ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ПЛЕНОЧНЫХ КОМПОЗИТОВ (IN0,355Y0,042O0,603)-С Текст научной статьи по специальности «Физика»

ГАЗОАНАЛИТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ И СЕНСОРЫ ВОДОРОДА

GAS ANALYTICAL SYSTEMS AND HYDROGEN SENSORS

Статья поступила в редакцию 27.09.10. Ред. рег. № 891 The article has entered in publishing office 27.09.10. Ed. reg. No. 891

УДК 539.216.2

ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ПЛЕНОЧНЫХ КОМПОЗИТОВ (In0,355Y0,042O0,603K

1 2 2 А.Б. Грановский , Ю.Е. Калинин , А.М. Кудрин ,

22 В.А. Макагонов , А.В. Ситников

Московский государственный университет им. М.В.Ломоносова 119991 Москва, Ленинские Горы, д. 1 E-mail: granov@magn.ru, тел. 8-(495)-939-47-87 2Воронежский государственный технический университет 394026 Воронеж, Московский пр., д. 14 Тел. +7(4732) 46-66-47, e-mail: kalinin48@mail.ru

Заключение совета рецензентов: 17.10.10 Заключение совета экспертов: 27.10.10 Принято к публикации: 30.10.10

Исследованы низкотемпературные электрические свойства и термоЭДС нанокристаллических пленок на основе (1п0 355У0,042О0,603)-С. По результатам температурных зависимостей электропроводности и термоЭДС, где выполняется закон Мотта, сделана оценка плотности электронных состояний на уровне Ферми и производная от логарифма плотности электронных состояний.

Ключевые слова: гетерогенные системы, нанокомпозит, электросопротивление, термоЭДС, плотность локализованных состояний.

THERMOELECTRIC PROPERTIES OF NANOCRYSTALLINE FILM (In0.з55Y0.042O0.60з)-С COMPOSITES

A.B. Granovskiy1, Yu.E. Kalinin2, A.M. Kudrin2, V.A. Makagonov2, A.V. Sitnikov2

'Lomonosov Moscow State University 1/73 Leninskie Gory, Moscow, 119991, Russia E-mail: granov@magn.ru, tel. 8-(495) 939-47-87 2Voronezh State Technical University 14 Moscow ave., Voronezh, 394026, Russia Tel. +7(4732) 46-66-47, e-mail: kalinin48@mail.ru

Referred: 17.10.10 Expertise: 27.10.10 Accepted: 30.10.10

The low-temperature electrical properties and thermopower of nanocrystalline film based on (^.^Yo^O^m)^ have been investigated. According to the results of the temperature dependence of electrical conductivity and thermoelectric power in the Mott's range, the electron density of states at the Fermi level and the derivative of the logarithm of the density of electronic states have been evaluated.

Keywords: heterogeneous systems, nanocomposite, electrical resistivity, thermoelectric power, density of localized states.

Введение

В последние годы повышенное внимание исследователей привлекают термоэлектрические свойства композитных материалов. С научной точки зрения, такие исследования позволяют получить дополнительные сведения о фундаментальных параметрах сложных гетерогенных систем [1-5], а с практической точки зрения, научный интерес связан с надеждами получить высокие значения термоэлектрической добротности [6-10]. Эти надежды основаны на проявлении необычных для объемного материала значений локальных кинетических коэффициентов

частиц или их частей. В частности, использование нанокомпозитов вблизи порога протекания, обладающих высокой плотностью межфазных границ, существенно снижает теплопроводность материала. С другой стороны, многие окислы (например, окиси меди, железа и некоторые другие) имеют высокие значения термоЭДС, что также способствует повышению термоэлектрической добротности.

В настоящей работе представлены результаты исследования транспортных свойств в нанокристалличе-ских пленочных гетероструктурах (1п0,з55У0,42О0,60з)-С, которые обладают хорошей чувствительностью к молекулярным газам.

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 11 (91) 2010

© Scientific Technical Centre «TATA», 2010

Образцы и методика эксперимента

Аморфные нанокомпозиты на основе алмазопо-добного углерода и полупроводника In35,5Y4,2O60,3 были получены методом ионно-лучевого распыления составной мишени на основе керамического основания In0)355Y0)042O0)603 с навесками из углерода ионами аргона (pAr = 2,4-10-4 торр) на подложки из стеклянных пластин [11-12]. Полученные образцы имели довольно рыхлую и хрупкую структуру, поэтому для устранения этого недостатка дополнительно были получены партии, напыленные в атмосфере аргона (pAr = 2,4-10-4 торр) и кислорода (pO2 = 2-10-5 торр, Ро2 = 2,8-10-5 торр). Образцы представляли собой пленки толщиной 5 мм. Содержание компонентов в композитах определялось электронно-зондовым рентгеновским микроанализатором по пяти измерениям на различных участках подложек с последующей полиномной экстраполяцией содержания по длине подложки. Элементный состав пленок проводили энергодисперсионной рентгеновской приставкой Oxford INCA Energy 250 на сканирующем электронном микроскопе JEOL JSM-6380 LV. Анализ электронограмм образцов с различным содержанием углерода показал, что в пленках формируется аморфная фаза оксида индия. Микрофотографическое изображение пленки выявило, что пленки содержат две наноразмерные фазы с характерным размером неоднородностей 7-9 нм [13].

Для измерения концентрационной зависимости электрического сопротивления применялся метод амперметра-вольтметра. Для измерения термоЭДС использовались образцы шириной 3 мм и длиной 40 мм, вдоль которых создавался температурный градиент порядка 80-85 К, причем «холодный» конец образца находился при комнатной температуре. Измерения проводились на воздухе с помощью двух зондов, изготовленных из серебряной проволоки диаметром 0,5 мм. Для исследования температурных зависимостей электрического сопротивления и тер-моЭДС в интервале 80-273 K образец помещался в вакуумный криостат. Рабочий объем находился под вакуумом (~ 10-2 торр). Увеличение температуры осуществлялось с помощью одного (в случае электросопротивления) и двух резистивных нагревателей с постоянный скоростью. При этом для температурной зависимости термоЭДС поддерживался постоянный градиент температуры ~ 10 К. Разница температур обеспечивалась подачей различных напряжений от двух одинаковых источников постоянного тока к нагревателям.

Измерение температуры осуществлялось с помощью цифрового мультиметра Mastech M838. Для исследования температурных зависимостей термо-ЭДС от температуры отжига образцы помещались в вакуумный пост и проводился отжиг с выдержкой 30 минут через каждые 50 К. Затем проводились измерения термоЭДС по описанной выше методике.

Для исследования зависимостей термоЭДС от напряженности внешнего магнитного поля использовались напыленные на стеклянную подложку образцы шириной ~ 3 мм и длиной 55-60 мм. Исследование полевых зависимостей термоЭДС проводилось при комнатной температуре путем помещения образца между полюсами электромагнита, при этом напряженность магнитного поля была параллельна плоскости образца и перпендикулярна направлению тока в одном эксперименте и перпендикулярна плоскости образца и параллельна направлению тока - в другом. Диапазон изменения напряженности магнитного поля составлял ± 10 кЭ. Вдоль продольной оси образца поддерживался температурный градиент ~ 10 К, обеспечиваемый подачей напряжения от источника питания на нагревательный элемент из керамического резистора, находящегося вблизи одного из концов образца.

Результаты эксперимента и их обсуждение

Концентрационные зависимости электрического сопротивления и термоЭДС На рис. 1 представлены концентрационные зависимости удельного электрического сопротивления композитов 1п-У-0-С от концентрации углерода для образцов, полученных при различных условиях. Приведенные зависимости построены относительно концентрации углерода ввиду сложности определения концентрации чистого индия в композите. Элек-тронографические и рентгеноструктурные исследования показали, что в исследуемых образцах индий присутствует не только в чистом виде, но и в связанном в качестве оксида, который вместе с различными соединениями углерода и иттрия образует диэлектрическую фазу [13].

10" 102 101 j= 100 J 10-1

О

10 10-3 10-4 10-5

1 1 2 ________ ООО ■ ■■■

JjS

//

V

1

10

12 14 16 C, at. %

Рис. 1. Концентрационные зависимости электросопротивления композитов In-Y-O-C, полученных при различных условиях напыления: в атмосфере аргона (1), в атмосфере аргона и кислорода давлением pO = 210-5 торр (2) и pO = 2,8-10"5 торр (3)

Fig. 1. Concentration dependences of the resistivity of the In-Y-O-C composites, obtained under different deposition conditions: in argon atmosphere (1), in argon and oxygen atmosphere Po2 = 2-10-5 Torr (2) and Po2 = 2,8-10-5 Torr (3)

1

Зависимость электрического сопротивления от концентрации углерода для композитов 1п-У-0-С, сконденсированных в атмосфере аргона, представлена на рис. 1, кривая 1. С уменьшением доли углерода происходит уменьшение электрического сопротивления на 5-6 порядков, что говорит о сильном влиянии высокоомного углерода на структуру в целом. Кривые 2 и 3 на рис. 1 представляют собой зависимости электрического сопротивления от концентрации углерода для композитов 1п-У-0-С, полученных в смешанной атмосфере аргона и кислорода. Зависимости демонстрируют похожее поведение с изменением доли углерода, и более высокие значения удельного электрического сопротивления наблюдаются вследствие большего количества кислорода в композитах. Задача по определению порогов протекания оказалась довольно сложной для решения, и только низкотемпературные зависимости сопротивления, о которых речь пойдет ниже, помогли разграничить проводимость на металлическую и диэлектрическую. С учетом проведенных исследований порог протекания по индию для композитов 1п-У-0-С, полученных в атмосфере аргон + кислород (р02 = 2-10-5 торр), был определен на отметке при содержании углерода на концентрационной зависимости ~ 4 ат. %, а для композитов 1п-У-0-С, полученных в атмосфере аргон + кислород (р02 = 2,8-10-5 торр), — 6 ат. % С.

-300-, -250-2005 -150 СО -100 -500

3

2/ 0

8 f 0 Ö о

f о Г о _Г)_

1 ■ 0 ч

TYYl Г»

сти полученных пленок. Но даже представленный интервал значений термоЭДС для бескислородсодержащих композитов показывает корреляцию начальных участков термоЭДС для композитов 1п-У-0-С, сконденсированных в атмосфере аргон + кислород (кривые 2 и 3).

Введение кислорода в распылительную камеру существенно изменяет не только механические свойства композитов (увеличивая прочность), но и способствует увеличению термоЭДС по абсолютным значениям до 230 мкВ/К (кривая 2) и 280 мкВ/К (кривая 3). Приведенные зависимости представляют собой кривые с точками экстремумов, максимумы которых расположены на отметках содержания углерода С ~ 5,5 ат. % (рис. 2, кривая 2) для композита 1п-У-0-С, полученного в атмосфере аргона и кислорода (ро2 = 2-10-5 торр); и С ~ 14 ат. % (рис. 3, кривая 3) для композита 1п-У-0-С, сконденсированного в атмосфере аргон + кислород (р02 = 2,8-10-5 торр).

-188-,

-190-

-192-

-194-

* -196-

-198-

i

w -200-

-202-

-204-

-206-

-188

-190

-192

-194

* -196

5»

i -198

СЛ -200

-10000 -5000

5000

10000 H, Oe

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22

Рис. 2. Концентрационные зависимости термоЭДС композитов In-Y-O-C, полученных при различных условиях напыления: в атмосфере аргона (1), в атмосфере аргона и кислорода давлением pO2 = 210-5 торр (2) и po2 = 2,8-10"5 торр (3) Fig. 2. Concentration dependences of the thermoelectric power of the In-Y-O-C composites, obtained under different deposition conditions: in argon atmosphere (1), in argon and oxygen atmosphere po2 = 2-10"5 Torr (2) and po2 = 2.8-10"5 Torr (3)

На рис. 2 представлены зависимости термоЭДС нанокомпозитов 1п-У-0-С от концентрации углерода. Все представленные значения отрицательны, что свидетельствует о доминирующем переносе заряда электронами. Для композитов 1п-У-0-С, полученных в атмосфере аргона, с увеличением С (кривая 1) происходит незначительное уменьшение значений термо-ЭДС с последующим резким ростом до - 50 мкВ/К. Исследования при других концентрациях углерода были сильно затруднены вследствие сильной хрупко-

-202 -204 -206

?

-10000 -5000

5000 10000

H, Oe

Рис. 3. Зависимости термоЭДС от напряженности магнитного поля наногранулированных композитов In-Y-O-C, полученных в атмосфере аргон + кислород (pO2 = 2-10"5 торр), содержание С = 5,5 ат. % в перпендикулярной (1) и продольной (2) ориентации относительно плоскости образца (погрешность измерений составляет не более 1%)

Fig. 3. Dependences of the thermoelectric power of the magnetic field of nanogranular In-Y-O-C composites, obtained in an argon + oxygen (pO2 = 2-10"5 Torr) with the content of C = 5.5 at. % in the perpendicular (1) and longitudinal (2) orientation relative to the plane of the sample (the measurement error is less than 1%)

На рис. 3 представлены зависимости магнитотер-моЭДС для композитов 1п-У-0-С, полученных в атмосфере аргон + кислород (р02 = 2-10-5 торр), в исходном состоянии с долей кристаллического индия,

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 11 (91) 2010

© Scientific Technical Centre «TATA», 2010

0

0

близкой к порогу протекания. Экспериментальные результаты свидетельствуют о том, что магнитное поле практически не влияет на термоЭДС ни при параллельной ориентации образца относительно магнитного поля, ни при перпендикулярной. Эта закономерность отличает исследованные композиты от систем ферромагнетик-диэлектрик [3, 5].

Низкотемпературные зависимости электрического сопротивления и термоЭДС

Для установления механизмов электрической проводимости в композитах до порога протекания были исследованы температурные зависимости удельного электрического сопротивления в интервале температур 80-300 К (рис. 4).

109i 10' 104 106 oí 105

2x103

Е .л

О

103

3 21

75 100 125 150 175 200 225 250 275 300

T, к

а

10°

104

Е

О 104 c¿

105

50 75 100 125 150 175 200 225 250 275 300

T, K

b

Рис. 4. Низкотемпературные зависимости электрического

сопротивления композита In-Y-O-C при различной концентрации углерода х ат. %, напыленного в атмосфере аргон + кислород при pO2 = 2-10"5 торр (а): 1 - 5,10; 2 - 4,89; 3 - 4,34; 4 - 3,59; 5 - 2,56; и в атмосфере аргон + кислород при po2 = 2,8-10"5 торр (b): 1 - 9,49; 2 - 9,11; 3 - 8,05;

4 - 7,72; 5 - 6,81; 6 - 4,34 Fig. 4. Low-temperature dependences of electrical resistance of the In-Y-O-C composite with the different carbon concentration - x at. %, deposited in an atmosphere of argon + oxygen at po2 = 2-10-5 Torr (a): 1 - 5.10; 2 - 4.89;

3 - 4.34; 4 - 3.59; 5 - 2.56, and in an atmosphere of argon + oxygen at po2 = 2,8-10-5 Torr (b): 1 - 9.49;

2 - 9.11; 3 - 8.05; 4 - 7.72; 5 - 6 81; 6 - 4.34

С увеличением температуры электрическое сопротивление понижается для всех исследованных составов. Для того чтобы установить доминирующий механизм проводимости, полученные зависимости были перестроены в координатах 1п(с0/с) ^ 1п(1/7)1/4 и 1п(с0/с) 1п(1/Т), где с0 - величина электрической проводимости при комнатной температуре. Анализ полученных зависимостей показал, что для всех исследованных составов как на зависимостях 1п(со/о) ^ 1п(1/Т)1/4, так и 1п(с0/с) ^ 1п(1/Т) при температурах ~ 190 К наблюдается заметный излом, свидетельствующий о смене механизма электрической проводимости. При этом установлено, что электрическая проводимость подчиняется закону % (закону Мотта) в низкотемпературном интервале, а в диапазоне температур 190-300 К - закону 1/Т (закону Аррениуса), как показано на рис. 5, а - 6, а и 5, Ь - 6, Ь соответственно. Следует отметить, что в исследованных системах отсутствует температурный интервал со степенной зависимостью проводимости от температуры, характерный для композитов металл-диэлектрик [4-5].

5 4

^ 3-

о

©

& 21 0

2/ ' / ч

1.

4

0,24 0,25 0,26 0,27 0,28 0,29 0,30 0,31 0,32 0,33

-1/4

1/T4, к-1

6-,

5-

4-

1Í 3-

о ?-

s

1-

0-

-1-

0,004

0,006

0,008

0,010

0,012 1/T, к-1

b

Рис. 5. Температурные зависимости проводимости композитов In-Y-O-C (pO2 = 2-10"5 торр) в координатах 1п(ст0/ст) ~ ln(1/7)1'4 (а) и 1п(ст0/ст) ~ ln(1/T) (b) при разных концентрациях углерода х ат. %: 1 - 5,10; 2 - 4,89; 3 - 4,34; 4 - 3,59; 5 - 2,56 Fig. 5. Temperature dependences of the conductivity of the In-Y-O-C composites (pO2 = 210-5 Torr) in the ln(CT0/o) ~ ln(1/T) % (a) and ln(o0/a) ~ ln(1/T) (b) coordinates at the different carbon concentrations x at. %: 1 - 5.10; 2 - 4.89; 3 - 4.34; 4 - 3.59; 5 - 2.56

а

3

2

4

5

6 5 4

е 3

©

S 2 ja

1 о

Справедливость закона Мотта в интервале температур 80-190 К свидетельствует о том, что в исследуемых композитах доминирует механизм прыжковой проводимости электронов с переменной длиной прыжка по локализованным состояниям, лежащим в узкой полосе энергий вблизи уровня Ферми, а выражение для проводимости имеет следующий вид [14]:

B

ст = е2R2vphg exP I - j

5

4

£3

о £ 2 ja

1 о

0,24 0,26 0,28 0,30 0,32 0,34

1/T4, K-1/4

а

2

1

ж1 3

5

<^6

где

B = -

16

3kg (Ef )

(1)

(2)

0,004 0,006 0,008 0,010 0,012

b

1/T, K

e - заряд электрона; R - длина прыжка; vpv - фактор спектра взаимодействия фононов; T - абсолютная температура; g(EF) - плотность состояний на уровне Ферми; а - радиус локализации волновой функции электрона; к - постоянная Больцмана.

Из рис. 5-6 были определены значения величин В для исследованных составов композитов. Зная В и принимая для радиуса локализации а ~ 2 нм, получим значения плотности состояний на уровне Ферми для разных составов композитов (таблица). При уменьшении концентрации углерода и увеличении доли металлической фазы наблюдается увеличение плотности состояний на уровне Ферми до значений, характерных для аморфных полупроводников (рис. 7). Но в то же время низкие значения плотности состояний говорят о том, что в структурах металл-полупроводник [15, 16] непосредственное туннели-рование из гранулы в гранулу может вносить меньший вклад в процессы электропроводности и величина g(Ep) в этом случае лимитируется не туннелированием между соседними гранулами, а локализованными состояниями в полупроводниковой матрице. В таком случае за радиус локализации нужно взять размер атомного порядка, что приведет к более высокой оценке величины g(EF).

Плотность локализованных состояний на уровне Ферми для разных составов композитов In-Y-O-C Density of localized states at the Fermi level for different compositions of In-Y-O-C composites

Рис. 6. Температурные зависимости проводимости композитов In-Y-O-C (pO2 = 2,8-10"5 торр) в координатах 1п(Оо/ст) ln(1/7)1/4 (а) и 1п(ст0/ст) ln(1/T) (b) при разных концентрациях углерода х ат. %: 1 - 9,49; 2 - 9,11;

3 - 8,05; 4 - 7,72; 5 - 6,81; 6 - 4,34 Fig. 6. Temperature dependences of the conductivity of the

In-Y-O-C composites (po2 = 2.810-5 Torr) in the ln(CT0/o) ln(1/T) % (a) and ln(o0/a) ln(1/T) (b) coordinates at the different carbon concentrations x at. %: 1 - 9.49;

2 - 9.11; 3 - 8.05; 4 - 7.72; 5 - 6.81; 6 - 4.34

Концентрация углерода x, ат. % In-Y-O-C B, К g(£F), эВ-1см-3 (Э ln g (E )/ dE )E=^ , эВ-1 (Т = 150 К)

Po2 = 2-10-5 торр

5,10 93 4,981017

4,89 82 8,211017 -60,3

4,34 72 1,28-1018 -80,3

4,01 44 4,381018

Po2 = 2,8-10-5 торр

9,49 59 3,081018

9,11 52 4,931018

8,05 45 8,921018

7,72 44 1,081019

6,81 39 1,621019

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 11 (91) 2010

© Scientific Technical Centre «TATA», 2010

ю"

Ю"

ш

О ю"

■ У (

f

0 t 7 { 4 2

X, at. % С

Рис. 7. Концентрационные зависимости плотности состояний на уровне Ферми нанокомпозитов In-Y-O-C (Ро2 = 210-5 торр) (1), In-Y-O-C (po2 = 2,8-10-5 торр) (2) Fig. 7. Concentration dependences of the density of states at the Fermi level of the In-Y-O-C (po2 =2-10"5 Torr) (1) and (pO = 2,8-10-5 Torr) (2) nanocomposites

6,01 at. %

¥

¡1 -so

0

-80

■160

¥ -so

4,00 at. %

b

Рис. 8. Температурные зависимости термоЭДС композита In-Y-O-C (pO2 = 2-10"5 торр) при разных концентрациях углерода х at. %: 1 - 6,01; 2 - 4,89; 3 - 4,00; 4 - 3,86 Fig. 8. Temperature dependences of the thermopower of the In-Y-O-C composite (po2 = 2-10-5 Torr) at the different carbon concentrations x at. %: 1 - 6.01; 2 - 4.89; 3 - 4.00; 4 - 3.86

о -20 -40 -60 10 -80 -loo

овр -30 ^ -60 \ -so M -120 -150

9,88 at.% С

100 ■Di".

200

250

300

T, К

7,00 at.% С

50

-20

^ -ео -80 cfl -юо

-120

250 300

т, к

5,31 at.% С

•20

-40

>

—-

vi -60

250 300

Т,к

4,17 at.% С

äoo

Т, К

b

Рис. 9. Температурные зависимости термоЭДС композита

In-Y-O-C (po2 = 2,8-10-5 торр) при разных концентрациях углерода х at. %: 1 - 9,88; 2 - 7,00; 3 - 5,31; 4 - 4,17 Fig. 9. Temperature dependences of the thermopower of the In-Y-O-C composite (po2 = 2.810-5 Torr) at the different carbon concentrations x at. %: 1 - 9.88; 2 - 7.00;

3 - 5.31; 4 - 4.17

На рис. 8-9 представлены температурные зависимости термоЭДС при разных концентрациях углерода для композитов In-Y-O-C. Для композитов In-Y-O-C (po2 = 2-10-5 торр, pO2 = 2,8-10-5 торр) с концентрацией углерода, соответствующей образцам до порога протекания, можно выделить две области: область средних температур (80-190 К), где изменение термоЭДС незначительно, и высокотемпературную область (Т > 190 К), в которой абсолютное значение S возрастает с увеличением температуры (рис. 8, а - 9, а).

Можно предположить, что при данной температуре происходит смена механизмов проводимости, что и подтверждают низкотемпературные зависимости электрического сопротивления. Поскольку электрическая проводимость исследованных композитов в низко-

а

а

температурном интервале обусловлена прыжками электронов по локализованным состояниям диэлектрической матрицы вблизи уровня Ферми, для описания температурной зависимости термоЭДС можно использовать формулу

k2 __

S = — JrJ 2е 0

д ln g

дЕ

(3)

На рис. 10-11 представлены низкотемпературные зависимости термоЭДС в координатах Г1'2. Анализ полученных зависимостей показывает пропорциональность значений термоЭДС квадратному корню абсолютной температуры в низкотемпературном интервале при аппроксимации значений до абсолютного нуля. Учитывая справедливость зависимости 5 Т12, из данных термоЭДС для некоторых составов по формуле (3) были сделаны оценки производных плотности электронных состояний на уровне Ферми. Результаты этих вычислений также приведены в таблице.

Рис. 10. Экстраполяция низкотемпературных термоЭДС в область абсолютного нуля для композита In-Y-O-C (pO2 = 210-5 торр) с концентрацией углерода 4,89 at.% Fig. 10. An extrapolation of the low-temperature thermopower in the region of absolute zero for the In-Y-O-C composite (pO2 = 2-10-5 Torr) at the carbon concentration 4.89 at. %

Рис. 11. Экстраполяция низкотемпературных термоЭДС

в область абсолютного нуля для композита In-Y-O-C (pO2 = 2,8-10"5 торр) с концентрацией углерода 9,88 at.% Fig. 11. An extrapolation of the low-temperature thermopower in the region of absolute zero for the In-Y-O-C composite (pO2 = 2.8-10-5 Torr) at the carbon concentration 9.88 at. %

При концентрации углерода, соответствующей образцам за порогом протекания, зависимости термоЭДС пропорциональны температуре, что и следовало ожидать для диффузионного переноса и упругого характера рассеяния (рис. 8, b - 9, b). Такая зависимость подтверждается исследованиями на других системах в работах [17, 18]. Интересно, что асимптотика температурных зависимостей термоЭДС для композитов, находящихся за порогом протекания, к Т ^ 0 не дает значение S(T ^ 0) = 0. Данное обстоятельство указывает на то, что в области низких температур Т < 80 К проявляется дополнительный механизм.

Таким образом, в исследованных композитах In-Y-O-C металл-полупроводник до порога протекания в различных температурных интервалах реализуются различные механизмы проводимости, что сопровождается изменением температурных зависимостей электрического сопротивления и термоЭДС. Учитывая сильную зависимость электрического сопротивления от наличия в воздушной атмосфере различных газов, следует ожидать изменения и термоЭДС в таких условиях, что составит предмет исследований следующих работ.

Заключение

1. Исследованы температурные зависимости электрического сопротивления и термоЭДС композитов 1п-У-0-С. Показано, что все измеренные значения композитов 1п-У-0-С отрицательны, что свидетельствует об электронном переносе заряда.

2. В области низких и умеренных температур исследованы механизмы электрической проводимости в нанокомпозитах 1п-У-0-С. Показано, что при содержании углеродной фазы выше порога протекания для исследованных композитов в области низких температур (80-180 К) доминирующим механизмом переноса заряда является прыжковый механизм проводимости по локализованным состояниям полупроводниковой матрицы вблизи уровня Ферми с переменной длиной прыжка. Дальнейшее повышение температуры сопровождается сменой механизма проводимости от закона Мотта: 1п(о) ^ (1/Т)14 к закону Аррениуса.

3. По результатам исследований температурных зависимостей электрической проводимости, где выполняется закон Мотта, сделана оценка плотности локализованных состояний на уровне Ферми и ее изменение от концентрации полупроводниковой фазы. По результатам исследований температурных зависимостей термоЭДС, где выполняется закон Мотта, сделана оценка производной от логарифма плотности электронных состояний на уровне Ферми.

Работа выполнена при финансовой поддержке Федерального агентства по науке и инновациям (ГК 02.513.11.3469 от 16 июня 2009 г.) и РФФИ (проект № 08-02-00840).

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 11 (91) 2010

© Scientific Technical Centre «TATA», 2010

Список литературы

1. Chen W., Lin J., Zhang X., Shin H., Dyck J., Uher C. Electrical conductivity and thermopower of Cu-SiO2 nanogranular films // Applied physics letters. 2002. Vol. 81, No. 3. P. 523-525.

2. Грановский А., Сато Х., Айоки Ю., Юрасов А. Туннельная термоЭДС в магнитных гранулированных сплавах // ФТТ. 2002. Т. 44, № 11. С. 2001-2003.

3. Белоусов В.А., Грановский А.Б., Калинин Ю.Е., Ситников А.В. МагнитотермоЭДС нанокомпозитов вблизи порога протекания // ЖЭТФ. 2007. Т. 132, № 6. С. 1393-1401.

4. Белоусов В.А., Грановский А.Б., Калинин Ю.Е., Ситников А.В. ТермоЭДС композитов металлических наночастиц ^ в аморфной диэлектрической матрице Al2On // ФТТ. 2007. Т. 49, Вып. 10. С. 17621769.

5. Грановский А.Б., Калинин Ю.Е., Ситников А.В., Кудрин А.М., Габриельс К.С., Каширин М.А. Транспортные свойства нанокомпозитов из ферромагнитных гранул Co0,41Fe0,39B0,20 в диэлектрической матрице MgO„ // Вестник ВГТУ. 2008. Т. 4, № 9. С.27-33.

6. Yang R.G., Chen G., Dresselhaus M.S. Thermal conductivity of simple and tubular nanowire composites in the longitudinal direction // Phys. Rev. B. 2005. Vol. 72, No. 12. P. 125418 (1-7).

7. Snarskii A.A., Adzhigai G.V., Bezsudnov I.V. On the inherent figure of thermoelectric composites // Arxiv. cond-mat. 0609447.

8. Снарский А.А., Женировский М.И., Безсуднов И.В. О предельных значениях добротности термоэлектрических композитов // ФТП. 2008. Т. 42, № 1. С. 82-86.

9. Snarskii A., Zhenirovskyy M. Double-threshold percolation behavior of effective kinetic coefficients // Phys. Rev. E. 2008. Vol. 78, No. 2. Р. 021108 (1-7).

10. Liang L.H., Li B. Size-dependent thermal conductivity of nanoscale semiconducting systems // Phys. Rev. B. 2006. Vol. 73, No. 15. P. 153303 (1-4).

11. Калинин Ю.Е., Ситников А.В., Стогней О.В. Физические свойства нанокомпозитов металл-диэлектрик с аморфной структурой (часть 1) // Альтернативная энергетика и экология - ISJAEE. 2007. № 10. C. 9-21.

12. Ситников А. В. Получение нанокомпозитов металл-диэлектрик ионно-лучевым распылением // Выездная секция Международного семинара по проблемам магнетизма в магнитных пленках, малых частицах и наноструктурных объектах, Астрахань, 2003. С. 75-79.

13. Бабкина И.В., Габлиэльс К.С., Гусев А.Л., Калинин Ю.Е., Кондратьева Н.А., Ситников С.Б., Сол-датенко С.А. Структура, электрические и газочувствительные свойства нанокристаллических пленочных композитов на основе In-Y-O-C // Альтернативная энергетика и экология - ISJAEE. 2009. № 9. С. 58-61.

14. Мотт Н., Дэвис Э. Электронные процессы в некристаллических веществах. М.: Мир, 1974.

15. Калинин Ю.Е. Электрические свойства мно-гослоек металл-полупроводник с аморфной структурой / Ю.Е. Калинин, К.Г. Королев, А.В. Ситников // Письма в ЖТФ. 2006. Т. 32, Вып. 6. С. 61-67.

16. Калинин Ю.Е. Физические свойства наноком-позитов металл-диэлектрик с аморфной структурой / Ю.Е. Калинин, А.В. Ситников, О.В. Стогней // Альтернативная энергетика и экология - ISJAEE. 2007. № 12. С. 59-71.

17. Chen W. Electrical conductivity and thermopower of Cu-SiO2 nanogranular films / W. Chen, J. Lin, X. Zhang, H. Shin, J. Dyck, C. Uher // Applied physics letters. 2002. Vol. 81, No. 3. P. 523-525.

18. Piraux L. Thermal and thermoelectric properties of granular Co-Ag solids / L. Piraux, M. Cassart, E. Grivey, M. Kinany-Alaoui, V. Bayot, J. Samuel Jiang, John Q. Xiao, C.L. Chien // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 1994. Vol.136. P. 221-228.