Теплофизические свойства соединения CuGa2InTe5

Размещено на http://www.allbest.ru/

Теплофизические свойства соединения CuGa₂InTe₅

Гасанова Мехрибан Ширин кызы,

кандидат физико-математических наук, доцент, докторант Азербайджанского технического университета, г. Баку

Исследованы температурные зависимости удельной электропроводности, коэффициента термо-э.д.с., общей теплопроводности, холловской подвижности носителей зарядов, коэффициента продельного эффекта Нернста-Эттингаузена, магнитного сопротивления и магнитотермо.-э.д.с. нового соединения CuGa₂InTe₅. Выявлены механизмы рассеяния электронов и фононов в кристаллах этого соединения.

Ключевые слова: монокристалл, полупроводниковое соединение, электрон-фононное рассеяние.

температурный электропроводность заряд магнитный

При исследовании характера физико-химического взаимодействия между In₂Te₃~ Cu₂Ga₄Te₇ при соотношении исходных компонентов 1:1 нами обнаружено новое соединение CuGa₂InTe₅ с конгруэнтным плавлением при ~1028 К. При рентгенографическом анализе определено, что рентгенограмма этого соединения незначительно отличается от рентгенограммы известного по литературе [1] соединения CuGa_1,8In_1,2Te₅, кристаллизующегося в тетрагональной структуре параметрами а=6,043и с=12,068. В данном сообщении приводятся результаты температурных зависимостей удельной электропроводности (s), коэффициента термо-э.д.с. (a), общей теплопроводности (ж_общ), холловской подвижности носителей заряда (U_х), а также некоторых термомагнитных (продольный коэффициент Нернста-Эттингаузена e_у, магнитосопротивление и магнитотермо-э.д.с. ) коэффициентов. Одновременно, используя данные температурной зависимости обшей теплопроводности, рассчитаны и построены температурные зависимости фононного термосопротивления и биполярной теплопроводности.

Измерения теплофизических параметров проводили на монокристалллических образцах параллелепипедной формы по методике [2], в интервале температуры 300-850 К. Монокристаллы получали методом направленной кристаллизации на установке Бриджмена-Стокбаргера.

На рис. 1 приведена температурная зависимость удельной электропроводности (s) и коэффициента термо.-э.д.с. (a) соединения CuGa₂InTe₅. Ход кривой зависимости полуметаллический.

Рис. 1. Температурная зависимость удельной электропроводности (s) и коэффициента термо-э.д.с. (a) соединения CuGa₂InTe₅.

Начиная с~413К наблюдается заметный рост электропроводности, что, по-видимому, связано с приближением собственной области проводимости. Согласно наклону кривой в этой области рассчитано значение термической ширины запрещенной зоны (DЕ_терм=0,88 эВ). Коэффициент термо-э.д.с. вначале прямолинейно растет, проходя через максимум, затем начинается её сильное уменьшение. Прямолинейный рост коэффициента термо-э.д.с. до определенной температуры присущ полупроводникам со сложной зонной структурой [3], у которых при низких температурах зависимости a_экс(Т) качественно согласуются с зависимостями a_теор(Т), рассчитанными при предположении постоянства концентрации и эффективной массы носителей заряда, а также фактора рассеяния «r», которым равней нулю. Выше температуры ~473 наблюдается сильное уменьшение коэффициента термо-э.д.с., связанное с одной стороны наступлением собственной области проводимости, а с другой - ростом степени вырождения носителей заряда. Во всем исследованном температурном интервале коэффициент термо-э.д.с. обладает отрицательным знаком проводимости .

Рисунок 2 отражает температурную зависимость холловской подвижности (U_х) коэффициента продельного эффекта Нернста-Эттингаузена (?_у) соединения CuGa₂InTe₅.

Рис. 2. Температурная зависимость холловской подвижности носителей заряда (U_х) и коэффициента продольного эффекта Нернста-Эттингаузена (e_у) соединения CuGa₂InTe₅.

Установлено, что до температуры ~400К изменение холловской подвижности носителей заряда подчиняется закону ~Т^1,5, что соответствует рассеянию электронов от ионизированных примесных центров. Проходя через пологий максимум, при высоких температурах, наблюдается уменьшение подвижности согласно закону ~Т^-3,5. Это свидетельствует о рассеянии носителей зарядов от тепловых колебаний кристаллической решетки. Изменение механизма рассеяния электронов в исследуемом соединении подтверждается и температурной зависимостью коэффициента продольного эффекта Нернста-Эттингаузена (рис. 2, кривая e_у), который претерпевает инверсию знака в зависимости от температуры. Пологий максимум на зависимости lg(U_x) ~ f(lgT) свидетельствует о присутствии еще одного механизма рассеяния носителей заряда в исследуемых кристаллах. Это - рассеяние носителей от полярных оптических колебаний кристаллической решетки.

Температурная зависимость общей теплопроводности соединения CuGa₂InTe₅ приведена на рис. 3.

Рис. 3. Температурная зависимость общей теплопроводности (ж_общ), теплосопротивления кристаллической решетки (W_f) и биполярной теплопроводности (ж_б-п) соединения CuGa₂InTe₅.

Как видно, начиная от комнатных температур до ~650К, общая теплопроводность подчиняется отрицательному степенному закону, что свидетельствует о нормальных фононных процессах, происходящих в исследуемом кристалле. Однако, выше 650К общая теплопроводность проявляет тенденцию к увеличению. Для разъяснения механизма, теплопереноса были рассчитаны электронные, фононные и биполярные доли общей теплопроводности. Электронная теплопроводность рассчитана согласно закону Видемана-Франца [4],--согласно которому ж_эл=LsT, где: L - число Лоренца (для невырожденных полупроводников L=2,4Ч10^-8, s - удельная электропроводность, а Т - температура. Зная значение ж_эл., затем по формуле ж_ф=ж_общ - ж_эл найдены значения фононной теплопроводности, а её обратное значение представило данные для теплосопротивления кристаллической решетки. Пренебрегая вкладом теплопроводности дефектов, так как считается, что в монокристаллах число дефектов ничтожно мало.

На рис. 3. также представлена температурная зависимость теплосопротивления кристаллической решетки (W_f). До температуры ?423К фононное теплосопротивление по температуре изменяется аналогично теоретическому значению этого параметра (W₀). Однако, начиная от температуры ?450К в кристалле CuGa₂InTe₅ появляется дополнительное фононное теплосопротивление ?W_f, вследствие которой, рассеяние фононов происходит от дефектов кристалллической решетки. Количественно дополнительное фононное тепловое сопротивление можно оценить как DW_f = W_f - W_{трехфонон}. По температурной зависимости фононного теплосопротивления найдено, что теплопроводность соединения CuGa₂InTe₅ подчиняется закону ~--Т^-0,32. Это свидетельствует о наличии трехфононного механизма рассеяния в исследуемом кристалле. Как видно из температурной зависимости общей теплопроводности (рис. 3) такой механизма может продолжатся до ~653 К, так как начиная от этой температуры, наблюдается рост общей теплопроводности. Обычно подобный рост ж_общ при высоких температурах может быть объяснен вкладом биполярной составляющей теплопроводности. Учитывая это по формуле ж_б-п=2LsТ приведенной в [5]--вычислены значения биполярной составляющей теплопроводности. Температурная зависимость этого параметра приведена на рис. 3. Как видно, при высоких температурах ж_б-псильно растет, от чего и можно считать, что её вклад в общую теплопроводность заметный.

На рис. 4 приведены температурные зависимости магнитосопротивления и магнитотермо-э.д.с. соединения CuGa₂InTe₅. Как видно, у обоих параметров наблюдается инверсия знака, что свидетельствует об смещенном механизме переноса электронов и фононов в кристалле CuGa₂InTe₅. Отрицательный знак указывает, также на малую подвижность носителей заряда в исследуемом материале.

Таким образом, исследование температурных зависимостей кинетических коэффициентов в CuGa₂InTe₅ указывает на смешанный механизм переноса носителей заряда и тепла, связанных, по-видимому, с многокомпонентностью состава и сложностью зонной структуры.

Рис. 4. Температурная зависимость магнитосопротивления и магнитотермо-э.д.с. соединения CuGa₂InTe₅.

Литература

1. Guevara R., Dekgodo F., Wasim S., Rinco C., Sanchez Perez G. X-ray power diffraction, phase transitions and optical characterization of the Cu(In1-xGax)3Te5 semiconducting system // F.Alloys Compds. 2005, Vol 393, p. 100.

2. Крегова М.А., Авилов Е.С., Земсков В.С. Введение в методику экспериментов. Результаты и их обсуждение. М., Наука, 2004, 196 с.

3. Rogers I.M. Valence band structure of PbTe // Brit. J.Appl. Phys. Ser.2, 1968. Vol. 1, N7, p. 845

4. Могилевский Б.М., Чудновский А.Ф. Теплопроводность полупроводников. М., Наука, 1972, 536 с.

5. Охотин А.С., Боровикова Р.П., Нечаева Т.В., Пушкарский А.С. Теплопроводность твердых тел (Справочник). М., Энергоатомиздат, 1984, 320 с.

Размещено на Allbest.ru