович

Чернівці 2010

Дисертацією є рукопис

Робота виконана на кафедрі електроніки і енергетики Чернівецького національного університету імені Юрія Федьковича Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук, професор Мар'янчук Павло Дмитрович, Чернівецький національний університет імені Юрія Федьковича, завідувач кафедри електроніки і енергетики

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, професор Лашкарьов Георгій Вадимович, Інститут проблем матеріалознавства імені І.М. Францевича НАН України, завідувач відділу фізики та технології фотоелектронних та магнітоактивних матеріалів доктор фізико-математичних наук, професор Косяченко Леонід Андрійович, Чернівецький національний університет імені Юрія Федьковича, професор кафедри оптоелектроніки

Захист відбудеться 27 листопада 2010 р. о 1000 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 76.051.01 при Чернівецькому національному університеті імені Юрія Федьковича за адресою: 58000, м. Чернівці, вул. Університетська, 19 (корпус 2, Велика фізична аудиторія).

Відгуки на автореферат просимо надсилати за адресою: Вченому секретарю ЧНУ, вул. Коцюбинського 2, м. Чернівці, 58012

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Чернівецького національного університету імені Юрія Федьковича (58012, м. Чернівці, вул. Лесі Українки, 23).

Автореферат розісланий «___» жовтня 2010 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Курганецький М.В.

1. Загальна характеристика роботи

оптичний напівпровідник твердий розчин

Актуальність теми. Тверді розчини на основі АІІВVI з вмістом 3d - елементів відносяться до напівмагнітних напівпровідників. Відомі на даний час результати наукових досліджень, свідчать про великий інтерес до цієї групи твердих тіл [1]. Цікавими як з точки зору фундаментальних досліджень так і можливості практичного використання в електроніці та спінтроніці є напівмагнітні тверді розчини [2], зокрема марганцевмісні тверді розчини на основі халькогенідів ртуті [3], які володіють досить цікавими властивостями: особливості магнітної сприйнятливості кристалів обумовлені кластерами, в яких між атомами Mn через атом халькогену здійснюється непряма обмінна взаємодія антиферомагнітного характеру; процес термообробки кристалів в парах компонент приводить до утворення нових або зміни розмірів існуючих в кристалі кластерів, що веде до зміни ефективних магнітних моментів атомів Mn (еф.) і парамагнітних температур Кюрі (), які характеризують стан магнітної підсистеми.

Крім цього тверді розчини, що складаються із компонентів, одні з яких є вузькозонними або безщілинними напівпровідниками (наприклад, HgТe, HgSe, HgS), а інші (наприклад Al2Тe3, Al2Se3, Al2S3) - широкозонними напівпровідниками, викликають інтерес оскільки зміна їх складу може приводити до плавної перебудови енергетичної зонної структури цих твердих розчинів. Легування магнітними домішками (Mn, Fe) цих напівпровідників може привести до виникнення різних типів обмінної взаємодії, яка впливає на зонні параметри кристалів, які можуть змінюватися з концентрацією магнітної домішки та під дією магнітного поля, температури і термообробки в парах компонент.

Враховуючи те, що дефектні напівпровідники (In2Te3, Ga2Te3, Ga2Se3) [4] та тверді розчини на основі халькогенідів ртуті (наприклад (3HgTe)1-x(In2Te3)x) радіаційно стійкі, то і кристали (3HgSe)1-x(Al2Se3)x, леговані 3d-елементами, теж можуть володіти радіаційною стійкістю.

В зв'язку з розвитком спінової електроніки у теперішній час іде інтенсивний пошук нових феромагнітних напівпровідників з достатньо високою температурою Кюрі (ТС) (вище кімнатної), які могли би бути використані в якості спінових інжекторів в приладах спінтроніки при температурах порядку кімнатної і при слабкому (або нульовому) зовнішньому магнітному полі. Саме тому напівмагнітні напівпровідники на основі халькогенідів ртуті, які містять Fe (температура Кюрі заліза ТС = 769єС) можуть бути перспективними при використанні їх в якості таких матеріалів. І саме це викликало інтерес дослідити кристали (3HgSe)1-x(Al2Se3)x, леговані залізом, оскільки наявність атомів заліза може приводити до феромагнітного впорядкування в кристалах, що може бути використано в приладах спінтроніки.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Робота виконана на кафедрі електроніки і енергетики Чернівецького національного університету імені Юрія Федьковича. Вона є складовою частиною науково-дослідних тем, які фінансувались із коштів державного бюджету Міністерством освіти і науки України та Державним фондом фундаментальних досліджень, зокрема: “Закономірності впливу домішково-дефектної підсистеми у напівпровідниках А2В6, А4В6 і А1В3С26 на фізичні характеристики та їх стабільність” (номер державної реєстрації 0103U001106); “Матеріалознавство перспективних для спінтроніки, дозиметрії та ІЧ техніки об'ємних і низькорозмірних халькогенідних напівпровідників” (номер державної реєстрації 0106U001460); “Напівмагнітні напівпровідники на основі халькогенідів ртуті - матеріали для спінтроніки” (номер державної реєстрації 0107U009256).

Дисертант при виконанні даних науково-дослідних робіт приймав участь в одержанні кристалів твердих розчинів (3HgSe)1-x(Al2Se3)x, легованих 3d-елементами, досліджував їх магнітні, кінетичні та оптичні властивості до і після термообробки в парах компонент, а також приймав участь в обговоренні і аналізі одержаних результатів.

Мета і завдання дослідження. Метою даної роботи було визначення на основі комплексних магнітних, кінетичних і оптичних досліджень кристалів (3HgSe)1-x(Al2Se3)x, легованих 3d-елементами основних параметрів, які характеризують зонний спектр, магнітну та дефектну підсистеми, та впливу на ці параметри різних факторів.

Для досягнення мети роботи необхідно було вирішити такі задачі:

1. Експериментально дослідити і встановити технологічні режими синтезу, вирощування та термообробки кристалів напівмагнітних напівпровідникових твердих розчинів (3HgSe)1-x(Al2Se3)x, легованих 3d-елементами.

2. Провести комплексні дослідження магнітних, кінетичних і оптичних властивостей кристалів (3HgSe)1-x(Al2Se3)x, легованих 3d-елементами (в діапазоні температур Т=77-300 К та полів Н=0,5-6 кЕ) для визначення основних параметрів зонного спектру, магнітної та дефектної підсистем.

3. Встановити закономірності зміни параметрів зонного спектру, магнітної і дефектної підсистем кристалів (3HgSe)1-x(Al2Se3)x, легованих 3d-елементами в залежності від їх складу, концентрації носіїв заряду, температури, величини магнітного поля та впливу термообробки в парах компонент на ці параметри.

4. Пояснити одержані експериментальні результати на основі зонної структури, механізму перетворень в магнітній та дефектній підсистемах кристалів (які відбуваються в процесі термообробки), обмінних (Mn-Se-Mn, Fe-Se-Fe, Fe-Fe) взаємодій (обумовлених наявністю в кристалах атомів Mn та Fe з незаповненою 3d оболонкою).

5. Вивчити можливості практичного використання досліджуваних напівмагнітних напівпровідників.

Об'єктом дослідження є напівмагнітні напівпровідникові тверді розчини (3HgSe)1-x(Al2Se3)x, леговані 3d-елементами.

Предмет дослідження - зонна структура, кластерна і дефектна підсистема, фізичні та електронні процеси, що відбуваються в досліджуваних напівпровідниках, їх вплив на магнітні, кінетичні і оптичні властивості кристалів (3HgSe)1-x(Al2Se3)x, легованих 3d-елементами.

Методи дослідження

1. Одержання кристалів (3HgSe)1-x(Al2Se3)x, легованих 3d-елементами, методом Бріджмена та проведення їх термообробки в парах компонент з метою визначення умов контрольованого впливу на фізичні властивості та параметри цих кристалів.

2. Дослідження магнітної сприйнятливості кристалів (3HgSe)1-x(Al2Se3)x, легованих 3d-елементами, методом Фарадея.

3. Дослідження кінетичних властивостей кристалів (3HgSe)1-x(Al2Se3)x, легованих 3d-елементами, чотиризондовим методом на постійному струмі.

4. Дослідження оптичних властивостей кристалів (3HgSe)1-x(Al2Se3)x, легованих 3d-елементами.

Наукова новизна. В даній роботі вперше:

1. Експериментально встановлено технологічні режими синтезу і вирощування методом Бріджмена монокристалів (3HgSe)1-x(Al2Se3)x (0?х?0,5), легованих 3d-елементами, а також технологічні умови їх термообробки, які дозволяють змінювати кластерну і дефектну підсистеми кристалів з метою зміни зонних і магнітних параметрів, концентрації та рухливості носіїв заряду.

2. На основі досліджень магнітних властивостей встановлено, що кристали (3HgSe)1-x(Al2Se3)x, леговані 3d-елементами, (при N3d?1020 см-3) - парамагнетики. Це обумовлено наявністю в кристалах кластерів типу Mn-Sе-Mn-Sе та Fe-Sе-Fe-Se, в яких між атомами металу через атоми халькогену здійснюється непряма обмінна взаємодія антиферомагнітного характеру. Відпал зразків (3HgSe)1-x(Al2Se3)x:<Mn> в парах компонент приводить до зміни розмірів кластерів, а термообробка зразків (3HgSe)1-x(Al2Se3)x:<Fe> - до появи додатної парамагнітної температури Кюрі (и>0), що вказує на наявність в кристалах прямої обмінної взаємодії феромагнітного характеру та кластерів типу Fe-Fe-Fe, утворених міжвузловими атомами заліза.

3. Із кінетичних досліджень встановлено, що залежність електропровідності від температури має лінійний характер, що вказує на можливість використання цих матеріалів в приладах електроніки в якості функціональних елементів.

4. Встановлено, що термообробка зразків (3HgSe)1-x(Al2Se3)x (0,1?х?0,3) (легованих марганцем) в парах ртуті приводить до росту концентрації електронів, що пояснюється збільшенням кількості міжвузлових атомів Hg внаслідок їх дифузії із парової фази в кристал, а в результаті термообробки зразків (3HgSe)1-x(Al2Se3)x (0,1?х?0,3) (легованих марганцем) в парах селену концентрація електронів зменшується, що пояснюється переходом атомів міжвузлової ртуті з кристалу в парову фазу та зменшенням кількості вакансій в підградці селену внаслідок заповнення їх атомами Se дифундуючими в кристал з парової фази.

5. На основі кінетичних та оптичних досліджень встановлено, що для зразків (3HgSe)1-x(Al2Se3)x:<Mn>:

- при непараболічному законі дисперсії і сильно виродженому електронному газі для зразків (0,1?х?0,3) домінуючим є механізм розсіювання електронів на оптичних фононах при Т=80К, а при Т=300К - на полярних оптичних фононах та іонізованих домішках;

- для зразків (х=0,5) при параболічному законі дисперсії і невиродженому електронному газі домінуючим є механізм розсіювання електронів на оптичних фононах при Т=80К та полярних оптичних фононах при Т=300К.

6. Із оптичних досліджень встановлено наявність в кристалах (3HgSe)1-x(Al2Se3)x:<Mn> прямих міжзонних оптичних переходів.

7. На основі залежностей ефективної маси електронів на рівні Фермі від їх концентрації , визначено зонні параметри кристалів і показано, що в області складу х?0,4 dEg/dT?0, а із залежності =f(х) встановлено, що перехід безщілинний напівпровідник - звичайний напівпровідник відбувається при х?0,17 (Т=300К) та при х?0,22 (Т=77К).

Практичне значення одержаних результатів.

Встановлено технологічні режими синтезу і вирощування методом Бріджмена монокристалів (3HgSe)1-x(Al2Se3)x (0?х?0,5), легованих 3d-елементами, а також технологічні умови термообробки кристалів, які дозволяють змінювати їх кластерну і дефектну підсистему, зонні та магнітні параметри, концентрацію і рухливість носіїв заряду.

Радіаційна стійкість дефектних напівпровідників, до яких можуть належати (3HgSe)1-x(Al2Se3)x, леговані 3d-елементами, вказує на можливість використання цих кристалів в приладах, які працюють в умовах підвищеної радіації.

Наявність лінійної залежності електропровідності від температури, дає можливість використовувати дані матеріали, як датчики (сенсори) температури.

Особистий внесок здобувача. Дисертантом виконана вся експериментальна робота по дослідженню фізичних властивостей кристалів (3HgSe)1-х(Al2Se3)x:<Mn> (0,1х0,5), (3HgSe)1-х(Al2Se3)x:<Fe> (х=0,1) [1*, 2*, 4*, 7*, 8*, 9*, 10*-12*, 17*], визначено їх зонні параметри [6*, 13*], встановлено домінуючі механізми розсіювання електронів [15*, 16*] та вплив на них термообробки в парах компонент [3*, 5*, 14*]. Синтез і вирощування кристалів напівмагнітних твердих розчинів (3HgSe)1-x(Al2Se3)x, легованих 3d-елементами, проведено спільно з науковим керівником, а обговорення одержаних результатів в роботах [1*-17*] проведено спільно із співавторами.

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень, що включені до дисертації, були представлені, доповідались і обговорювались на таких наукових конференціях, симпозіумах і нарадах: ХІ міжнародна конференція „Фізика і технологія тонких плівок та наносистем” (Івано-Франківськ, 2007); International Conference “Crystal Materials 2007” (Kharkov, 2007); Міжнародна наукова конференція “Фізика конденсованих систем та прикладне матеріалознавство” (Львів, 2007); Международная научная конференция “Актуальные проблемы физики твердого тела” (ФTT-2007) (Минск, 2007); Третя міжнародна науково-практична конференція “Матеріали електронної техніки та сучасні інформаційні технології” (Кременчук, 2008); Третя міжнародна науково-технічна конференція “Сенсорна електроніка і мікросистемні технології” (СЕМСТ-3) (Одеса, 2008); 16th International Conference on Solid Compounds of Transition Elements (Germany, Dresden, 2008); VI Міжнародна школа конференція “Актуальні проблеми фізики напівпровідників” (Дрогобич, 2008);

ХІІ міжнародна конференція “Фізика і технологія тонких плівок та наносистем” (Івано-Франківськ, 2009); XXXVIII International School and Conference on the Physics of Semiconductors (Poland, Jaszowiec, 2009).

Публікації. Результати дисертації опубліковані у 5 статтях у наукових журналах та 12 матеріалах і тезах конференцій, а всього за темою дисертації опубліковано 17 робіт [1*-17*].

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, списку цитованої літератури та одного додатка. Загальний обсяг дисертації складає 142 сторінки; дисертація містить 83 рисунки, 11 таблиць; список використаних джерел - 85 найменувань.

2. Основний зміст дисертації

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації та її зв'язок з науковими програмами, планами і темами, сформульовано мету і завдання дослідження, наукову новизну та практичне значення отриманих результатів, приведено дані про публікації, особистий внесок здобувача та про апробацію роботи.

У першому розділі приведені фізико-хімічні умови та встановлені експериментальним шляхом технологічні режими синтезу і вирощування кристалів (3HgSe)1-х(Al2Se3)x:<Mn> (0,1х0,5), (3HgSe)1-х(Al2Se3)x:<Fe> (х=0,1), які дозволили одержати кристали довжиною 5 см, придатні для фізичних досліджень. Синтез і вирощування методом Бріджмена досліджуваних кристалів проводили в кварцових ампулах з внутрішнім діаметром 9-10 мм. Температуру синтезу і вирощування підбирали дослідним шляхом, використовуючи діаграми стану сполук, що входять до складу цих твердих розчинів.

Також у першому розділі приведено технологічні умови термообробки кристалів (3HgSe)1-х(Al2Se3)x:<Mn> (0,1х0,5), (3HgSe)1-х(Al2Se3)x:<Fe> (х=0,1), які дозволяють ціленаправлено змінювати їх фізичні властивості. Термообробку зразків проводили у вакуумованих скляних ампулах: в парах селену та ртуті при температурі t?200оС протягом декількох сотень годин.

Другий розділ присвячений дослідженню магнітних властивостей кристалів (3HgSe)1-х(Al2Se3)x:<Mn> (0,1х0,5), (3HgSe)1-х(Al2Se3)x:<Fe> (х=0,1) до і після відпалу в парах компонент. Магнітну сприйнятливість () досліджували методом Фарадея в інтервалі температур T=77-300 К та магнітних полів Н=0,25-4 кЕ. Температурні залежності досліджуваних кристалів мають вигляд характерний для парамагнетиків. Обернену магнітну сприйнятливість атомів 3d-елементів (1/d) (на рис. 1, 2 представлені типові залежності 1/d=f(T) для кристалів (3HgSe)1-х(Al2Se3)x:<Mn> (0,1х0,5)) одержали шляхом врахування діамагнітного вкладу кристалічної гратки (вкладом носіїв заряду нехтували). На залежності (1/d) можна виділити декілька прямолінійних ділянок різного нахилу, які описуються законом Кюрі-Вейса. Злами на 1/d=f(T) викликані наявністю в кристалах кластерів різних типів і розмірів, в яких непряма обмінна взаємодія антиферомагнітного характеру здійснюється між атомами 3d-елементів

через атоми селену [3], на що вказує від'ємна парамагнітна температура Кюрі (и), одержана екстраполяцією прямолінійних ділянок 1/d=f(T) до 1/d=0. При Т рівній температурі зламу (Тз) кластери переходять із “антиферомагнітного” в парамагнітний стан. Підтвердженням цього є збільшення ефективного магнітного моменту атомів 3d-елементів (меф.) з ростом Т (див. табл. 1, де для кожного значення NMn нижній рядок параметрів відповідає більш високотемпературній ділянці 1/d=f(T)).

Магнітна сприйнятливість при наявності кластерів в кристалі може бути представлена у вигляді

де

де Р1 і Р2 - ймовірності утворення кластерів, які складаються із одного або двох атомів Mn (відповідно); N0 - число Авогадро, М0=ГМ - молярна маса твердого розчину; х - вміст Mn; S=5/2 і g=2 - спін і g - фактор іонів марганцю, Б - магнетон Бора; kБ - постійна Больцмана; J1- обмінний інтеграл пари сусідніх атомів.

3, 4 - вклад в магнітну сприйнятливість зразка кластерів, що об'єднують три та чотири атоми Mn відповідно.



Рис. 1 Температурна залежність чMn-1 для кристалів

Допускається, що між атомами домішки (у випадку марганцевмісних твердих розчинів на основі АІІВVI це атоми Mn), які довільним чином (хаотично) розподілені по всій кристалічній гратці, існують взаємодії з ближньою сусідньою такою ж частинкою (б.с.) і з частинкою, яка слідує за сусідньою (с.з.с.). Значить ймовірності того, що атоми Mn будуть знаходитись в цих кластерах різних розмірів, які утворюються в гранецентрованій кубічній гратці, будуть мати вигляд: P1=S'=(1-x)18; P2=D'+D'', де D'(б.с.)=12•х•(1-х)26, а D''(с.з.с.)=6•х•(1-х)30.

Використовуючи вище наведені вирази були розраховані теоретичні значення магнітної сприйнятливості атомів Mn (при умові що вона створюється лише окремими атомами і кластерами двійками), для кристалів (3HgSe)1-x(Al2Se3)x, легованих марганцем. На рис. 1 представлено залежності чMn-1 для кристалів (3HgSe)1-x(Al2Se3)x, легованих марганцем від температури, де суцільними лініями позначено теоретично розраховані значення магнітної сприйнятливості, а точками - експериментально визначені данні. Проаналізувавши ці залежності можна припустити, що із ростом концентрації атомів марганцю в зразку зростає ймовірність утворення окремих атомів Mn і кластерів двійок. Більші значення магнітної сприйнятливості для теоретичних залежностей (порівняно з експериментальними) можна пояснити дефектністю кристалічної гратки, яка сприяє кластероутворенню і призводить до утворення в кристалах з більшим складом “х” кластерів більшого розміру (навіть при менших концентраціях Mn), що і призводить до збільшення різниці між експериментальними і теоретичними залежностями чMn-1=f(T) з ростом складу “х” зразків.

Рис. 2 Температурна залежність чMn-1 для кристалів (3HgSe)1-x(Al2Se3)x (х=0,1), легованих марганцем: 1 - NMn=2,5•1020 см-3; 1' - NMn=2,5•1020 см-3, після відпалу в парах Hg; 2 - NMn=1,8•1020 см-3; 2' - NMn=1,8•1020 см-3, після відпалу в парах Se; 3 - NMn=1,4•1020 см-3; 3' - NMn=1,4•1020 см-3, після відпалу в парах Hg

Із рисунку 2 видно, що відпал в парах компонент слабо вплинув на ч кристалів (3HgSe)1-x(Al2Se3)x (х=0,1) (легованих марганцем), але вплив відпалу тим сильніший, чим більший вміст Mn в кристалах (рис.2, залежності 1 і 1').

Таблиця 1 Магнітні параметри зразків (3HgSe)1-x(Al2Se3)x (х=0,1), легованих марганцем

	NMn, см-3	и, К	меф.(мБ)	ТЗ, К
до відпалу	1,4·1020	0 -23	5,49 5,69	118
відпал в Hg		0 -27	5,37 5,87	126
до відпалу	1,8·1020	0 -13	5,87 5,89	108
відпал в Se		0 -27	5,5 6,27	87
до відпалу	2,5·1020	0 -30	5,45 6,09	115
відпал в Hg		0 -10	5,41 5,65	137

Із значень ефективних магнітних моментів і парамагнітної температури Кюрі для кристалів (3HgSe)1-x(Al2Se3)x, (х=0,1) легованих марганцем (таб. 1) видно, що відпал зразків в парах Hg при менших концентраціях Mn слабо впливає, а при більших приводить до зменшення розмірів кластерів. Тоді, як відпал в парах Se приводить до росту розмірів кластерів.

Таблиця 2 Магнітні параметри зразків (3HgSe)1-x(Al2Se3)x, (х=0,1) легованих залізом, NFe=1,9·1020 см-3

и, К	меф.(мБ)	ТЗ, К	Відпал
0 -39	4,20 4,92	82	до відпалу
15 -18	3,70 4,43	90	відпал в парах Se

Відпал зразків (3HgSe)1-x(Al2Se3)x, (х=0,1) легованих залізом, в парах Se призвів до виникнення додатної парамагнітної температури Кюрі, що вказує на наявність в кристалах обмінної взаємодії феромагнітного характеру (таб. 2). В (3HgSe)1-x(Al2Se3)x, (х=0,1) легованих залізом, така взаємодія може виникнути лише у випадку прямої обмінної взаємодії Fe-Fe, коли атоми заліза знаходяться у міжвузлях.

В третьому розділі висвітлюються результати досліджень кінетичних властивостей кристалів (3HgSe)1-х(Al2Se3)x:<Mn> (0,1х0,5), (3HgSe)1-х(Al2Se3)x:<Fe> (х=0,1) проведених чотиризондовим методом на постійному струмі в інтервалі температур T=77-300 К та магнітних полів Н=0,25-6 кЕ. Кристали твердих розчинів (3HgSe)1-x(Al2Se3)x (легованих 3d-елементами), володіють провідністю n-типу (концентрація електронів n ~ (1016-1020) см-3). Закономірності у зміні кінетичних коефіцієнтів з температурою дозволяють зробити припущення, що в основному на явища переносу в досліджуваних кристалах впливають такі дефекти-донори: міжвузловинна ртуть, вакансії в підгратці Sе та атоми алюмінію, які заміщають атоми ртуті в підгратці ртуті.

Коефіцієнт Холла (RH) в досліджуваних кристалах не залежить від температури, для складів (х?0,3), що вказує на виродження електронного газу. Тоді як для кристалів із складом (х=0,5) коефіцієнт Холла зростає із пониженням температури.

Електропровідність (у) кристалів має металічний характер (тобто зменшується з ростом температури), що обумовлено зменшенням рухливості електронів (мН) при збільшенні Т. Причому електропровідність зразків (3HgSe)1-x(Al2Se3)x (легованих 3d-елементами) майже лінійно залежить від температури, що вказує на можливість використання цих матеріалів в якості функціональних елементів напівпровідникових термометрів - датчиків (сенсорів) температури.

Рухливість електронів в кристалах (3HgSe)1-x(Al2Se3)x:<Mn> (x=0,2) (збагачених алюмінієм), менша порівняно із іншими складами, що можна пояснити наявністю великої кількості міжвузлового алюмінію.

Термо-ерс (б) збільшується з ростом температури, що обумовлено зменшенням виродженості електронного газу (величина б сягає десятків мкВ/К при кімнатній температурі).

Термообробка зразків (3HgSe)1-x(Al2Se3)x:<Mn> (x=0,1ч0,3) в парах ртуті приводить до збільшення концентрації електронів. Ріст концентрації електронів у зразках можна пояснити збільшенням кількості міжвузлових атомів Hg (які є донорами), внаслідок їх дифузії із парової фази в кристал.

Термообробка зразків (3HgSe)1-x(Al2Se3)x:<Mn> (x=0,1ч0,3) в парах селену приводить до зменшення концентрації електронів. Зниження концентрації електронів пояснюється зменшенням кількості вакансій в підградці селену (які є донорами) внаслідок заповнення їх дифундуючими в кристал з парової фази атомами Se і переходом атомів міжвузлової ртуті (які є також донорами) з кристалу в парову фазу. Підтвердженням цьому є те, що після відпалу зразків в парах Se рухливість електронів зросла. А термообробка зразків (3HgSe)1-x(Al2Se3)x:<Fe> (x=0,1) в парах селену приводить до деякого збільшення концентрації електронів, що можна пояснити переходом атомів заліза із вузлів підградки ртуті у міжвузля. Підтвердженням цьому є результати дослідження впливу відпалу на магнітну сприйнятливість і те, що після відпалу зразків в парах Se рухливість електронів зменшилася.

Термообробка зразків (3HgSe)1-x(Al2Se3)x (x=0,5) (легованих марганцем) в парах компонент приводить до збільшення концентрації електронів та посилює виродження електронного газу. Такий вплив відпалу можна пояснити зменшенням кількості стехіометричних вакансій Al в кристалі, що підтверджується збільшенням рухливості електронів після відпалу.

Дослідження механізмів розсіювання електронів в (3HgSe)1-x(Al2Se3)x:<Mn> при температурах Т=77-300К проводились за допомогою співвідношень, одержаних для звичайних напівпровідників тому, що в такому температурному інтервалі вплив обмінної взаємодії електронів провідності з d-електронами Mn на кінетичні явища малий.

Із оптичних досліджень, на основі отриманих залежностей lgб=f(lgл), за тангенсом кута нахилу довгохвильової ділянки залежності lgб=f(lgл) (обумовленої поглинанням електромагнітних хвиль вільними носіями заряду) оскільки lgб~rlgл і r~lgб/lgл, визначено показник степені (r), який характеризує домінуючі механізми розсіювання (r=1,5 - для розсіювання на акустичних фононах, r=2,5 - на оптичних фононах, r=3ч3,5 - на іонах домішок). Значення r~lgб/lgл для досліджуваних кристалів з різною концентрацією електронів (при Т=300К) наприклад складають: для (3HgSe)1-x(Al2Se3)x:<Mn> (х=0,1; n=1,1·1020 см-3) та (3HgSе)1-x(Al2Sе3)x:<Mn> (х=0,2; n = 7,7·1018 см-3) r~3,5 (домінує розсіювання електронів на іонізованих домішках), а для (х=0,5; n=6·1016 см-3) r~2,5 (домінує розсіювання електронів на оптичних фононах).

Враховуючи виродження електронного газу, сферичну симетрію поверхні постійної енергії носіїв заряду, непараболічний закон дисперсії, для аналізу механізму розсіювання електронів в (3HgSe)1-x(Al2Se3)x:<Mn> скористались формулами і співвідношеннями із [5]. Розрахували залежність термо-ерс () від концентрації електронів (n) для кожного із можливих механізмів розсіювання, враховуючи при цьому, що: r=0 - при розсіюванні на акустичних фононах; r=0,5 - при розсіюванні на оптичних фононах (для Т<<D=225 К); r=1 - при розсіюванні на п'єзоакустичних та полярних оптичних фононах (останні для Т>>D); r=2 - при розсіюванні на іонізованих домішках.

Із порівняння розрахованих значень з експериментально одержаними, можна зробити висновок, що для (3HgSe)1-x(Al2Se3)x:<Mn> в області азотних температур, найбільш ймовірно, домінуючими механізмами є розсіювання носіїв заряду на акустичних фононах та оптичних фононах (для Т<<D=225К), а в області кімнатних температур (Т>>D=225 К), ймовірніше за все, домінують розсіювання на полярних оптичних фононах та іонізованих домішках.

Також було проведено оцінку механізмів розсіювання електронів в кристалах, на основі експериментальних температурних залежностей рухливості електронів та теоретичних розрахунків за формулами із [5]. Встановлено, що для зразків (3HgSe)1-x(Al2Se3)x:<Mn> (х=0,1; х=0,3) переважаючими механізмами розсіювання є розсіювання на оптичних фононах при Т=80К та полярних оптичних фононах та іонізованих домішках при Т=300К, при непараболічному законі дисперсії і сильно виродженому електронному газі. Для зразків (3HgSe)1-x(Al2Se3)x:<Mn> (х=0,5) переважаючими механізмами розсіювання є розсіювання на оптичних фононах при Т=80К та полярних оптичних фононах при Т=300К, при параболічному законі дисперсії і невиродженому електронному газі. Ці результати добре корелюють з наведеними вище результатами, одержаними іншими методами та методиками.

Четвертий розділ присвячений дослідженню зонних параметрів та оптичних властивостей кристалів (3HgSe)1-х(Al2Se3)x:<Mn> (0,1х0,5), (3HgSe)1-х(Al2Se3)x:<Fe> (х=0,1). Вимірювання оптичного пропускання проводилося на спектрометрі (ИКС-21). Реєстрація спектрів проводилася за допомогою болометра і самописця ЕПП-09М з підсилювачем. Для визначення оптичних коефіцієнтів використовували метод, оснований на незалежному вимірюванні коефіцієнтів відбивання і пропускання.

Встановлено, що спектр поглинання кристалів формується прямими міжзонними оптичними переходами, на що вказує прямолінійна ділянка залежності б2=f(hн) у короткохвильовій області спектру. Екстраполяцією прямолінійних ділянок до б2=0 було визначено ширину оптичної забороненої зони. Одержано при Т=300К для кристалів (3HgSе)1-x(Al2Sе3)x:<Mn> (х=0,1) (n = 1,1·1020 см-3) Еgоп=0,41eB, а для (3HgSе)1-x(Al2Sе3)x:<Mn> (х=0,2) (n = 7,7·1018 см-3) Еgоп=0,27eB. Зменшення Еgоп з ростом “х” обумовлене тим, що в досліджуваних кристалах має місце ефект Бурштейна-Мосса, а концентрація електронів зменшується з ростом “х”.

Враховуючи виродження електронного газу в кристалах (3HgSe)1-x(Al2Se3)x (легованих марганцем) (Т=77300 К), сферичну симетрію поверхні постійної енергії носіїв заряду, непараболічний закон дисперсії і використовуючи значення , RН, (0), (одержані із усереднених експериментальних залежностей =f(T), RH=f(T), (0)=f(T), =f(T)) були обраховані ефективні маси електронів на рівні Фермі для області температур 80-300 К.

Із залежності величини ефективної маси електронів на рівні Фермі () від складу зразків встановили, що перехід «безщілинний напівпровідник - звичайний напівпровідник» (інверсія зон Г6 і Г8 та мінімум ) в (3HgSe)1-x(Al2Se3)x:<Mn> має місце для Т=300 К - при х0,17, а для Т=77 К - при х0,22.

Залежності ефективної маси електронів на рівні Фермі від їх концентрації

для досліджуваних кристалів мають лінійний характер, що відповідає непараболічному закону дисперсії. Екстраполяцією цієї залежності до n=0 одержали m*0 - ефективну масу електрона на дні зони провідності, яка при використанні формули:

дозволяє визначити Еg (при n=0, m*о=m*0), а Р2 знайшли за тангенсом кута нахилу цієї залежності.

Таблиця 3 Зонні параметри зразків (3HgSe)1-x(Al2Se3)x, легованих марганцем

x	T, K	Eg, еВ	EF, еВ	n·10-18, см-3	m*о/m0	m*0/m0
0,1	77	0,13	0,86	109,5	0,043	0,003
	300	0,2	0,24		0,11	0,03
0,2	77	0,19	0,84	26,3	0,045	0,006
	300	0,21	0,26		0,1	0,03
0,3	77	0,37	0,78	13,6	0,05	0,01
	300	0,39	0,22		0,09	0,04
0,5	77	0,59	0,05	0,11	0,005	0,002
	300	0,56	0,03	0,19	0,01	0,004

На основі кінетичних досліджень за допомогою вищенаведеної методики одержано значення зонних параметрів для досліджуваних кристалів (табл. 3.). Із таблиці 3 видно, що для х?0,4 dEg/dT>0, а для х?0,4 dEg/dT<0, тобто в області складу х?0,4 температурний коефіцієнт зміни ширини забороненої зони змінює свій знак (що є характерним для твердих розчинів на основі халькогенідів ртуті).

Основні результати та висновки

На основі проведених комплексних досліджень магнітних, кінетичних та оптичних властивостей кристалів (3HgSe)1-х(Al2Se3)x:<Mn> (0,1х0,5), (3HgSe)1-х(Al2Se3)x:<Fe> (х=0,1) (одержаних нами методом Бріджмена), можна зробити такі висновки:

1. На основі досліджень магнітної сприйнятливості (3HgSe)1-x(Al2Se3)x (легованих марганцем) встановлено наявність в кристалах кластерів типу Mn-Se-Mn-Se різних розмірів, в яких між атомами Mn через атоми халькогену здійснюється непряма обмінна взаємодія антиферомагнітного характеру.

2. Термообробка зразків (3HgSe)1-x(Al2Se3)x (легованих марганцем) в парах компонент приводить до зміни розмірів кластерів, а зразків (3HgSe)1-x(Al2Se3)x (легованих залізом) - до появи прямої обмінної взаємодії феромагнітного характеру в кластерах типу Fe-Fe-Fe, утворених міжвузловими атомами заліза.

3. Для зразків (3HgSe)1-x(Al2Se3)x (легованих марганцем) коефіцієнт Холла не залежить від температури (х=0,1ч0,3), або зростає із її пониженням (х=0,5), термо-ерс збільшується з ростом температури, електропровідність кристалів має металічний характер і майже лінійно залежить від температури, що вказує на можливість використання цих матеріалів в якості функціональних елементів напівпровідникових термометрів - датчиків (сенсорів) температури.

4. Відпал зразків (3HgSe)1-x(Al2Se3)x (легованих марганцем) (х=0,1ч0,3) в парах ртуті приводить до росту концентрації електронів, що можна пояснити збільшенням кількості міжвузлових атомів Hg внаслідок їх дифузії із парової фази в кристал, а в результаті термообробки зразків (3HgSe)1-x(Al2Se3)x (легованих марганцем) (х=0,1ч0,3) в парах селену концентрація електронів зменшується, що пояснюється переходом атомів міжвузлової ртуті з кристалу в парову фазу та зменшенням кількості вакансій в підградці селену внаслідок заповнення їх дифундуючими в кристал з парової фази атомами Se.

5. Термообробка зразків (3HgSe)1-x(Al2Se3)x (x=0,5) (легованих марганцем) в парах компонент приводить до збільшення концентрації електронів та посилює виродження електронного газу. Такий вплив відпалу можна пояснити зменшенням кількості стехіометричних вакансій Al в кристалі.

6. Із оптичних та кінетичних досліджень, встановлено, що для зразків (3HgSe)1-x(Al2Se3)x:<Mn> (х=0,1; х=0,3) переважаючими механізмами розсіювання є розсіювання на оптичних фононах при Т=80К та полярних оптичних фононах та іонізованих домішках при Т=300К (для непараболічного закону дисперсії і сильно виродженого електронного газу), а для зразків (3HgSe)1-x(Al2Se3)x:<Mn> (х=0,5) переважаючими механізмами розсіювання є розсіювання на оптичних фононах при Т=80К та полярних оптичних фононах при Т=300К (для параболічного закону дисперсії і невиродженого електронного газу).

7. Прямолінійні ділянки на залежностях б2=f(hн) вказують на наявність прямих міжзонних оптичних переходів в кристалах (3HgSe)1-x(Al2Se3)x:<Mn>.

8. Із залежностей ефективної маси електронів на рівні Фермі від складу твердих розчинів встановлено, що перехід «звичайний напівпровідник - безщілинний напівпровідник» для (3HgSe)1-x(Al2Se3)x:<Mn> відбувається при х?0,17 для Т=300К та при х?0,22 для Т=77К, а в області складу х?0,4 dEg/dT?0.

9. На основі зонних параметрів визначених із оптичних і кінетичних досліджень побудована схема зонної структури кристалів (3HgSe)1-x(Al2Se3)x:<Mn> та встановлено хороше узгодження між зонними параметрами визначеними різними методами.

Список цитованої літератури

1. Погорілий А.М. Спінтроніка. Основні явища. Тенденції розвитку / А.М. Погорілий, С.М. Рябченко, О.І. Товстолиткін // УФЖ. - Огляди 2010. - Т.6, №1. - С.37-97.

2. Furdyna J.K. Deluted magnetic semiconductors / J.K. Furdyna // J. Appl. Phys.-1988. - 64, №5. - Р.R29-R64.

3. Мар'янчук П.Д. Електронні явища в напівмагнітних напівпровідникових твердих розчинах на основі АІІВVI: дис. доктора фіз. - мат. наук: 01.04.10 / Мар'янчук Павло Дмитрович. - Чернівці, 1997. - 285 с.

4. Эффект радиационной устойчивости полупроводников со стехиометрическими вакансиями / Л.П. Гальчинский, В.М. Кошкин, В.М. Кулаков [и др.] // ФТТ. - 1972. - Т.14, №2. - С.646-648.

5. Аскеров Б.М. Электронные явления переноса в полупроводниках / Б.М. Аскеров. - М.: Наука, 1985. - 320 с.

Список опублікованих праць за темою дисертації:

1.* Мар'янчук П.Д. Фізичні властивості твердих розчинів (3HgSe)1-x(Al2Se3)x, легованих марганцем / П.Д. Мар'янчук, Д.П. Козярський, Е.В. Майструк // Фізика і технологія тонких плівок та наносистем: ХІ міжнародна конференція, 18-23 травня: тези допов. - 2007. - Т2. - С. 117.

2.* Maryanchuk P.D. Magnetic and kinetic properties of crystals (3HgSe)1-x(Al2Se3)x, doped by manganese / P.D. Maryanchuk, D.P. Kozyarskyy // Crystal Materials 2007: International Conference, 17-20 September: teases - 2007. - P73.

3.* Вплив термообробки на фізичні властивості кристалів Hg1-xMnxS та (3HgSe)1-x(Al2Se3)x<Mn> / П.Д. Мар'янчук, Г.О. Андрущак, Д.П. Козярський, Е.В. Майструк // Фізика конденсованих систем та прикладне матеріалознавство: Міжнародна наукова конференція, 11-13 жовтня: тези допов. - 2007. - С.29.

4.* Напівмагнітні напівпровідники на основі халькогенідів ртуті - функціональні матеріали електроніки / П.Д. Мар'янчук, Е.В. Майструк, Г.О. Андрущак [та ін.] // Фізика конденсованих систем та прикладне матеріалознавство: Міжнародна наукова конференція, 11-13 жовтня: тези допов. - 2007. - С.30.

5.* Марьянчук П.Д., Козярский Д.П. Изменение дефектной подсистемы кристаллов (3HgSe)1-х(Al2Se3)x:(Mn) в процессе термообработки / П.Д. Марьянчук, Д.П. Козярский // Актуальные проблемы физики твердого тела: Международная научная конференция 23-26 октября: тезисы докл. -2007. - Т.3. - С.173-175.

6.* Мар'янчук П.Д. Фізичні явища та зонні параметри кристалів (3HgSe)1-х(Al2Se3)x, легованих марганцем / П.Д. Мар'янчук, Д.П. Козярський // Сенсорна електроніка і мікросистемні технології. - 2007. - №4. - С.59-65.

7.* П.Д. Мар'янчук, Фізичні властивості кристалів (3HgSe)1-х(Al2Se3)x, легованих марганцем / П.Д. Мар'янчук, Д.П. Козярський, Е.В. Майструк // Фізика і хімія твердого тіла. - 2007. - Т.8, №4. - С.699-702.

8.* Фізичні явища в кристалах (3HgТe)1-х(Al2Тe3)x, (3HgSe)1-х(Al2Se3)x, (3HgS)1-х(Al2S3)x легованих марганцем / П.Д. Мар'янчук, Д.П. Козярський, Е.В. Майструк [та ін.] // Нові технології. - 2008. - № 1 (19). - С. 45 - 51.

9.* Фізичні явища в кристалах (3HgТe)1-х(Al2Тe3)x, (3HgSe)1-х(Al2Se3)x, (3HgS)1-х(Al2S3)x легованих марганцем / П.Д. Мар'янчук, Д.П. Козярський, Е.В. Майструк [та ін.] // Матеріали електронної техніки та сучасні інформаційні технології: Третя міжнародна науково-практична конференція, 21-23 травня: тези допов. - 2008. - С. 39-40.

10.* Кристали (3HgSe)1-х(Al2Se3)x:<Mn>, (3HgТe)1-х(Al2Тe3)x:<Mn>, (3HgS)1-х(Al2S3)x:<Mn> - матеріали для сенсорів температури / П.Д. Мар'янчук, Д.П. Козярський, Л.М. Димко [та ін.] // Сенсорна електроніка і мікросистемні технології: 3-я міжнародна науково-технічна конференція, 2-6 червня: тези допов. - 2008. - С. 302.

11.* Semimagnetic semiconductors on the base of mercury chalcogenide / P. Маryanchuk, E. Маistruk, G. Andrushchak [and others] // Solid Compounds of Transition Elements: 16th International Conference, 26 - 31 July: teases - 2008. - P. 64.

12.* Оптичні властивості та зонні параметри кристалів (3HgSe)1-x(Al2Se3)x:<Mn>, (3HgS)1-x(Al2S3)x:<Mn>, (3HgTe)1-x(Al2Te3)x :<Mn> / П.Д. Мар'янчук, Д.П. Козярський, І.П. Козярський [та ін.] // Актуальні проблеми фізики напівпровідників: VI Міжнародна школа конференція 27-30 вересня: тези допов. - 2008. - С.132 - 133.

13.* Нанорозмірні утворення і зонні параметри кристалів (3HgS)1-х(Al2S3)x, (3HgSe)1-х(Al2Se3)x, (3HgTe)1-х(Al2Te3)x, легованих марганцем / П.Д. Мар'янчук, І.П. Козярський, Д.П. Козярський, Л.М. Димко // Фізика і технологія тонких плівок та наносистем: ХІІ міжнародна конференція, 18-23 травня: тези допов. - 2009. - С. 418-420.

14.* Вплив термообробки на нанорозмірні утворення і фізичні властивості кристалів Hg1-x-yMnxFeyS, (3HgSe)1-x(Al2Se3)x:<Fe>, Hg1-x-yMnxFeyTe / П.Д. Мар'янчук, Г.О. Андрущак, Д.П. Козярський, Е.В. Майструк // Фізика і технологія тонких плівок та наносистем: ХІІ міжнародна конференція, 18-23 травня: тези допов. - 2009. - С. 66-68.

15.* P.D. Marianchuk Mechanisms of electrons dispersion in crystals (3HgSe)1-х(Al2Se3)x:<Mn> and (3HgS)1-х(Al2S3)x:<Mn> / P.D. Marianchuk, D.P. Koziarskyi, I.P. Koziarskyi // Physics of Semiconductors: XXXVIII International School and Conference, june 19-26: teases - 2009. - P. 192.

16.* Марьянчук П.Д Механизмы рассеяния электронов в кристаллах (3HgSe)1-x(Al2Se3)x, легированных марганцем / П.Д. Марьянчук, Д.П. Козярский // Изв. вузов. Физика. - 2009. - Т.52. - №12. - С.93-95.

17.* Марьянчук П.Д Электрофизические и оптические свойства кристаллов (3HgSe)1-x(Al2Se3)x, легированных марганцем / П.Д. Марьянчук, Д.П. Козярский // Неорганические материалы. - 2010. - Т.46. - №5. - С.528-531.

Анотація

Козярський Д.П. Магнітні, кінетичні, оптичні властивості та зонні параметри кристалів (3HgSe)1-x(Al2Se3)x, легованих марганцем та залізом. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.10 - фізика напівпровідників і діелектриків. Чернівецький національний університет імені Юрія Федьковича, Чернівці, 2010.

Дисертація присвячена дослідженню магнітних, кінетичних і оптичних властивостей кристалів напівмагнітних напівпровідникових твердих розчинів (3HgSe)1-х(Al2Se3)x:<Mn> (0,1х0,5) і (3HgSe)1-х(Al2Se3)x:<Fe> (х=0,1), а також вивченню впливу на ці властивості термообробки в парах компонент, температури і магнітних полів.

Особливості магнітних властивостей кристалів (3HgSe)1-х(Al2Se3)x:<Mn> (0,1х0,5) і (3HgSe)1-х(Al2Se3)x:<Fe> (х=0,1) обумовлені кластерами різних типів і розмірів, в яких мають місце обмінні (Mn-Se-Mn, Fe-Se-Fe, Fe-Fe-Fe) взаємодії, та змінами в кластерній підсистемі кристалів в результаті термообробки.

Електропровідність кристалів має металічний характер і майже лінійно залежить від температури, що вказує на можливість використання цих матеріалів в якості функціональних елементів напівпровідникових термометрів - датчиків (сенсорів) температури. Відпал зразків в парах компонент приводить до зміни їх кінетичних коефіцієнтів.

Зонні параметри одержані із кінетичних і оптичних досліджень (на основі останніх виявлені прямі міжзонні оптичні переходи в кристалах) добре узгоджуються і дозволяють визначити склади, при яких відбувається перехід «безщілинний напівпровідник - звичайний напівпровідник» в досліджуваних твердих розчинах, та побудувати схему їх зонної структури.

Ключові слова: кристал, кластер, обмінна взаємодія, електропровідність, термообробка.

Аннотация

Козярский Д.П. Магнитные, кинетические, оптические свойства и зонные параметры кристаллов (3HgSe)1-x(Al2Se3)x, легированных марганцем и железом. - Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.10 - физика полупроводников и диэлектриков. Черновицкий национальный университет имени Юрия Федьковича, Черновцы, 2010.

Диссертация посвящена исследованию магнитных, кинетических и оптических свойств кристаллов полумагнитных полупроводниковых твёрдых растворов (3HgSe)1-х(Al2Se3)x:<Mn> (0,1х0,5) и (3HgSe)1-х(Al2Se3)x:<Fe> (х=0,1), а также изучению влияния на эти свойства термообработки в парах компонент, температуры и магнитных полей.

Экспериментально установлены технологические режимы синтеза и выращивания методом Бриджмена кристаллов (3HgSe)1-х(Al2Se3)x:<Mn> (0,1х0,5) и (3HgSe)1-х(Al2Se3)x:<Fe> (х=0,1), а также технологические условия их термообработки, позволяющие изменять кластерную и дефектную подсистемы кристаллов с целью контролированного влияния на зонные и магнитные параметры, концентрацию и подвижность носителей заряда.

На основе комплексных исследований определены параметры, характеризующие зонный спектр, магнитную и дефектную подсистемы кристаллов (3HgSe)1-х(Al2Se3)x:<Mn> (0,1х0,5) и (3HgSe)1-х(Al2Se3)x :<Fe> (х=0,1).

Особенности магнитных свойств кристаллов (3HgSe)1-х(Al2Se3)x:<Mn> (0,1х0,5) и (3HgSe)1-х(Al2Se3)x:<Fe> (х=0,1) обусловлены кластерами разных размеров и типов, в которых осуществляются обменные (Mn-Se-Mn, Fe-Se-Fe, Fe-Fe-Fe) взаимодействия. Термообработка образцов (3HgSe)1-x(Al2Se3)x (легированных марганцем) в парах компонент приводит к изменению размеров кластеров, а образцов (3HgSe)1-x(Al2Se3)x (легированных железом) - к появлению прямого обменного взаимодействия феромагнитного характера в кластерах типа Fe-Fe-Fe, состоящих из междоузельных атомов железа.

Кристалы твёрдых растворов (3HgSe)1-x(Al2Se3)x (легированных 3d-элементами), имеют проводимость n-типа (концентрация электронов n ~ (1016-1020) см-3). Электропроводность кристаллов имеет металлический характер и почти линейно зависит от температуры, что указывает на возможность использования этих материалов как функциональных элементов полупроводниковых термометров - датчиков (сенсоров) температуры.

Отжиг образцов (3HgSe)1-x(Al2Se3)x (легированных марганцем) (х=0,1ч0,3) в парах ртути приводит к росту концентрации электронов, что объясняется увеличением количества междоузельных атомов Hg вследствие их диффузии из паровой фазы в кристалл, а в результате термообработки образцов (3HgSe)1-x(Al2Se3)x (легированных марганцем) (х=0,1ч0,3) в парах селена концентрация электронов уменьшается, что объясняется переходом атомов междоузельной ртути из кристалла в паровую фазу и уменьшением количества вакансий в подградке селена вследствие заполнения их диффундирующими в кристалл из паровой фазы атомами Se.

Термообработка образцов (3HgSe)1-x(Al2Se3)x (x=0,5) (легированных марганцем) в парах компонент приводит к росту концентрации электронов и увеличению их подвижности. Такое влияние отжига можно объяснить уменьшением количества стехиометрических вакансий Al в кристалле.

Из оптических и кинетических исследований, установлено, что для образцов (3HgSe)1-x(Al2Se3)x:<Mn> (х=0,1; х=0,3) преобладающими механизмами рассеяния при Т=80К есть рассеяние электронов на оптических фононах, а при Т=300К на полярных оптических фононах и ионизированных примесях (для непараболического закона дисперсии и сильно вырожденного электронного газа). Для образцов (3HgSe)1-x(Al2Se3)x:<Mn> (х=0,5) преобладающим есть рассеяние на оптических фононах при Т=80К и полярных оптических фононах при Т=300К (для параболического закона дисперсии и невырожденного электронного газа).

Прямолинейные участки на зависимостях б2=f(hн) указывают на наличие прямых межзонных оптических переходов в кристаллах (3HgSe)1-x(Al2Se3)x:<Mn>.

Из зависимостей эффективной массы электронов на уровне Ферми от состава твёрдых растворов установлено, что переход «бесщелевой полупроводник - обычный полупроводник» для (3HgSe)1-x(Al2Se3)x:<Mn> происходит при х?0,17 для Т=300К и при х?0,22 для Т=77К, а в области состава х?0,4 dEg/dT?0.

Хорошее согласие между зонными параметрами, полученными из кинетических и оптических исследований, позволило построить схему зонной структуры кристаллов.

Ключевые слова: кристалл, кластер, обменное взаимодействие, электропроводность, термообработка.

Summary

Koziarskyi D.P. Magnetic, kinetic, optic properties and energy-band parameters of (3HgSe)1-x(Al2Se3)x crystals, doped manganese and iron. - Manuscript.

Dissertation to obtain the scientific degree of Ph.D. in Physics and Mathematics, specialization 01.04.10. - physics of semiconductors and insulators. Yuri Fedkovich Chernivtci National University, Chernivtsi, 2010.

Dissertation is devoted to investigation of magnetic, kinetic and optic properties of diluted magnetic semiconductors solid solutions (3HgSe)1-х(Al2Se3)x:<Mn> (0,1х0,5) and (3HgSe)1-х(Al2Se3)x:<Fe> (х=0,1) crystals, and study the influence of thermal heat in compounds vapors, temperature and magnetic fields on this properties.

Peculiarities of magnetic characteristics of (3HgSe)1-х(Al2Se3)x:<Mn> (0,1х0,5) and (3HgSe)1-х(Al2Se3)x:<Fe> (х=0,1) crystals are stipulated by clusters of multiple type and size where exchange (Mn-Se-Mn, Fe-Se-Fe, Fe-Fe-Fe) interaction take place and changes in cluster crystal subsystem as a result of heat treatment.

The conductivity of the crystals is an almost linear function of temperature, suggesting that these materials are potentially attractive as functional components of semiconductor thermometers (temperature sensors). Heat treatment the simples in compounds vapors lead to changes of kinetic coefficients.

Band parameters gained from kinetic and optic investigation (on the basis of the latter direct inter-band optical transitions were revealed) coordinate which each other well. This enabled us to determine the compounds with the help of which “zero-bandgap semiconductor - usual semiconductor” transition take place in solid solutions under study and to draw the chart of this crystals band structure.

Keywords: crystal, cluster, exchange interaction, conductivity, heat treatment.

Размещено на Allbest.ru

...