Własności elektronowe amorficznych stopów Si/Me:H w pobliżu przejścia izolator-metal

Wielkość: px

Rozpocząć pokaz od strony:

Download "Własności elektronowe amorficznych stopów Si/Me:H w pobliżu przejścia izolator-metal"

Sebastian Kruk
7 lat temu
Przeglądów:

1 1 Własności elektronowe amorficznych stopów Si/Me:H w pobliżu przejścia izolator-metal Gęste pary metali (wzrost gęstości -> I-M) niemetale poddane wysokiemu ciśnieniu -> I-M Cs-CsH (wzrost ciśnienia wodoru (T>T c ) -> M-I) Półprzewodnik+metal (wzrost zaw. metalu -> I-M)

2 2 Literatura [1] Dammer et al., Effect of hydrogenation on the electronic properies of amorphous silicon-nickel alloys near the metal-insulator transition, J.Non-Cryst.Sol. (1993) [2] Bayliss et al., OJDOS evidence for semiconductor-to-metal transition in a-si 1-y Ni y :H, J.Phys.Cond.Mat. (1991) [3] Wright et al., J.Non-Cryst.Sol., Magnetoresistance and Hall effect in amorphous silicon-tantalum alloys near the metal-insulator transition, J.Non-Cryst.Sol. (1998) [4] Wright et al., Effect of hydrogenation on optical and electrical propeties of amorpous silicon-tantalum alloys near the metal-insulator transition, J.Phys.Cond. Mat., (1996) [5] Nishida et.al., Transport properties of amorphous Si 1-x Au x : metal-insulator transition and superconductivity, J. Non-Cryst. Sol., (1983) [6] Tanaka et al., Electronic structure and metal-insulator transition in amorphous Pd-Si films, J. Phys. Soc. Jap., (1995) [7] Popescu et al., Optical properties of sputtered hydrogeated amorphous carbon, J.Non-Cryst.Sol., (2000) [8] N.F. Mott, Metal-Insulator Transition, 1974

3 3 struktura pasmowa izolatora/półprzewodnika Izolator (krzem) duża przerwa energetyczna pasmo walencyjne zapełnione, pasmo przewodnictwa puste E 1 E 2 E g σ Ι ~ exp(-ε g /kt) = 0 Półprzewodnik (domieszkowany krzem) stany elektronowe domieszki w pobliżu wierzchołka pasma walencyjnego (s. akceptorowe, pp typu p) lub dna pasma przewodnictwa (s. donorowe, typ n) E 1, E 2 << E g σ n,p ~ exp(-e 1,2 /kt) Wzrost stężenia domieszki -> -> wzrost koncentracji elektronów wzbudzonych: * z poziomu domieszki-donora do pasma przewodnictwa, lub * z pasma walencyjnego do poziomu domieszki-akceptora -> wzrost przewodnictwa elektrycznego

4 4 Zlokalizowane stany związane położone w przerwie energetycznej puste zapełnione Przewodzenie prądu poprzez hopping przeskoki elektronów pomiędzy zlokalizowanymi stanami sąsiednich atomów metalu σ=σ 0 exp[-(t o /T) x ], x ~ ¼ lub x ~ ½ (w zależności od subtelności strukt. elektron.) Wzrost koncentracji domieszek: -> spadek odległości pomiędzy atomami domieszki -> łatwiejsze przeskoki -> wzrost przewodnictwa

na pasmo przewodnictwa Zakreskowane stany zlokalizowane.

5 5 model Mott a [8] Poszerzony zlokalizowany stan domieszki poniżej dna pasma przewodnictwa Stan domieszki zapełniony w połowie -> oddziaływanie elektronów -> rozszczepienie (stany Hubbard a) Górny poziom nakłada się na pasmo przewodnictwa Zakreskowane stany zlokalizowane. -wzrost nakładania się stanów Hubbard a ze wzrostem stężenia domieszki - zanik lokalizacji -> Przejście izolator-metal (poziom Fermiego w obrębie stanów niezlokalizowanych)

6 6 przejście typu izolator-metal wygenerować można: dodając dostatecznie dużo pierwiastka metalicznego do izolatora, np. Ni, Ta, Au, Pd do krzemu a także, w przypadku niektórych substancji, m.in. poddając je działaniu: ciśnienia lub jednoosiowego naprężenia pola magnetycznego

7 7 Preparatyka cienkich, amorficznych warstw Si/Me:H bombardowanie gazem (Ar lub mieszaniną Ar+H 2 ) warstwy krzemu z naniesionym na niej metalem (Si+52%Ni [1,2],+38%Ta [4]). odparowywanie, przy pomocy działka elektronowego, stopu Si/Me na podłoże krzemowe lub szklane w temperaturze pokojowej, w atmosferze Ar albo mieszaniny Ar (90%) i wodoru (10%) (Si+42%Au [5]). bombardowanie stopu jonami argonu, z osadzaniem atomów stopu na podłożu krzemowym (Si+91%Pd [6]). Własności/parametry warstw: Grubość do kilku μm, Skład analiza dyssypacji energii, EDAX [1,6]; fluoroscencyjna spektroskopia rentgenowska XFS [2] Amorficzność TEM[1]

8 8 Widmo rentgenowskie stopów Pd x Si 100-x [6] Pd Pd 2 Si warstwy amorficzne Si

9 9 metodyki pomiarowe przewodnictwo elektryczne [1,4] magnetoopór [3] pomiary optyczne [2,4] wspólczynnik odbicia transmisja efekt Halla [3]

10 10 Współczynnik odbicia światła stopów SiNi:H [2]

11 11 Wielkość przerwy optycznej w SiTa i SiTa:H w zależności od zawartości tantalu [4] W obecności wodoru potrzeba więcej tantalu, aby przeprowadzić stop do stanu metalicznego

12 Po przekroczeniu ~20% Ta: Zmiana znaku magnetooporu 100x wzrost koncentracji nośników (dziur) Dodatni efekt Halla tantal akceptorem Wpływ wodoru niewielki 12 Magnetoopór stopów SiTa i SiTa:H jako funkcja pola magnetycznego, 300 K [3] Si 1-y Ta y Ujemny, y < 0.2 Dodatni, y > 0.2 Si 1-y Ta y :H

13 13 Temperaturowa zależność oporności elektrycznej stopów Pd-Si [6] Si Pd

14 14 Gęstość stanów (DOS) Stopy pallad-krzem Przewodnictwo elektryczne [6] Pd przejście I-M 12% Pd metal półprzewodnik Si Poziom Fermiego DOS: wzrostowi gęstości stanów na poziomie Fermiego towarzyszy wzrost σ. Gwałtowny wzrost DOS. powyżej 12% Pd <-> M-I Auger ES: Si-Si wiązanie kowalencyjne <12% Pd, metaliczne >41% Pd

15 15 Temperaturowa zależność przewodnictwa elektrycznego amorficznych stopów Si 1-y Ta y i Si 1-y Ta y :H [4] SiTa y c ~ 0.16 SiTa:H y c ~ 0.18 Przy obecności wodoru potrzeba więcej tantalu dla uzyskania stanu metalicznego

16 16 Przewodnictwo elektryczne stopów SiTa i SiTa:H w 20 K jako funkcja składu stopu [4] Obecność wodoru powoduje zmniejszenie przewodnictwa elektrycznego

17 17 stopy Si 1-x Au x i Si 1-x Au x :H [5] x > x c Przewodnictwo elektryczne (0 K) temperatura przejścia w stan nadprzewodzący x=0.141 x=0.18 (x c =0.14) x=0.42

18 18 Temperaturowa zależność przewodnictwa elektrycznego amorficznych stopów SiNi i SiNi:H ρ μωcm [1] Wzrost przewodnictwa elektrycznego ze wzrostem temperatury o kilka rzędów wielkości, w stopach o zawartości niklu poniżej ok. 20 % - zachowanie typowe dla półprzewodników, tu z mechanizmem hopping przeskoki elektronów pomiędzy zlokalizowanymi stanami atomów niklu, położonymi w przerwie energetycznej pomiędzy pasmem walencyjnym a pasmem przewodnictwa krzemu [1,4,6] Teoria (obszar niemetaliczny): σ= σ 0 exp[-(t o /T) x ], x ~ ¼ lub x ~½ eksperyment: SiNi:H x ~ 0.47 SiNi x ~

19 19 Temperaturowa zależność przewodnictwa elektrycznego amorficznych stopów SiNi i SiNi:H 10 2 [1] ρ μωcm stopach o wyższej zawartości metalu: stosunkowo niewielkie zmiany przewodnictwa ze wzrostem temperatury zachowanie typowe dla metali

20 20 [1] Obszar metaliczny: σ = σ(0) + at w + bt z, teoria: w ~1/2 (oddziaływanie elektron-elektron) w ~ 1/3 (w pobliżu przejścia do stanu metalicznego) z ~ 1 (niesprężyste rozpraszanie elektron-fonon) z ~ 2 (niesprężyste rozpraszanie elektron-elektron) eksperyment: SiNi50:H w=0.5 i z=2 SiNi29:H w=0.15 i z=0 SiNi31 w=0.5

21 21 Przewodnictwo elektryczne SiNi i SiNi:H w temperaturze 10 K [1] SiNi <0 metal SiNi:H dσ/dt >0 półprzewodnik W obecności wodoru potrzeba o 7% więcej niklu, aby przeprowadzić stop w stan metaliczny

22 22 Podsumowanie wyników doświadczalnych: Przejście I-M przy klikunastu % metalu Negatywny wpływ wodoru: potrzeba więcej metalu dla osiągnięcia przejścia izolator-metal W układzie Si-Ta przewodnictwo dziurowe W układzie Si-Ni przewodnictwo elektronowe

23 23 [3] Modelowa struktura elektronowa Si:Me dangling bond ( wiszące, nienasycone wiązanie Si) Stany Hubbard a Si:Ni Si:Ta [3] DB <->HB - wzrasta koncentracja elektronów i DOS w górnym stanie Hubbard a (Si:Ni) - wzrasta koncentracja dziur w dolnym stanie Hubbard a (Si:Ta) To tłumaczy różny znak stałej Halla w tych dwóch układach: (przewodnictwo elektronowe & dziurowe) [1] SiNi:H nie ma DB. Potrzeba więcej Ni dla osiągnięcia delokalizacji i osiągnięcia przejścia I-M

24 24 Nawodorowany amorficzny węgiel (a-c:h) Amorficzne warstwy nawodorowanego krzemu są stosowane jako warstwy ochronne w magnetycznych twardych dyskach c H = H/(C+H) H/C=0.2 H/C=0.6 Zawartość wodoru: ERDA (elastic recoil detection analysis, promieniowanie α) Wielkość przerwy energetycznej zależy od stosunku ilości wiązań C-C typu sp 2 i sp 3. Obecność wodoru faworyzuje wiązanie typu sp 3, -> stąd wzrost optycznej przerwy energetycznej ze wzrostem zawartości wodoru.

25 fot. ZK

26 Temperatura przejścia w stan nadprzewodzący stopów SiAu i SiAu:H [5]

Podobne dokumenty

Teoria pasmowa. Anna Pietnoczka

Teoria pasmowa. Anna Pietnoczka Teoria pasmowa Anna Pietnoczka Opis struktury pasmowej we współrzędnych r, E Zmiana stanu elektronów przy zbliżeniu się atomów: (a) schemat energetyczny dla atomów sodu znajdujących się w odległościach