М Шеляпіна, Ю Стадник, В Ромака - Електронна структура напівпровідникового твердого розчину - страница 1

Страницы:
1 

ВІСНИК ЛЬВІВ. УН-ТУ VISNYK LVIV UNIV.

Серія хім. 2007. Bun. 48. Ч. I. С. 217-222     Ser. Khim. 2007. No 48. Part I. P. 217-222

УДК 621.315.592

ЕЛЕКТРОННА СТРУКТУРА НАПІВПРОВІДНИКОВОГО ТВЕРДОГО РОЗЧИНУ ZrNixJMn^Sn

М. Шеляпіна1, Ю. Стадник 2, В. Ромака3' 4 Ю. Гореленко 2, Л. Ромака 2, А. Горинь2

1 Інститут фізики ім. В.О. Фока Санкт-Петербурзького національного університету, вул. Ульянівська, 1, 198504 Санкт-Петербург, Росія

2 Львівський національний університет імені Івана Франка, вул. Кирила і Мефодія, 6, 79000 Ль вів, Україна

3 Національний університет "Львівська політехніка ", вул. С. Бандери, I2, 790I3 Львів, Україна

4 Інститут прикладних проблем механіки і математики ім. Я. Підстригана НАН України, вул. Наукова, 3-б, 79060 Ль вів, Україна

Виконано обчислення електронної структури інтерметалічного напівпровідника ZrNiSn, сильнолегованого акцепторними домішками Mn, для випадків парамагнітного та магнітновпорядкованого розташування атомів Mn. Легування и-ZrNiSn призводить до зміни типу провідності напівпровідника з електронного до діркового, та реалізації переходу провідності діелектрик-метал (перехід Андерсона). Провідність напівпровідника визначається, головно, d-електронами Mn лише зі спінами, направленими "вниз". Сумарний магнітний момент лінійно залежить від концентрації акцепторних домішок Mn, тоді як магнітний момент атомів Mn швидко виходить на насичення і, починаючи з x = 0,1, практично не змінюється.

Ключові слова: напівпровідник, акцепторна домішка, електронна структура.

У попередніх дослідженнях проаналізовано особливості впливу сильного легування інтерметалічних напівпровідників зі структурою типу MgAgAs акцептор­ними і/або донорними домішками (Na, Nd ~1019 - 1021 см 3) на їхню електронну та кристалічну структури, а також на магнітні і електрокінетичні характеристики [1-3]. Ці дослідження дали змогу визначити роль домішкових зон у провідності інтерметалічних напівпровідників, запропонувати моделі їхньої перебудови в разі зміни концентрації домішок, а також сформулювати умови досягнення максимальних значень коефіцієнта термоелектричної потужності Z* (Z* = S2 а, де S - коефіцієнт Зеебека, а- електропровідність напівпровідника) [4].

Треба зауважити, що, по-перше, в цитованих працях акцепторні домішки в w-ZrNiSn вводили шляхом заміщення в кристалічній структурі атомів Zr (4d25s2) на Sc (3dl4s\ Ni (3d84s2) на Со (3d74s2), донорні домішки в /7-TiCoSb - шляхом заміщення атомів Со на Ni. По-друге, досліджувані в [1-3] зразки (за винятком TiCoSb) є парамагнетиками Паулі, а значить 3d-рівні атомів перехідних металів Со та Ni є повністю зайнятими.

© Шеляпіна М., Стадник Ю., Ромака В. та ін., 2007

ZrNiSn ZrNi0       Sn ZrNi09Mn01Sn

-<-1-1—■—■—■-1-1-1 13Ui-1-■—і—■—■—t—■—■—і-1-1—і 0,9 0,1

-0.9     -0.6     -0.3     0.0      0.3 "2.uo.9     -0.6     -0.3     0.0 0.3

Energy (Ry) Energy (Ry)

б в

Рис. 1. Густина станів для нелегованого інтерметалічного напівпровідника ZrNiSn (а), легованогоакцепторними домішками Mn для парамагнітного (б) та магнітновпорядкованогостану атомів Mn (в)

У цьому контексті цікавим було дослідження легування інтерметалічних напівпровідників акцепторними домішками перехідних 3d-металів з менш заповне­ними 3d-рівнями, наприклад, атомами Fe, Mn або Cr. Таке легування за певних умов можепризвести допояви впорядкованогомагнітногомоменту на атомахперехідних металів, щоповиннознайти своє відображення якв особливостяхелектронноїструк-тури інтерметалічнихнапівпровідників, такі в поведінці температурнихзалежностей коефіцієнта Зеебека, електропровідності, намагніченості та магнітної сприйнят­ливості.

У праці досліджено вплив сильного легування акцепторними домішками Mn на електронну структуру ZrNiSn. Обчислення електронної структури ZrNi1-xMnxSn виконували методом функційГріна в наближенні когерентногопотенціалу Коррінги-Кона-Ростокера [5].

На рис. 1 зображено обчислену густину станів для нелегованого інтермета-лічного напівпровідника ZrNiSn (а), а також легованого акцепторними домішками Mn шляхом часткового заміщення атомів Ni атомами Mn для випадків парамаг­нітного (б) та впорядкованого (в) станів атомів Mn, що відповідає складу твердого розчину ZrNi0,9Mn0,1Sn.

Як зображено на рис. 1, а, ZrNiSn є немагнітним вузькозонним напівпровід­ником. Електронну густину вище рівня Фермі (EF) визначають, головно, d-стани Zr, у той час як валентну зону - d-стани Ni, які перекриваються з р-станами Sn. Рівень Фермі в ZrNiSn розташовується посередині забороненоїзони напівпровідника, що є характерним для власнихнапівпровідників. Цейвисновокузгоджується якз результа­тами теоретичнихобчислень, такі з експериментальними результатами, зокрема [1-3].

Заміщення атомів Ni на Mn у випадку парамагнітного та магнітновпоряд-кованого розташування атомів Mn у досліджуваному проміжку концентрацій акцеп-торних домішок, що відповідає складам ZrNi1-xMnxSn 0 < х < 0,1, практично не змі­нює величину енергетичноїщілини між зоною провідності та валентною зоною, що також узгоджується з експериментальними результатами при введенні в ZrNiSn акцепторних домішок Sc чи Co [1, 3]. Рівень Фермі зміщується в область нижчих енергій (у напрямку валентноїзони) і при концентраціях акцепторних домішок, що відповідають складу ZrNi1-xMnxSn =» 0,1), EF розташовується у валентній зоні. Електропровідність інтерметалічного напівпровідникового твердого розчину ZrNi1-xMnxSn матимеметалічний характері відбуватиметься завдяки вільним діркам валентноїзони.

Також розраховано густину станів твердого розчину ZrNi1-xMnxSn для парамагнітного (рис. 1, б) та магнітновпорядкованого (рис. 1, в) розташування атомів Mn. Обчислення засвідчують, щов обохвипадкахгустина станів у зоні провідності і надалі визначається d-станами Zr. У той самий час нижче рівня Фермі простежують зменшення інтенсивності піків N(EF), які належать d-станам Ni та />-станам Sn, і з'являється новий пік, який визначають стани 3d-електронів атомів Mn. Цей пік густини станів є більш рельєфним та домінуючим над іншими, вжепри концентра­ціях акцепторних домішок, що відповідають складам ZrNi1-xMnxSn, х > 0,1. Густина станів на рівні Фермі та електропровідністьтвердогорозчину ZrNi1-xMnxSn визнача­тиметься 3d-електронами (дірками) атомів Mn.

Згідно з рис. 1, в для випадку магнітновпорядкованого стану атомів Mn у кристалічній структурі ZrNi1-xMnxSn заміщення атомів Ni на Mn супроводжується появою магнітноїполяризаціїна атомах Mn. У цьому випадку густина станів на рівні Фермі також визначатиметься, головно, 3d-електронами, причому лише зі спінами, направленими "вниз".

На рис. 2 зображено залежністьзаселеності станів на рівні Фермі для спінів, напрямлених "вгору" та "вниз", від концентраціїакцепторних домішок Mn. Заселе­ність для спінів "вгору" не змінюється і практично дорівнює нулю зі збільшенням концентраціїакцепторнихдомішок Mn. Для спінів, напрямлених "вниз", заселеність на рівні Фермі в сплавах ZrNi1-xMnxSn, х > 0,1 збільшується майжелінійно. Отрима­ний результатсвідчить, щов твердому розчині ZrNi1-xMnxSn за певнихумов доміш-кова акцепторна зона матиме складну будову, що може відобразитись на електро­кінетичних, резонансних (ЕПР) та магнітних характеристиках сильнолегованого інтерметалічного напівпровідника и-ZrNiSn.

И

50 40 30 20 10

0

0.0       0.1        0.2       0.3       0.4 0.5

Рис. 2. Залежність заселеності на рівні Фермі від концентрації акцепторних домішок Mn у ZrNiSn для спінів, направлених "вгору" та "вниз"

X

2.5 2.0 1.5 ^ 1.0

0.5 0.0

0.0     0.1     0.2     0.3     0.4 0.5 x

Рис. 3. Залежністьповногомагнітногомоменту та магнітногомоменту на атом Mn від концентраціїакцепторнихдомішок Mn у ZrNiSn

Очікувано веде себе залежність повного магнітного моменту та магнітного моменту на атомах Mn у ZrNi1-xMnxSn. Як зображено на рис. 3, повний магнітний момент лінійно залежить від концентраціїакцепторних домішок Mn, у той час як магнітний момент на атомі Mn швидко виходить на насичення і, починаючи з х » 0,1, практичнонезмінюється.

Отже, при легуванні інтерметалічного напівпровідника n-ZrNiSn акцепторними домішками Mn треба очікувати реалізації переходу провідності діелектрик-метал, що є переходом ндерсона, складноїповедінки температурних залежностей електропровідності, коефіцієнта Зеебека та магнітноїсприйнятливості від температури та поля, спричинених перебудовою домішкових донорної та акцепторноїзон, які, зазвичай, зумовлюються перекомпенсацією напівпровідника.

Праця виконана в рамках грантів Національної академії наук України (8 0106U000594), Міністерства освіти і науки України (8 0106U001299, 0106U005428), Російського фонду фундаментальнихдосліджень (05-02-16731).

5. Schroter M., Ebert H., Akai H., Entel P., Hoffmann E., Reddy G.G. First-principles investigation of atomic disorder effects on magnetic and structural instabilities in transition-metal alloys // Phys. Rev. B. 1995. Vol. 52. P. 188-209.

ELECTRONIC STRUCTURE OF SEMICONDUCTING ZrNii_xMnXSn SOLID SOLUTION

M. Shelyapina [1], Yu. Stadnyk [2], V. Romaka [3]' [4], Yu. Gorelenko [5], L. Romaka [6], A. Horyn [7]

і

V.A. Fock Institute of Physics, St.-Petersburg State University, Ulyanovskaya Str., і, 198504 St.-Petersburg, Russia

Ivan Franko National University of Lviv, Kyryla & Mefodiya Str., 6, 79005 Lviv, Ukraine

2

3

National University "Lvivska Politechnika", Bandera Str., 12, 79013 Lviv, Ukraine

Ya. Pidstryhach Institute of Applied Problems of Mechanics and Mathematics National Academy of Sciences of Ukraine, Naukova Str., 3-b, 79060 Lviv, Ukraine

Calculations of the electronic structure of the ZrNiSn intermetallic semiconductor, strongly doped with the acceptor impurities of Mn, were carried out. The calculations were performed for the paramagnetic and magnetoordered distribution of the Mn atoms. Doping of the n-ZrNiSn semiconductor results in a change of conductivity from electron- to hole- type and realization the transition of conductivity insulator-metal (Anderson transition). Thus, the conductivity of semiconductor is determined mainly by the Mn d-electrons and exclusively with spin-down directed. A total magnetic moment linearly depends on the concentration of acceptor impurities of manganese, while the magnetic moment per Mn atoms quite quickly becomes saturated and practically unchanged for dopant concentrations x over 0.1.

Key words: semiconductor, acceptor impurity, electronic structure calculation.

Стаття надійшла доредколегії Прийнята додруку

21.09.2006 21.11.2006


[1]Stadnyk Yu.V., Romaka V.A., Gorelenko Yu.K., Romaka L.P. et al. Metal-insulator transition induced by changes in composition in the Zr1-xScxNiSn solid solution range // J. Alloys Compd. 2005. Vol. 400. P. 29-32.

 

[2]Ромака В.А., Шеляпина М.Г., Гореленко Ю.К., Фрушарт Д. и др. Особенности механизмов проводимости сильно легированных интерметаллических полупроводников n-ZrNiSn // ФТП. 2006. Т. 40 (6). С. 676-682.

 

[3]Ромака В А., Шеляпина М.Г., Стаднык Ю.В., Фрушарт Д. и др. Роль примесной зоны при переходе проводимости диэлектрик-металл при изменении состава сильно легированного и компенсированного полупрооводникового твердого раствора TiCo1-xNixSb. Донорные примеси // ФТП. 2006. Т. 40 (7). С. 796-801.

 

[4]Бодак О.І., Ромака В.А., Гореленко Ю.К., Шеляпіна М.Г. та ін. Умови виникнення максимальної термоелектричної потужності в інтерметалічних напівпровідниках структурного типу MgAgAs // ФХТТ. 2006. Т. 7 (1). С. 76-81.

 

[5]Ромака В.А., Шеляпина М.Г., Гореленко Ю.К., Фрушарт Д. и др. Особенности механизмов проводимости сильно легированных интерметаллических полупроводников n-ZrNiSn // ФТП. 2006. Т. 40 (6). С. 676-682.

 

[6]Ромака В.А., Шеляпина М.Г., Гореленко Ю.К., Фрушарт Д. и др. Особенности механизмов проводимости сильно легированных интерметаллических полупроводников n-ZrNiSn // ФТП. 2006. Т. 40 (6). С. 676-682.

 

[7]Ромака В.А., Шеляпина М.Г., Гореленко Ю.К., Фрушарт Д. и др. Особенности механизмов проводимости сильно легированных интерметаллических полупроводников n-ZrNiSn // ФТП. 2006. Т. 40 (6). С. 676-682.

 

Страницы:
1 


Похожие статьи

М Шеляпіна, Ю Стадник, В Ромака - Електронна структура напівпровідникового твердого розчину