CC BY
23
ХИМИЧЕСКИЕ НАУКИ
Химические науки / Chemical Science Оригинальная статья / Original Article
УДК 544. 72. 023. 25: 537. 322. 11: 537. 29 / UDC 544. 72. 023. 25: 537. 322. 11: 537. 29
Термо-ЭДС пленок теллура, выращенных в электрических полях на подложках слюды
© 2016 Келбиханов Р. К. 1 2, Абдурагимов Г. А. 1
1 Дагестанский государственный педагогический университет, Махачкала, Россия; e-mail: kelrus@mail.ru 2 Дагестанский государственный университет народного хозяйства, Махачкала, Россия; e-mail: abduragimov1936@mail.ru
РЕЗЮМЕ. Целью данной работы является исследование термо-электродвижущей силы (термо-ЭДС) пленок теллура, выращенных в электрических полях напряженностью 0,5 кВ/см на подложках слюды. Методы. Пленки теллура были выращены вакуумно-термическим методом в вакууме 2,310"3 Па при комнатной температуре подложки и интервале температур источника 680-701 К. Результаты. Установлено различие термо-ЭДС образцов, полученных с приложением постоянного электрического поля и без поля, выращенных в едином технологическом режиме, при этом оптимальным режимом при котором выращен совершенный слой теллура методом приложения электрического поля является температура источника Ти = 701 К и подложки ТП = 300 К.
Ключевые слова: постоянное электрическое поле, напряженность электрического поля, пленки теллура, термо-ЭДС пленок, температура источника, вакуумно-термический метод.
Формат цитирования: Келбиханов Р. К., Абдурагимов Г. А. Термо-ЭДС пленок теллура, выращенных в электрических полях на подложках слюды // Известия Дагестанского государственного педагогического университета. Естественные и точные науки. Т. 10. № 4. 2016. С. 5-11.
Thermoelectric Power of the Films of the Tellurium Which are Grown up in Electric Fields on Mica Substrates
© 2016 Ruslan K. Kelbikhanov R. 1 2, Gadzhi A. Abduragimov 1
1 Dagestan State Pedagogical University, Makhachkala, Russia; e-mail: kelrus@mail.ru 2 Dagestan State University of National Economy, Makhachkala, Russia e-mail: abduragimov1936@mail.ru
ABSTRACT. The aim of this work is the investigation of thermo-EMF tellurium films grown in the electric field intensity of 0.5 kV/cm on substrates of mica. Methods. Films of tellurium have been grown by vacuum-thermal method in a vacuum of 2.3x10"3 Pa at room temperature and substrate temperatures source 680701 K. Results. The distinction of thermo-EMF samples is established. The samples, obtained with application of constant electric field and without it, grown in a single technological mode. The best mode to grown perfect layer of tellurium by the method of application of the electric field is the source temperature T = 701 K and the substrate temperature T = 300 K.
Keywords: constant electric field, electric intensity, films of tellurium, thermo-EMF of films, source temperature, vacuum and thermal method.
For citation: Kelbikhanov R. K., Abduragimov G. A. Thermoelectric Power of the Films of the Tellurium Which are Grown up in Electric Fields on Mica Substrates. Dagestan State Pedagogical University. Journal. Natural and Exact Sciences. Vol. 10. No. 4. 2016. Pp. 5-11. (In Russian)
и методика для измерения
Введение термо-ЭДС
Одной из основных задач данной работы является определение влияния электрического поля напряженностью 0,5 кВ/см на значение термо-ЭДС пленок.
Образцы, исследованные нами, были выращены в электрическом поле напряженностью 0,5 кВ/см на подложках слюды вакуумно-термическим методом при комнатной температуре. Пленки Те получены при температуре источника (ТИ) в интервале 680ч701 К в вакууме 2,3* 10-3 Па. Результаты экспериментов по исследованию термо-ЭДС пленок Те в температурном интервале 288-425 К показали существенное различие значений термо-ЭДС пленок Те в данном температурном интервале для образцов, полученных в поле напряженностью 0,5 кВ/см и вне электрического поля.
На рисунке 1 представлена установка для измерения термо-ЭДС и эффекта поля,
на которой электросопротивление пленок определяли методом вольтметра-амперметра с помощью прижимных зондов. Амперметром в нашем случае служил прибор Ц 4311, вольтметром - цифровой прибор типа В7-16.
Установка включает: 1 - переключатель полярности тока (для изменения направления тока по образцу); 2 - прижимный зонд холодного конца; 3 - прижимный зонд горячего конца; 4 - образец; 5 - сосуд дьюара; 6 - ползунковый переключатель; УИП - универсальный источник питания (УИП-2) со встроенным стабилизатором тока; ИВН - источник высокого напряжения; БП - блок питания (выпрямитель ВСА-5К) с дополнительным устройством плавного изменения напряжения, подводимого к печи горячего зонда; ЭВ - электронный вольтметр (В7-16); Иь И.2, Из - сопротивления; А - амперметр (микроамперметр Ф-195, вольтамперметр Ц-4311).
Рис. 1. Установка для измерения термо-ЭДС и эффекта поля пленок теллура
Рис. 2. Зависимость термо-ЭДС пленок теллура от температуры:
1(▲) - пленки получены в электрическом поле; 2(о) - пленки получены вне электрического поля
Термо-ЭДС пленок теллура
Зависимость термо-ЭДС (а) от температуры для первой серии образцов, выращенных при ТИ = 680 К, представлена на рисунке 2. Термо-ЭДС достигает максимального значения для образцов, полученных в постоянном электрическом поле (ПЭП) и вне поля при 360 К, и при дальнейшем увеличении температуры а не изменяется. Изменение а происходит со значения 108 до 150 мкВ/К для образцов, выращенных в ПЭП, и от 98 до 179 мкВ/К, выращенных вне поля в температурном интервале 288-425 К.
Во второй серии, где образцы выращены при 690 К, термо-ЭДС достигает максимума (рис. 3) также при 363 К и незначительно повышается при дальнейшем увеличении температуры. Значение термо-ЭДС меняется от 95 до 145 мкВ/К для образцов, полученных в поле, и от 88 до 160 мкВ/К для образцов, полученных вне поля. Как видно, максимальное значение термо-ЭДС пленок (рис. 1), полученных в поле (кривая 1), составляет 150 мкВ/К и оно меньше значения 177мкВ/К образцов, полученных вне электрического поля (кривая 2). А во второй серии для образцов (рис. 3), выращенных в ПЭП, значение термо-ЭДС равно 145 мкВ/К, а вне поля
160 мкВ/К Это говорит о том, что при прочих равных условиях электрическое поле существенно влияет на формирование пленок теллура. Само значение термо-ЭДС хорошо согласуется с литературными данными для лучших образцов, полученных при комнатной температуре [2-5; 10; 12].
Толщины рассматриваемых нами образцов составили от 0,25 мкм до 0,7 мкм для образцов, конденсированных в электрических полях, поэтому увязать разницу термо-ЭДС с толщиной нельзя. По нашему мнению, это связано именно с влиянием электрического поля. Как известно, при выращивании пленок нельзя избежать наличия некоторых дефектов в кристалле [7; 8; 11], обусловленных нарушением кристаллической решетки.
Невозможно получить пленки без каких-либо электрически активных примесей, которые существенно влияют на значения тер-мо-ЭДС. А также существует определенная зависимость значений термо-ЭДС от толщины пленок, что наблюдается для образцов третьей серии экспериментов, результаты которых представлены на рисунке 4. Так, максимальное значение термо-ЭДС для образцов этой серии, полученных вне поля, равно 163 мкВ/К, а для образцов, полученных в поле, соответственно 290 мкВ/К
Рис. 3. Зависимость термо-ЭДС пленок теллура от температуры:
1(A) - пленки получены в электрическом поле; 2(о) - пленки получены вне электрического поля
Рис. 4. Зависимость термо-ЭДС пленок теллура от температуры:
1(A) - пленки получены в электрическом поле; 2(о) - пленки получены вне электрического поля
Часто отмечается локализация зарядов в области дефекта. При выращивании в поле дефекты могут быть выведены за пределы пленки, как могут быть выведены и электрически активные примеси. Наблюдаемую разницу термоэлектрических свойств можно связать именно с влиянием электрического поля по выше названному механизму.
При наличии внешнего электрического поля, возможно, облегчается укладка атомов в растущем материале.
Для каждой пары образцов значение термоэлектрических свойств у образца, выращенного в поле, по величине меньше, чем у образца, выращенного вне поля.
Значение термо-ЭДС увеличивается с ростом толщины образцов, как для пленок, выращенных в электрическом поле, так и вне поля. Тот факт, что изменение термо-ЭДС происходит с изменением величины вакуума, доказывает адсорбционную природу этого явления.
В третьей серии экспериментов (рис. 4) образцы получены при 701 К, а достигает максимума при 363 К и при дальнейшем увеличении температуры незначительно увеличивается. Термо-ЭДС меняется от 100 до 145 мкВ/К для образцов, полученных в поле, и от 58 до 163 мкВ/К, полученных вне поля.
Зависимость термо-ЭДС от условий выращивания и поверхностных состояний пленок
Если полагать, что переход электронов на возникающие вследствие адсорбции поверхностные состояния осуществляется практически мгновенно, то кривая подъема термо-ЭДС, по сути, будет характеризовать кинетику адсорбции. Полученные зависимости хорошо согласуются с экспоненциальным законом, в общем характерным для кинетики адсорбционного процесса. Увеличение тер-мо-ЭДС пленок, имеющих р-тип проводимости, свидетельствует о том, что обусловленное молекулами адсорбата поверхностное состояние является акцепторным. А уменьшение величины термо-ЭДС для образцов, полученных в электрическом поле, говорит о существенном влиянии величины самого электрического поля напряженностью 0,5 кВ/см на свойства пленок Те.
Поверхностные состояния связаны не только с географической поверхностью пленки, но и с поверхностью пор, микротрещин и т. п. Поры и трещины закрываются при выращивании пленок в электрическом поле, чем и можно объяснить различие термо- ЭДС образцов, выращенных в поле и вне электрического поля.
Термо- ЭДС пленок Те определяется главным образом их структурной дефектностью, которая в свою очередь зависит от условий конденсации.
Увеличение термо-ЭДС пленок поддается интерпретации в предположении, что с увеличением давления, во-первых, возрастает вклад параметра рассеяния, который приводит к увеличению термо- ЭДС, во-вторых, возрастает число микрокристалликов окис-ной фазы. Термо-ЭДС увеличивается за счет замуровывания различных дефектов в про-
цессе роста. Таким образом, если для пленок, полученных в поле, термо-ЭДС возрастет в результате только увеличения параметра рассеяния, то вне поля ответственным за повышение термо-ЭДС может быть как образование новой фазы, так и увеличение параметра рассеяния. Микрокристаллики новой фазы могут способствовать возникновению потенциальных барьеров в кристалле, которые, в свою очередь, содействуют увеличению тер-мо-ЭДС до аномально больших значений.
Авторы [5] высказывают мысль, что объяснить структурные изменения по зависимости электрофизических параметров и термо-ЭДС пленок теллура, конденсированных при комнатной температуре, от их толщины можно лишь отчасти. Особенно обращает на себя внимание повышение указанных характеристик в области малой толщины, которое имеет явно неструктурную природу, поскольку здесь размер зерен практически не зависит от толщины, что, по-видимому, связано с начинающими проявлять себя поверхностными состояниями.
Исследование бинарных, многослойных систем, а также различных полупроводниковых и иных материалов обусловлено потребностью использования данных материалов как компонентов физической электроники [1-6].
Выводы
На основании обобщения результатов экспериментов установлено существенное влияние постоянного электрического поля напряженностью 0,5 кВ/см на термо-ЭДС пленок Те, выращенных при комнатной температуре. Оптимальным режимом, при котором получен совершенный слой теллура методом приложения постоянного электрического поля, является температура источника ТИ =701 К и подложки ТП = 300 К.
При выращивании пленок в электрическом поле создаются условия вывода электрически активных примесей за пределы пленки. Наблюдаемые эффекты можно связать взаимодействием первично растущего слоя с электрическим полем, которые препятствуют формированию первоначальной метастабильной структуры. Зависимость термо-ЭДС пленок Те от толщины объясняется существованием приповерхностных слоев с повышенной концентрацией малоподвижных дырок.
Наличие дефектов часто приводит к локализации зарядов в области дефекта. При выращивании же образцов в условиях элек-
трического поля дефекты могут быть выведены за пределы пленки. Таким образом, наблюдаемую разницу электрических свойств можно увязать именно с влиянием
1. Андреев И. А., Иванов Э. В., Михайлова М. П., Салихов Х. М., Яковлев Ю. П. Детекторы водорода и водородосодержащих газов на основе диодов Шот-тки и гетероструктур полупроводников АЗВ5 // Физические проблемы водородной энергетики. Программа и тезисы докладов 2-й Российской конференции. Санкт-Петербург, 2005. С. 112-113.
2. Бондарчук Н. Ф., Вигдорович В. Н., Ухлинов Г. А. Структура конденсированных пленок теллура и их свойства // Известия АН СССР. Неорганические материалы. 1989. Т. 25. № 2. С. 189-194.
3. Вигдорович В. Н., Ухлинов Г. А., Чиботару Н. И. О термической ширине запрещенной зоны в тонких пленках теллура // Физика и техника полупроводников. 1978. Т. 12. № 9. С. 1816-1820.
4. Вигдорович В. Н., Ухлинов Г. А., Чиботару Н. И. Структура и электрофизические свойства конденсированных пленок теллура // Известия АН СССР. Неорганические материалы. 1979. Т. 15. № 1. С. 49-55.
5. Гавалешко Н. П., Горлей П. Н., Шендеров-ский В. А. Узкозонные полупроводники: (Получение и физ. свойства). Киев: Наукова думка, 1984. 288 с.
6. Журтанов Б. Е., Иванов Э. В., Именков А. Н., Колчанова Н. М., Розов А. Е., Стоянов Н. Д., Яковлев Ю. П. Высокоэффективные светодиоды на основе р-АЮаАвБ / гйпСаАзБЬ / n-AlGaAsSb, работающие
1. Andreyev I. A., Ivanov E. V., Mikhaylova M. P., Salikhov Kh. M., Yakovlev Yu. P. Detectors of hydrogenium and the hydrogenium containing of gases on the basis of diodes of Shottki and heterostructures of A3B5 semiconductors. Fizi-cheskie problemy vodorodnoj jenergetiki. Programma i tezisy dokladov 2-j Rossijskoj konfer-encii [Physical problems of a hydrogen power engineering. Program and theses of reports of the 2nd Russian conference]. St. Petersburg, 2005. Pp. 112-113. (In Russian)
2. Bondarchuk N. F., Vigdorovich V. N., Ukhlinov G. A. Structure of the tellurium condensed films and their property. Izvestija AN SSSR. Neorganicheskie materialy [News of Academy of Sciences of the USSR. Inorganic materials]. 1989. Vol. 25. No. 2. Pp. 189-194. (In Russian)
3. Vigdorovich V. N., Ukhlinov G. A., Chibotaru N. I. About the thermal width of the forbidden zone in the thin tellurium films. Fizika i tehnika po-
электрического поля. Возможно, укладка атомов в растущем материале облегчается при наличии внешнего электрического поля.
при комнатной температуре // Письма в журнал технической физики. 2001. Т. 27. № 5. С. 1-7.
7. Келбиханов Р. К. Особенности роста пленок теллура в электрических полях. Депонировано в ВИНИТИ. № 1065 - В00. Москва, 19.04.2000. 11 с.
8. Келбиханов Р. К., Абдурагимов Г. А., Нажму-динов А. М. Эффект поля в пленках теллура, выращенных в электрических полях // Известия Дагестанского государственного педагогического университета. Естественные и точные науки. 2011. № 4. С. 5-8.
9. Панфилов В. Ю. Нанесение тонких пленок в вакууме // Технологии в электронной промышленности. 2007. № 3. С. 76-80.
10. Dinno M. A., Schwartz M., Giammara B. Structural dependence of electrical conductivity of thin tellurium films. J. Appl. Phys. 1974. Vol. 45. № 8. P. 3328-3331.
11. Kelbikhanov R. K., Kachabekov M. M., Ivanov G. A. Effect of electric field on growth and electro-physical properties of tellurium films // Физика и химия обработки материалов. 2000. № 6. С. 5456.
12. Okuyma K., Kumagai Y. Grain growth of evaporated Te films on a heated and cooled substrate. J. Appl. Phys. 1975. Vol. 46. № 4. P. 14731477.
luprovodnikov [Physics and technique of semiconductors]. 1978. Vol. 12. No. 9. Pp. 18161820. (In Russian)
4. Vigdorovich V. N., Ukhlinov G. A., Chibotaru N. I. Structure and electrophysical properties of the tellurium condensed films. Izvestija AN SSSR. Neorganicheskie materialy [News of Academy of Sciences of the USSR. Inorganic materials]. 1979. Vol. 15. No. 1. Pp. 49-55. (In Russian)
5. Gavaleshko N. P., Gorley P. N., Shenderovsky V. A. Uzkozonnye poluprovodniki: (Poluchenie i fiz. svojstva) [Narrow-band semiconductors: (Receiving and physical. properties)]. Kiev, Naukova Dumka Publ., 1984. 288 p. (In Russian)
6. Zhurtanov B. E., Ivanov E. V., Imenkov A. N., Kolchanova N. M., Rozov A. E., Stoyanov N. D., Yakovlev Yu. P. The high performance light-emitting diodes on the basis of p-AlGaAsS / n-InGaAsSb / n-AlGaAsSb working at the room temperature. Pis'ma v zhurnal tehnicheskoj fiziki [Letters to the technical
Литература
References
physics journal]. 2001. Vol. 27. No. 5. Pp. 1-7. (In Russian)
7. Kelbikhanov R. K. Osobennosti rosta plenok tellura v jelektricheskih poljah [Features of body height of films of a tellurium in electric fields]. Deposited in VINITI. No. 1065 - B00. Moscow, 19.04.2000. 11 p. (In Russian)
8. Kelbikhanov R. K., Abduragimov G. A., Na-zhmudinov A.M. Field effect in the tellurium films, grown in the electric fields. Izvestija Dagestanskogo gosudarstvennogo pedagogicheskogo universiteta. Estestvennye i tochnye nauki [Proceedings of the Dagestan state pedagogical university. Natural and Exact Sciences]. 2011. No. 4. Pp. 5-8. (In Russian)
9. Panfilov V. Yu. Coating the thin films in vac-
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ Принадлежность к организации
Келбиханов Руслан Келбиханович, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры общей, экспериментальной физики и методики ее преподавания, факультет физики, математики и информатики (ФФМИ), Дагестанский государственный педагогический университет (ДГПУ); доцент кафедры естественнонаучных дисциплин, Дагестанский государственный университет народного хозяйства (ДГУНХ), Махачкала, Россия; e-mail: kelrus @mail.ru
Абдурагимов Гаджи Асланович, доктор физико-математических наук, профессор кафедры теоретической физики и технических дисциплин, ФФМИ, ДГПУ, Махачкала, Россия; e-mail: abduragimov1936@mail.ru
uum. Tehnologii v jelektronnoj promyshlennosti [Technologies in electronic industry]. 2007. No. 3. Pp. 76-80.
10. Dinno M. A., Schwartz M., Giammara B. Structural dependence of electrical conductivity of thin tellurium films. J. Appl. Phys. 1974. Vol. 45. № 8. P. 3328-3331.
11. Kelbikhanov R. K., Kachabekov M. M., Ivanov G. A. Effect of electric field on growth and electro-physical properties of tellurium films. Fizika i himija obrabotki materialov [Physics and chemistry of processing of materials]. 2000. No. 6. Pp. 54-56.
12. Okuyma K., Kumagai Y. Grain growth of evaporated Te films on a heated and cooled substrate. J. Appl. Phys. 1975. Vol. 46. № 4. P. 14731477.
INFORMATION ABOUT AUTHORS Affiliations
Ruslan K. Kelbikhanov, Ph. D. (Physics and Mathematics), assistant professor, the chair of General, Experimental Physics and Its Teaching Methods, the faculty of Physics, Mathematics and Computer Science (FPMSC), Dagestan State Pedagogical University (DSPU); assistant professor, the chair of Natural Sciences, Dagestan State University of National Economy (DSUNE), Makhachkala, Russia; e-mail: kelrus@mail.ru
Gadzhi A. Abduragimov, Doctor of Physics and Mathematics, professor, the chair of Theoretical Physics and Technical Disciplines, FPMSC, DSPU, Makhachkala, Russia; e-mail: abduragimov1936@mail.ru
Принята в печать 27.04.2016 г.
Received 27.04.2016.
