Научный журнал
Современные наукоемкие технологии
ISSN 1812-7320
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,940

Оптические свойства термоэлектрических материалов на основе легированных кристаллов теллурида висмута

Степанов Н.П.
В работе [Житинская  М.К., Немов С.А., Свечникова Т.Е.,  Рейнсхаус П.,  Мюллер Э. Влияние резонансных состояний  Sn на электрическую однородность  монокристаллов Bi2 Te3  // ФТП. - 2000. - Т. 34. - №.12. - С. 1417 -1419] обнаружена высокая пространственная электрическая однородность кристаллов теллурида висмута, легированных акцепторной примесью олова. При легировании существенно изменяется и вид температурных зависимостей электропрово-дности, теплопроводности и термоэдс. Электрофизические свойства кристаллов теллурида висмута, легированных оловом, объясняются присутствием резонансных состояний на фоне разрешенного спектра.

В ходе дальнейших исследований было установлено, что легирование кристаллов твердых растворов n - типа Bi2-xSnxTe2.85Se0.15  оловом в количестве (х=0; 0.002 и 0.004) не изменяет качественного вида температурных зависимостей кинетических коэффициентов, т.е. не приводит к образованию квазилокальных состояний, как это происходит в кристаллах Bi2Te3, легированных оловом, однако, в этих монокристаллах также, как и в монокристаллах р - типа, наблюдается повышенная пространственная электрическая однородность. Указанное обстоятельство стимулировало дальнейшие исследования физических, в том числе и оптических, свойств легированных кристаллов теллурида висмута в области энергий, характерных для основных элементарных возбуждений электронной и ионной систем этих материалов.

Предшествовавшие исследования оптических свойств кристаллов Bi2Te3 в диапазоне частот 50 - 1200 см-1, результаты которых отражены в работе [Гольцман Б.М., Кудинов В.А., Смирнов И.А. Полупроводниковые термоэлектрические материалы на основе Bi2 Te3. М.: Наука, 1972, 320 с.], позволили обнаружить ярко выраженный минимум отражения.  Положение минимума отражения варьируется в диапазоне от 300 до 750 см-1, в зависимости от температуры, ориентации зондирующего излучения относительно тригона-льной оси кристалла С и  концентрации носите-лей заряда.

Концентрационная зависимость положения минимума отражения, демонстрирует его связь с плазменным резонансом свободных носителей заряда. Уменьшение величины коэффициента отражения, наблюдающееся в диапазоне от 25 до 50 см-1, было связано авторами работы [Unkelbach  K.H., Becker Ch., Kohler H., Middendorff  A.V.  // Optical phonons of  Bi2Te3 .  Phis. St. Sol. - 1973. - V. 60. - № 1. - Р. 41 - 55] с проявлением оптических фононов.

С целью исследования оптических характеристик теллурида висмута нами использовались монокристаллы, выращенные методом Чохральского с подпиткой жидкой фазы из плавающего тигля. Химический состав исследованных образцов указан в таблице.  В качестве исходных компонент использовались Bi,  Te  и Sn с чистотой 99.9999%. Содержание примеси определялось методом плазменной атомно-адсорбционной спектроскопии. Совершенство монокристаллов контролировалось методом рентгеновской дифракционной топографии. Для исследования оптических функций в инфракрасном диапазоне спектра использовался свежеприготовленный скол по плоскости, перпендикулярной оптической оси кристалла С. Спектры отражения неполяризованного  излучения регистрировались на фурье-спектрометре  PERKIN ELMER 1720X  в  диапазоне 400 - 4000 см-1 с разрешением 1 см-1, при температуре 300 К и фурье-спектрометре BRUKER IFS-113V в  диапазоне 100 - 600 см-1с разрешением 2 см-1, при температуре 78  и 300 К. Угол падения излучения на образец не превышал 8о.

В исследованных образцах плазменный минимум оказался смещен в коротковолновую часть спектра, по отношению к его положению в чистом, специально нелегированном кристалле. Подобное смещение плазменного минимума в высокочастотную область наблюдалось и в работе [Horak J., Lostak P., Geurts J. Bi2 Te3  crystals heavily doped with tin atoms. //  Phys. Stat. Sol. (b). - 1991. - V. 167. - Р. 459-464], посвященной исследованию спектров отражения легированных оловом кристаллов теллурида висмута, в которой было показано, что изменение примеси олова от 0 до 29.6 ·1019 см-3 приводит к увеличению плазменных частот с  6.42 · 1013  до 14.2 ·1013  с-1.

В высокочастотной, по отношению к плазменному краю, области спектра наблюдается увеличение коэффициента отражения с одним размытым максимумом для образцов n - типа и двумя максимумами для образцов р - типа. Необходимо отметить, что по энергии указанный диапазон частот совпадает с шириной запрещенной зоны Еg , которая в кристаллах Bi2Te3 равна 125 мэВ (1040 см-1), а, следовательно, не исключена возможность влияния межзонных переходов.

Полученные спектры отражения анали-зировались при помощи соотношений Крамерса-Кронига с целью расчета частотной зависимости действительной и мнимой частей функции диэлектрической проницаемости, моделирование поведения которых позволило определить частоту плазменного резонанса свободных носителей заряда wр, высокочастотную диэле-ктрическую проницаемость e¥ и оптическое время релаксации tр. На спектральной зависимости мнимой части функции диэле-ктрической проницаемости исследованных образцов, обнаружены полосы интенсивного поглощения излучения, обусловленного межзон-ными переходами.  Действительно, используя в качестве энергии межзонного перехода Еt значение, соответствующее первому максимуму мнимой части функции диэлектрической проницаемости ε2  Еt = 185 мэВ  (1500 см-1) и значение Еg = 125 мэВ,  в соответствии  с  выражением Еt = Еg + 2ЕF, учитывающим сдвиг Бурштейна - Мосса, можно оценить энергию Ферми ЕF ≈ 30 мэВ, что является приемлемым значением.

Существование второй полосы повышенного поглощения излучения, начинающегося на частоте 2000 см-1  и достигающего максимума в образцах р - типа на частоте 2900 см-1, вероятнее всего, связано с переходами из глубоколежащей валентной зоны, обладающей высокой плотностью состояний. Эта зона расположена примерно на 100 мэВ ниже потолка валентной зоны. На ее существование указывает также и температурная зависимость величины плазменных частот в кристаллах  Bi2Te3, в которых увеличение температуры приводит к смещению плазменного минимума в низкочастотную часть спектра, что в соответствии с выражением 


                              ,                     (1)

учитывающем вклад в плазменные эффекты различных групп свободных носителей заряда с концентрацией n и массой m, свидетельствует о увеличении парциального вклада тяжелых носителей заряда вследствие температурного смещения уровня химического потенциала в глубину валентной зоны. Аналогичная картина температурного смещения плазменных частот наблюдается и в кристаллах висмут-сурьма.

Таким образом, полученные экспериментальные данные указывают на сближение энергии, соответствующей резонансной частоте возбуждения продольных колебаний плотности свободных носителей заряда (плазмона) и ширины запрещенной зоны в кристаллах теллурида висмута, вследствие легирования. Известно, что это сближение может быть причиной увеличения интенсивности электрон-плазмонного взаимодействия.

Одно из проявлений этого взаимодействия заключается в изменении механизма релаксации неравновесных носителей заряда, что обусловлено усилением роли плазмонной рекомбинации электронно-дырочных пар с образованием плазмона, наблюдающейся в случае выполнения условия .  При сближении энергии плазмона и ширины запрещенной зоны интенсивность рекомбинации через плазмонный канал усиливается и оказывается на два порядка больше интенсивности излучательной или ударной рекомбинации, что должно приводить к резкому усилению рассеяния носителей заряда [Tussing P., Rosental W., Hang A. Recombination in semiconductors by excitation plasmons // Phys. Stat. Sol. (b). - 1972. - V. 52. -  №2. - Р. 451-456.]. Таким образом, полученные в ходе исследования оптических свойств кристаллов Bi2Te3  результаты позволяют установить факт сближения энергий  элементарных возбуждений в электронном и плазмонном спектрах, происходящего вследствие легирования исходного материала примесями, как акцепторного, так и донорного типа.


Библиографическая ссылка

Степанов Н.П. Оптические свойства термоэлектрических материалов на основе легированных кристаллов теллурида висмута // Современные наукоемкие технологии. – 2006. – № 8. – С. 54-56;
URL: https://top-technologies.ru/ru/article/view?id=24795 (дата обращения: 28.03.2024).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1,674