Содержание к диссертации
Введение 5
Глава 1. Современное состояние и проблемы изучения
электронных свойств теллурида свинца и твердых рас
творов на его основе 17
1.1. Общие сведения о строении и свойствах теллурида свинца 17
1.2. Примесные состояния индия в соединениях РЬТе и
Pbi^Sn^Te 23
1.3. Явления переноса в соединениях РЬТе и РЬ]_ж8пжТе, ле-
гированных In 26
1.4. Теория термоэдс в неупорядоченных системах с прыжко-
вой электропроводностью 37
1.4.1 Температурная зависимость термоэдс при различ-
ных механизмах переноса заряда 37
1.4.2 Кинетическое уравнение прыжкового переноса и
методы его решения 40
1.4.3 Температурная зависимость термоэдс в режиме R-
протекания 46
1.4.4 Температурная зависимость термоэдс в режиме R-
є-протекания 53
Глава 2. Явления переноса и плотность локализованных
состояний в твердых растворах , легирован
ных индием 58
2.1. Возможность анализа плотности состояний на основании
температурных зависимостей коэффициента термоэдс и
проводимости 58
2.2. Методика эксперимента . 64
2.2.1. Технология изготовления опытных образцов ... 64
2.2.2. Методика измерения температурных зависимо
стей термоэдс и удельной проводимости 66
2.3. Температурные зависимости проводимости и термоэдс
В (Pbo.78SnQ.22)o 95 In0.05Te При ДОПОЛНИТелЬНОМ ЛЄГИрОВа-
нии хлором и таллием 73
2.4. Расчет плотности примесных состояний индия в
() 0.951п0-05Те 76
2.5 Явления переноса заряда в (Pbo.78Sno.22)i_;cInxTe при низ
ких температурах 83
2.5.1. Температурные зависимости коэффициента термо
эдс и проводимости в (Pbo.78Sno.22)i_x In^Te в низ-
котемпературной области 83
2.5.3. Механизмы электропроводности и термоэдс в
()!_ 1пхТе при низких температурах 90
2.6. Анализ эффекта Нернста-Эттингсхаузена в
(Pb0.78Sn0.22)i_3;In;cTe 95
Глава 3. Электронные свойства аморфных оксидов пере-
ходных элементов 102
3.1. Явления прыжкового переноса в аморфных оксидах пере-
ходных элементов 102
3.2. Методика экспериментального определения плотности со-
стояний в аморфных высокоомных материалах с прыж
ковой электропроводностью 116
3.2.1. Возможность определения плотности состояний в
аморфных веществах с сильной локализацией но
сителей заряда на основании температурной за
висимости проводимости 116
Методика изготовления опытных образцов 118
Методика измерений 123
3.3. Плотность локализованных электронных состояний и
свойства аморфного оксида ниобия 126
Глава 4. Изучение эффектов протекания в неупорядочен
ных и сильно неоднородных системах при изучении фи
зики конденсированного состояния вещества 134
4.1. Основы теории протекания в учебных курсах как инно-
вация их содержания 134
Моделирование в решении задач теории протекания . . 137
Экспериментальное исследование эффектов протекания 143
Заключение 151
Литература 154
Введение к работе
Актуальность. Исследования электронных свойств неупорядоченных систем занимают в последние десятилетия одно из центральных мест в физике полупроводников [1-13]. Это обусловлено как их практической важностью, так и проблемами в развитии теории конденсированного состояния применительно к системам, в строении которых отсутствует дальний порядок. Здесь приходится отказаться от использования ряда основополагающих понятий и представлений зонной теории. Так, понятия квазиимпульса, зон Бриллюэна лишаются смысла; в некристаллических телах не существует строго запрещенных зон энергии. Единственным сохраняющим свою силу понятием является плотность электронных состояний [3]. Это позволяет, в частности, сохраняя для некристаллических тел зонную модель энергетического спектра электронов, определить квазизапрещенные области энергий, где плотность состояний меньше, чем в разрешенных зонах, а состояния электронов локализованы.
Теория неупорядоченных систем указывает на то, что при нахождении уровня Ферми в области локализованных состояний система обладает полупроводниковыми свойствами, причем для широкого круга объектов характерен прыжковый механизм переноса. Электронные свойства таких систем в значительной степени определяются распределением локализованных электронных состояний по энергиям и степенью их заполнения.
Однако возможности экспериментального определения плотности локализованных состояний остаются весьма ограниченными. Особен-
но сложной эта задача становится при анализе систем с сильной локализацией носителей заряда, когда одновременно присутствуют и взаимосвязаны различные механизмы локализации.
Результаты теоретических исследований последних лет показывают, что плотность электронных состояний на уровне Ферми может быть получена из анализа температурных зависимостей кинетических коэффициентов прыжкового переноса: проводимости и термо-эдс [14 — 16]. При изыскании способа направленного изменения положения уровня Ферми, по-видимому, из соответствующих экспериментальных данных может быть восстановлена плотность локализованных состояний в зависимости от энергии.
Эта идея реализуется в настоящей работе применительно к анализу плотности примесных состояний индия в кристаллических узкозонных полупроводниках (PbojsSno^i-^InzTe и плотности локализованных состояний катионов основы в аморфном широкозонном оксиде ниобия. Выбор указанных материалов в качестве объекта исследования обусловлен следующими причинами.
Во-первых, данные материалы представляют два важных типа неупорядоченных систем: примесную систему легированного кристаллического полупроводника и некристаллические вещества.
Во-вторых, для обоих материалов, по имеющимся данным, характерна сильная локализация носителей заряда (малый радиус локализованных состояний) [17,18]. Так, прыжковый перенос в твердых растворах (Pbo.78Sno.22)i_xInzTe наблюдается при необычайно высоких для полупроводников концентрациях примеси индия (до 20 ат%) [19].
В третьих, прыжковый перенос в данных материалах наблюдается
в достаточно широком интервале температур [17, 19], что открывает возможности необходимого анализа и надежной интерпретации экспериментальных данных по температурным зависимостям кинетических параметров.
Наконец, изучаемые в данной работе материалы имеют широкое и важное практическое применение [20, 21].
Цель работы. Поиск возможностей экспериментального определения плотности электронных состояний в неупорядоченных системах с сильной локализацией носителей заряда на основании анализа поведения кинетических коэффициентов прыжкового переноса в зависимости от температуры и их реализация применительно к примесной системе кристаллических легированных полупроводников и некристаллическим веществам.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
Анализ информативности и разработка экспериментальных методик, позволяющих определить плотность локализованных электронных состояний в неупорядоченных системах обоих указанных типов.
Выбор представительных в классе неупорядоченных систем с сильной локализацией носителей заряда объектов экспериментального исследования.
Экспериментальное определение плотности локализованных примесных состояний индия в кристаллических твердых растворах
(РЬо.788по.22)і_ж ІП^Те.
4. Анализ электронных свойств твердых растворов
(Pbo.78Sno.22)i_ In^Te с учетом полученных данных о плотности примесных электронных состояний в этих материалах.
Изучение плотности локализованных электронных состояний в аморфном оксиде ниобия в высокоомных субмикронных слоях на поверхности металла и анализ электронных свойств этого материала с учетом полученных данных.
Определение возможностей практического использования результатов исследования.
Научная новизна. В отличие от большинства работ, посвященных изучению электронных свойств неупорядоченных систем, в данной работе предпринят анализ плотности локализованных электронных состояний в неупорядоченных системах двух важнейших типов - примесной системе кристаллических полупроводников и некристаллических материалах, - основываясь на едином подходе, состоящем в экспериментальном исследовании температурных зависимостей кинетических коэффициентов прыжкового переноса. Критерием выбора конкретных объектов исследования явилась общность их свойств в части сильной локализации носителей заряда и возможности наблюдения прыжкового переноса в широком диапазоне температур.
Базируясь на проведенном теоретическом анализе информативности температурных зависимостей термоэдс и проводимости при дополнительном легировании полупроводника компенсирующими примесями, из результатов эксперимента восстановлена плотность примесных состояний индия в (Pbo.78Sno.22)o 95 Ino.05Te и определен характер изменения распределения состояний по энергиям в зависимости от
концентрации примеси. Обнаруженный значительный разброс локализованных примесных состояний индия по энергиям связан с наличием крупномасштабных флуктуации потенциала. Полученные здесь результаты использованы для детального анализа закономерностей процессов переноса в изучаемых системах.
Показано, что при сравнительно высоких температурах имеет место прыжковый перенос типа R-протекания, а при низких температурах - R-є-протекание, причем требуется учитывать межчастичные корреляции, отвечающие модели Хаббарда с отрицательной корреляционной энергией. Дана интерпретация экспериментальных данных о коэффициенте Нернста-Эттингсхаузена, в которой учитывается реальная глубина залегания примесных уровней и её зависимость от температуры, что улучшает согласие экспериментальных данных с расчетными.
Показано, что для некристаллических материалов с сильной локализацией носителей заряда, для которых характерен переход от актива-ционного поведения проводимости с изменением температуры к закону Мотта, плотность локализованных состояний может быть определена на основании температурной зависимости проводимости в широком диапазоне изменения температур, охватывающем обе её области.
С использованием предложенной методики, включающей в себя изменение положения уровня Ферми посредством направленного воздействия на состав вещества, экспериментально определена плотность локализованных состояний в высокоомных субмикронных слоях оксида ниобия. На основе полученных здесь данных дана интерпретация особенностей поведения электронных свойств этого материала: величины
и энергии активации электропроводности, устойчивости параметров к воздействию сильных электрических полей и высоких температур.
Практическая значимость. Развитые в работе представления об электронных свойствах изучаемых материалов могут служить основой для разработки методик анализа технических устройств на их основе, в том числе чувствительных элементов датчиков инфракрасного излучения и оксидных конденсаторов.
Выявленная в работе структурная чувствительность распределения локализованных состояний и степени заполнения их электронами в анализируемых веществах может рассматриваться как основа методик технической диагностики, позволяющих выявить значимые для формирования функциональных свойств приборных систем на их основе особенности строения и поведения при внешних воздействиях.
В работе развита методика обучения студентов факультетов физики в ВУЗах физике неупорядоченных систем в части теории протекания. Сформулированы учебные задания, включающие в себя решение основных задач теории протекания методами физического и компьютерного моделирования, а также натурные эксперименты по изучению электронных свойств структурно-разупорядоченных сильно неоднородных систем. Эти задания использовались при подготовке магистров физики, специализирующихся в области физики конденсированного состояния, а также курсовых и дипломных работ студентами факультета физики РГПУ им.А.И.Герцена.
Основные защищаемые положения
1. Плотность электронных состояний и определяемые ею электрон-
ные свойства неупорядоченных систем с сильной локализацией носителей заряда целесообразно изучать, наряду с другими методами, на основании анализа температурных зависимостей кинетических параметров прыжкового переноса при изменении положения уровня Ферми посредством направленного изменения состава вещества.
2. Характер распределения и плотность примесных электронных со
стояний в кристаллических твердых растворах (Pbo.78Sno.22)i_InrTe
зависят от концентрации примеси; при х ^ 0.05 плотность локали
зованных состояний представляет собой пик значительной ширины,
связанной с наличием в системе крупномасштабных флуктуации по
тенциала.
При низких температурах в изученном легированном полупроводнике имеет место прыжковая электропроводность с переменной длиной прыжка; несоблюдение здесь закона Мотта для температурной зависимости проводимости связано с наличием межчастичных корреляций, описываемых в рамках модели Хаббарда с отрицательной корреляционной энергией.
В энергетическом спектре электронных состояний аморфного оксида ниобия существует максимум плотности локализованных состояний катионов основы, заполнение которых определяет величину и энергию активации прыжковой электропроводности.
Достоверность результатов и выводов обеспечивается информативностью и адекватным использованием экспериментальных методик определения кинетических параметров образцов кристаллических легированных полупроводников и аморфных высокоомных полупроводников применительно к анализу плотности состояний и процесії
сов переноса заряда; хорошей воспроизводимостью экспериментальных результатов; наличием соответствующих данных независимых методов анализа элементного состава и плотности занятых состояний в изучаемых материалах; использованием современных представлений физики полупроводников.
Апробация результатов исследования.
Основные результаты работы докладывались на VII-ом Межгосударственном семинаре "Термоэлектрики и их применения" (Санкт-Петербург, 2000 г.), П-ой Всероссийской молодежной конференции по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и нано-электронике (Санкт-Петербург, 2000 г.), 8-ой и 9-ой Международных научно-технических конференциях по физике твердых диэлектриков "Диэлектрики-97" и "Диэлектрики-2000" (Санкт-Петербург, 1997, 2000 г.), Научной конференции "Герценовские чтения" (Санкт-Петербург, 1997 г.), Пятой международной конференции "Физика в системе современного образования" (ФССО-99) (Санкт-Петербург, 1999 г.), П-ой международной научно-методической конференции "Новые технологии в преподавании физики: Школа и ВУЗ" (Москва, 2000 г.), Съезде российских физиков-преподавателей "Физическое образование в XXI веке" (Москва, 2000 г.) и неоднократно обсуждались на научных семинарах кафедры общей и экспериментальной физики Российского государственного педагогического университета им. А.И.Герцена.
Публикации. Основное содержание работы отражено в следующих печатных работах:
С.А.Немов, Д.А.Потапова, Ю.И.Равич, С.Д.Ханин Плотность локализованных состояний в твердых растворах (Pbo.78Sno.22)o.95Ino.05Te. - ФТП, 2001, том. 35, вып. 10, с. 1197-1199
С.А.Немов, В.Э.Гасумянц, В.И.Прошин, Ю.И.Равич, Д.А.Потапова Проводимость с переменной длиной прыжка по примесным состояниям In в твердом растворе -ФТП, 2000, том. 34, вып. 8, с. 926-928
С.А.Немов, Ю.И.Равич, Д.А.Потапова, С.Д.Ханин Определение плотности локализованных состояний в твердом растворе
(Pbo.78Sno.22)o 95 ^П005Те МЄТОДОМ ПрЫЖКОВОЙ ТерМОЭДС - "ТерМО-
электрики и их применения". Доклады VII-ого Межгосударственного семинара (ноябрь 2000 г.), С.-Пб, 2000, ФТИ им.А.И.Иоффе РАН, с. 153-157
С.А.Немов, Ю.И.Равич., Д.А.Потапова, С.Д.Ханин Явления прыжковой электропроводности по примесным состояниям индия в твердых растворах - В кн.: "Физика конденсированного состояния и электроника", С.-Пб., Изд. РГПУ им.А.И.Герцена, 2000, с.80-87
Д.А.Потапова, С.Д.Ханин О возможности анализа плотности состояний в аморфных высокоомных веществах на основании температурной зависимости прыжковой проводимости. - В Междунар. сб. научных ст.: "Физика в школе и ВУЗе", С.-Пб., "Образование", 2001, с.150-152.
S.A.Nemov, Yu.I.Ravich, D.A.Potapova, C.D.Khanin Determination
of density of states in (Pbo.7gSno.22)o 95 In0.05Te from hopping Seebeck coefficient - "Thermoelectrics and their Applications". Abstracts of papers of VII Interstate Seminar, St.Petersburg, 2000, A.F.Ioffe Physical Technical Inst, of RAS. p.426-427
Д.А.Потапова Прыжковая термоэдс в твердом растворе (Pbo.78Sno.22)o 95 Ino.osTe - Тезисы докладов Н-ой Всероссийской молодёжной конференции по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектронике, С.-Пб., Изд: "Нестор", 2000, с. 83
В.В.Васильева, Д.А. Потапова, В.Б.Рабинович, С.Д.Ханин Исследование электропроводности металл-диэлектрических композиций - Тезисы докладов 8-ой Международной научно-технической конференции по физике твердых диэлектриков "Диэлектрики-97", С.-Пб., 1997, с. 26-27
Д.А.Потапова, В.Б.Рабинович Динамика электропроводности углеродполимерных композитов в гигристорах - Тезисы докладов 9-ой Международной конференции "Физика диэлектриков" (Диэлектрики-2000), С.-Пб., том 1, 2000, с. 55
Д.А.Потапова О возможности изучения структурно-разупорядоченных сильно неоднородных систем в физике диэлектриков - Тезисы докладов 9-ой Международной конференции "Физика диэлектриков" (Диэлектрики-2000), С.-Пб., 2000, том 2, с. 205-206
С.Д.Ханин, Д.А. Потапова Задачи теории протекания в учебных
экспериментах курса физики конденсированного состояния вещества - "Физическое образование в ВУЗах", 1999, том 5, JNM, с. 136-141
С.Д. Ханин, Д.А Потапова Решение задач теории протекания на физических факультетах - В сб. научных ст.: "Преподавание физики в школе и ВУЗе", С.-Пб., "Образование", 1997, с. 121-123
С.Д.Ханин, Д.А.Потапова Развитие исследовательских навыков студентов физических факультетов при изучении теории протекания. - В сб. научных ст.: "Методика обучения физике в школе и ВУЗе", С.-Пб., Изд. РГПУ. им. А.И.Герцена, 2000, с. 208-211
С.Д.Ханин, Д.А.Потапова Технология исследовательского обучения физике конденсированного состояния в педагогическом университете. Компьютерное моделирование - Тезисы докладов Съезда российских физиков-преподавателей "Физическое образование в XXI веке", М., МГУ, 2000, с. 74
Д.А.Потапова, В.Б.Чуркин, Н.А.Чуркина Изучение эффектов протекания в учебном эксперименте - Тезисы докладов 5-ой Международной конференции "Физика в системе современного образования" (ФССО-99). С-Пб., том.З., 1999, с. 60-61
С.Д.Ханин, Д.А. Потапова Развитие исследовательских умений студентов при изучении физики неупорядоченных систем - Тезисы докладов второй Международной научно-методической конференции "Новые технологии в преподавании физики: Школа и ВУЗ",М., 2000, с. 54-55
Личный вклад. Автором получен экспериментальный материал, проведены теоретические расчеты, сформулированы основные результаты. Научный руководитель С.Д. Ханин принимал участие в постановке задачи, обсуждении полученных результатов, редактировании статей. С.А.Немов и Ю.И.Равич участвовали в постановке задачи и анализе полученных результатов, посвященных исследованию плотности локализованных состояний индия в () 1-^1 Те и механизмов переноса в данных соединениях. В.Э.Гасумянц и В.И.Прошин участвовали в разработке и реализации методики измерения кинетических параметров полупроводников при низких температурах. В.Б.Чуркин и Н.А.Чуркина принимали участие в разработке методик физического и компьютерного моделирования эффектов протекания для учебно-исследовательских заданий, В.Б.Рабинович участвовал в постановке и анализе результатов натурных экспериментов по изучению свойств сильно неоднородных систем, В.В.Васильева участвовала в разработке и реализации методики натурного эксперимента для учебных исследований.
