|
ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
ИПМех РАН |
||
Резонансные уровни примесей переходных металлов в сплавах на основе теллурида свинцаНИР
Resonant levels of transition metal impurities in lead telluride-based alloys
- Руководитель НИР: Скипетров Е.П.
- Участники НИР: Кнотько А.В., Ковалев Б.Б., Константинов Н.С., Ржевский В.В., Скипетрова Л.А., Соловьев А.А., Хворостин А.В., Шевченко И.В.
- Подразделение: Кафедра физики низких температур и сверхпроводимости
- Срок исполнения: 1 января 2016 г. - 31 декабря 2018 г.
- Номер договора (контракта, соглашения): 16-02-00865
- Номер ЦИТИС: АААА-А16-116021960007-7
- Тип: Фундаментальная
- Приоритетное направление научных исследований: Физика конденсированных сред
- ПН России: Индустрия наносистем
- Направление технологического прорыва России: Энергоэффективность и энергосбережение
- Критическая технология России: Технологии диагностики наноматериалов и наноустройств
-
Рубрики ГРНТИ:
- 29.19.24 Электронная структура твердых тел
- 29.19.31 Полупроводники
- 29.19.45 Электронные парамагнетики
- Классификатор OECD: Наноматериалы и нанотехнологии
-
Ключевые слова:
фазовый и элементный составы, состав сплава, перестройка электронной структуры, магнитные свойства, гальваномагнитные эффекты, резонансные уровни, теллурид свинца, термоэлектрическая эффективность, примеси переходных металлов, давление
rearrangement of electronic structure, solid solutions, magnetic properties, transition metal impurities, composition of the alloy, resonant levels, phase and elemental composition, galvanomagnetic effects, lead telluride, pressure, thermoelectric efficiency -
Описание:
Проект направлен на решение фундаментальной научной проблемы повышения термоэлектрической эффективности полупроводниковых материалов, поиска путей увеличения эффективности известных термоэлектриков и создания новых перспективных материалов для термоэлектрических применений. В рамках указанной проблемы основной целью проекта является экспериментальное исследование электронной структуры новых перспективных термоэлектрических материалов – монокристаллических твердых растворов на основе теллурида свинца с резонансными примесными уровнями 3d-переходных металлов, в которых значительное повышение термоэлектрической эффективности связано с увеличением плотности электронных состояний в окрестности зоны резонансных состояний в условиях стабилизации уровня Ферми в пределах примесной полосы. Особое внимание будет уделено поиску новых резонансных уровней примесей, расположенных в валентной зоне теллурида свинца и сплавов на его основе, определению их основных параметров и построению моделей перестройки электронной структуры при вариации состава сплавов, температуры и под давлением. Дополнительную информацию о характере перестройки электронной структуры при легировании и параметрах примесных состояний планируется получить при исследовании магнитных свойств сплавов. Важным направлением исследований будет также изучение структуры, элементного и фазового составов новых материалов, связанные с оптимизацией их термоэлектрических свойств и технологии синтеза. Конечными задачами исследований являются разработка новых перспективных полупроводниковых термоэлектриков с резонансными уровнями примесей в электронном спектре, а также предложения по оптимизации составов и температур их практического применения.
-
Планируемые результаты:
1. К концу 2016 года будут исследованы температурные зависимости удельного сопротивления, коэффициента Холла и холловской подвижности, фазовый и элементный составы образцов из монокристаллического слитка PbSnFeTe, температурные зависимости коэффициента Холла и полевые зависимости намагниченности PbFeTe при вариации концентраций олова и железа. Ожидается определение предела растворимости железа, химического состава микроскопических включений вторых фаз и характера распределения олова и железа в основной фазе вдоль слитка; определение зависимостей концентрации носителей заряда и положения уровня Ферми от состава сплавов и температуры, получение информации о движении резонансного уровня железа при увеличении содержания олова и температуры; выделение основных магнитных вкладов, в том числе осциллирующего вклада эффекта де Гааза–ван Альфена и вклада ионов примеси в намагниченность PbFeTe; определение концентраций магнитных ионов, находящихся в разных зарядовых состояниях; сопоставление данных об изменении гальваномагнитных и магнитных свойств и установление их связи с перестройкой электронной структуры при увеличении содержания железа и олова в сплавах. 2. К концу 2016 года будут исследованы температурные зависимости удельного сопротивления, коэффициента Холла и холловской подвижности носителей заряда в слабых магнитных полях и возможности наблюдения осцилляций Шубникова–де Гааза в квантующих магнитных полях в сильно легированном теллуриде свинца с примесью кобальта при вариации концентрации примеси. Ожидается обнаружение на этих зависимостях качественных особенностей, связанных с появлением при легировании примесного уровня в электронном спектре теллурида свинца; получение данных о кинетике изменения гальваномагнитных параметров, концентрации носителей заряда и энергии Ферми при легировании; обнаружение пиннинга уровня Ферми уровнем примеси в сильно легированных сплавах; проведение оценки энергетического положения резонансного примесного уровня кобальта относительно края валентной зоны. 3. К концу 2017 года предполагается получение температурных зависимостей удельного сопротивления, коэффициента Холла и холловской подвижности в слабых магнитных полях в теллуриде свинца, легированном никелем и медью, в широком диапазоне температур при вариации концентрации примеси. Ожидается получение данных о кинетике изменения концентрации носителей заряда и уровня Ферми вдоль монокристаллических слитков; обнаружение характерных особенностей электрофизических свойств, указывающих на появление резонансных примесных уровней никеля и меди в электронном спектре сплавов; определение энергетического положения и термических коэффициентов движения уровней; построение диаграмм перестройки электронной структуры при легировании и увеличении температуры. 4. К концу 2017 года предполагается определение фазового и компонентного составов и характера изменения концентрации примеси в основной фазе вдоль слитков теллурида свинца с примесями никеля и меди, использование этих данных при анализе кинетики изменения концентрации носителей заряда и уровня Ферми при легировании. Ожидается получение зависимостей концентрации примеси от относительной координаты шайбы для всех исследованных слитков и определение предела растворимости примесей в теллуриде свинца; расчеты теоретических зависимостей концентрации носителей заряда и уровня Ферми от концентрации примеси в рамках закононов дисперсии Кейна и Диммока; построение моделей перестройки электронной структуры исследованных сплавов при легировании; выбор оптимальных составов сплавов для исследования последующих исследований магнитных свойств и ягальваномагнитных эффектов под давлением. 5. К концу 2018 года предполагается получение температурных зависимостей удельного сопротивления, коэффициента Холла и холловской подвижности в теллуриде свинца с резонансным уровнем кобальта или никеля или меди в условиях гидростатического сжатия. Ожидается получение зависимостей концентрации дырок и положения уровня Ферми при гелиевых температурах от давления, доказывающих пиннинг уровня Ферми резонансным уровнем примеси; определение энергетического положения и барического коэффициента движения примесного уровня относительно краев зон; расчет температурных зависимостей коэффициента Холла в рамках законов дисперсии Кейна и Диммока и определение термического коэффициента движения уровня; построение диаграмм перестройки электронной структуры при вариации давления и температуры. 6. К концу 2018 года предполагается получение температурных и полевых зависимостей намагниченности теллурида свинца, легированного кобальтом или никелем или медью, при вариации концентрации примеси. Ожидается выяснение характера магнитного упорядочения и возможности существования ферромагнитного вклада в намагниченность при низких температурах; выделение диамагнитного и парамагнитных вкладов в намагниченность и определение зависимостей концентраций парамагнитных ионов примеси в разных зарядовых состояниях от содержания примеси; определение характера влияния фазового и элементного составов, а также перестройки электронной структуры при легировании на магнитные параметры; установление связи электронной структуры с магнитными свойствами сильно легированного теллурида свинца.
-
Научный задел:
В настоящее время фундаментальные исследования электронной структуры, электрофизических, термоэлектрических и магнитных свойств перспективных термоэлектрических материалов на основе полупроводников A4B6 с резонансными уровнями примесей III группы, переходных и редкоземельных металлов активно ведутся во многих странах мира. В последние годы нами получен ряд новых важных экспериментальных результатов и разработаны методы их обработки и анализа, которые предполагается использовать в настоящем проекте, в частности: - В сплавах PbScTe, PbFeTe обнаружены глубокие резонансные уровни Sc и Fe. Показано, что при легировании происходит монотонное изменение концентрации носителей заряда и пиннинг уровня Ферми уровнем примеси. Проведено сопоставление кинетики изменения концентрации носителей заряда в сплавах на основе PbTe при легировании примесями Sc, Ti, V, Cr и Fe. Предложена общая модель перестройки электронной структуры при легировании, предполагающая возникновение дополнительного резонансного донорного уровня, расположенного высоко в зоне проводимости и связанного с собственными точечными дефектами нестехиометрии. - Разработана методика определения энергетического положения, температурного, композиционного и барического коэффициентов движения уровней переходных металлов относительно краев энергетических зон в условиях пиннинга уровня Ферми глубоким уровнем при атмосферном давлении и гидростатическом сжатии путем моделирования барических и температурных зависимостей коэффициента Холла в рамках законов дисперсии Кейна и Диммока. - Разработана методика последовательного выделения вкладов (диамагнетизма матрицы, вклада свободных носителей заряда, ферромагнитного вклада включений второй фазы и кластеров, бриллюэновского парамагнетизма ионов примеси) в намагниченность и определения концентраций магнитоактивных ионов примеси в разных зарядовых состояниях путем аппроксимации полевых и температурных зависимостей намагниченности суммой модифицированных функций Бриллюэна.
- Добавил в систему: Скипетров Евгений Павлович
Источник финансирования НИР
| грант РФФИ |
Этапы НИР
| # | Сроки | Название |
| 1 | 1 января 2016 г.-31 декабря 2016 г. | Резонансные уровни примесей переходных металлов в сплавах на основе теллурида свинца-1 |
| Результаты этапа: Исследованы электрофизические свойства, фазовый и элементный составы сплавов p-Pb1-xSnxTe, легированных железом, при вариации концентраций олова и железа. В ряде образцов обнаружены включения, обогащенные железом, но основная фаза достаточно однородна по концентрациям олова и железа: они монотонно увеличиваются вдоль слитков до значений 0.21 и 0.006, соответственно. При увеличении концентраций олова и железа коэффициент Холла при T=4.2 K уменьшается в 2.5 раза, а с ростом температуры – увеличивается более, чем в 3 раза, что указывает на пиннинг уровня Ферми резонансным уровнем железа, расположенным в валентной зоне. В рамках двухзонного закона дисперсии Кейна построена зависимость энергии Ферми от содержания олова, хорошо описывающаяся прямой, которая экстраполируется к значению 19 мэВ, соответствующему положению резонансного уровня железа в PbTe. По наклону этой прямой определен композиционный коэффициент движения уровня железа относительно потолка валентной зоны. Предложена диаграмма перестройки электронной структуры Pb1-xSnxTe, легированного железом, при изменении состава сплава. Исследованы гальваномагнитные и магнитные свойства p-PbTe, легированного железом, при вариации содержания железа и температуры. Установлено, что в ряде образцов температурные зависимости коэффициента Холла имеют аномальный характер: с ростом температуры он увеличивается на порядок и проходит через максимум, что указывает на пиннинг уровня Ферми резонансным уровнем железа. Путем сопоставления этих зависимостей с теоретическими, полученными в рамках двухзонного закона дисперсии Кейна, определены положение уровня железа при T=4.2 K, барический и термический коэффициенты его движения относительно краев зон. Предложены диаграммы перестройки электронной структуры сплавов с ростом температуры при гидростатическом сжатии до 10 кбар. Установлено, что намагниченность сплавов складывается из парамагнетизма ионов примеси, диамагнетизма решетки, вклада кластеров ионов железа, постоянного и осциллирующего вкладов носителей заряда. Проведено последовательное выделение указанных вкладов из полевых зависимостей намагниченности. Путем аппроксимации вклада ионов примеси суммой двух функций Бриллюэна, определены концентрации ионов примеси в двух разных зарядовых состояниях и установлена связь магнитных свойств сплавов с их гальваномагнитными свойствами и перестройкой электронной структуры при легировании. Исследованы фазовый и элементный составы и гальваномагнитные эффекты в слабых и квантующих магнитных полях в p-PbTe, легированном кобальтом, при вариации концентрации примеси. Установлено, что концентрация примеси в основной фазе не превышает 0.25 мол.%, основная фаза достаточно однородна, но в конце слитка обнаружены микроскопические области второй фазы, близкой по составу к Co2Te3. Температурные зависимости сопротивления и коэффициента Холла имеют металлический характер. Вдоль слитка концентрация дырок сначала уменьшается, а затем быстро возвращается к исходному значению. В ряде образцов обнаружены осцилляции Шубникова-де Гааза, указывающие на высокое структурное совершенство основной фазы. В рамках двухзонного закона дисперсии Кейна рассчитаны энергии Ферми в образцах. Показано, что при легировании уровень Ферми поднимается вверх, приближаясь к потолку валентной зоны на 18 мэВ. С учетом донорного действия примеси кобальта, предполагается, что все образцы оказались «недолегированными», а примесный уровень кобальта может находиться в запрещенной зоне. | ||
| 2 | 1 января 2017 г.-31 декабря 2017 г. | Резонансные уровни примесей переходных металлов в сплавах на основе теллурида свинца-2 |
| Результаты этапа: | ||
| 3 | 1 января 2018 г.-31 декабря 2018 г. | Резонансные уровни примесей переходных металлов в сплавах на основе теллурида свинца-3 |
| Результаты этапа: | ||
Прикрепленные к НИР результаты
Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".