Импедансная спектроскопия в исследовании диэлектриков и полупроводников

ВВЕДЕНИЕ

Моделирование, синтез и исследование новых функциональных материалов является одним из актуальных научных направлений. Нередко новые материалы по характеру температурной зависимости сопротивления относят к полупроводникам. Однако в связи с возможным влиянием особенностей микроструктуры на транспорт носителей заряда такая формальная классификация может быть не вполне корректной и требует более детального рассмотрения. Вследствие сложного химического состава и микроструктуры функциональных материалов проблема оптимизации их параметров для прикладных целей также связана с определением механизмов переноса носителей заряда. Поэтому исследование электрофизических свойств полупроводников и полупроводниковых структур с учетом их реальной микроструктуры является важной и актуальной задачей.

Метод импедансной спектроскопии, в ряде случаев позволяющий разделить и определить вклады от различных элементов микроструктуры в полную проводимость образца, широко применяется как в прикладных, так и в фундаментальных исследованиях. Эффективность этого метода обусловлена, в том числе, тем, что большинство синтезируемых функциональных материалов являются керамиками. Получать сложные соединения в виде монокристаллов трудно, и, как правило, нецелесообразно с прикладной точки зрения.

Известно, что транспорт носителей заряда в структурно неоднородных образцах, которыми, в частности, могут быть керамики, имеет ряд существенных особенностей. Модуляция зонного рельефа как результат искривления зон на границах сред в ряде случаев приводит к формированию дрейфовых и рекомбинационных барьеров в энергетическом спектре образца. Поэтому нельзя исключать того, что наблюдаемая в эксперименте активационная температурная зависимость сопротивления полупроводникового материала и соответствующая ей величина энергии активации связаны не с характеристикой энергетического спектра соединения, а с явлением активации на порог подвижности носителей, определяемый дрейфовым барьером. Использование метода импеданс-спектроскопии дает возможность получить прямую информацию об электрофизических свойствах поликристалла, качественно и количественно описать вклады в его проводимость от объема зерна, его поверхности и межкристаллитной границы, учесть влияние эффектов Максвелла-Вагнера, обычно наблюдаемых в неоднородных структурах.

В настоящей работе были исследованы методом импедансной спектроскопии различные полупроводниковые структуры. В частности, были выбраны оксидные керамики, среди которых как новые материалы Sr0.75-xCaxY0.25Co0.25Mn0.75O3-, 0 ≤ x ≤0.6, перспективные для энергетических приложений, так и образцы хорошо известного базового материала энергетической отрасли Zr0.84Y0.16O1.92, изученные в данной работе как элементы сложных структур. Помимо керамики на основе оксидов были исследованы поликристаллические полупроводниковые клатраты Sn24P19.3IxBr8-x, 0 ≤ х ≤ 8, -– новые перспективные материалы для создания термоэлектрических устройств. Наряду с перечисленными керамиками объектами изучения являлись монокристаллы узкощелевого полупроводника Pb0.92Ge0.08Te(Ga), перспективного материала инфракрасной оптоэлектроники. Ранее в теллуриде свинца-германия, легированном галлием, наблюдались низкотемпературные диэлектрические аномалии, природа которых осталась до конца не понятой. На этом примере показано, что применение метода импеданс-спектроскопии позволяет получить важную дополнительную информацию о характере проводимости в легированных полупроводниках, о возможных процессах перезарядки в системе примесных центров и проводимости по примесной зоне.

Работа состоит из введения, двух глав и заключения. В первой главе коротко представлены теоретические аспекты метода импеданс-спектроскопии, обсуждается применение приближения эквивалентных схем и возможности его использования для исследования диэлектрических свойств полупроводников, рассмотрен эффект МаксвеллаВагнера. Во второй главе представлены основные результаты, полученные для ряда полупроводниковых структур: керамических образцов твердого электролита YSZ, керамики на основе полупроводникового клатрата варьируемого состава Sn24P19.3IxBr8-x, 0 ≤ х ≤ 8, монокристаллов Pb0.92Ge0.08Te(Ga). В связи с разнообразием исследованных объектов, краткий литературный обзор по соответствующему материалу приведен во введении к каждому пункту главы. Результаты, приведенные во второй главе, демонстрируют информативность метода импеданс-спектроскопии. В заключении обобщены основные результаты и приведены выводы работы.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

    1.    М.К. Шейнкман, А.Я. Шик. Долговременные релаксации и остаточная проводимость в полупроводниках. // ФТП, 1976, т. 10, вып. 2, с. 209 – 232 
    2.    Л.Н. Неустроев, В.В. Осипов. К теории физических свойств фоточувствительных поликристаллических пленок типа PbS. // ФТП, 1986, т. 20, вып. 1, с. 59 – 72 
    3.     Т.Л. Челидзе, А.И. Деревянко, О.Д. Куриленко. Электрическая спектроскопия гетерогенных систем. // Наукова думка, 1977 
    4.    Л.И. Рябова, Д.Р. Хохлов. Проблема примесных состояний в узкощелевых полупроводниках на основе теллурида свинца. // Письма в ЖЭТФ, 2004, т. 80, вып. 2, с. 143 – 149 
    5.    Б.М. Графов, Е.А. Укше. Электрохимические цепи переменного тока. // Изд-во «Наука», 1973 
    6.    Е.А. Укше, Н.Г. Букун. Твердые электролиты. // Изд-во «Наука», 1977 
    7.    В.Н. Чеботин, М.В. Перфильев. Электрохимия твердых электролитов. // Изд-во Химия, 1978
    8.    В.Л. Бонч-Бруевич, И.П. Звягин, Р. Кайпер, Р. Энгдерлайн, Б.-М. Эссер, Электронная теория неупорядоченных полупроводников. // Наука, 1981
    9.    И.С. Бредихин, Ф.С. Напольский, Е.В. Коровкин, С.Я. Истомин, Е.В. Антипов, С.И. Бредихин. Кальцийсодержащий катодный материал для ТОТЭ. // Электрохимия, 2009, т. 45, с. 463-467
    10.    Л.И. Королева. Магнитные полупроводники. // МГУ, Физический факультет, 2003
Н.Б. Иванова, С.Г. Овчинников, М.М. Коршунов, И.М. Еремин, Н.В. Казак. Особенности спинового, зарядового и орбитального упорядочений в кобальтитах. // УФН, 2009