Книги по разным темам Pages:     | 1 | 2 |

Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. 296 Е.А. Гуриева, П.П. Константинов, Л.В. Прокофьева, Ю.И. Равич, М.И. Федоров пературы благодаря тому, что теплопроводность этого низких температур является четверной состав с x = 0.1, материала сначала слабо растет, а затем слегка падает несмотря на гораздо более сильное снижение подвиж(рис. 4), величина Z заметно возрастает и в максимуме ности, отмеченное выше. При комнатной температуре не отличается от значений для остальных исследо- максимум Z этого материала доходит до 210-3 K-1 при ванных материалов. Указанное температурное измене- концентрации электронов 3 1018 см-3. Для многокомние теплопроводности в рассматриваемых материалах понентного твердого раствора с x = 0.05 величины Zmax наблюдалось впервые. Оценки решеточного теплового по абсолютной величине ниже, но зависимость Zmax(T ) сопротивления при 85 и 300 K, достаточно точные ввиду имеет гораздо более пологий ход в области низких теммалого вклада электронов в полную теплопроводность ператур, поскольку специфическое низкотемпературное материала, показывают, что его величина в этих ма- рассеяние электронов в данном материале не наблюдатериалах практически остается неизменной на уровне ется.

133 (см K)/Вт, в то время как в PbTe при 85 K это Причиной высоких значений Zmax в многокомпонентзначение на порядок меньше. ном сплаве с x = 0.1 является большая величина доТаким образом, вклад дополнительного теплового бавочного теплового сопротивления решетки, связанная сопротивления, связанного с введением примесей, в с рассеянием фононов на нецентральных примесях. При данном материале чрезвычайно велик. Дополнительное комнатной температуре примесное тепловое сопротиврассеяние фононов в твердых растворах с большими со- ление составляет 59 (см K)/Вт при фононной составлядержаниями серы может быть вызвано резонансным вза- ющей 50 (см K)/Вт, а при 85 K благодаря возрастанию имодействием фононов с возбуждениями, связанными дополнительного рассеяния фононов становится еще с возможностью нецентрального положения атомов S. больше (90 (см K)/Вт), что компенсирует снижение Это рассеяние аналогично наблюдаемому в стеклах. рассеяния фононов на фононах (Wph падает до значения Обобщение упомянутого выше понятия о туннельных 13 (см K)/Вт) и способствует сохранению и при низсостояниях привело к представлению о мягких атомных ких температурах достаточно высоких значений полного потенциалах [19], из которого следует существование теплового сопротивления решетки в этом материале в как туннельных состояний, так и локализованных воз- сравнении с данными для тройных сплавов.

буждений других типов. В релаксационных системах, в Эффект дополнительного роста теплового сопротивотличие от туннельных, переходы между потенциальны- ления решетки благодаря введению нецентральных прими ямами осуществляются не путем туннелирования, а месей присущ и другим системам твердых растворов на посредством термической активации. При более высоких основе PbTe, в частности многокомпонентной системе энергиях возбуждений существенными становятся квази- Pb(Sn)Te(Se) [23], однако рассчитывать на еще более локальные низкочастотные осцилляторы. высокую термоэлектрическую эффективность в этом Взаимодействие фононов, переносящих тепло, с пере- материале при низких температурах не приходится, численными системами приводит к росту теплопровод- поскольку примесные атомы олова не так сильно, как ности с температурой, который может компенсироваться атомы серы, рассеивают фононы [4], в силу чего для убыванием благодаря обычному фонон-фононному рас- значительного снижения решеточной теплопроводности сеянию. Экспериментальное исследование теплопровод- в сплавах Pb(Sn)Te(Se) необходимо вводить большие ности стекол [20] и смешанных кристаллов с нецен- концентрации указанных добавок. А так как при этом тральными примесями на основе галоидов калия [21] уменьшается запрещенная зона и соответственно эффекобнаруживает плато в температурной зависимости при тивная масса электронов, большой выигрыш Z получить температурах 10 K; в частично кристаллизованной не удается. Экспериментальное исследование термоэлекматрице опала протяженность плато от 50 до 230 K [22] трических свойств твердых растворов (PbTe)1-x (SnSe)x сравнима с наблюдаемой в настоящей работе. с x = 0.1 и 0.15 при комнатной температуре подтверТаким образом, кондо-подобный максимум в темпе- ждает этот прогноз. В табл. 2 дается сопоставление ратурной зависимости электропроводности и особенно- параметров для указанных составов и четверного сплава сти изменения теплопроводности с температурой могут PbTe1-2xSex Sx с x = 0.1 при фиксированной велибыть вызваны одной и той же причиной Ч нецен- чине коэффициента термоэдс. В первых двух сплавах, тральным положением атомов серы (точнее, мягкими действительно, ширина запрещенной зоны и соответпотенциалами, характеризующими состояния атомов S). ственно эффективная масса меньше, чем в твердом Для получения дополнительной информации об изме- растворе с серой, так как ниже значения концентрации нении термоэлектрической добротности в зависимости и значительно выше электронные подвижности. Рост от состава при T < 300 K были использованы образцы подвижности, однако, не приводит к значительному с более высокой концентрацией электронов. Резуль- выигрышу в величине отношения /L (относительно таты измерения термоэлектрических свойств твердых /L в PbTe), поскольку решеточная теплопроводность растворов разного состава с концентрацией электронов этих материалов выше, чем твердого раствора с Se и S.

(1-5)1018 см-3 представлены на рис. 3 и 4, соответству- При этом величина Z вообще не превосходит Z тверющие кривые Z(T ) даны на рис. 5. Полученные резуль- дого раствора PbTe0.8Se0.1S0.1 вследствие уменьшения таты однозначно свидетельствуют, что оптимальным для эффективной массы электронов. Что касается величины Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. Термоэлектрическая эффективность твердых растворов с рассеянием фононов... Таблица 2.

L S, n, № Состав /L Z, 10-3, K-образца мкВ/K 1018 см-3 см2/(В с) 10-3 Вт/(см K) 20 (PbTe)0.9(SnSe)0.1 -155 5.0 1425 17.3 11.5 1.53 1.21 (PbTe)0.85(SnSe)0.15 -157 4.6 126 14.7 9.9 1.64 1.22 PbTe0.8Se0.1S0.1 -155 5.8 950 12.3 8.0 1.47 1.дополнительного теплового сопротивления решетки при корректно производить сопоставление экспериментальвведении примесей Sn и Se, то этот эффект, согласно ных данных, то результат получается такой же, как полученным в работе данным, в отличие от результа- и для твердых растворов на основе PbTe. Поэтому в тов [23], гораздо слабее по сравнению с эффектом для Se дальнейшем интерес представляют низкотемпературные и S, что, по-видимому, связано с тем, что атомы серы в исследования термоэлектрической эффективности мносравнении с атомами олова с большей вероятностью мо- гокомпонентных твердых растворов на основе халькогут занимать нецентральные положения в решетке при генидов висмута и сурьмы, в частности традиционного низких температурах. Не случайно, увеличение примес- твердого раствора Bi2(TeSe)3 n-типа с небольшими доного теплового сопротивления решетки с понижением бавками серы.

температуры отмечено для тройного сплава PbTe1-z Sz Работа поддержана программой ДИнтеграцияУ, прои не обнаружено в тройных сплавах с оловом [4].

ект № 75.

Заметим, что тройные твердые растворы PbTe1-z Sz, как объекты для повышения термоэлектрической эффективности, интереса не представляют, негативными Список литературы факторами являются весьма низкая растворимость PbS [1] Ю.И. Равич, Б.А. Ефимова, И.А. Смирнов. Методы исв PbTe [24] и значительное падение подвижности. Так, следования полупроводников в применении к халькогесогласно полученным в работе результатам, в сплаве нидам свинца PbTe, PbSe, PbS (М., Наука, 1968).

PbTe0.9S0.1 (образец 13 в табл. 1) с концентрацией [2] Е.А. Гуриева, Б.А. Ефимова, Ю.И. Равич. ФТП, 8, электронов 5 1017 см-3 величина и температурное (1974).

поведение полного теплового сопротивления решетки [3] Г.Т. Алексеева, Б.А. Ефимова, Л.М. Островская, М.И. Цыпрактически такие же, как в четверном твердом растворе пин. ФТП, 4, 1322 (1970).

PbTe0.9Se0.05S0.05, но электронная подвижность заметно [4] Г.Т. Алексеева, Б.А. Ефимова, Ю.А. Логачев. ФТП, 9, ниже, поэтому величина Z в интервале 80-300 K не (1975).

поднимается выше 1.2 10-3 K-1.

[5] Т.С. Ставицкая. Автореф. канд. дис. (Л., Ин-т полупроводИнтересно было бы использовать полученный резульников АН СССР, 1968) с. 19.

тат, касающийся роста термоэлектрической эффектив- [6] Г.Т. Алексеева, Б.А. Ефимова, Л.В. Прокофьева, Л.С. Стильбанс. Изв. АН СССР. Неорг. матер., 3, ности в многокомпонентном сплаве с нецентральной 320 (1967).

примесью, при разработке эффективных низкотемпера[7] С.Н. Лыков, Ю.И. Равич, И.А. Черник. ФТП, 11, турных термоэлектриков на основе твердых растворов (1977).

Bi(Sb)2Te(Se)3. До сих пор считалось, что в этих ма[8] Ю.И. Равич, С.А. Немов. ФТП, 36, 3 (2002).

териалах действие различных примесей на рассеяние [9] И.Н. Дубровская, Ю.И. Равич. ФТП, 8 1455 (1966).

фононов если и отступает от закона аддитивного сло[10] P.W. Anderson, B.I. Halperin, C.M. Varma. Phil. Mag., 25, жения, то в сторону более слабого рассеяния фононов в (1972).

твердом растворе с примесями двух сортов. Такой вывод [11] W.A. Phillips. J. Low. Temp. Phys., 7, 351 (1972).

был сделан в работе [25] при изучении теплопровод[12] R.W. Cochran, R. Harris, J.O. Strom-Olson, M.J. Zuckermann.

ности данных материалов разного состава в диапазоне Phys. Rev. Lett., 35, 676 (1975).

[13] Х.А. Абдуллин, В.Н. Демин, А.И. Лебедев. ФТТ, 28, 77-300 K. Однако следует отметить, что сопоставление (1986).

значений теплового сопротивления решетки в тройных [14] А.И. Дмитриев, Г.В. Лашкарев, В.И. Литвинов, А.М. Гасьи четверном твердых растворах производилось при разков, В.Н. Демин. Письма ЖЭТФ, 45, 304 (1986).

ных величинах полной концентрации примесных атомов.

[15] А.И. Дмитриева, В.И. Лазоренко, Г.В. Лашкарев. ФТТ, 31, А поскольку в использованной области составов зависи272 (1989).

мость решеточной теплопроводности от концентрации [16] S. Katayama, S. Maekawa, H. Fukuyama. J. Phys. Soc. Japan, примеси отклоняется от линейной и становится более 56, 697 (1987).

слабой, величина теплового сопротивления решетки [17] А.И. Лебедев, И.А. Случинская. Письма ЖЭТФ, 46, четверного состава, соответствующая аддитивному сло(1987).

жению примесных добавок, всегда оказывалась выше [18] Е.А. Гуриева, Б.А. Ефимова, Ю.И. Равич, Л.В. Бузылева.

экспериментально наблюдаемой величины. Если более ФТП, 5, 1715 (1971).

Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. 298 Е.А. Гуриева, П.П. Константинов, Л.В. Прокофьева, Ю.И. Равич, М.И. Федоров [19] Д.А. Паршин. ФТТ, 36, 1809 (1994).

[20] R.C. Zeller, R.O. Pohl. Phys. Rev. B, 4, 2029 (1971).

[21] F.C. Bauman, J.P. Harrison, W.D. Seward, R.O. Pohl. Phys.

Rev., 159, 691 (1967).

[22] В.Н. Богомолов и др. ФТТ, 41, 348 (1999).

[23] Г.А. Алексеева, Ю.А. Логачев. Изв. АН СССР, Неорг.

матер., 17, 172 (1981).

[24] Н.Х. Абрикосов, Л.Е. Шелимова. Полупроводниковые материалы на основе соединений AIVBVI (М., Наука, 1976) с. 137.

[25] Е.А. Гуриева, В.А. Кутасов, И.А. Смирнов. ФТТ, 6, (1964).

Редактор Т.А. Полянская Thermoelectrical figure of merit of solid solutions with phonon scattering by off-center impurities E.A. Gurieva, P.P. Konstantinov, L.V. Prokofieva, M.I. Fedorov, Yu.I. Ravich Ioffe Physicotechnical Institute Russian Academy of Sciences, 194021 St. Petersburg, Russia St. Petersburg State Polytechnical University, 195251 St. Petersburg, Russia

Abstract

The thermopower, electroconductivity and thermal conductivity coefficients (S, and ) have been studied for a ternary solid solution PbTe1-x Sex, x = 0.1, 0.3 and quaternary one PbTe1-2x Sex Sx with x = 0.025, 0.05, 0.1 and 0.15. Polycrystalline samples with electron concentration (0.5-5.0) 1018 cm-3 were utilized, the quality being checked by comparison of experimental and calculated values of the mobility at 85 K. A considerable decrease in mobility and occurrence of a portion of the curve with an anomalous course of (T) in the vicinity of 77 K have been found out for quaternary alloys with x 0.1; for the composition with x = 0.15 an unusual behavior of (T ) has also been marked:

as the temperature decreases thermal conductivity at first weakly grows and then slightly drops. Such a change of (T ), according to estimates, means that in the material in questions the lattice thermal conductivity has a constant value in the range of (80-300) K.

It is an evidense that with lowering temperature the reduction of phonon scattering on phonons is completely compensated by the increase in scattering on impurities. The anomalies observed on (T ) and (T ) dependencies are discussed taking into account a possibility for sulphur atoms to occupy off-center lattice sites. In the range of (80-300) K the thermoelectrical figure of merit Z of alloys has been determined. The quaternary composition with x = 0.1 has the maximum value of Z despite of the marked reduction of mobility. At 300 K Zmax = 210-3 K-1 as the electron density is 3 1018 cm-3. At 175 K Zmax = 1.5 10-3 K-1, and the density is reduced down to 5 1017 cm-3. It follows from the data obtained that addition of the off-center impurities is favorable for increasing Z at T 300 K.

Pages:     | 1 | 2 |    Книги по разным темам