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

Podobne dokumenty
Teoria pasmowa. Anna Pietnoczka

Elektryczne własności ciał stałych

Przewodność elektryczna ciał stałych. Elektryczne własności ciał stałych Izolatory, metale i półprzewodniki

Rozszczepienie poziomów atomowych

S. Baran - Podstawy fizyki materii skondensowanej Półprzewodniki. Półprzewodniki

Zjawiska zachodzące w półprzewodnikach Przewodniki samoistne i niesamoistne

2. Półprzewodniki. Istnieje duża jakościowa różnica między właściwościami elektrofizycznymi półprzewodników, przewodników i dielektryków.

STRUKTURA PASM ENERGETYCZNYCH

Fizyka i technologia złącza PN. Adam Drózd r.

Teoria pasmowa ciał stałych

Struktura pasmowa ciał stałych

Funkcja rozkładu Fermiego-Diraca w różnych temperaturach

Repeta z wykładu nr 3. Detekcja światła. Struktura krystaliczna. Plan na dzisiaj

Półprzewodniki samoistne. Struktura krystaliczna

Ciała stałe. Literatura: Halliday, Resnick, Walker, t. 5, rozdz. 42 Orear, t. 2, rozdz. 28 Young, Friedman, rozdz

METALE. Cu Ag Au

Przyrządy i układy półprzewodnikowe

Przewodnictwo elektryczne ciał stałych. Fizyka II, lato

Przerwa energetyczna w germanie

Cel ćwiczenia: Wyznaczenie szerokości przerwy energetycznej przez pomiar zależności oporności elektrycznej monokryształu germanu od temperatury.

Podstawy fizyki ciała stałego półprzewodniki domieszkowane

E3. Badanie temperaturowej zależności oporu elektrycznego ciał stałych 1/5

W1. Właściwości elektryczne ciał stałych

Ćwiczenie Badanie zależności temperaturowej oporu elektrycznego metalu i półprzewodnika

3.4 Badanie charakterystyk tranzystora(e17)

Elektryczne własności ciał stałych

Różne dziwne przewodniki

Ćwiczenie 5 BADANIE ZALEŻNOŚCI PRZEWODNICTWA ELEKTRYCZNEGO PÓŁPRZEWODNIKA OD TEMPERATURY 1.WIADOMOŚCI OGÓLNE

Wykład IV. Półprzewodniki samoistne i domieszkowe

Chemia nieorganiczna. Copyright 2000 by Harcourt, Inc. All rights reserved.

Model elektronów swobodnych w metalu

POMIAR ZALEŻNOŚCI OPORU METALI I PÓŁPRZEWODNIKÓW OD TEMPERATURY

Przewodnictwo elektryczne ciał stałych

Przejścia promieniste

Chemia nieorganiczna. Pierwiastki. niemetale Be. 27 Co. 28 Ni. 26 Fe. 29 Cu. 45 Rh. 44 Ru. 47 Ag. 46 Pd. 78 Pt. 76 Os.

P R A C O W N I A

+ + Struktura cia³a sta³ego. Kryszta³y jonowe. Kryszta³y atomowe. struktura krystaliczna. struktura amorficzna

Repeta z wykładu nr 6. Detekcja światła. Plan na dzisiaj. Metal-półprzewodnik

Przyrządy półprzewodnikowe

VI. POMIAR ZALEŻNOŚCI OPORNOŚCI METALI I PÓŁPRZEWODNIKÓW OD TEMPERATURY

Repeta z wykładu nr 5. Detekcja światła. Plan na dzisiaj. Złącze p-n. złącze p-n

Absorpcja związana z defektami kryształu

Podstawy krystalografii

Złącze p-n: dioda. Przewodnictwo półprzewodników. Dioda: element nieliniowy

Instytut Systemów Inżynierii Elektrycznej Wydział Elektrotechniki, Elektroniki Informatyki i Automatyki Politechnika Łódzka

Elektryczne własności ciał stałych

na dnie (lub w szczycie) pasma pasmo jest paraboliczne, ale masa wyznaczona z krzywizny niekoniecznie = m 0

Ryszard J. Barczyński, 2012 Politechnika Gdańska, Wydział FTiMS, Katedra Fizyki Ciała Stałego Materiały dydaktyczne do użytku wewnętrznego

elektryczne ciał stałych

półprzewodniki Plan na dzisiaj Optyka nanostruktur Struktura krystaliczna Dygresja Sebastian Maćkowski

elektryczne ciał stałych

Pasmowa teoria przewodnictwa. Anna Pietnoczka

III.4 Gaz Fermiego. Struktura pasmowa ciał stałych

Fizyka 2. Janusz Andrzejewski

Własności optyczne półprzewodników

1. PÓŁPRZEWODNIKI 1.1. PODSTAWOWE WŁAŚCIWOŚCI PÓŁPRZEWODNIKÓW

TEORIA PASMOWA CIAŁ STAŁYCH

WIĄZANIA. Co sprawia, że ciała stałe istnieją i są stabilne? PRZYCIĄGANIE ODPYCHANIE

EFEKT HALLA W PÓŁPRZEWODNIKACH.

LABORATORIUM INŻYNIERII MATERIAŁOWEJ

3. ZŁĄCZE p-n 3.1. BUDOWA ZŁĄCZA

Właściwości optyczne. Oddziaływanie światła z materiałem. Widmo światła widzialnego MATERIAŁ

S. Baran - Podstawy fizyki materii skondensowanej Gaz Fermiego elektronów swobodnych. Gaz Fermiego elektronów swobodnych

Elementy teorii powierzchni metali

Zjawisko Halla Referujący: Tomasz Winiarski

Wykład III. Teoria pasmowa ciał stałych

Zaburzenia periodyczności sieci krystalicznej

Badanie charakterystyki diody

W5. Rozkład Boltzmanna

TEORIA TRANZYSTORÓW MOS. Charakterystyki statyczne

Skończona studnia potencjału

Repeta z wykładu nr 4. Detekcja światła. Dygresja. Plan na dzisiaj

GAZ ELEKTRONÓW SWOBODNYCH POWYŻEJ ZERA BEZWZGLĘDNEGO.

Rekapitulacja. Detekcja światła. Rekapitulacja. Rekapitulacja

Budowa i podstawowe własności materiałów. Prof. dr hab. inż. Grzegorz Karwasz Tel Pokój 570

Wykład VI. Teoria pasmowa ciał stałych

Wykład XIV: Właściwości optyczne. JERZY LIS Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki Katedra Technologii Ceramiki i Materiałów Ogniotrwałych

Repeta z wykładu nr 8. Detekcja światła. Przypomnienie. Efekt fotoelektryczny

Ćwiczenie 241. Wyznaczanie ładunku elektronu na podstawie charakterystyki złącza p-n (diody półprzewodnikowej) .. Ω.

Układy nieliniowe. Stabilizator - dioda Zenera. Dioda LED. Prostownik na diodach (Graetza) Logiczna bramka NAND. w.7, p.1

WPOMAGANIE PROCESU IDENTYFIKACJI RADIACYJNYCH CENTRÓW DEFEKTOWYCH W MONOKRYSZTAŁACH KRZEMU BADANYCH METODĄ HRPITS

Opracowała: mgr inż. Ewelina Nowak

Urządzenia półprzewodnikowe

POLITECHNIKA GDAŃSKA WYDZIAŁ FIZYKI TECHNICZNEJ I MATEMATYKI STOSOWANEJ EKSCYTONY. Seminarium z Molekularnego Ciała a Stałego Jędrzejowski Jaromir

Nanostruktury i nanotechnologie

Część 2. Przewodzenie silnych prądów i blokowanie wysokich napięć przy pomocy przyrządów półprzewodnikowych

S. Baran - Podstawy fizyki materii skondensowanej Pasma energetyczne. Pasma energetyczne

i elementy z półprzewodników homogenicznych część II

Zjawisko termoelektryczne

ZALEŻNOŚĆ OPORU ELEKTRYCZNEGO 57 METALU I PÓŁPRZEWODNIKA OD TEMPERATURY

Podstawy fizyki wykład 4

LABORATORIUM INŻYNIERII MATERIAŁOWEJ

ELEKTRONIKA I ENERGOELEKTRONIKA

Przewodniki, półprzewodniki i izolatory

ELEKTRONIKA ELM001551W

ZALEŻNOŚĆ OPORU ELEKTRYCZNEGO METALU I PÓŁPRZEWODNIKA OD TEMPERATURY

CZ STECZKA. Do opisu wi za chemicznych stosuje si najcz ciej jedn z dwóch metod (teorii): metoda wi za walencyjnych (VB)

Spektroskopia charakterystycznych strat energii elektronów EELS (Electron Energy-Loss Spectroscopy)


Wzrost pseudomorficzny. Optyka nanostruktur. Mody wzrostu. Ekscyton. Sebastian Maćkowski

Transkrypt:

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 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 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 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

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

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

10 Współczynnik odbicia światła stopów SiNi:H [2]

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

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

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

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 Temperaturowa zależność przewodnictwa elektrycznego amorficznych stopów SiNi i SiNi:H ρ μωcm [1] 10 2 10 13 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 ~ 0.45-0.35

19 Temperaturowa zależność przewodnictwa elektrycznego amorficznych stopów SiNi i SiNi:H 10 2 [1] ρ μωcm 10 13 stopach o wyższej zawartości metalu: stosunkowo niewielkie zmiany przewodnictwa ze wzrostem temperatury zachowanie typowe dla metali

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 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 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 [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 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.

fot. ZK

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