CC BY
26
ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЕ НАУКИ
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ДЕФОРМАЦИИ НА ИЗМЕНЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ПОВЕРХНОСТНЫХ СОСТОЯНИЙ, УРОВНЯ ФЕРМИ И ЗАРЯДА ПОВЕРХНОСТИ РАЗДЕЛА НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ПЛЕНОК ТЕЛЛУРИДОВ ВИСМУТА И СУРЬМЫ Юсупова Д.А. Email: Yusupova17145@scientifictext.ru
Юсупова Дилфуза Аминовна - старший преподаватель, кафедра физики,
Ферганский государственный университет, г. Фергана, Республика Узбекистан
Аннотация: работа посвящена исследованию свойств нанокристаллических плёнок теллуридов висмута-сурьмы. В работе рассматриваются вопросы, связанные с изменением концентрации поверхностных состояний, уровня Ферми и заряда поверхности раздела в нанокристаллических пленках теллуридов висмута - сурьмы при наложении необратимой циклической деформации. Для получения нанокристаллических пленок мы использовали метод испарения теллуридов висмута -сурьмы с последующей конденсацией на полиамидные подложки. Мы использовали высокий уровень автоматизации процесса измерения электрического сопротивления плёнки в процессе наложения циклической деформации.
Ключевые слова: нанокристаллические полупроводники, нанокристаллические пленки телуридов висмута - сурьмы, поверхностные электронные состояния, коэффициент тензочувствительности, межзёренные границы, изменение концентрации электронных поверхностных состояний.
INVESTIGATION OF THE EFFECT OF DEFORMATION ON CHANGES IN THE CONCENTRATION OF SURFACE STATES, THE FERMI LEVEL, AND THE CHARGE OF THE INTERFACE BETWEEN NANOCRYSTALLINE FILMS OF BISMUTH AND ANTIMONY TELLURIDES Yusupova D.A.
Yusupova Dilfuza Aminovna - Senior Lecturer, DEPARTMENT OF PHYSICS, FERGHANA STATE UNIVERSITY, FERGANA, REPUBLIC OF UZBEKISTAN
Abstract: the work is devoted to the study of the properties of nanocrystalline films of bismuth-antimony tellurides. The paper considers issues related to changes in the concentration of surface states, the Fermi level, and the charge of the interface in nanocrystalline bismuth-antimony telluride films upon application of irreversible cyclic deformation. To obtain nanocrystalline films, we used the method of evaporation of bismuth tellurides - antimony with subsequent condensation on polyamide substrates. We used a high level of automation of the process of measuring the electrical resistance of the film in the process of applying cyclic deformation.
Keywords: nanocrystalline semiconductors, nanocrystalline bismuth-antimony teluride films, surface electronic states, strain sensitivity coefficient, grain boundaries, change in the concentration of electronic surface states.
УДК 538.93
В последнее время увеличилось исследование многокомпонентных конденсированных соединений по сравнению с элементарными и бинарными, в связи с расширением их возможности практического применения в современной технике. Особенно это относится к исследованию и использованию нанокристаллических полупроводников зерна которых имеют размеры порядка десятка нанометров. Это связано с многообразием их функциональных свойств. Так как нанокристаллические плёнки сложных халькогенитных соединений обладают большими возможностями вариации физико-химических свойств.
Объектами нашего исследования явились сверхвысокочувствительные к наложенной деформации (е) нанокристаллические плёнки теллуридов висмута-сурьмы. Специфической особенностью нанокристаллических полупроводников является наличие в них однотипных встроенных поверхностей раздела - межзеренных границ, которые оказывают определяющие влияния на электрофизические свойства нанокристаллов. В настоящее время физика нанокристаллических пленочных полупроводников находится в зачаточном состоянии. Поэтому актуальным является исследование реакции этих объектов на наложенные физические поля [1-3].
В тензочувствительных пленках теллуридов висмута-сурьмы средний линейный размер одной гранулы составляет 30 нм. Для пленок В^Те3^Ь2Те3 геометрические размеры которых составляют 1х0,1х0,0003 см3, общая площадь межгранульной поверхности превышает 60 см2.
Для получения нанокристаллических пленок мы использовали метод испарения теллуридов висмута - сурьмы с последующей конденсацией на полиамидные подложки. Температура подложек ( ~ 900С ) и уровень вакуума в испарительной камере подбирались так, чтобы обеспечить неравновесность, позволяющую добиться спонтанного зародышеобразования и не допустить роста и агрегации сформировавшихся наночастиц.
Халькогениды висмута и сурьмы относятся к веществам, которые при нагревании почти полностью разлагаются на соединения более низшего порядка. При использовании термовакуумной технологии заметное испарение шихты начинается тогда, когда давление собственных паров испаряемого вещества на несколько порядков превышает остаточное давление в вакуумной камере. Кроме того, испарение В^_^ЬхТе3 становится эффективным при температурах более 850 - 900 К, что соответствует температурам сублимации этого материала.
Нанокристаллические полупроводники имеют сложную зернистую структуру, при этом ключевую роль в формировании их электрических характеристик играют однотипные межзеренные границы. Диффузия компенсирующей примеси вдоль межзеренных границ в однородно-легированном нанокристаллическом полупроводнике приводит к возникновению на границах зёрен несбалансированного электрического заряда, формирующего двойной барьер Шоттки. Ширина и высота барьера определяются концентрацией компенсирующей примеси на границе, причем небольшие вариации этой концентрации могут изменять электрическую проводимость границы на несколько порядков. С этим связано изначально высокое значение деформационного коэффициента (К>104) нанокристаллических пленок изготовленных из теллуридов висмута - сурьмы.
Электронная структура межзёренных границ весьма чувствительна к захвату примесей растущими плёнками. Это способствует получению плёнок с уникальными свойствами. На межзёренных границах находятся адсорбированные атомы, вакансии и другие дефекты. Энергетическая структура примесей и дефектов в зернах, а также плотности поверхностных электронных состояний в межзёренных границах зависят от деталей процесса получения поликристалла. Исследование и практическое применение его электронных свойств наталкиваются на плохую воспроизводимость количественных характеристик, получаемых на, казалось бы, идентичных образцах. Также как и в монокристаллах, дефекты в зернах играют существенную роль. Всем
перечисленным поверхностным дефектам соответствуют локальные поверхностные состояния электронов, энергетические уровни которых, как правило, попадают в запрещенную зону общего энергетического спектра кристалла. Их энергетические уровни зависят от соответствия электронной и пространственной структур примесей и матричной решетки.
Поверхностные электронные состояния являются центрами захвата и рекомбинации в зависимости от числа носителей, сечения захвата электрона и дырки, концентрации поверхностных состояний (N55) их типа и энергетического положения (Е5). В силу однотипности всю совокупность электрически активных межзеренных границ именно в нанокристаллической пленке можно заменить одной эффективной межзёренной границей.
Поверхностные уровни заряжены, так как на поверхности существует обмен носителями между поверхностными электронными состояниями и зонами. Суммарный заряд поверхностных состояний называется поверхностным зарядом.
Считается, что изменение F связано с изменением активного сопротивления R(e1), а изменение qss связано с изменением эффективной емкости С(е1), т.е.
^=и-ДС (1) С другой стороны поверхностный заряд равен
^с=С-Ди. (2)
Суммарный заряд поверхностных состояний называется поверхностным зарядом
qs=qss+qsc. (3) Под влиянием внешних воздействий он меняется на
Д^=Д^+Д^С (4) Для нейтрального перехода свободными остаются два параметра: заряд поверхности раздела q1 и приложенное напряжение и. В условиях и=0 заряд поверхности раздела определяется пространственно однородным уровнем Ферми F. Изменение поверхностного заряда по отношению к уровню Ферми дает концентрацию электронных поверхностных состояний N55 [4,5]:
dq/dF = е^ N55 (5) здесь е - заряд электрона, а Se - эффективная площадь поверхности. Таким образом, для определения эффективной плотности поверхностных состояний необходимо найти как изменение уровня Ферми ДО так и изменение Дqss плотности эффективного поверхностного заряда. Уровень Ферми F также как и заряд q могут меняться при наложении внешних полей - температуры или деформации или при миграции примесных атомов.
В данной работе были рассмотрены изменение концентрации электронных поверхностных состояний, уровня Ферми и заряда поверхности раздела в нанокристаллических пленках телуридов висмута - сурьмы при наложении необратимой циклической деформации. При деформации нанокристаллических пленок меняются как геометрический фактор, так и уровень Ферми.
Мы использовали высокий уровень автоматизации процесса измерения электрического сопротивления плёнки в процессе наложения циклической деформации [6]. Расчет эффективной плотности электронных поверхностных состояний ^ для различных величин наложенной деформации - £ проведён по формуле
N = и ДС (£1 ) / ^е- ДВД),
где ^(е^-изменение уровня Ферми, Дqss (е1)- изменение плотности эффективного поверхностного заряда.
Рис. 1-2. Зависимости эффективной плотности электронных поверхностных состояний Nss
(е) от наложенной деформации
На рис. 1 и рис. 2 приведены зависимости эффективной плотности электронных поверхностных состояний Nss (gj) от наложенной деформации. Из рисунка можно судить о необратимости гетерогенных структур при наложении деформации, т.е. электронная структура нанокристаллической пленки сильно изменяется при наложении циклической деформации.
Рис. 1-2. Зависимость от наложенной деформации эффективной плотности электронных поверхностных состояний пленок Bi2Te3 - Sb2Te3, найденные по экспериментальным данным, приведенным на Рис. 1 (для частоты 300 Hz, после наложения 20 циклов симметричной знакопеременной деформации) и Рис. 2 (для f= 240 kHz, после наложения 3840 циклов симметричной деформации (g = +10-4)).
-(4-bjej)/kT
0,4 -
-0,9 — -0.1 --1,1 - 0,6
е] - def
Рис. За. Рассчитанная зависимость от деформации величины - (Fj - bj*Ej)/kT для пленки Bi2Te3 -Sb2Te3, после наложения 14160 циклов симметричной деформации (е = +2*10'3)
F/kT -just after 14160 cycles
L 3.5 -
1 jj . M - j.
j клл^/-
• r -2.5 -
i -4.5 J
ej def
Рис 3б. Рассчитанная зависимость изменения уровня Ферми - Fj /kT пленки Bi2Te¡-Sb2Te3, после наложения 14160 симметричной деформации (е= + *10'3)
Причем, усложнение динамики процесса миграции примесей, наблюдается в большей степени в результате сжатия пленки чем при её растяжении.
Подобная же тенденция имеет место при наложении меньшей амплитуды деформации (е = + 10-4) что проявляется из зависимостей ЭПЭПС (Рис. 1-2) от наложенной деформации. На рис. 1 Nss резко увеличивается к концу растяжения пленки, которое имеет место сразу после наложения 20-го цикла симметричной деформации. На рис. 2 Nss имеет максимальное значение в области сжатия пленки, которое имеет место сразу после наложения 3840-го цикла той же деформации (е = + 10-4).
Список литературы /References
1. Shamirzaev S. Моделирование усталостного несовершенства конструкционных материалов // International Journal of Fatigue 24, 2002. 777-782.
2. Shamirzaev S. Теория выходных параметров прессованной порошковой смеси с произвольной плотностью упаковки // Solid State Sciences 6, 2004. Pp. 1125-1129.
3. Юсупова Д.А. Изучение электрофизических свойств нанокристаллических пленок Bi2Te3 - Sb2Te3//«Интегpация наук» Международный научно-практический журнал. Москва. Выпуск № 4 (19) (июнь, 2018). С. 52-54.
4. Шамирзаев С., Юсупова Д.А., Мухамедиев Э., Онаркулов К. «Определение эффективной плотности электронных поверхностных состояний в нанокристаллических пленках Bi2Te3-Sb2Te3 . Физическая инженерия поверхности, 2006. Т. 4. № 1-2. С. 86-90.
5. Юсупова Д.А. Влияние межгранульных поверхностных условий на формирование пороговой проводимости двухкомпонентных полупроводниковых смесей теллуридов висмута - сурьмы//1 International Congress of The Turkie World on Health and Natural Sciences.21-23 april. 2019.0sh. Kyrgyzstan.183-189 page.
6. Юсупова Д.А. Автоматизация процесса получения тензочувствительных плёнок теллуридов висмута-сурьмы, содержащих наногранулы с воспроизводимыми характеристиками. // Актуальные научные исследования в современном мире. Выпуск 4 (24). Часть 4. Апрель, 2017. Сборник научных трудов. Переяслав-Хмельницкий. 128-133 с.
