Явления переноса в монокристаллах и пленках висм

УДК 669.017 ББК В 378

В.М. Грабов, В.А. Комаров

Явления переноса в монокристаллах и пленках висмута

В работе произведено исследование процессов кристаллизации и режимов изготовления пленок анизотропного полуметалла висмута методом термического напыления в вакууме при контроле структуры поверхности методами атомно-силовой микроскопии.

Сравнение коэффициентов переноса в пленках с их значениями в монокристаллах позволило определить вклады взаимодействия носителей заряда в пленках с поверхностью и границами кристаллитов в ограничение подвижностей носителей заряда.

Ключевые слова: явления переноса, монокристаллы, пленки висмута.

V.M. Grabov, V.A. Komarov

Transfer Phenomena in Monocrystals and Bismuth Films

The authors of the article investigate crystallization processes and the regimes of anisotropic bismuth semimetal films creation using the method of thermal evaporation in vacuum under the surface structure control with the help of atom-power microscopy methods. The correlation of transport coefficients in films gives the authors the possibility to determine the impacts of interaction of current carriers in films with crystallites surface and boundaries into current carriers activity limitation.

Key words: transfer phenomena, monocrystals, bismuth films.

Для получения монокристаллических пленок висмута разработан метод зонной перекристаллизации под покрытием. На подложку напыляется пленка висмута необходимой конфигурации, затем вакуумным напылением покрывается защитным слоем из растворимого в воде вещества. Получившаяся заготовка (рис. 1), помещается в установку для зонной перекристаллизации пленок, где происходит выращивание пленочного монокристалла.

Защитное покрытие предотвращает стягивание расплавленной пленки в капли. Это основная его функция. В качестве защитного покрытия были опробованы №С1, ВаС12, КС1, КВг. Наилучшие результаты получены при использовании покрытия из КВг. Зонная перекристаллизация пленок висмута производилась в среде аргона.

Рис. 2. Фотография травленной поверхности плавленой пленки висмута толщиной 2,9 мкм на слюде

Исследование структуры плавленых пленок показало, что пленки имеют монокристалли-ческую моноблочную структуру с осью С3, направленной перпендикулярно подложке (вид травленной поверхности пленки приведен на рис. 2). Получены монокристаллические пленки толщиной от 0,1 до 5 мкм. Толщина пленок определялась интерференционным методом с помощью микроскопа МИИ-4.

На монокристаллических пленках висмута измерены удельное сопротивление (р11), коэффициент термоэдс (a11), относительное магнетосопротивление (Др/р) и коэффициент Холла (r1 2 3) в магнитном поле до 0,6 Тл. Результаты представлены на рис. 3-6.

монокристал. і— 0,2 мкм 1— 0,8 мкм блочные і— 0,2 мкм '— 0,8 мкм

50 100 150 200 250 300

T, K

Рис. З. Зависимость удельного сопротивления от температуры монокристал-лических и блочных пленок Bi на слюде

Рис. 4. Зависимость относительного магнетосо-противления от температуры монокристаллических и блочных пленок Bi на слюде

Из рис. 3 видно, что качественная картина поведения удельного сопротивления пленок в зависимости от температуры такая же, как и для текстурированных пленок, не подвергнутых зонной перекристаллизации [3; 4; 5]. Однако при одних и тех же толщинах удельное сопротивление монокристаллических пленок ниже, а магнетосопротивление (рис. 4) - выше,

2,5

2,0

О 1,5

1,0

Физика, математика, техника, технология

чем текстурированных. Переход к полупроводниковому вицу зависимости р(Т) происходит в монокристаллических пленках при меньших толщинах.

0

-20

* аЗ

о -40

-60

монокристал.

—0,2 мкм

—О— 0,8 мкм

блочные

—0,2 мкм

—0,8 мкм

50 100 150 200 250 300

Т, К

50 100 150 200 250 300

Т, К

Рис. 6. Зависимость коэффициента Холла от температуры монокристалличе-ских пленок Ы различной толщины на слюде

Рис. 5. Зависимость коэффициента термоэдс от температуры моно-кристаллических и блочных пленок Ы различной толщины на слюде

Наиболее существенное различие наблюдается в поведении термоэдс (рис. 5). Коэффициенты термоэдс напыленных пленок во всем интервале температур 80-300 К по величине близки к а11 монокристаллов, но могут принимать несколько большие или меньшие значения в зависимости от соотношения размеров кристаллитов и толщины пленки. Коэффициенты термоэдс монокристаллических пленок при понижении температуры в интервале 80300 К уменьшаются по абсолютной величине по сравнению с а11 монокристалла, начиная с некоторой температуры. Точка перехода к спаданию перемещается в область более высоких температур с уменьшением толщины пленки. Для пленок толщиной б < 0.3мкм вблизи 100 К наблюдается переход термоэдс к положительным значениям. Коэффициент Холла монокристаллических пленок имеет положительный знак и увеличивается при уменьшении толщины пленки.

Ранее было показано [4], что в пленках висмута на подложках из слюды, при температурах близких к комнатной, концентрация носителей заряда практически не зависит от толщины в интервале 0,1- 5 мкм и почти совпадает с ее значением в монокристаллах висмута. При понижении температуры концентрация носителей заряда в пленках на слюде несколько уменьшается вследствие деформации, обусловленной различием коэффициентов температурного расширения пленки и подложки. Для слюды при 100 К различие значений концентрации носителей заряда не превышало 15% [4] и в данной работе не учитывалось.

Для анализа полученных экспериментальных результатов воспользуемся подходом, ра-

зобранным Г. А. Ивановым для монокристаллов висмута [2].

Учитывая кристаллографическую структуру монокристаллических пленок и то, что для

электронов ІІ22 << Цц, систему уравнений [2] можно упростить. В результате получим уравнения для коэффициентов переноса, измеряемых в пленках:

= в,

2 ии + иіі

вп

и и

- (и+1 )2

і 2 и

її 2 її

+ и

Воспользуемся значениями концентрации носителей заряда, парциальными термоэдс электронов и дырок, полученными для объемных монокристаллов висмута [2] для расчета

и„ и и+. Выражение для коэффициента Холла

использовалось для оценки величины Ы22 . Результаты расчета подвижностей электро-

1

О \ її 22 /

нов и дырок и ~ = —

2

уравнениям (і) в монокристаллических пленках различной толщины в интервале температур 80-300 К приведены на рис. 7, 8.

Рис. 7. Зависимость подвижности электронов от температуры для пленок различной толщины

Рис. 8. Зависимость подвижности дырок от температуры для пленок различной толщины

Подвижность электронов и дырок в моно-кристаллических пленках висмута зависит от толщины, оставаясь во всем температурном интервале ниже, чем для объемных монокристаллов. При этом подвижность электронов ограничивается более существенно, чем подвижность дырок.

Для выявления взаимосвязи подвижности носителей заряда и толщины пленки были получены зависимости 1 _ f |1 для различных

и V б,

значений температуры. Анализ этих зависимостей показал, что они близки к линейному виду как для электронов, так и для дырок. Экстраполяция на б ^ ж дает подвижность носителей заряда в объемных монокристаллах.

а

її

2

22

а

її

її~її

( 5 Л

в широком интер-

т2

и

\ У

вале температур близки к линейным, что характерно для рассеяния носителей заряда на фононах [1].

Полученные результаты свидетельствуют о вкладе в ограничение подвижности носителей заряда в пленках дополнительного механизма рассеяния, который слабо зависит от температуры, но существенно зависит от толщины пленки. Вклад дополнительного механизма рассеяния в ограничение подвижности электронов и дырок хорошо описывается прави-1 1 1 лом Маттисена и ~ и(Т) + и(ё) .

Величина 1 для электронов существенно и

больше, чем для дырок, что заметно изменяет

соотношение подвижностей

( и

її

в зависимо-

сти от толщины, в то время как для напыленных пленок висмута это соотношение от толщины зависит значительно слабее. Отсюда можно сделать вывод, что дополнительное рассеяние носителей заряда в монокристалли-ческих пленках висмута обусловлено, в основном, не дефектами кристаллической структуры, а поверхностью пленки.

и+

її

В монокристаллических пленках висмута существенно уменьшается количество дефектов по сравнению с напыленными текстуриро-ванными пленками, поэтому дополнительным механизмом рассеяния носителей заряда является рассеяние на поверхности пленки, обусловленное малой толщиной пленки.

В результате рассеяния на поверхности пленок подвижности электронов ограничиваются более существенно по сравнению с подвижностями дырок, что указывает на некоторое различие взаимодействия электронов и дырок с поверхностью пленки.

Результаты, полученные для подвижностей носителей заряда в монокристаллических пленках, обеспечивают возможность разделения вкладов поверхности и дефектов структуры в ограничение подвижностей носителей заряда в текстурированных и поликристалли-ческих, не подвергнутых зонной перекристаллизации, пленках висмута.

Развитый подход к исследованию явлений переноса в монокристаллических и текстурированных пленках висмута может быть применен и для пленок на основе других металлов и полупроводников.

Список литературы

1. Грабов В. М., Иванов Г. А., Комаров В. А. Термоэлектрические свойства монокристаллических пленок висмута // Материалы для термоэлектрических преобразователей: тезисы докладов IV межгосударственного семинара. СПб.: ФТИ им. А. Ф. Иоффе РАН, 1995. С. 63-65.

2. Иванов Г. А. , Грабов В. М. Физические свойства кристаллов типа висмута. // ФТП, Т. 29, - С. 1040-1050. (1995).

3. Иванов Г. А. , Грабов В. М. , Михайличенко Т. В . Влияние дефектов на гальваномагнитные явления в пленках висмута // ФТТ. Т. 15. С. 573 (1973).

4. Комаров В. А. Механизмы рассеяния носителей заряда в пленках висмута: доклады VIII межгосударственного семинара. СПб.: ФТИ им. А. Ф. Иоффе РАН, 2002.С. 237-242.

5. Комаров В. А., Климантов М. М., Логунцова М. М. и [др.]. Кинетические явления и структура пленок висмута// Известия Российского государственного педагогического университета им. А. И. Герцена №6(15): Физика: Научный журнал. СПб., 2006. С. 131-143.

УДК 52 ББК В 6

Р.В. Турина Воспитательные возможности астрономии

В статье рассматривается вопрос влияния изучения астрономии и космологии на формирование личностных качеств школьников и

студентов. У школьников и студентов, изучающих курс астрономии и космологии, формируется глобальное («космическое») мышление и мотивационно-ценностное отношение к Миру. Мышление и отношение к Миру школьников и студентов, не изучающих курс астрономии, соответствуют бытовому, низкому уровню. Это подтверждается экспериментальными исследованиями, которые проводились методом анкетирования.