高压下化合物半导体的电输运性质研究

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本论文利用基于金刚石对顶砧的高压原位电学测量手段,协同测量多个电学参量并结合第一性原理计算,系统地研究了化合物半导体SnO、Ag2S、Bi2Te3、Bi2Se3以及Sb2Te3的电阻率、霍尔系数、载流子浓度、迁移率、激活能等在压力作用下的变化规律,给出了导电过程中载流子的输运特征,讨论了相关的物理机制,为材料的实际应用提供了一定的指导与建议。具体的实验与理论结果如下:1、利用高压原位电阻率、Hall效应、变温电阻率测量以及第一性原理计算对SnO高压下的载流子导电行为进行了全面的研究,观测到SnO的电阻率、霍尔系数、载流子浓度、迁移率、激活能等在压力调制下的改变。在1.3GPa时霍尔系数由正变负,表明SnO在此压力下经历了一个从空穴导电为主到电子导电为主的载流子类型的转变。随着压力增大到2-3GPa时,SnO发生四方到正交相的结构相变,引起了SnO的电阻率、霍尔系数、载流子浓度、迁移率、激活能等电学参量的不连续变化。另外,SnO的金属化转变在5GPa时被发现,能带结构计算的结果表明SnO发生金属化是由于其间接能隙闭合导致的,而态密度分布计算进一步证明这是由于Sn-5s态和-5p态与O-2p态在费米面附近强烈杂化所导致的。2、利用高压原位Hall效应测量、变温电阻率测量以及第一性原理计算对Ag2S进行了全面的电学行为研究,弥补了高压下Ag2S电学性质研究的缺失。Hall效应测量的结果表明:高压下Ag2S的两次结构相变都能够引起其电阻率、霍尔系数、载流子浓度以及迁移率的不连续变化;高压下电阻率测量结合第一性原理计算分析得到:HP2相Ag2S的施主杂质能级在逐步远离导带底,在15GPa时由于能隙的突然塌缩以及部分Ag-S共价键的断裂,空穴参与导电的能力在逐步提升,Ag2S由此从n型半导体转变为p型半导体;变温电阻率测量表明:在15.8GPa时由于杂质和缺陷电离的完全饱和,Ag2S表现出类金属导电的特性;随着压力的继续增加,Ag2S转变成深受主杂质半导体。3、利用高压原位Hall效应以及变温电阻率测量对拓扑绝缘体材料Bi2Te3、Bi2Se3以及Sb2Te3进行了全面的分析。(1)高压下Bi2Te3的三个晶体结构相变能够引起其电阻率、霍尔系数、载流子浓度以及迁移率等电学参量在8、12和17.8GPa发生不连续变化。而电子拓扑相变以及载流子类型反转也分别在4和8GPa时被发现。在9.2GPa时发生的金属化相变则反映出Bi2Te3体能隙的闭合。此金属化压力以后,Bi2Te3的无能隙金属表面态无法再与其金属化体态清晰地区分,Bi2Te3的拓扑本征由此消失。(2)高压下Bi2Se3的电子拓扑相变以及晶体结构相变能够引起其电阻率、霍尔系数、载流子浓度以及迁移率等电学参量在5.8、12.9、16.8和21.7GPa时发生不连续的异常变化。同时,电子拓扑相变的发生也被证实与费米面附近能带形状的拓扑改变有关。在9.7GPa时金属化的发生则反映出Bi2Se3拓扑性的消失。以上结论对压力调制下Bi2Se3的物性变化提供了信息,为接下来的实际应用提出了必要的指导。(3)高压下Sb2Te3的电子拓扑相变以及晶体结构相变也能够引起其电阻率、霍尔系数、载流子浓度以及迁移率等电学参量在3.8、9.1、14.9和20.8GPa时发生不连续的异常变化。变温电阻率测量则表明压力的增加能够引起Sb2Te3绝缘性的增强,Sb2Te3并不会像Bi2Te3、Bi2Se3一样发生压致金属化相变。此外,压力调制下Sb2Te3的电阻率呈现出较大的变化则为开拓PCM材料的研究提供了新的思路。通过对比三种材料Bi2Te3、Bi2Se3以及Sb2Te3高压下的电学性质,我们发现每一次电子和晶体结构相变都能够引起Bi2Te3、Bi2Se3以及Sb2Te3的电输运参量(电阻率、霍尔系数、载流子浓度以及迁移率等)的不连续变化,但是Bi2Te3、Bi2Se3以及Sb2Te3在相同结构下的电输运参量随着压力的依赖关系却是各不相同。此外,高压下Bi2Te3、Bi2Se3以及Sb2Te3的电阻率受温度的影响也不尽相同。从微观角度来讲,出现上述情况的主要原因在于Bi、Sb、Te和Se的原子半径以及电负性的差异所引起的化学键与结构稳定性的不同。Bi、Sb、Te和Se的原子半径()分别是:1.60、1.45、1.40、1.15;而它们的电负性分别为:2.02、2.05、2.10、2.55。而从宏观角度来讲,Bi2Te3、Bi2Se3以及Sb2Te3电输运行为的差异则可能来自其能隙和杂质(缺陷)浓度的不同。
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