CC BY
9
УДК 621.315
ГИСТЕРЕЗИСНЫЕ ЯВЛЕНИЯ В А1УВУ1
С. П. Гришечкина
Изучались электрические характеристики узкощ< .и кого полупроводника РЬ^ ^^Бщ^] е(^п) в области температур, включающих температуру сегнетоэм ктричг <кого фазового перехода.. Измерены температур иьк затки мости спонтанного тока и напряжении, вози икающих ь образцах после охлаждения до Т = 4,2 К, а пгакжз температурный ход сопротивления в сильном электрическом поле. Показано, что интерпретация данных, полученных ниже температуры фазового перехода, требует учета возникающего в сегнетофазе разбиения образцов на домены, стимулируемого неомичностью контактов.
Известно, что среди узкощелевых полупроводников типа Ап Ву 1 имеется целый ряд сплавов на основе теллурида свинца, в которых при понижении температуры наблюди ется переход из параэлектрической в сегнегоэлектрическую фазу. Одним из наиболее изученных является РЬх-х8пхТе{1п), электрические, оптические и магнитные с вой с I в.> которого достаточно подробно исследованы.
В данной работе мы сообщаем о наблюдении гистерезисных явлений в электриче ских характеристиках КЬ{)7НЗп()-22Те(Гп) при прямом (+(ГГ/(И.) и обратном (—с1.Ч'/(1.1) ходе температуры для температур, включающих температуру сегнетоэлектрического фазового перехода. Известно [1], что в материале этого состава температура фазового перехода (Тс) близка к 33 К, поэтому измерения проводились в диапазоне температур от 4,2 К до 77 К. Измерялись образцы РЬи7НЯп0 22Те, легированные индием, с кон центрациями электронов п77ц — 1 • Ю14 см~3 и подвижностью р77д- = 2 • ¡.О5 см2/Н ■ е. Для исключения остаточной проводимости, которая возникала в этом материале под действием излучения от далекого ИК до видимого света [2-4], образцы помещались н объем, экранированный от фонового излучения.
Измерения показали, что в неосвещенных образцах при Т = 4,'2 А' наблюдалось спонтанное напряжение, величина которого зависела от скорости охлаждения образца и от того, были ли при охлаждении закорочены или разомкнуты контакты 4 5 (см. рис. I). Ранее на подобных образцах при Т > 20Л' также было наблюдено увеличе и не спонтанного напряжения [5], из температурной зависимости которого была сделана оценка спонтанной поляризации в этом материале.
Рис. 1. Схема образца с контактами.
Проведенные нами измерения показали, что спонтанное напряжение весьма неодно родно распределено по длине образца. Неоднородность распределения напряжения видна из таблицы, где приведены измерения напряжения на одном из образцов при 7 — 4,2 А между контактами 4 - 10, 10—1 и 1-5 (см. рис. 1), расстояние между которыми было одинаковым, а также изменение этих напряжений иод действием внешнего напряжения ±350 мВ. Оказалось, что величина измеряемого спонтанного напряжения значительно превосходит контактную разность потенциалов в этом материале (Uc = Ед/е = 88 мВ. Ад - ширина запрещенной зоны, е - заряд электрона). Обнаружено, что величина и ра< пределение напряжения на контактах изменялись при подаче внешнего напряжения и кроме того, зависели от его полярности (см. N 2 и N 3). Следует отметить также зависи мость величины и распределения напряжения на контактах от предыстории образца, го есть от того, какое распределение напряжения на нем было до подачи данного внешнего напряжения (см. N 2 и N 4 в табл. 1).
Таблица 1
Спонтанное нап/ряжепие на образце Р60,78'5'"о,22^е(/п) между контактами представленными на рис. 2, в отсутствие внешнего напряжения
и при V = (+ или -350 мВ), Т = 4,2 К
N Внешнее напряжение Измеряемое напряжение на контактах, и В
па контактах 4 - 5,
мВ (+ при "+" на
кон такте 4)
\ 4-10 10 - 1 1 - 5
1 0 +300 +75 + 100
2 +350 +300 +330 +325
3 350 +22 + 120 +350
4 +350 +230 +255 +330
При закорачивании контактов 4 и 5 на малое сопротивление можно было наблюла п. спонтанный ток (рис. 2, кривые 3 и 4), величина, которого при Т = 4.2 А была меньше, чем / = ия/Н, где 1ГЯ - спонтанное напряжение, Я сопротивление образца, измеренное при малом внешнем напряжении. При Т = Тс спонтанный ток уменьшался до нуля и затем изменял полярность (см. вставку на рис. 2). В сегнегофазе различие н величи пах спонтанных токов, измеренный при + и -¿7'/^/., было невелико (кривые 3 и I на вставке). В отличие от сегнетофазы, в парафазе при Т > Тс температурные зависимо ели спонтанного тока, измеренных при + и -¿Т/еИ, различались столь заметно, что. не обсуждая их причины, можно было говорить о наблюдении гистерезиса спонтанною тока при Т Тс (рис. 2, кривые 3 и 4), который увеличивался с ростом (1Т/с1.1.
При подаче внешнего напряжения £/, даже когда оно было меньше / измеряемый ток превышал спонтанный и его полярность соответствовала приложенному напряжению (рис. 2, кривые 1 и 2). При {] < измеряемый ток увеличивался с ростом / . а различие в температурных зависимостях тока при + и с1Т/dt было близко к тому, которое наблюдалось в этом температурном диапазоне для спонтанного гока.
При внешнем напряжении и > из полярность тока во всем температурном диапа юнг по-прежнему определялась внешним напряжением, однако зависимость величины юк, от приложенного напряжения существенно отличалась от наблюдающейся при I < I Так в области температур Т < 10 — 15А' величина тока падала с ростом напряжения, а при 10 15 К< Т < Тс росла, кроме того, проявлялся гистерезис на температурных зависимостях тока, измеренных при "+" и "-" (1Т/сИ. Уменьшение тока при увеличении
I, мкА
3000
1, мкА
2
2000
0
-I
-2
1000
О
О
20
40
60 т, к
Рис.. 2. Зависимости тока от температуры для образца Pb07sSn02'2Te(In): (I, 2) при напряжении U — 0,051 13; (3, 4) без напряжения на образце. Кривые 1 и 3 измерены при повышении температуры от 4,2 до 50 К, 2 и J, - при понижении температуры. Па вставке те .», кривые с увеличенным, масштабом по току в области температур Т < Тс.
напряжения может быть вызвано лишь опережающим ростом сопротивления, поэтому изменение характеристик образца при U > Us более четко проявляется в температурном ходе соп рот и в лен и я.
На рис. 3 даны температурные зависимости сопротивления для одного из образцов ^/)ü.78'C,'"ü.2iTc(ln) при внешних напряжениях U = 51 мВ (кривая 1), U = 1. 4 В (кривые 2 и 2а) и U = (кривые 3 и За). При напряжении U = 51 мВ (U < / .,) из-за
малого различия кривых, измеренных при + и -д.Т/dt., на рисунке приведена только одна кривая, измеренная при +dT/d.t. Из рисунка видно, что с ростом температур].! oi 1.2 К до 60 К нри U ~ 51 м.В сопротивление образца практически оставалось неизменным до /' = 15 К, а выше Т — 15 К уменьшалось по степенному закону
вплоть до Т = Тс (кривая 1 на рис. 3). Из температурных зависимостей подвижное ги и концентрации, измеренных в парафазе, установлено, что в слабом поле зависимость
R = A(U)T
-6
(1)
сопротивления от температуры определялась температурными изменениями концом i pa ции, подвижности и диэлектрической проницаемости.
R, Ом
Т,К
Рис. '■'>. Сопротивление образца Pb0jsSn0iviTe{ln) в области температур 4.2 ~ •">() /\ /»/< напряжении на контактах J, 5: (I) 0,51 мВ (нагревание); (2) 1,4 В (нагревание). (2а) 1. I Н (охлаждение), (3) 1.8 В (нагревание), (За) 1,8 В (охлаждение).
При (J > U„ (кривые 2 и 3) и Т - 4,2 К сопротивление росло с увеличением / При повышении температуры сопротивление по-прежнему уменьшалось сначала медленно а при Т > 10 — 15 Л' вновь падало согласно (1), но при меньшем значении константы A(U).
Вблизи Тс вместо плавного увеличения сопротивления, которое имело место при I < l 's (кривая 1). при if > Us сопротивление скачком уменьшалось до минимальною значения, которое наблюдалось при U < Us в парафазе материала.
И з сопоставления кривых 1-3 следует, ч то уменьшение сопротивления при 7 > К) Л не связано с тепловым разогревом образца, так как, во-первых, оставалась неизменном зависимость R от Т, во-вторых, отклонение Я от величины, которая была измерена и слабом поле, происходило при слишком малой величине вводимой в образец мощное i п
(1,5 — 2мкВт) и, в-третьих, падение сопротивления вблизи Тс было слишком резким (скачкообразным).
При обратном ходе -с/Т¡¿1 из-за малого сопротивления образцов при высоких темпе ратурах влияние джоулева разогрева на изменение сопротивления в сильном электрн'н ( ком поле было уже существенным, поэтому температурные зависимости сопротивления (кривые 2а и За) принципиально отличались от тех, которые были получены при по вышении температуры от 4,2 К. Тем не менее, скачки сопротивления на 4 5 порядков при изменении температуры всего на 2 - 3 градуса, которые наблюдались при ¿Т/с11. сложно объяснить простым изменением концентрации и подвижности из-за разогрева образца. Поэтому попытки объяснить полученные данные только полупроводниковыми свойствами Р/'о,78'5'"о122Те(/п) без учета фазового перехода в этом материале не оказались успешными, и для объяснения полученных данных использовалось представление о возникновении многодоменной структуры в сегнетофазе и ее изменении под действием электрического поля. Разбиение в сегнетофазе на домены возможно даже в однородном по составу образце, тем более это реально в исследуемых образцах, так как использованные контакты не совсем омичны и представляют собой плохой барьер Шоттки. Из-за огромных значений диэлектрической проницаемости вблизи Тс даже очень слабое электрическое поле барьера является достаточно сильным, чтобы определять ориентацию спонтанной поляризации и быть зародышем доменной структуры. В свою очередь, доменная структура может быть источником спонтанного напряжения [6]. Так как при низких температурах в закрытых от внешнего излучения образцах РЬо^Бп0у22Те(1п) концентрации свободных носителей малы [3], а константа Кюри-Вейсса велика [8], ги возможно, что в экранировке спонтанной поляризации большую роль могу] играть глубокие примесные или дефектные центры, как объемные [7], так и поверхностные, концентрации которых в исследуемом материале весьма значительны. Величина и не однородное распределение спонтанного напряжения по длине образца при / = 1,2 А являлись косвенным доказательством того, что образец разбит на домены, то есть пред ставляег собой многодоменную структуру. Непрозрачность образцов РЬх&п\^хТе(1п) в видимой области спектра и низкие температуры, при которых образец находится в сег негофазе, не позволили визуально наблюдать доменную структуру и ее изменение в электрическом поле, например, с помощью жидких кристаллов, как это было сделано в ТГС [9].
Работа выполнена при частичной финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (94-02-05849а) и Программы МНТП (1-043).
ЛИТЕРАТУРА
[1] I с h i g u с h i Т. and Drew H. D. Proc. 17th International Conference on (he Physics of Semiconductors, San Francisco, 1984, p. 1393.
[2] В у л Б. М., Воронова И. Д., К а л ю ж н а я Г. Д., и др. Письма Ж')ТФ. 19, N 1, 21 (1979).
[3] В у л Б. М., Гришечкина С. П., Р а г и м о в а Т. Ш. ФТП, 21, в. 6, 1054 (1987).
[4] Воронова И. Д., Семенова ИВ. Краткие сообщения по физике ФИЛИ N 7, 19 (1987).
[5] Н е г г ш a n n R. Н. and М о 1 1 ш a n n К.-Р. Phys. Stat. Sol. (а), 80, N I. К101 (1983).
[()] Sandomirskii V. В., К h а 1 i 1 о v Sh. S., and С h e n s k у К. V. Ferroelectrics, 43, N 3 - 4, 147 (1982).
[7] Г p и ш e ч к и н а С. П., Воронова И. Д. ФТТ, 37, N 9. 2732 (1995).
[8] Виноградов В. С., К у ч е р е н к о И. В. ФТП, 33. N 9, 2516 (1991).
[9] I v а п о v N. R. Abstracts of Papers, V Russian-Japanese Symposium on Ferroelectricity, Moscow, August 22-27, 1994, p. 87.
Поступила в редакцию 20 января 1997 г.
