• Хабибуллин Илдар Хайдарович
  • 2009
  • 16

Исследование электронных и магнитных свойств многокомпонентного магнитного полупроводника CuFeS2 автореферат диссертации для написания диплома, курсовой работы, тема для доклада и реферата

Исследование электронных и магнитных свойств многокомпонентного магнитного полупроводника CuFeS2 - темы дипломов, курсовиков, рефератов и докладов Ознакомиться с текстом работы
Специальность ВАК РФ: 01.04.10 — Физика полупроводников
  • Реферун рекомендует следующие темы дипломов:
  • Кристаллическая структура и физические свойства халькопирита
  • Электронные свойства магнитного
  • Реферун советует написать курсовую работу на тему:
  • Распределение меди и цинка по классам крупности при бактериальном выщелачивании медно-цинковых продуктов
  • Изучение влияния состава бактериальных растворов на величину электродного потенциала минералов при флотации
  • Реферун советует написать реферат на тему:
  • Окисление поверхности бинарных теллуридов
  • Отработка режима тонкослойного электролиза в промышленных условиях
  • Реферун предлагает написать доклад на тему:
  • Идентификация твердых продуктов взаимодействия
  • Особенности рентгеноспектрального микроанализа
  • Нагрев минералов под действием электронного зонда
  • Изучение минералов метаморфических пород
Поделиться с друзьями:

Выдержки из автореферата диссертации Хабибуллин Илдар Хайдарович, 2009, 01.04.10 — Физика полупроводников

Актуальность темы. Интерес к изучению многокомпонентных магнитных полупроводников со структурой халькопирита связан, прежде всего, с их практическим применением в солнечной фотоэнергетике и спинтронике [1]. 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. 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 СмГе5; до сих пор точно не установлено ионное состояние, предполагается, что он может находиться в двух ионных состояниях Си^Ре^Я2'2 и См"+/ге"+5г"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 СиГеБз методами ядерного магнитного резонанса (ЯМР), ядерного гамма - резонанса (ЯГР), рентгеноструктурного анализа, которые позволяют изучать фазовые переходы, дефекты кристаллической

решетки, симметрию ближайшего окружения резонансных ядер, природу химической связи.

Таким образом, изучение физических свойств полупроводникового соединения СиГеБз 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 СиГеБ2 методами измерений электропроводности, эффекта Холла, магнитной восприимчивости, мессбауэровской спектроскопии и ЯМР 63 6}Си в локальном магнитном поле. Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Проведение сравнительных исследований температурных зависимостей кинетических коэффициентов - удельной электропроводности (о) и постоянной Холла (Ки) - 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 6Хб:,Си в локальном магнитном поле в серии магнитных полупроводников типа СиРе82 для определения основных параметров ядерных квадрупольных взаимодействий.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. В образцах халькопирита См/Ге5;, 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

2. При исследований температурной зависимости магнитной восприимчивости в серии образцов обнаружены аномалии в температурной области 50-80К.

обусловленные переходом спиновой системы Си из парамагнитного состояния в антиферромагнитное.

3. По результатам исследования Мессбауэровских спектров в образцах халькопирита определено его валентное состояние Си* Ре3'Б22' (Т=300К) и величина эффективного сверхтонкого поля на ядрах железа (Нэфф = 360 кЭ). По полученным данным образцы стехиометрического состава СиРеБ2 оказались двухфазными, а дефицитный по сере образец состава СиРеБ/.ж - однофазным.

4. Изучение спектра ЯМР 63 6}Си в локальном поле было использовано для определения параметров ядерных квадрупольных взаимодействий меди: константы квадрупольного взаимодействия £>сс, параметра асимметрии г] и значения внутреннего магнитного поля Н в месте расположения ядер меди. Отсутствие сигналов ЯМР 6365С'и в локальном поле в ряде образцов СиРеЯ? вызвано неоднородностью локальных полей, обусловленной сравнительно высокой концентрацией носителей заряда.

Научная новизна диссертационной работы определяется следующими результатами:

1. В серии образцов полупроводникового соединения СиРеБ? 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 СиРеБ: в расширенном диапазоне температур 4.2-300К.

3. Выполнены исследования структурных и магнитных свойств ряда полупроводниковых соединений комплексными методами, включающими мессбау-эровскую спектроскопию и рентгеноструктурный анализ. Обнаружено, что образны стехиометрического состава СиРе$з оказались двухфазными, а дефицитный по сере образец состава СиРе51м> - однофазным.

4. В многокомпонентном магнитном полупроводнике СиРеБ? проведено широкое систематическое экспериментальное исследование 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 СиГеЯ;

5. Впервые для полупроводника Ск/-"^ 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.

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 в локальном магнитном поле.

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

3. Автор принимал участие в обработке полученных Мессбаузровских спектров и спектров ЯМР 63,63Си 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 «Ра-

диоэлектроника, 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 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.).

В заключении работы подводится итог проведенным исследованиям и приводятся основные результаты и выводы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В данной работе выполнены систематические исследования электронных и магнитных свойств многокомпонентного магнитного полупроводника СиГеБт, Основные научные и практические результаты диссертации заключаются в следующем:

1. Исследована температурная зависимость кинетических коэффициентов - электропроводности и постоянной Холла - в серии образцов халькопирита СиГс'З? как природного происхождения, так и полученных искусственным путем. Обнаружено значительное различие в значениях электропроводности и постоянной Холла при низких температурах, причиной которого является ферронный характер переноса носителей заряда в кристаллах магнитного полупроводника Си!:е52

2. При исследовании температурной зависимости магнитной восприимчивости в серии образцов СмГе5;, обнаружены аномалии в температурной области 50-80К, обусловленные переходом спиновой системы Си из парамагнитного состояния в антиферромагнитное.

3. По результатам экспериментального исследования Мессбауэровских спектров в образцах халькопирита определено его валентное состояние О/Ге^У'" (Т=300К) и величина эффективного сверхтонкого поля на ядрах железа. По полученным данным образцы стехиометрического состава СиРеБ} оказались двухфазными, а дефицитный по сере образец состава СиРеЯ/м - однофазным.

4. Получены и изучены спектры ЯМР 63,63Си в локальном поле в образце №1 халькопирита Сг/Яе5>. Определены основные параметры ядерных квадруполь-ных взаимодействий (Т=77К). Отсутствие сигналов ЯМР 63,65 С и в локальном

поле в ряде образцов CuFeS¡ вызвано неоднородностью локальных полей, обусловленной сравнительно высокой концентрацией носителей заряда, в отличие от образца №1, где концентрация носителей мала и локальное поле сравнительно однородное; в этих условиях возможно наблюдение в антиферромагнитной фазе сигналов ЯМР 63б5Си в локальном поле.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Хабибуллин И.Х. Исследование электронных и магнитных свойств полупроводникового соединения CuFeS? в диапазоне температур 77 - 300К/ Хабибуллин И.Х., Шмидт Е.В., Матухин B.J1.// М. Зеленоград : Известия Высших учебных заведений. Электроника - 2008. №6. С. 3-7.

2. Хабибуллин И.Х. Взаимосвязь электрических и магнитных свойств образцов полупроводникового минерала CuFeS3/ Хабибуллин И.Х., Шмидт Е.В., Шульгин Д.Е., Матухин B.JI.//Томск : Известия Высших учебных заведений. Физика - 2007. №4, С. 93-94.

3. Хабибуллин И.Х. Исследование электронной проводимости полупроводникового соединения CuFeS;/ Хабибуллин И.Х., Погорельцев А.И., Гатаулдин A.M., Шмидт E.B.// Казань : Известия Высших учебных заведений. Проблемы энергетики - 2005. №9-10. С. 90-92.

4. Хабибуллин, И.Х. Спектры ЯМР Си в локальном поле в образцах магнитного полупроводника CuFeSi/ Хабибуллин И.Х., Шмидт Е.В., Матухин B.JI.// XX межд. школы-семинара Новые магнитные материалы микроэлектроники: Сборник трудов. М.: МГУ, 2006. С. 688.

5. Хабибуллин, И.Х. Взаимосвязь электрических и магнитных свойств в образцах CuFeS,/ Хабибуллин И.Х., Гатаулдин A.M., Матухин ВЯЛ 18-ой Всероссийской межвузовской научно-тех. конф. Электромеханические и внутрика-мерные процессы в энергетических установках, струйная акустика, диагностика технических систем, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий : Сборник материалов. Казань : КВАКУ, 2006. ч,2. С. 114-115,

6. Хабибуллин, И.Х. Спектры ЯМР 6i'b>Cu и электронная проводимость в образ-

цах полупроводникового соединения CuFeS2/ Хабибуллин И.Х., Матухин В.Л.// ( всероссийской молодежной научной конф. Тинчуринские чтения : Материалы докладов. Казань : КГЭУ, 2006. Т.2. С. 233.

7. Хабибуллин И.Х. Исследование с помощью мессбауэровской спектроскопии халькопиритов системы Cu-Fe-S/ Хабибуллин И.Х., Корзун Б.В., Петров Г.И.// 19-ой Всероссийской межвузовской научно-тех. конф. Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика, диагностика технических систем, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий : Сборник материалов. Казань : КВАКУ, 2007. ч.1. С. 65-66.

8. Хабибуллин И.Х. Мессбауэровские исследования природного и синтетического халькопирита/ Матухин В.Л., Петров Г.И., Хабибуллин И.Х., Корзун Б.В., Фадеева Е.А. // Межд. научной конф. Актуальные проблемы физики твердого тела : Сборник докладов. Минск : ОИФТТП HAH Беларуси, 2007. Т.2.С. 49-51.

■ 9. Хабибуллин И.Х. Сверхтонкие взаимодействия в образцах халькопирита./ Хабибуллин И.Х., Матухин В.Л.// II молодежной межд. научной конф. Тинчуринские чтения : Материалы докладов. Казань : КГЭУ, 2007. С. 234.

10. Хабибуллин И.Х. Особенности распределения электронной плотности в CuFeSj из резонансных спектров 63'65Си./ Погорельцев А.И., Хабибуллин И.Х., Матухин В.Л. // XIV Всероссийской конф. Структура и динамика молекулярных систем : Сборник докладов. М. : Яльчик, 2007. С. 531-534.

11 .Хабибуллин И.Х. Особенности магнитного поведения полупроводника CuFeSi при низких температурах. // Хабибуллин И.Х., Гарифьянов H.H., Матухин В.Л.// Томск : Известия Высших учебных заведений. Физика - 2008. №.7. С. 93-94.

12. Хабибуллин И.Х. Блок управления спектрометром ИС-3 на основе микроконтроллера ATMEGA 16/32./ Погорельцев А.И., Матухин В.Л., Хабибуллин И.Х., Шмидт Е.В. // Межд. научно - техн. конф. Энергетика - 2008 : инновации, решения, перспективы : Материалы докладов. Казань : КГЭУ, 2008. С. 115-117.

Список цитируемой литературы:

1. К. G. Nikiforov// Prog. Cryst. Growth Charact. Mater. - 1999. - Vol.39, Issue 1.

2. Иванов В.А., Аминов Т.Г., Новоторцев B.M., Калинников В.Т. Спинтрони-ка и спинтронные материалы // Изв. РАН. Сер. хим.- 2004. - № 11. - С. 2255-2304.

3. Teranishi В.Т. Magnetic and electric properties of chalcopyrite // J. Phys. Soc. Jpn. - 1961. - Vol.16, Issue 10. - P. 1881-1887.

4. Mikhailovskii A. P. a.o. // Phys. stat. sol. (b). - 1990. Vol. 158, Issue 229. - P. 229-238.

5. Kradinova L.V., Polubotko A.M., Popov V.V., Prochukhan V. D. // Semicond. Sci. Technol. - 1993. - Vol.8, P.1616-1619.

6. Pridmore D.F., Suey R.T. //American Mineralogist. - 1976. - V 61, P. 248-259.

7. Нагаев Э.Л.Фйзика магнитных полупроводников. - М.: Наука, 1978. - 131 с

8. Цидильковский И.М. Бесщелевые полупроводники - новый класс веществ. -М.: Наука, 1986. -240 с.

9. Кальчев В.П., Абдуллин Р.С., Пеньков И.Н. // ФТТ/ - 1979. - т.21, С.3132-3136.

Поделиться с друзьями: