Влияние магнитного поля на гальваномагнитные коэффициенты пленок висмута, легированного теллуром

Информационно-телекоммуникационные системы

УДК 538.975 ВАК 01.04.09

DOI 10.24411/2409-3203-2018-11684

ВЛИЯНИЕ МАГНИТНОГО ПОЛЯ НА ГАЛЬВАНОМАГНИТНЫЕ КОЭФФИЦИЕНТЫ ПЛЕНОК ВИСМУТА, ЛЕГИРОВАННОГО ТЕЛЛУРОМ

Матвеев Даниил Юрьевич

к.ф.-м.н., доцент кафедры общей физики ФГБОУ ВО Астраханский государственный университет Россия, г. Астрахань

Аннотация: В работе проведено исследование влияния величины индукции магнитного поля на гальваномагнитные коэффициенты тонких пленок висмута, легированного теллуром в диапазоне концентраций 0,005-0,150 ат.% Те и толщин 0,100,65 мкм. Величина индукции магнитного поля изменялась от 0 до 0,65 Тл. Температурный интервал, в котором проводились исследования составлял 77 - 300 К. Все пленки были получены методом дискретного термического напыления в высоком вакууме 1,510-5 мм.рт.ст. Измерение толщины исследуемых плёнок осуществлялось интерференционными методами и контролировалось методами атомно-силовой микроскопии. Исследование гальваномагнитных явлений в пленках висмута, легированного теллуром, проводилось на специальной автоматизированной измерительной установке для исследования свойств тонкоплёночных образцов классическими методами: измерения проводились при постоянной температуре, постоянном магнитном поле.

Было установлено, что увеличение концентрации легирующей примеси теллура от 0,005 ат.% до 0,150 ат.% в пленках висмута в исследуемом интервале температур приводит к увеличению области слабого магнитного поля вплоть до 0,65 Тл. Наблюдалось существенное проявление классического размерного эффекта, действие которого ослабевает при увеличении степени легирования пленок.

Ключевые слова: висмут, теллур, тонкие плёнки, магнитное поле, удельное сопротивление, коэффициент Холла.

THE INFLUENCE OF THE MAGNETIC FIELD ON GALVANOMAGNETIC COEFFICIENTS OF BISMUTH FILMS DOPED WITH TELLURIUM

Matveev Daniil Yu.

PhD, Associate Professor of General Physics Astrakhan State University Russia, the city of Astrakhan

Abstract: In this paper, we was studied the effect of the magnetic field magnitude on the galvanomagnetic coefficients of thin bismuth films doped with tellurium in the concentration range

0.005-0.150 at.% Te and thicknesses range 0.10-0.65 p,m. The magnitude of the magnetic field was varied from 0 to 0.65 T. The temperature interval in which the studies were conducted was 77 - 300 K. All films were obtained by the method of discrete thermal spraying in a high vacuum of 1.5-10-5 mm Hg. Thickness measurements of the studied films was carried out by interference methods and monitored by atomic force microscopy methods. The investigations of galvanomagnetic phenomena in bismuth films doped with tellurium spend on a special automated measuring facility for studying the properties of thin-film samples using classical methods: the measurements were carried out at a constant temperature, a constant magnetic field.

It has been established that an increase in the concentration of tellurium impurity from 0.005 at. % to 0.150 at.% in bismuth films in the temperature range under study leads to an increase in the area of a weak magnetic field up to 0.65 T. A significant manifestation of the classical size effect was observed, the effect of which weakens as the degree of doping of films increases.

Keywords: bismuth, tellurium, thin films, magnetic field, resistivity, Hall coefficient.

Введение

Полуметаллическим пленкам висмута посвящено большое количество работ, как с точки зрения экспериментальных исследований, так и с возможностью их технического применения [1-3].

Полуметаллические висмутовые плёнки можно широко использовать для изготовления тонкоплёночных болометров, температурный коэффициент сопротивления (ТКС) которых может быть значительно улучшен с помощью соответствующего легирования донорными или акцепторными примесями. Следовательно, возможность улучшить ТКС без увеличения шумового напряжения откроет перспективный путь повышения пороговой чувствительности тонкоплёночного болометра, пропорциональной абсолютной величине ТКС. Поэтому, вопрос о влиянии легирования на гальваномагнитные и термоэлектрические коэффициенты низкоразмерных систем на основе висмута имеет очень актуальное значение.

В работах [4-8] проведены исследования легированных пленок висмута. В основном эти исследования были направлены на изучение температурных зависимостей удельного сопротивления и коэффициента Холла р(Т) и R(T), соответственно [4-8]. Однако, подробного исследования влияния величины индукции магнитного поля В на гальваномагнитные коэффициенты легированных пленок не проводилось.

Поэтому целью представленной работы является получение и исследование влияния величины индукции магнитного поля B на удельное сопротивление р и коэффициент Холла R пленок висмута, легированного донорной примесью теллура.

Методика эксперимента

Исследуемые в работе пленки висмута, легированного теллуром, были получены методом дискретного вакуумного термического напыления в вакууме до 1,5-10-5 мм.рт.ст на подложку из слюды-мусковит. Использовались следующие технологические режимы получения: скорость осаждения составляла примерно 5 нм/с; температура подложки в процессе напыления 120°С; отжиг пленок производился при температуре 240°С в течение 30 мин. Температура подложки и температура отжига были стабилизированы [8].

Для изучения зависимости гальваномагнитных коэффициентов р(В) и R(B) от величины индукции магнитного поля B в пленках висмута, легированного теллуром с содержанием 0,005-0,150 ат. % мы использовали специальную автоматизированную измерительную установку. Установка позволяет исследовать свойства тонкоплёночных образцов в интервале температур 77-300 K и магнитных полей до 0,65 Тл [9].

Блок-схема автоматизированной измерительной установки приведена на рис. 1.

Рис. 1. Блок-схема измерительной установки.

ЭМ - электромагнит

Ст. т - стабилизаторы тока

ФП - фоновая печь

МТС - медный термометр сопротивления

Rs- эталонное сопротивление

ЦМ - цифровой мультиметр

ДХ - датчик Холла

ЦАП - цифро-аналоговый преобразователь

УОС - усилитель обратной связи

Рел. ЦАП - релейный цифро-аналоговый преобразователь

УВВ - устройство ввода-вывода

В качестве основного измерительного прибора использовалась система сбора данных Agilent 34970A с блоком Agilent 34901A, имеющим минимальный предел измерения постоянного напряжения 100 мВ.

Работа автоматизированной установки построена по точечному принципу: измерения проводились при постоянной температуре, постоянном магнитном поле.

Система задания и стабилизации температуры образца состоит из цифро-аналогового преобразователя (ЦАП), управляемого ЭВМ, медного термометра сопротивления (МТС), намотанного на тепло выравнивающее тело держателя образца, нагревательного элемента, намотанного на МТС, усилителя обратной связи (УОС) и стабилизатора тока МТС. Усилитель обратной связи управляет током нагревательного элемента таким образом, чтобы уровнять падение напряжения на МТС и напряжение, выдаваемое ЦАП. Таким образом, изменяя напряжение, выдаваемое ЦАП, можно управлять температурой образца. Эта система обеспечивала стабилизацию температуры не хуже 0,5 K. Процесс измерения обычно содержал 14 температурных точек.

Система задания и стабилизации тока обмотки электромагнита построена аналогично системе задания и стабилизации температуры. Усилитель обратной связи сравнивал сигнал с задающего релейного ЦАП и эталонного сопротивления ^э), включенного последовательно с электромагнитом. При неравенстве этих сигналов

происходило увеличение или уменьшение тока обмотки электромагнита. В системе задания и стабилизации тока обмотки электромагнита использован релейный цифро-аналоговый преобразователь, обеспечивающий задание 10 значений магнитного поля.

Измерение магнитного поля осуществлялось датчиком Холла ПХЭ 602817Б со стабилизацией тока. Погрешность измерения магнитного поля 2,0%.

В установке обеспечена также стабилизация и коммутация тока образца. Погрешность измерения тока через образец составляла менее 0,5%.

Измерение температуры образца производится медь-константановой термопарой. В качестве опорной точки используется таящий лед.

Общее управление установкой осуществлялось с помощью компьютера типа IBM с помощью специальной управляющей программы. Результаты измерений, как исходные, так и первично обработанные, записывались в файл в текстовом формате. Это позволяло в дальнейшем анализировать результаты измерений в различных математических пакетах программ типа Origin Pro.

Толщина пленок измерялась методами многолучевой оптической интерферометрии с помощью интерференционного микроскопа МИИ-4. Типичная интерференционная картина представлена на рис. 2.

Рис.2. Растровое изображение интерференционных полос на границе плёнка-контакт, полученное при помощи камеры интерферометра МИИ-4.

Толщина пленок определялась по формуле й = ^ • р где X - длина волны

монохроматического света, а - величина изгиба полос в единицах интервала между полосами, Ь - расстояние между интерференционными полосами. Измерения производились в основном в монохроматическом свете. В качестве источника монохроматического излучения используется светодиод с максимумом излучения на длине волны 638 нм. Для повышения удобства работы используемый микроскоп снабжен видеоокуляром на базе WEB-камеры, которая позволяла сохранять изображение для дальнейшей обработки (рис. 2). По сохраненным изображениям измеряется величина сдвига и шаг интерференционных полос. Такой подход позволяет повысить точность измерения толщины пленок в исследуемом интервале 0,1-0,65 мкм.

Контроль толщины пленок осуществлялся на воздухе с использованием сканирующего зондового микроскопа Solver компании NT-MDT методом атомно-силовой микроскопии (АСМ) в полуконтактном режиме [3].

Экспериментальные результаты и их обсуждение

Учитывая кристаллографическую ориентацию пленок, следует отметить, что экспериментально измеряемые гальваномагнитные коэффициенты (удельное сопротивление р и коэффициент Холла К) для пленок висмута при индукции магнитного поля, параллельной нормали к плоскости пленки (В||п), соответствуют следующим компонентам тензоров гальваномагнитных коэффициентов монокристалла висмута: р = рп,

К = К12,3.

Удельное сопротивление пленок висмута, легированного теллуром, в количестве 0,005 ат. % в магнитном поле В по своему значению отлично от удельного сопротивления пленки без поля (рис. 3.). Из приведенного графика на рис. 3. видно, что при увеличении магнитного поля удельное сопротивление пленок возрастает, причем, с ростом толщины влияние поля усиливается [5].

Рис. 3. Влияние магнитного поля на зависимость р(Т) пленок Bi (0,005 ат.% Те) толщиной

0,10 мкм и 0,65 мкм.

Особенно сильно проявляется влияние поля в плёнках Bi (0,005 ат.% Те) толщиной 0,65 мкм в области низких температур. В этом случае длина свободного пробега носителей заряда много больше радиуса их орбиты, в результате чего магнитное поле В на длине пробега значительно отклоняет носители заряда, приводя к увеличению сопротивления.

Для пленок толщиной 0,10 мкм ограничение длины свободного пробега носителей заряда толщиной и в результате рассеяния на межкристаллитных границах велико и играет главенствующую роль, поэтому поле просто не в состоянии оказать на них какое-либо действие, и температурная зависимость удельного сопротивления при различных магнитных полях представляется более крутой по сравнению с зависимостью для пленок 0,65 мкм.

В отличие от слаболегированных плёнок (рис. 3), в плёнках чистого висмута [1] влияние магнитного поля сказывается сильнее при тех же толщинах.

Для плёнок висмута, легированного теллуром, в количестве 0,150 ат.% Те, представленных на рис. 4, магнитное поле практически не влияет на удельное сопротивление с ростом толщины пленки.

Рис. 4. Влияние магнитного поля на зависимость р(Т) пленок Ы (0,150 ат.% Те) толщиной

0,10 мкм и 0,65 мкм.

Заметное влияние магнитное поле оказывает и на коэффициент Холла. На рис. 5,6 приведены зависимости коэффициента Холла при различных магнитных полях плёнок висмута с содержанием теллура 0,005ат.% и 0,150 ат.% при двух значениях толщин.

Рис 5. Влияние магнитного поля на коэффициент Холла пленок Ы

толщиной 0,10 мкм и 0,65 мкм

Из рис. 5 видно, что в случае тонкой легированной плёнки коэффициент Холла слабо изменяется с увеличением магнитного поля и положителен во всей области температур, что соответствует его поведению в плёнках чистого висмута малой толщины с крупноблочной кристаллической структурой [1]. В плёнках толщиной 0,65 мкм коэффициент Холла с понижением температуры переходит в область отрицательных значений. При увеличении магнитного поля отрицательный коэффициент Холла возрастает по абсолютной величине. J. Heremans и сотрудники Массачусетского технологического института получили похожую зависимость для слаболегированных плёнок висмута, легированного теллуром толщиной 500нм в полях до 20 Тл и показали, что коэффициент Холла ещё больше увеличивается с усилением поля при температурах жидкого гелия [10]. Аналогичное поведение Холла в магнитном поле до 0,65 Тл наблюдалось и в плёнках чистого висмута имеющих сравнительно небольшие размеры кристаллитов, однако влияние поля усиливалось [11].

Далее обратимся к рис.6, который отображает поведение Холла для пары пленок висмута с примесью теллура в количестве 0,150 ат.% при различных величинах магнитного поля.

Рис 6. Влияние магнитного поля на коэффициент Холла пленок Ы

толщиной 0,10 мкм и 0,65 мкм

При этом, можно увидеть, что данные зависимости накладываются друг на друга для образцов соответствующей толщины, что в свою очередь означает отсутствие зависимости Холла от величины магнитного поля. Подобные зависимости наблюдались для сильнолегированных плёнок висмута в работе [12]

Небольшой разброс значений коэффициента Холла на рис.6 в случае малых магнитных полей при высоких концентрациях примеси теллура связан с малостью компоненты Холла и её чувствительностью к изменению свойств свободных носителей заряда. Разностные электрические сигналы в этом случае по величине могут быть сопоставимы с точностью приборов, что и приводит к погрешностям измерения коэффициента Холла.

-0,02-, —"—6 = 0,04 10

-0,05

50 100 150 200 250 300

т, К

Приближением слабого магнитного поля может служить независимость коэффициента Холла от величины магнитного поля [12]. На рис. 7 представлена зависимость коэффициента Холла от магнитного поля при 77 К для плёнок висмута толщиной 0,65 мкм с различным содержанием теллура. Из зависимостей на рис. 7 видно, что для плёнок с содержанием теллура 0,005-0,010 ат.% Те в магнитном поле 0,10-0,15 Тл коэффициент Холла практически не зависит от величины магнитного поля.

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 В, Тл

Рис. 7. Зависимость коэффициента Холла от величины магнитного поля. Толщина пленок 0,65 мкм. Маркировка образцов: , 0,005 ат.% Те; •, 0,010 ат.% Те;  , 0,050 ат.% Те;

, 0,075 ат.% Те; о, 0,150 ат.% Те.

При увеличении содержания теллура в плёнках висмута до 0,150 ат.% в интервале значений магнитной индукции 0,10-0,65 Тл магнитное поле можно считать слабым.

Увеличение области слабого магнитного поля в плёнках висмута, сильно легированного теллуром (0,500 ат.% Те), вплоть до 1 Тл было экспериментально обнаружено в работе [12]. Так как в наших исследованиях максимальный предел измерений магнитного поля составляет лишь 0,65 Тл, то мы не можем экспериментально проследить поведение Холла наших плёнок в более высоком поле. Однако вполне разумно полагать, что если в плёнках Ы (0,150 ат.% Те) поле 0,65 Тл можно считать слабым (см. рис. 7), то при дальнейшем увеличении концентрации легирующей примеси теллура область слабого магнитного поля может быть расширена до 1,0 Тл.

Заключение

Из проведенных исследований можно сделать выводы о том, что увеличение концентрации легирующей примеси теллура в пленках висмута в области низких температур приводит к расширению области слабого магнитного поля вплоть до 0,65Тл.

Проявление классического размерного эффекта ослабевает при увеличении степени легирования.

Список литературы:

1. Грабов В.М., Демидов Е.В., Комаров В.А., Климантов М.М., Матвеев Д.Ю., Слепнев С.В., Усынин Е.В., Христич Е.Е., Константинов Е.В. Особенности структуры плёнок висмута, полученных методом термического испарения в вакууме // Известия РГПУ им. А.И. Герцена. Естественные и точные науки: Научный журнал. - СПб. - 2009. - № 95. - С. 105 - 120.

2. Демидов Е. В., Комаров В.А., Константинов Е.В. Выращивание мелкоблочных пленок висмута для увеличения термоэлектрической эффективности // Термоэлектрики и их применения. Доклады XIII Межгосударственного семинара; под. ред. М. В. Ведерникова, Л.Н. Лукьяновой. - СПб.: Изд. ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН. - 2010. - С. 344 -349.

3. Грабов, В.М., Демидов Е.В., Комаров В.А., Климантов М.М. Атомно-силовая микроскопия декорированных оксидированием дефектов плёнок висмута // ФТТ. - 2009. -Т.51. - № 4. - С. 800-802.

4. Schnelle W., Dilner U. Electrical and galvanomagnetic properties of undoped and doped polycrystalline bismuth films. I. Preparation and experimental characterization // Phys. Stat. Sol. A. - 1989. - V.115. - №2. - P. 505-513.

5. Dillner U., Schnelle W. Electrical and galvanomagnetic properties of undoped and doped polycrystalline bismuth films. II. Analysis in an anisotropic one-carrier model // Phys. Stat. Sol. A. - 1989. - V.116. - №1. - P. 337-342.

6. Matveev D.Yu. Carrier Scattering Mechanisms in Bismuth Films Doped with Tellurium. // J. Nano- Electron. Phys. - 2016. - Vol. 8, - No 3. P. 03012-1-03012-5.

7. Matveev D.Yu. Structure Features of Bismuth Films Doped with Tellurium. // J. Nano-Electron. Phys. - 2018. - Vol. 10, - No 2. P. 02047-1-02047-3.

8. V.M. Grabov, E.V. Demidov, V.A. Komarov, D.Yu. Matveev, A.A. Nikolaeva, D. Markushevs, E.V. Konstantinov, E.E. Konstantinova. Size effect in galvanomagnetic phenomena in bismuth films doped with tellurium // Semiconductors. - 2014. - May. - Vol. 48, Iss. 5. - P. 630-635 DOI 10.1134/S106378261405008X

9. Комаров, В.А. Структура и явления переноса в пленках висмута, легированных донорными и акцепторными примесями / В.А. Комаров, Д.Ю. Матвеев, С.В. Слепнев, А.В. Басов, Е.В. Константинов // Термоэлектрики и их применения. Доклады XII Межгосударственного семинара. - СПб.: Изд. ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН. - 2010. - С. 350356.

10. J. Heremans, D. T. Morelli, D. L. Partin, C. H. Olk, C. M. Thrush, and T. A. Perry. Properties of tellurium-doped epitaxial bismuth films. // Phys.Rev.B. - 1988. - B 38, - №15. P. 10280-10284.

11. В.М. Грабов, В.А. Комаров, И.И. Худякова, Т.А. Яковлева. Физика полуметаллов и низкоразмерных структур на их основе. Учебное пособие. - СПб: РГПУ им. А. И. Герцена, - 2011. 293 с.

12. Орлова Д.С., Рогачёва Е.И., Гальваномагнитные свойства тонких пленок висмута, легированного теллуром // IMO, наносистемы, наноматериалы, нанотехнологии т. 7, №2., - Украина., 2009. -C. 487-493.

♦