Термоэлектрические свойства, эффект Шубникова–де Гааза и подвижности носителей заряда в теллуридах и селенидах висмута–сурьмы и нанокомпозитах на их основе

Abstract

Представлены результаты исследования эффекта Шубникова–де Гааза и термоэлектрических свойств монокристаллов p-(Bi₀.₅Sb₀.₅)₂Te₃, легированных Ga, n-Bi₂–xTlxSe₃ и p-Sb₂–xTlxTe₃. По фурье-спектрам осцилляций рассчитаны подвижности носителей заряда и их изменение при легировании. Установлено, что Ga действует, как донор в p-(Bi₀.₅Sb₀.₅)₂Te₃, Tl оказывает акцепторное действие в n-Bi₂–xTlxSe₃ и увеличивает подвижность электронов, в то время как в p-Sb₂–xTlxTe₃ и концентрация дырок и их подвижность уменьшается при легировании Tl. Обсуждается изменение дефектности кристаллов, которое и приводит к этим эффектам. Кроме этого, синтезированы и исследованы наноструктурированные твердые растворы Sb₂Te₃–xSex(0 < x < 1). При увеличении содержания Se в тройном соединении Sb₂Te₃–xSex концентрация дырок уменьшается. При этом наблюдается уменьшение коэффициента Зеебека, что является нетипичным для полупроводниковых соединений, но коррелирует со свойствами кристаллических твердых растворов Sb₂Te₃–xSex, исследованных ранее. Предложена теоретическая модель, описывающая одновременно изменение коэффициента Зеебека, коэффициента Холла и электропроводности в зависимости от содержания селена х. Проведенные расчеты показывают, что для одновременного количественного описания термоэлектрических и гальваномагнитных свойств исследованных наноструктурированных материалов необходимо учитывать как изменение зонной структуры Sb₂Te₃–xSex, так и локализацию части дырок.

Представлено результати дослідження ефекту Шубнікова–де Гааза та термоелектричних властивостей монокристалів p-(Bi₀.₅Sb₀.₅)₂Te₃, які леговані n-Bi₂–xTlxSe₃ та p-Sb₂–xTlxTe₃. По фур’е-спектрам осциляцій розраховано рухливості носіїв заряду і їх зміна при легуванні. Встановлено, що Ga діє, як донор у p-(Bi₀.₅Sb₀.₅)₂Te₃, Tl чинить акцепторну дію у n-Bi₂–xTlxSe₃ і збільшує рухливість електронів, тоді як у p-Sb₂–xTlxTe₃ і концентрація дірок, і їх рухливість зменшується при легуванні Tl. Обговорюється зміна дефектності кристалів, яке і призводить до цих ефектів. Окрім цього, синтезовано і досліджено наноструктуровані тверді розчини Sb₂Te₃–xSex (0 <x <1). При збільшенні змісту Se в потрійному з'єднанні Sb2Te3-xSex концентрація дірок зменшується. При цьому спостерігається зменшення коефіцієнта Зеєбека, що є нетиповим для напівпровідникових з'єднань, але корелює з властивостями кристалічних твердих розчинів Sb₂Te₃–xSex, досліджених раніше. Запропоновано теоретичну модель, що описує одночасно зміну коефіцієнта Зеєбека, коефіцієнта Холла та електропровідності залежно від змісту селену х. Проведені розрахунки пока- зують, що для одночасного кількісного опису термоелектричних і гальваномагнітних властивостей досліджених наноструктурованих матеріалів необхідно враховувати як зміну зонної структури Sb₂Te₃–xSex, так і локалізацію частини дірок.

We describe here the study of the Shubnikov–de Haas effect and thermoelectric properties of p-(Bi₀.₅Sb₀.₅)₂Te₃ single crystals doped with Ga, n-Bi₂–xTlxSe₃ and p-Sb₂–xTlxTe₃. Using Fourier spectra of the oscillations we calculated the mobility of charge carriers and its variation upon doping. We found that Ga has a donor effect in p-(Bi₀.₅Sb₀.₅)₂Te₃, Tl is an acceptor in n-Bi₂–xTlxSe₃ and increases the mobility of electrons, while in p-Sb₂–xTlxTe₃, Tl is a donor and decreases the mobility of holes. We consider the evolution of the defectiveness of crystals that leads to the observed effects. We also synthesized and investigated nanocomposites of solid solutions Sb₂Te₃–xSex(0 < x < 1). When Se concentration increases in Sb₂Te₃–xSex, the concentration of holes decreases. At the same time the Seebeck coefficient decreases. This is not typical for semiconductors but correlates with the earlier data. A theoretical model was developed to calculate simultaneously the dependences of the Seebeck coefficient, Hall coefficient and conductivity on the selenium concentration x. Calculations showed that for a simultaneous quantitative description of the thermoelectric and galvanomagnetic data it is necessary to take into consideration both the evolution of the band structure of Sb₂Te₃–xSex and partial localization of holes.