1
50
Міністерство освіти і науки України
Прикарпатський національний університет імені Василя Стефаника
Фізико-технічний факультет
Кафедра фізики і хімії твердого тіла
Спеціальність 6.070101.”Фізика”
Дипломна робота
Термоелектричні властивості кристалів плюмбум телуриду
Івано-Франківськ
- 2008
Зміст
Вступ………………………………...…………...……………..…….…….3
1. Характеристики напівпровідників………………..……..……...….4
1.1. Класифікація напівпровідників…………...…………..….………5
1.2. Носії заряду в напівпровідника………………………...………...7
1.3. Плюмбум телурид…………………………………..…...……….12
2. Технологія отримання напівпровідників……….………………14
2.1. Технологія приготування матеріалів…………………...……….14
2.1.1. Приготування полікристалічних матеріалів……………………14
2.1.2. Методи вирощування монокристалів………………….………..21
3. Термоелектричні властивості плюмбум телуриду ……………25
3.1. Термоелектричні властивості тонких і товстих плівок…..…...25
3.2. Вплив ізохорного відпалу у вакуумі на термоелектриці властивості і плівок……...………..……………………….………...…..……...30
3.3. Оксиген і термоелектричні властивості плівок…………….…36
3.4. Зміна термоелектричних властивостей плівок при радіаційному опроміненні………………………….………………………………………..…41
Висновки…………………………………………………..…. (б-), питомої електропровідності (б-), термоелектричної потужності (в-), термоелектричної добротності (в-Z) та безрозмірної термоелектричної добротності (в-ZT) плівок n-РbТе [17].
Тонкі плівки плюмбум телуриду вирощували з парової фази методом гарячої стінки [4]. Осадження пари здійснювали на свіжі сколи {0001} слюди-мусковіт. Температура випарника складала Тв=820 К, стінок камери Тс=850 К, підкладок ТП=400-600 К. Швидкість росту плівок була ~5 нм с1, а їх товщина 1-2 мкм [17 ].
Вирощені плівки витримували в атмосфері кисню при різному тиску P(10 2 -10 3) Па , а також піддавалися наступній термічній обробці у вакуумі при ~ 600 К.
Рис. 3.9. Залежність термо-е.р. с (), питомої електропровідності () та термоелектричної потужності () плівок РbТе від тиску кисню [17].
Термоелектричні властивості плівок визначалися компенсаційним методом у постійних електричних і магнітних полях. Коефіцієнт термо-е.р.с, крім того, вимірювали термозондом. Коефіцієнт теплопровідності плівок визначали згідно методики [6].
Тонкі плівки характеризувалися мозаїчною структурою з величиною блоків 0,02-0,3мкм і орієнтацією (111) [3] РbТе (0001) слюди. Тип провідності плівок та концентрація носіїв задавалися температурою підкладок та парціальним тиском халькогену в зоні конденсації.
Типові температурні залежності термоелектричних параметрів плівок п-РbТе наведені на рис. 3.8. Зміну електричних властивостей плівок при витримці в атмосфері кисню демонструють криві на рис. 3.9, а при наступному відпалі у вакуумі - рис. 3.10.
Температурні залежності термоелектричних параметрів (рис. 3.8) є типовими для "товстих" плівок п-РbТе [1]. Видно, що із підвищенням температури до 250 К має місце незначне зростання концентрації електронів (рис. 3.8, а-п). Збільшення концентрації носіїв при температурах більших за 250 К (рис. 3.8, а-n) повязане із зростанням внеску власних носіїв у явища переносу. Рухливість носіїв у всьому температурному інтервалі має чітко виражену тенденцію до спадання (рис.3.8, а-). Коефіцієнт термо-е.р.с. при цьому росте (рис. 3.8, 6-), а питома електропровідність монотонно зменшується (рис. 3.8, 6-). Термоелектрична потужність ()плівок п-РbТе - крива із чітко вираженим максимумом (рис.3.8, в-). Температурні залежності термоелектричної добротності (Z) та безрозмірної добротності (ZT) характеризуються тенденцією до насичення (puc.3.8,в-Z,ZT).
При витримці плівок я-типу в атмосфері кисню із збільшенням його тиску питома електропровідність спочатку зменшується, а термо-е.р.с. зростає (рис.3.9-, ). Потім термо-е.р.с змінює свій знак, досягає максимуму і при зміні тиску 02 майже до атмосферного спадає (рис.3.9-). Зауважимо, що коефіцієнт термо-е.р.с. витриманих у кисню плівок п-РbТе аномально великий і досягає понад 103мкВ К-1 (рис. 3.9-а). Термоелектрична потужність маючи максимуми при 0,1 Па і 1,1 Па загалом зменшується (рис.3.9-).
У процесі відпалу "окислених" плівок у вакуумі має місце зростання концентрації електронів (рис. 3.10, а-n) і їх рухливості (рис. 3.10, а-). Питома електропровідність як і термоелектрична потужність при цьому зростають (рис.3.10, 6-; 3.10, в-). Коефіцієнт термо-е.р.с після початкового деякого зростання переважно зменшується (рис. 3.10, б-).
Експериментальні результати можна пояснити беручи до уваги те, що кисень діє як домішка, звязуючи на поверхні вільні та валентні електрони з обєму зразка. При цьому всі енергетичні рівні напівпровідника викривляються таким чином, що рівень Фермі наближається до валентної зони і біля вільної поверхні утворюється область просторового заряду, збіднена електронами [11, 18]. Крім того, внаслідок сильно розвинутої у плівках мозаїчної структури в області границь зерен утворюються потенціальні барєри, які також змінюють енергетику поверхні, селективно впливаючи на носії заряду. Відзначені моделі, як показано в роботах [7,8], дають можливість кількісно оцінити зміни термоелектричних параметрів напівпровідникового матеріалу при адсорбції його поверхнею кисню і добре пояснюють експериментальні результати (рис.3.9, 3.10).
Рис. 3.10. Залежність концентрації (а-n), рухливості (а-) носіїв, термо-е.р.с. (б-), питомої електропровідності (б-) та термоелектричної потужності витриманих у кисні плівок РbТе від часу їх термічного відпалу вакуумі [17].
Вакуумний відпал насичених киснем плівок приводить до часткової десорбції кисню з поверхні. Це і обумовлює зростання концентрації електронів (рис. 3.10, а-п). Звуження при цьому областей просторового заряду на границях кристалітів і зменшення висоти потенціальних барєрів є причиною зростання рухливості носіїв (рис. 3.10, а-).
Таким чином, проведено експериментальне дослідження впливу кисню на термоелектричні властивості тонких плівок РbТе n -типу. Показано, що адсорбція поверхнею плівок кисню і утворення потенціальних барєрів на границі кристалітів ведуть до аномально високих значень термо-е.р.с. та зростання термоелектричної потужності
3.4. Зміна термоелектричних властивостей плівок при радіаційному опроміненні
Активні елементи на основі тонких плівок РbТе функціонують у зонах активної радіації [11]. У звязку із цим певний інтерес мають дослідження впливу іонізуючого випромінювання на властивості їх активних віток[19]. В роботах [20-23] наведені результати вивчення процесів іонної імплантації, опромінення електронами і протонами кристалів і тонких плівок . Вплив -частинок на електричні властивості тонких плівок халькогенідів плюмбуму досліджено авторами [24-25]. Сумісна дія гамма-квантів і кисню вивчалася в роботах [26, 27].
Тут подано вплив гамма-випромінювання на термоелектричні параметри плівок РbТе [19].
Тонкі плівки РbТе вирощували з парової фази методом гарячої стінки [4]. Осадження пари проводили на аморфну поліамідну стрічку ПМ-1. Швидкість осадження плівок складала 3-9 нм с1, а їх товщина 1-5 мкм. Технологічні умови вирощування - температура випаровування Т , температура стінок Тс та температура підкладок Тп знаходилися в інтервалі: Тв=770 К, Тc=800 К, ТП=420-590 К. Плівки піддавалися опроміненню у вакуумі і на повітрі гамма-квантами із енергією 1,25МеВ від джерела Со60 інтенсивністю в каналі 103 Р с-1. Дози опромінення доводилися до 2-108 P.
Плівки РbТе, вирощені на поліаміді, характеризуються дрібнодисперсною полікристалічною структурою 0,4-0,7 мкм. У деяких зразках виявлено текстуру <100> відносно нормалі до поверхні підкладки. Термоелектричні параметри вихідних плівок електронного типу складали: концентрація носіїв - (5-25) 10 см рухливість; -(2,2-2,8) 103 см2 В-1с-1; коефіцієнт термо-е.р.с. - (250-300) mkB-K-1; питома електропровідність - (400-430) Омсм; термоелектрична потужність - (4,5-4,9) Вт К-2 см-1 термоелектрична добротність -(1,1-1,5) 10-3 К-1.
Результати досліджень дозових залежностей термоелектричних параметрів тонких плівок РbТе наведені на рис. 3.11, 3.12 і таб.3.2
Таблиця3.2
Слід звернути увагу на суттєву відмінність у зміні питомої електропровідності і коефіцієнта термо-е.р.с. а плівок при опроміненні у вакуумі (рис. 3.11) і в атмосфері кисню (рис. 3.12). Так, якщо опромінення плівок гамма - квантами у вакуумі приводить до зростання і зменшення (рис. 3.11), то радіаційна обробка плівок на повітрі веде до протилежних змін - зменшення а і зростання а (рис. 3.12). При цьому, якщо термоелектрична потужність і добротність у першому випадку дещо зменшується, то опромінення і відпал на повітрі приводять до їх зростання (табл. 3.2).
Рис. 3.11. Залежність відносних значень питомої електропровідності (-1), коефіцієнта термо-е.р.с. (/-2) тонких плівок n-РbТе від дози опромінення гамма - квантами у вакуумі [19].
Дозова залежність електричних параметрів плівок, опромінених у вакуумі можна пояснити генераційно-рекомбінаційним механізмом утворення дефектів у вигляді пар Френкеля [ [24]. У випадку нескомпенсованих зразків я-типу, що маємо на досліді, зміна концентрації електронів через зміну концентрації дефектів, із врахуванням їх зарядового стану, буде визначатися співвідношенням:
n=2[ (3.4)
Із цього виразу стає очевидно, що результуючою дією радіаційних дефектів збільшення концентрації електронів за рахунок переважання позитивно заряджених вакансій телуру V та міжвузлових атомів Плюмбуму Pb , які є донорами. Останнє і веде до зростання питомої електропровідності, що і спостерігається на експерименті (рис.3.11).
Рис. 3.12. Залежність відносних значень питомої електропровідності ( -1), коефіцієнта термо-е.р.с. (/ -2) тонких плівок n-РbТе від дози опромінення гамма - квантами на повітрі [19].
При опроміненні плівок гамма - квантами на повітрі поряд із утворенням радіаційних дефектів має місце ріст потенціальних барєрів на границях зерен за рахунок радіаційно-стимульованої і термічної дифузії кисню [6,17, 28]. Відомо, що адсорбований на поверхні плівок кисень дифундує в їх обєм по границях зерен навіть при звичайній витримці на повітрі. Так як у процесі гамма-опромінення плівки нагріваються до 340-350 К [26, 27], то інтенсивність дифузії зростає. Прискоренню дифузії вже прониклого у приповерхневий шар границь зерен кисню сприяють радіаційно - стимульовані процеси. Локалізація кисню на границях зерен обумовлює як акцепторну дію, що веде до зменшення концентрації основних носіїв, так і утворенню енергетичних потенціальних барєрів, які зменшують рухливість носіїв заряду. Іншою причиною зменшення концентрації електронів може бути радіаційно-стимульована дифузія надлишкового Плюмбуму з обєму кристалів на поверхню плівок, або границі зерен [17]. Всі ці ефекти і приводять до зменшення питомої електропровідності плівок при - опроміненні на повітрі (рис.3.12).
Рис. 3.13. Залежність відносних значень питомої електропровідності ( -1), коефіцієнта термо-е.р.с. (/ -2) тонких плівок п-РbТе від часу ізотермічного відпалу на повітрі [19].
Підтвердженням реальності цих процесів є аналогічна зміна електричних параметрів плівок при термовідпалі їх на повітрі (рис37.13). Зауважимо, що час відпалу є відображенням дози опромінення (відношення інтегральної дози до інтенсивності випромінювання визначає час опромінення зразків). Порівняння даних рис.3.12 і 3.13 вказує, що характер зміни електричних параметрів плівок у двох процесах дуже подібний. Але при гамма-опроміненні за один і той самий проміжок часу їх зміна більша як при самому термічному відпалі. Це підтверджує гіпотезу про радіаційно-стимульовані процеси за участю кисню.
Тепер про зміну інших термоелектричних параметрів плівок. Зменшення коефіцієнта термо-е.р.с. при опроміненні у вакуумі повязане, в основному, з його концентраційною залежністю (концентрація електронів зростає). Зростання ж при опроміненні і термічному відпалі плівок на повітрі можна пояснити тим, що кисень діє як домішка, звязуючи на поверхні вільні та валентні електрони з обєму зразка. При цьому всі енергетичні рівні напівпровідника викривляються таким чином, що рівень Фермі наближається до валентної зони і біля вільної поверхні утворюється область просторового заряду, збіднена електронами [28]. Крім того, внаслідок сильно розвинутої в плівках мозаїчної структури на границях зерен утворюються потенціальні барєри, які також змінюють енергетику поверхні, селективно впливаючи на носії заряду.
Висновки
1. Зроблено літературний огляд наукових робіт, статей, монографій, присвячених проблемі дослідження термоелектричних властивостей і точкових дефектів в легованих кристалах плюмбум телуриду.
2. Виконано класифікацію напівпровідників.
3. Описано технологію отримання напівпровідників методами:
1) метод Бріджмена - Стокбаргера;
2) метод повільного охолоджування розплаву;
3) зонне вирівнювання;
4) метод Чохральського;
5) вирощення кристалів з газової фази.
4. Проведено аналіз термоелектричних властивостей, методів вплив ізохорного відпалу вирощування монокристалів і у вакуумі та атмосфері кисню на термоелектричні властивості плівок плюмбум телуриду.
Список використаної літератури
1. Равич Ю. М.,Ефимова Б. А., Смирнов Н. А. Методы исследования полупроводников в применении к халькогенидам свинца PbTe,PbSe,PbS.-М.:Наука.-1968.-384 с.
2. Абрикосов Н.Х.,Шелимова Л.Е.Полупроводниковые материалы на основе соединений АВ.-М.:Наука,1975.-194.
3. Девяткова Е.Д.,Маслаковец Ю.П, Стильбанс Л.С.//Док.АН СССР.-1953.-Т.85.-Вып.3-С54-62.
4. Фреик Д.М.// Неорган. Материали.-1982.-Т.18.-№ 8.-С.1237-1247.
5. Фреик Д.М.,Галущак М.А., Межиловская Л.И. Физика и технология полупроводниковых пленок.-Львов:Вища школа.-1988.-152 с.
6. Бойков Ю. А.,Гольцман Б.М.,Синенко С.Ф.//Приборы и техника експериментаю-1975.-№2.-С.-230-232.
7. Палатник Л.С., Сорокин В.К., Правдина О.В.//Изв.АН СССР.Неорган. материалы.-1981.-Т.17.-№6.-С.958-961.
8. Бойков Ю.А.,Кутасов В.А.//ФТТ.-1983.-Т.28.-№ 12.-С.3489-3491.
9. Фреїк Д.М, Запухляк Р.І., Калинюк М.В., Межиловська Л.Й.//Оптоелектроніка і напівпровідникова техніка.-1999.-№ 34.-С. 133-137.
10. Гудков Л.А., Дашевский З.М., Коломоец Н.В. и др.// Изв. АН СССР .Неорган.материалы.-1980.-Т.16.-№9.-С.1676-1678.
11. Лидоренко Н.С.Пленочные термоелементы: Физика и применение.-М.:Наука.-1985.-232 С.
12. Freik D.M., Lysak A.V., Chobanyuk V.M, Zapukhlyak R.I.// Journal of Thermoelectricity.-1999.-№ 2.-Р. 69-75.
13. Бойков Ю.А., Кутасов В. А.// ФТТ.-1986.-Т. 28.-№1.-С.197-300.
14. Фреїк Д.М., Рувінський Б.М., Рувінський М.А., Матеїк Г.Д.//УФЖ.-1998.-Т.43.-№1.-С.-77-79.
15. Фреїк Д.М., Рувінський Б.М., Рувінський М.А.//УФЖ.-1998.-Т.43.-№1.-С.- 100-102.
16. Палатник Л.С., Сорокин В.К. Основы пленочного полупроводникового материаловедения.-М.:Енергия,1973.-225 с.
17. Межиловська Л.Й., Прокопів В.В., Перкатюк І.Й., Запухляк Р.І., Павлечко Н.І .// Фізика і хімія твердих тіл. Вісник Івано-Франківського крайового відділення Українського фізичного товариства та Прикарпатського університету.-1999.-№7.-С.94-101.
18. Аскеров Б.М., Кулиев Б.И.// ФТП.-1981.-Т.15.-Вып. 1.-С.149-155.
19. Запухляк Р.І. //Вісник Прикарпатського університету.Математика.Фізика.Хімія.-1999.-Вип.II.-С.-70-74.
20. Palmetshofes L.// Appl.Phys.-1984.-V.A 34.-№3.-Р.139-153.
21. Зломанов В.П.,Ладыгин Е.А.,Пирогов Б.П. и др.// ФТП.-1978.-Т.19.-Вып. 1.-С.51-57.
22. Wang C.C.,Tao T.F., Sukier T.W.// J. Appl. Phys.-1974.-V.45.-№9.-P.3981-3987.
23. Брудный В.Н.,Войцеховский А.В., Кривов И.А. и др.// ФТП.-1989.-Т.23.-Вып.:.-С.1015-1018.
24. Фреик Д.М., Миколайчук Ф.Г.,Огородник Я.В. и др.//ФТТ.-1990.-Т.32.-№9.-С.2742-2745.
25. Фреик Д.М., Салий Я.П., Фреик А.Д. и др.//Письма ЖТФ.-1989.-Т.15.-Вып.23.-С.49-53.
26. Атакулов Ш.М., Конанбаев Н.М.//ЖТФ.-1989.-Т.56.-Вып.7.-С.1430-1431.
27. Атакулов Ш.М., Конанбаев Н.М.//ФТП.-1987.-Т.21.-Вып.1.-С.150-152.
28. Межиловська Л.Й., Прокопів В.В., Перкатюк І.Й. та ін.// Фізика і хімія твердих тіл. Вісник Івано-Франківського крайового відділення ІФТ та Прикарпатського університету.-1999.-№2.-С. 94-101.
29. Зломанов В.П., Новоселова А.В. Р-Т-х-диаграммы состояния системы металл - халькоген .-М.:Наука , 1978.-208с.
30. Siedman D.N.// Trans.Metalurq.Soc.AIME.-1966.-V.236.-№9.-Р.1361.
31. Nozato R.,Iqaki K.// Bull. Naniwa Univ.(Japan).-1955.-V.3.-P.125.
32. Hicks L.D.,Dresselhaus M.S.,Harman T.C.// Appl.Phys. Lett.-1993.-V.-63.-P.3230-3232.
33. Hicks L.D.,Dresselhaus M.S.,Harman T.C.,Sun X.,//Phys.Rev.-1996.-V.B53,Issue 16.-P.10493.
34. Ачкурин Р.Х.,Уфимцев В.В.// Физ. Химия.-1979.-Т.53.-№6.-С.1441-1445.
35. Fujimoto M., Sato Y.//Japan J.Appl.Phys.-1966.-V.5.-№2.-Р.128.
| ! | Как писать дипломную работу Инструкция и советы по написанию качественной дипломной работы. |
| ! | Структура дипломной работы Сколько глав должно быть в работе, что должен содержать каждый из разделов. |
| ! | Оформление дипломных работ Требования к оформлению дипломных работ по ГОСТ. Основные методические указания. |
| ! | Источники для написания Что можно использовать в качестве источника для дипломной работы, а от чего лучше отказаться. |
| ! | Скачивание бесплатных работ Подводные камни и проблемы возникающие при сдаче бесплатно скачанной и не переработанной работы. |
| ! | Особенности дипломных проектов Чем отличается дипломный проект от дипломной работы. Описание особенностей. |
| → | по экономике Для студентов экономических специальностей. |
| → | по праву Для студентов юридических специальностей. |
| → | по педагогике Для студентов педагогических специальностей. |
| → | по психологии Для студентов специальностей связанных с психологией. |
| → | технических дипломов Для студентов технических специальностей. |
| → | выпускная работа бакалавра Требование к выпускной работе бакалавра. Как правило сдается на 4 курсе института. |
| → | магистерская диссертация Требования к магистерским диссертациям. Как правило сдается на 5,6 курсе обучения. |
| Дипломная работа | Формирование устных вычислительных навыков пятиклассников при изучении темы "Десятичные дроби" |
| Дипломная работа | Технологии работы социального педагога с многодетной семьей |
| Дипломная работа | Человеко-машинный интерфейс, разработка эргономичного интерфейса |
| Дипломная работа | Организация туристско-экскурсионной деятельности на т/к "Русский стиль" Солонешенского района Алтайского края |
| Дипломная работа | Разработка мероприятий по повышению эффективности коммерческой деятельности предприятия |
| Дипломная работа | Совершенствование системы аттестации персонала предприятия на примере офиса продаж ОАО "МТС" |
| Дипломная работа | Разработка системы менеджмента качества на предприятии |
| Дипломная работа | Организация учета и контроля на предприятиях жилищно-коммунального хозяйства |
| Дипломная работа | ЭКСПРЕСС-АНАЛИЗ ФИНАНСОВОГО СОСТОЯНИЯ ООО «АКТ «ФАРТОВ» |
| Дипломная работа | Психическая коммуникация |