Книги по разным темам Pages:     | 1 | 2 | Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 6 Влияние эффекта генерации электродвижущей силы на электрические свойства тонких пленок сульфида самария й В.В. Каминский, М.М. Казанин, С.М. Соловьев, Н.В. Шаренкова, Н.М. Володин Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Получена 1 ноября 2005 г. Принята к печати 14 ноября 2005 г.) Исследованы электрические свойства тонких поликристаллических пленок SmS с различными величинами постоянной кристаллической решетки при T = 300-580 K. Выявлены особенности поведения температурных зависимостей электропроводности при T > 450 K. Обнаружен эффект генерации электродвижущей силы величиной до 1.3 В при T = 440-470 K при воздействии на пленки давлением сферического индентора.

Показана возможность перевода пленок SmS в высокоомное состояние (разница сопротивлений на 3 порядка) путем приложения электрического поля напряженностью более 100 В/см. Все полученные результаты объяснены с привлечением модели эффекта генерации эдс в SmS при равномерном нагреве образца, а также переменной валентностью ионов самария Ч дефектов решетки.

PACS: 71.30.+h, 71.55.Ht, 72.80.Jc, 81.40.Rs Сульфид самария SmS представляет собой полупро- с помощью микроинтерферометра МИИ-4. Измерения водниковый материал с n-типом проводимости, кристал- электропроводности, генерации эдс и вольт-амперных лической решеткой типа NaCl и высокой температурой характеристик (ВАХ) проводились в температурном плавления 2300C. Характерной особенностью его интервале 300-580 K в вакууме. Нагрев пленок осущезонной структуры является наличие 4 f -уровней ионов ствлялся путем прижимания их подложек к массивной самария, располагающихся на Ef = 0.23 эВ ниже дна медной пластине, подогреваемой с помощью электропезоны проводимости и играющих роль доноров с кон- чи резистивного типа. Температура медной пластины и центрацией N = 1.8 1022 см-3 [1], а также примесных подложки измерялась термопарой, заделанной в пластиf донорных уровней с энергией Ei =(0.03-0.06) эВ и ну так, что ее спай касался подложки.

концентрацией Ni =(1-3) 1022 см-3. Последние гене- В объемных образцах полупроводникового SmS ионы тически связаны с отклонениями от идеальности кри- самария находятся в двухвалентном состоянии. В пленсталлической решетки SmS. Доноры с уровнями Ei ках SmS часть ионов самария находится в трехвалентном и Ef определяют явления электропереноса в SmS.

состоянии уже при T = 300 K [5]. Согласно нашим В монокристаллических объемных образцах SmS при наблюдениям (рис. 1), различаются два типа пленок SmS.

нагревании образца в условиях отсутствия внешних гра1. Пленки типа 1 с постоянной кристалличедиентов температуры при T > 400 K была обнаружена ской решетки a > 5.87, удельным сопротивлением генерация электродвижущей силы, связанная со скач =(2-10) 10-2 Ом см, имеющие полупроводникокообразным изменением валентности ионов-дефектов самария (Sm2+ Sm3++) [2,3]. Наличие этого эффекта и изменения валентности ионов самария приводят к появлению специфических особенностей электрических свойств поликристаллических тонких пленок SmS при высоких температурах. Описанию этих особенностей и посвящена настоящая работа. Актуальность данного исследования обусловлена разработкой тонкопленочных термоэлектрических преобразователей, принцип действия которых основан на указанном эффекте [4].

Эксперименты были проведены на тонких поликристаллических пленках сульфида самария, полученных методом взрывного испарения порошка SmS в вакууме с осаждением паров на нагретую стеклянную подложку через маску. На пленки напылялись контактные площадки из никеля. Состав и величина параметра кристаллической решетки пленок контролировались путем рентРис. 1. Зависимость температурного коэффициента электрогеноструктурного анализа на рентгеновском дифрактосопротивления при T = 300-330 K от величины постоянной метре ДРОН-2. Толщина пленок (0.2-1мкм) измерялась кристаллической решетки для тонких поликристаллических пленок SmS. Пунктирная линия соответствует значению ak.

E-mail: Vladimir.Kaminski@mail.ioffe.ru Влияние эффекта генерации электродвижущей силы на электрические свойства тонких... вый вид зависимости от температуры и температурный коэффициент сопротивления R в климатическом интервале температур = ln R/T = -(3-5) 10-3 K-1.

Согласно результатам работы [5], в таких пленках доля ионов Sm3+ относительно общего количества ионов самария составляет = 5-15%.

2. Пленки типа 2 с a < 5.87, 10-3 Ом см, имеющие слабо выраженную зависимость от температуры, 10-4 K-1 и повышенное количество ионов Sm3+ ( >15%).

Значение параметра кристаллической решетки a = = ak = 5.87 является критическим для фазового перехода монокристаллического SmS из полупроводникового в металлическое состояние под давлением [1]. Типичное значение постоянной кристаллической решетки для полупроводниковой фазы объемных образцов SmS составляет as = 5.97. В тонких поликристаллических пленках a всегда меньше as.

Рис. 2. Температурные зависимости электропроводности 1/R Особенности в поведении зависимостей (T ) наблютонких поликристаллических пленок SmS при температурах даются на пленках типа 1 (см. рис. 2), причем пленки выше комнатной. Зависимости 1, 2 Ч прямой и обратный ход с различными значениями a ведут себя по-разному. При 1/R(T) для пленки c a = 5.90 ; прямые линии соответствуют значениях a, близких к ak, при нагревании пленок SmS энергии активации Ei = 0.05 эВ. Зависимости 3, 4 Чпрямой и обратный ход 1/R(T) для пленки c a = 5.94 ; прямые линии происходит истощение примесных уровней Ei 0.05 эВ соответствуют энергиям активации Ei = 0.06 и Ef = 0.2эВ.

при T 490 K (кривая 1, a = 5.90 ) и переход SmS в сильно вырожденное полупроводниковое состояние, аналогичное пленкам типа 2. При охлаждении пленок переход в исходное состояние происходит скачком при Генерация эдс при нагревании пленок SmS не возникаT 460 K (кривая 2). При больших a, приближающихся ет, если дефекты распределены равномерно по площади по значению к as, при нагревании происходит резкий пепленки. В противном случае может возникать генерация реход от состояния с Ei 0.06 эВ к другому полупроводэдс, которая в эксперименте проявляется в виде нерегуниковому состоянию с энергией активации 0.2эВ при лярных скачков и ступенек на температурных зависимоT > 520 K (кривая 3, a = 5.94 ). Обратный переход стях электросопротивления пленок R(T ). Причина возпри охлаждении происходит постепенно и заканчивается никновения этих особенностей заключается в том, что к также к температуре T 460 K (кривая 4).

падению напряжения, наблюдаемому при измерении R, Вышеуказанные особенности на зависимостях (T ) добавляется эдс, генерируемая при нагревании образца.

возникают при температурах, попадающих в интервал Справедливасть такого объяснения была подтверждена T = 380-670 K, при которых наблюдается генерация специально проведенным экспериментом. Известно [7], эдс в монокристаллах SmS [6], и могут быть объясчто под действием давления сферического индентора на нены исходя из физической модели этой генерации.

поверхность образца SmS в области под индентором При повышении T происходит активация электронов с происходит переход ионов самария из двух- в трехвауровней дефектов Ei 0.05-0.06 эВ (в зависимости от лентное состояние, приводящий в конечном счете при величины a). При накоплении их критической концен- некотором критическом давлении к фазовому переходу трации происходит скачкообразное изменение валентно- SmS в этой области из полупроводникового состояния сти всех ионов-дефектов решетки Sm2+ Sm3+ за счет в металлическое. В эксперименте мы воздействовали экранирования электрического потенциала этих ионов докритическим давлением индентора на область пленки электронами проводимости аналогично тому, как это вблизи одного из контактов, создавая таким образом происходит в монокристаллах SmS [3]. Пленка перехо- неравномерное распределение ионов-дефектов самария дит в полупроводниковое состояние, характеризуемое в области пленки между контактами. Точнее будет скаотсутствием уровней Ei в запрещенной зоне. При этом зать, что под действием давления индентора изменяется в зависимости от концентрации дефектов и связанной (уменьшается) энергия активации ионов-дефектов Ei за с ней величины a это состояние может оказаться как счет их деформационного потенциала, а увеличение вырожденным (a ak), так и невырожденным (a as). количества ионов Sm3+ являетcя лишь индикатором В пленках типа 2 подобные явления не наблюдаются этого процесса. В эксперименте измерялась эдс, возиз-за того, что все ионы-дефекты самария изначально, никающая на контактах при монотонном равномерном при T 300 K, находятся в трехвалентном состоянии. нагреве пленки. Результаты представлены на рис. 3.

3 Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 674 В.В. Каминский, М.М. Казанин, С.М. Соловьев, Н.В. Шаренкова, Н.М. Володин T = 300-380 K, равную 0.067 эВ (рис. 4, b, кривая 1), и a = 5.93, после цикла приложения электрического поля и нагрева имела R 1МОм (T 300 K), энергию активации 0.26 эВ (рис. 4, b, кривая 2) и a = 5.96, что близко к величине as. Следует отметить, что подобная высокоомная фаза уже наблюдалась ранее в пленках SmS [8]. Если энергия активации проводимости в исходном состоянии соответствует Ei, то в высокоомном она блазка к энергии активации 4 f -уровней ионов Sm2+ в SmS (Ef = 0.23 эВ). Это следует понимать как отсутствие или по крайней мере резкое уменьшение количества ионов-дефектов самария в полученной новой фазе.

После цикла нагревания в отсутствие электрического поля напряженностью более 100 В/см (рис. 2, криРис. 3. Зависимость электродвижущей силы, генериру- вые 3, 4, E < 10 В/см) уровни Ei в основном сохраняемой тонкой поликристаллической пленкой SmS (толщи- ются. Уровни с энергией Ef наблюдаются лишь при вына 0.5мкм) при нагревании в условиях отсутствия внешсоких температурах при истощении уровней Ei (рис. 2, них градиентов температуры и при давлении сферического кривая 4). Отсюда следует, что решающим фактором при индентора (r 30 мкм, F = 0.5N) от температуры; толстая переводе пленки SmS в высокоомное состояние является линия Ч нагревание, тонкая Ч охлаждение.

наличие достаточно сильного электрического поля, а не нагрев ее джоулевым теплом.

Температурный интервал генерации попадает в интервал генерации эдс для монокристаллов SmS [6]. Максимальная величина генерируемой эдс достигала 1.3 В. Такая большая величина не может быть объяснена случайно возникшими при нагревании градиентами температуры, поскольку были приняты все меры для их устранения.

Она может быть отнесена только на счет рассматриваемого эффекта тем более, что в работе [2] максимальная достигнутая эдс составляла 2.5 В.

После проведения цикла нагрева пленок SmS до температур 550-580 K их сопротивление R не возвращается полностью к своему начальному значению, а несколько увеличивается (см. рис. 2). Увеличение R может быть объяснено уменьшением концентрации примесных уровней Ei за счет частичного отжига соответствующих дефектов. Наиболее вероятный механизм отжига может заключаться в уменьшении степени разупорядоченности подрешетки самария. При этом ионы-дефекты самария за счет тепловой диффузии должны изменять свое положение. Поскольку диффузия заряженных частиц существенно ускоряется при приложении электрического поля, были проведены опыты по нагреву пленок SmS путем пропускания тока, т. е. нагрев осуществлялся при приложении электрического поля. Пленки нагревались до T 460 K. Одновременно измерялись вольт-амперные характеристики (рис. 4, a). При электрических полях напряженностью E 100 В/см на ВАХ наблюдались резкие особенности, соответствующие увеличению R. Высокоомная фаза пленок SmS сохранялась Рис. 4. Иллюстрация перевода тонкой поликристаллической после окончания опыта. Таким образом, путем приложепленки SmS в высокоомное полупроводниковое состояние:

ния поля удалось сохранить высокотемпературную фазу a Ч вольт-амперная характеристика, измеренная в процессе SmS и при T 300 K, что позволило исследовать ее перевода; b Ч температурные зависимости электропроводносвойства. Пленка SmS, изначально имевшая R 2кОм сти, измеренные в исходной фазе (кривая 1, E1 = 0.067 эВ) при T 300 K, энергию активации проводимости при и конечной фазе (кривая 2, E2 = 0.26 эВ).

Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. Влияние эффекта генерации электродвижущей силы на электрические свойства тонких... В монокристаллах SmS энергия активации Ef 0.2эВ Работа выполнена при поддержке ООО ДТехнопроектУ наблюдается также лишь при T > 450 K, а величина (Санкт-Петербург).

a в высокотемпературной фазе не имеет необратимых изменений при нагревании по крайней мере до 700 K.

Список литературы Изменений в зависимостях (T ) после проведения циклов нагрева монокристаллов (а значит, и отжига де[1] И.А. Смирнов, В.С. Оскотский. УФН, 124, 241 (1981).

фектов) также замечено не было. Высокая стабильность [2] В.В. Каминский, С.М. Соловьев. ФТТ, 43, 423 (2001).

электрических свойств монокристаллов по сравнению с [3] В.В. Каминский, Л.Н. Васильев, М.В. Романова, С.М. Солополикристаллическими пленками объясняется различивьев. ФТТ, 43, 997 (2001).

ем в структуре дефектов, а также значительно меньшим [4] В.В. Каминский, А.В. Голубков, М.М. Казанин, И.В. Павчислом дефектов в монокристаллах, что находит свое лов, С.М. Соловьев, Н.В. Шаренкова. Термоэлектрический генератор (варианты) и способ изготовления термоотражение в отсутствии ионов Sm3+ в монокристаллах.

электрического генератора. Ч Заявка на изобретение Различие в степени дефектности монокристаллов и № 2005120519/28 от 22.06.2005.

поликристаллических пленок SmS может быть оценено [5] С.В. Погарев, И.Н. Куликова, Е.В. Гончарова, М.В. Ромаи количественно. Как показано в работе [9], доля матенова, Л.Д. Финкильштейн, Н.Н. Ефремова, Т.Б. Жукова, риала, находящегося в дефектном состоянии (V ), может К.Г. Гарцман, И.А. Смирнов. ФТТ, 23, 434 (1981).

быть оценена исходя из величины областей когерентного [6] В.В. Каминский, А.В. Голубков, Л.Н. Васильев. ФТТ, 44, рассеяния (D) рентгеновского излучения при облучении 1501 (2002).

им образцов SmS:

[7] Л.Н. Васильев, В.В. Каминский, Ш. Лани. ФТТ, 39, 577 (1997).

(D - 2a)[8] Н.М. Володин, Е.А. Серова, П.С. Смертенко, А.В. Ханова.

V = 1 -.

DФТТ, 33, 2767 (1991).

[9] Н.В. Шаренкова, В.В. Каминский, Л.Н. Васильев, Г.А. КаХарактерная для монокристаллов SmS величина менская. ФТТ, 47, 598 (2005).

Pages:     | 1 | 2 |    Книги по разным темам