Исследование электронной проводимости полупроводникового соединения CuFeS2

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОННОЙ ПРОВОДИМОСТИ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО СОЕДИНЕНИЯ СиРе82

И.Х. ХАБИБУЛЛИН, А.И. ПОГОРЕЛЬЦЕВ, А.М. ГАТАУЛЛИН, Е.В. ШМИДТ Казанский государственный энергетический университет

В настоящей работе приведены результаты экспериментального исследования электронной проводимости кристаллических образцов халькопирита Си¥еБ2. Обнаружено различие в поведении электрической проводимости в низкотемпературной области исследуемых образцов, которое может быть связано с различными механизмами переноса носителей.

Исследование полупроводниковых кристаллов со структурой типа халькопирита (СиРе82) представляет особый интерес, поскольку эти соединения

являются материалами, пригодными для практического применения в солнечных батареях, нелинейных оптических устройствах и люминесцентных диодах [1]. Данное соединение является антиферромагнетиком со сравнительно высоким значением температуры Нееля Тдт=823 К. Имеющиеся к настоящему времени сведения об электронных свойствах этих соединений носят противоречивый характер. Температурная зависимость электропроводности и поведение концентрации носителей в халькопирите указывают на металлический характер транспортных свойств, хотя само значение электропроводности оказывается малым (103Ом-1 1см-1 при 100К [2]) по сравнению с типичными металлами. Было также обнаружено, что величина термоэлектрической силы является аномально большой (480 дУ/К) [2]. Согласно полученным результатам, исследованные соединения являются вырожденными полупроводниками. В то же время, существуют предположения о том, что, по крайней мере, халькопирит является бесщелевым полупроводником [3]. Целью настоящей работы являлось проведение сравнительных исследований температурных зависимостей удельной электропроводности, коэффициента Холла и концентрации зарядовых носителей в образцах халькопирита (СиРе82).

Измерение электропроводности полупроводниковых образцов,

концентрации и подвижности носителей тока выполнялись на стенде по измерению электрических параметров полупроводниковых кристаллов с использованием низкотемпературной приставки. Электропроводность была измерена четырехзондовым методом в интервале температур 77^300К в образцах естественного происхождения. Концентрация и подвижность зарядовых носителей определялись с помощью эффекта Холла. Исследуемые образцы халькопирита (№1, 2) представляли собой кристаллы естественного происхождения с

характерными размерами: а=8 мм, Ь=5 мм, с=3 мм.

Результаты измерений зависимости удельной проводимости от обратной температуры приведены на рисунке. Было обнаружено характерное для полупроводниковых материалов поведение о(Т) - для образца №2, что соответствует полученным ранее для области низких температур экспериментальным данным (кривая №3) [4]. Для образца №1 при температуре Т=77К значение электропроводности о оказалось на три порядка меньше, чем в образце №2. При повышении температуры наблюдался рост электропроводности и при Т=300К значение о оказалось примерно одинаковым для обоих образцов. По

© И.Х. Хабибуллин, А.И. Погорельцев, А.М. Гатауллин, Е.В. Шмидт Проблемы энергетики, 2005, № 9-10

знаку коэффициента Холла был определен тип проводимости: для образца №1 -проводимость оказалась /7-типа, для образца №2 - я-тима. Полученные результаты

можно объяснить следующим образом. Поскольку электронная структура халькопирита в приближении ионной связи

+ 3+ 2-

соответствует формуле Си Ре 8 ~2, можно ожидать, что при отклонении от стехиометрии (что типично для данного соединения) замещение железа медью приводит к образованию эффективно отрицательно заряженного дефекта (акцептора), а замещение Си ^ Ре - к образованию эффективно положительно заряженного дефекта (донора).

Так как в халькопирите имеются доноры, обусловленные избытком металла, то при обогащении атомами Ре его электропроводность должна повышаться, а при обогащении атомами Си - снижаться или обращаться в р-тип[5]. Высокие значения электропроводности в области низких температур в образце №2 можно объяснить на основе представлений об автолокализации свободных носителей зарядов и о формировании, вследствие этого, в антиферромагнитном полупроводнике п - СиРе82 областей ферромагнитной фазы

- ферроннов[6]. Экспериментальные данные по электропроводности о и по коэффициенту Холла Я были использованы нами для оценки при комнатной температуре концентрации носителей заряда п и подвижности д. В таблицу сведены данные об удельной электропроводности о, коэффициенту Холла Я, концентрации п и подвижности носителей тока д исследованных образцов халькопирита при комнатной температуре, а также результаты, упоминаемые в литературе [3, 4].

№ образца Оудо 1 Ом см Я, см3с-1 -3 п, см д, см2/В-сек

1 0,7 2,110-1 2,9-1019 1,710-1

2 2,3 6,410-2 9,8-1019 9,610-2

Литературные ~5,9 [4] - - -

данные [3, 4] ~10 [3] ~10-2[3] ~1021 [3] -

Полученные результаты указывают на то, что все обнаруженные особенности в электрических характеристиках, по видимому, обусловлены характерными свойствами зонной структуры, сформированной под значительным влиянием магнитного упорядочения. Известно, что специфика магнитных полупроводников состоит в том, что в них одновременно происходит обменное взаимодействие между свободными носителями заряда и локализованными электронами незаполненных оболочек магнитных ионов и взаимодействие локализованных электронов этих оболочек внутри протяженной упорядоченной системы. Оба типа взаимодействия приводят к тому, что в магнитных полупроводниках формирование самой зонной структуры и,

© Проблемы энергетики, 2005, № 9-10

Рис. Температурная зависимость

удельной проводимости образцов СиРе8

соответственно, всех фундаментальных свойств происходит с участием собственного решеточного магнетизма.

Summary

In the present work results of an experimental research of electronic conductivity of crystal samples chalcopyrite CuFeS2 are resulted. Distinction in behaviour of electric conductivity in low-temperature areas of investigated samples which can be connected with various mechanisms of carry of carriers is revealed.

Литература

1. Сусликов Л. М., Сливка В.Ю., Лисица М.П. Твердотельные оптические фильтры на гиротропных кристаллах.- Киев: Интерпрес ЛТД, 1998.

2. Соркоин Г.П., Андроник И.Я., Ковтун Е.В. - Изв. АН СССР. Неорганические материалы, 1975.- Т.11.- №12.- С. 2129 - 2132.

3. Kradinova L.V., Polubotko A.M., Popov V.V., Prochukhan V. D.. -Semicond.Sci.Technol., 1993.- V.8.- p.1616-1619.

4. Teranishi.T. Magnetic and electric properties of chalcopyrite//J. Phys. Soc. Japan. 16 (1961).- p.1881-1887.

5. Т. Шуй. Полупроводниковые рудные минералы.- Ленинград: Изд. «Недра»,- 1979.

6. Крадинова Л.В., Полуботко А.М., Попов В.В., Прочухан В.Д., Рудь Ю.В., Скорюкин В.Е. - ФТТ.- 1987.- Т.29.- №7.- С. 2209-2212.

Поступила 07.06.2005

© Проблемы энергетики, 2005, № 9-10