Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Физико-математические науки
Физика полупроводников и диэлектриков

Диссертационная работа:

Хабибуллин Илдар Хайдарович. Исследование электронных и магнитных свойств многокомпонентного магнитного полупроводника CuFeS2 : диссертация ... кандидата физико-математических наук : 01.04.10 / Хабибуллин Илдар Хайдарович; [Место защиты: Казан. гос. энергет. ун-т].- Казань, 2009.- 101 с.: ил. РГБ ОД, 61 09-1/854

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

ВВЕДЕНИЕ 3

ГЛАВА I. Кристаллическая структура и физические свойства халькопирита CuFeS2

  1. Кристаллическая структура 11

  2. Электрические свойства 18

  3. Магнитные свойства 28

ГЛАВА П. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА И ОБРАБОТКИ ЭКСПЕ
РИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ 33

  1. Измерение проводимости и эффекта Холла в полупроводниках 33

  2. Измерение магнитной восприимчивости 45

  3. Методика измерения и математической обработки мессбауэровских 48

спектров

2.4. Радиоспектрометр импульсный ИСШ-1 51

ГЛАВА III. ЭЛЕКТРОННЫЕ СВОЙСТВА МАГНИТНОГО 60

ПОЛУПРОВОДНИКА CuFeS2

  1. Введение 60

  2. Электропроводность и эффект Холла в халькопирите CuFeS2 63

Заключение к главе III 71

ГЛАВА IV. МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ХАЛЬКОПИРИТА CuFeS2 72

  1. Введение 72

  2. Магнитная восприимчивость в халькопирите CuFeS2 73

  3. Мессбауэровские спектры в халькопирите CuFeS2 77

  4. Спектры ЯМР ' Си в локальном поле халькопирита CuFeS2 82

Заключение к главе IV 90

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 91

ЛИТЕРАТУРА 93

Введение к работе:

В настоящее время особое внимание уделяется многокомпонентным полупроводниковым соединениям, которые обладают большим разнообразием электрофизических и оптических свойств по сравнению с элементарными и бинарными полупроводниками. Среди них особое место занимают магнитные полупроводники со структурой халькопирита -вещества, не только сочетающие магнитное упорядочение и типичную для полупроводников проводимость, но и обладающие уникальными физическими эффектами в результате взаимосвязи электронной и спиновой систем. Возможность вариации их химического состава, условий синтеза, легирования, позволяет управляемым образом получать материалы с широким спектром таких физических характеристик, как ширина запрещенной зоны, энергетическое положение полос излучения, тип проводимости и удельная электропроводность. Сложный энергетический спектр электронов и анизотропия оптических свойств позволяют создавать на основе халькопиритовых кристаллов фотодетекторы, элементы солнечных батарей, когерентные и некогерентные источники поляризованного излучения [1].

Еще одна причина повышенного интереса к полупроводникам со структурой халькопирита связана с их применением в новом направлении науки спинтроники (электроника на спиновом транспорте — spin transport electronics (spintronics)). В спинтронике используется не только заряд электрона, но и его спин, то есть внутренний момент количества движения и связанный с ним магнитный момент. Положение атомов переходных элементов в анионной и катионной подрешетках соединений со структурой халькопирита может обеспечить переход материала в ферромагнитное состояние со сравнительно высокой точкой Кюри при сохранении основных полупроводниковых параметров [2].

Однако, несмотря на использование различных физических методов в исследовании халькопиритов, основные структурные и морфологические свойства до настоящего времени полностью не раскрыты, а имеющиеся в литературе данные носят противоречивый характер. В ходе большого количества экспериментальных и теоретических исследований был обнаружен ряд необычных физических характеристик, что явилось поводом для дальнейшего исследования. В халькопирите CuFeS2 до сих пор точно не установлено ионное состояние, предполагается, что он может находиться в двух ионных состояниях Cu+Fe +S2~2 и Си +Fe +Sr~2. Более того, на основании проведенных в работе [3] температурных измерений магнитного момента и проводимости, делается заключение, что в халькопирите, который является типичным полупроводником, проявляется в основном ковалентный, а не ионный тип связи. В работе [4] делается вывод, что данное соединение является бесщелевым полупроводником. Поэтому является актуальным проведение детальных исследований электрических и магнитных свойств, определение типа проводимости, магнитной структуры, локальных магнитных полей.

Большую информацию о связи электронного строения и физических свойств халькопирита могли бы предоставить исследования CuFeS2 методами ядерного магнитного резонанса (ЯМР), ядерного гамма - резонанса (ЯГР), рентгеноструктурного анализа. С помощью этих методов возможно получение ценных сведений о фазовых переходах, дефектах кристаллической решетки, симметрии ближайшего окружения резонансных ядер, природе химической связи. Характеристические параметры ядерных квадрупольных взаимодействий (ЯКВ) — константа ядерной квадрупольной связи (Qcc) и параметр асимметрии (ц) — являются своеобразным «паспортом» не только индивидуального соединения, но и его определенной кристаллической модификации. Высокая информативность указанных методов в изучении электронно-ядерных взаимодействий, в зависимости от различного рода нарушений и изменений структуры, влияние температуры, давления,

5 внутренних и внешних магнитных полей и т.д. доказана на многих модельных объектах.

Таким образом, изучение физических свойств полупроводникового соединения CuFeS2 рядом современных физических методов является актуальной задачей, как с научной, так и с практической точки зрения.

Цель диссертационной работы. Целью настоящей диссертационной
работы является систематическое исследование электронных и магнитных
свойств многокомпонентного магнитного полупроводника CuFeS2 методами
измерений электропроводности, эффекта Холла, магнитной

восприимчивости, мессбауэровской спектроскопии и ЯМР ' Си в локальном магнитном поле. Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

  1. Проведение сравнительных исследований температурных зависимостей кинетических коэффициентов - удельной электропроводности (а) и постоянной Холла (/?#) - в природных и синтезированных образцах халькопирита для определения концентрации и подвижности носителей заряда.

  2. Исследование магнитной восприимчивости серии образцов халькопирита для определения особенностей магнитного упорядочения;

  3. Проведение исследований методом Мессбауэровской спектроскопии магнитных и структурных свойств халькопирита для определения локальных магнитных полей и валентного состояния.

  4. Исследования спектральных параметров ЯМР ' Си в локальном магнитном поле в серии магнитных полупроводников типа CuFeS2 Для определения основных параметров ядерных квадрупольных взаимодействий.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. В образцах халькопирита CuFeS2, полученных искусственным путем, и образцах природного происхождения обнаружено значительное различие в значениях электропроводности и постоянной Холла при низких

температурах. Такое различие связывается с ферронным характером переноса носителей заряда в антиферромагнитной фазе CuFeS2.

2. При исследовании температурной зависимости магнитной
восприимчивости в серии образцов CuFeS2 обнаружены аномалии в
температурной области 50-80К, обусловленные переходом спиновой системы
Си из парамагнитного состояния в антиферромагнитное.

  1. По результатам исследования Мессбауэровских спектров в образцах халькопирита определено его валентное состояние Си+Fe3+ S22' (Т=300К) и величина эффективного сверхтонкого поля на ядрах железа (НЭфф~ 360 кЭ). По полученным данным образцы стехиометрического состава CuFeS2 оказались двухфазными, а дефицитный по сере образец состава CuFeSjso -однофазным.

  2. Изучение спектра ЯМР ' Си в локальном поле было использовано для определения параметров ядерных квадрупольных взаимодействий меди: константы квадрупольного взаимодействия Осс, параметра асимметрии ц и значения внутреннего магнитного поля Н в месте расположения ядер меди. Отсутствие сигналов ЯМР б3-65Си в локальном поле в ряде образцов CuFeS2 вызвано неоднородностью локальных полей, обусловленной сравнительно высокой концентрацией носителей заряда.

Научная новизна диссертационной работы определяется следующими результатами:

  1. В серии образцов полупроводникового соединения CuFeS2 как природного происхождения, так и полученных искусственным путем, выполнено комплексное исследование электрофизических характеристик, таких как удельная проводимость, подвижность и концентрация носителей заряда, установлен ферронный характер их переноса.

  2. Проведены исследования температурной зависимости магнитной восприимчивости в образцах CuFeS2 в расширенном диапазоне температур 4.2-300К.

3. Выполнены исследования структурных и магнитных свойств ряда
полупроводниковых соединений CuFeS2 комплексными методами,
включающими мессбауэровскую спектроскопию и рентгеноструктурный
анализ. Обнаружено, что образцы стехиометрического состава CuFeS2
оказались двухфазными, а дефицитный по сере образец состава CuFeSL90 -
однофазным.

4. В многокомпонентном магнитном полупроводнике CuFeS2
проведено широкое систематическое экспериментальное исследование

63,65,-,

спектра ядерного магнитного резонанса Си во внутреннем локальном магнитном поле, что позволило получить основные характеристики ядерных квадрупольных взаимодействий в этом соединении. Выполнены оценки внутренних магнитных полей в магнитном полупроводнике CuFeS2,

5. Впервые для полупроводника CuFeS2 при обработке спектров была
использована модель, согласно которой при наблюдении ЯМР во внутренних
локальных магнитных полях, направление магнитного поля относительно
главных осей тензора градиента электрического поля (ГЭП) фиксировано.

Практическая значимость полученных результатов определяется широким применением полупроводников со структурой халькопирита в приборостроении, солнечной энергетике и спинтронике. Полученные результаты могут быть использованы при теоретических и экспериментальных исследованиях физических свойств полупроводников со структурой халькопирита и оказаться ценными для специалистов, занимающихся вопросами электронной структуры и магнитных свойств многокомпонентных полупроводников.

Достоверность результатов определяется тем, что они получены с помощью надежных, современных методик и хорошо воспроизводятся. Полученные результаты соответствуют экспериментальным результатам и теоретическим моделям, опубликованным в научных статьях, обзорах и монографиях.

8 Личный вклад автора диссертации состоит в следующем:

  1. При непосредственном участии автора получена основная часть экспериментальных результатов: проведены температурные измерения электропроводности, эффекта Холла, магнитной восприимчивости, получены и изучены спектры ЯМР ' Си в локальном магнитном поле.

  2. Автором проводились работы по модернизации экспериментальной установки для проведения низкотемпературных измерений электропроводности и эффекта Холла в образцах многокомпонентного полупроводника CuFeS2.

  3. Автор принимал участие в обработке полученных Мессбауэровских спектров и спектров ЯМР б3,б5Си в локальном магнитном поле и в обсуждении результатов электрических и магнитных измерений, выполненных на серии образцов халькопирита.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на XI Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (г. Москва, 2005 г.), Юбилейной XX Международной школе-семинаре «Новые магнитные материалы микроэлектроники» (г. Москва, 2006 г.), XVIII Всероссийской межвузовской научно-технической конференции «Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий» (г. Казань, 2006 г.), Первой всероссийской молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения» (г. Казань, 2006 г.), XIII Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (г. Москва, 2007 г.), XIX Всероссийской межвузовской научно-технической конференции «Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий» (г. Казань. 2007 г.), II Молодежной международной научной

9 конференции «Тинчуринские чтения» (г. Казань, 2007 г.), Международной научной конференции «Актуальные проблемы физики твердого тела. ФТТ-2007» (г. Минск. 2007 г.), XIV Всероссийской конференции «Структура и динамика молекулярных систем» (г. Москва, 2007 г.), Международной научно-технической конференции «Энергетика-2008: инновации, решения, перспективы» (г. Казань, 2008 г.).

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы.

Во введении обосновываются актуальность, цели и задачи диссертационной работы, формулируются основные результаты и положения, выносимые на защиту.

В первой обзорной главе содержится общий обзор литературы, в которой рассмотрены результаты экспериментальных и теоретических работ, посвященных исследованию кристаллической структуры, электронных и магнитных свойств полупроводниковых кристаллов CuFeS2 различными методами. Отдельное внимание уделено противоречивости полученных ранее результатов

Вторая глава посвящена описанию методики и техники эксперимента. В ней рассмотрены особенности проведения исследований спектра ЯМР ' Си в локальном поле и ядерной релаксации Си с помощью импульсного спектрометра ИСШ-1. Показана блок-схема используемого блока управления спектрометром ИСШ-1 на основе микроконтроллера серии ATmegal6/32. Описана методика проведения исследования температурной зависимости электропроводности и эффекта Холла, методика измерения магнитной восприимчивости. Измерения удельной проводимости а и постоянной Холла Ян образцов халькопирита проводились четырехзондовым методом в интервале температур 77-300 К. Измерения магнитной восприимчивости были проведены методом Фарадея. Описана математическая обработка полученных мессбауэровских спектров. Мессбауэровские исследования проводились в лаборатории ядерной физики кафедры физики твердого тела

10 Казанского государственного университета на стандартном мессбауэровском спектрометре МС 1101Э, работающем в режиме постоянного ускорения. Измерения магнитной восприимчивости проводились в лаборатории перспективных материалов Казанского физико-технического института им. Е.К. Завойского (КазНЦ РАН).

В третьей главе основное внимание уделено результатам исследований структурных и электрических свойств, серии образцов магнитного полупроводника CuFeS2- Приведены рентгенограммы и данные экспериментального исследования электронных свойств образцов полупроводникового соединения CuFeS2- На основании полученных результатов сделаны выводы.

В четвертой главе приведены результаты исследования магнитных свойств полупроводникового соединения CuFeS2, выполненных методами мессбауэровской спектроскопии и ЯМР ' Си в локальном поле, а также результаты измерения температурной зависимости магнитной восприимчивости. Проведен анализ полученных результатов и представлены выводы.

В заключение диссертационной работы подводится итог проведенным исследованиям, и приводятся основные результаты и выводы.

Работа выполнялась на кафедре физики Казанского Государственного энергетического университета. Часть исследований была выполнена в лаборатории перспективных материалов КФТИ им. Е.К. Завойского КазНЦ РАН, а также в лаборатории твердого тела Казанского государственного университета.


© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net