ИСТИНА

В настоящем проекте предполагается экспериментальное исследование фазового и элементного составов, гальваномагнитных и магнитных свойств теллуридов свинца-олова, легированных примесями из начала и второй половины ряда 3d-переходных металлов. Основными целями этих исследований являются изучение электронной структуры сплавов, поиск новых резонансных уровней примесей и определение их основных параметров, а также изучение возможностей использования для повышения термоэлектрической добротности этих материалов еще одного нового варианта объединения преимуществ двух основных направлений «зонной инженерии», одновременно используя для этого влияние резонансного уровня в окрестности уровня Ферми и фактор близости экстремумов «легкой» и «тяжелой» валентных подзон в сплавах. Особое внимание будет уделено определению величин композиционных и термических коэффициентов движения резонансных уровней относительно краев валентных подзон, установлению связи магнитных свойств с гальваномагнитными параметрами и электронной структурой сплавов, построению моделей и диаграмм перестройки электронной структуры сплавов при легировании, увеличении содержания олова и температуры. На основе полученных экспериментальных данных будут проанализированы возможности пересечения резонансных уровней, стабилизирующих уровень Ферми, с краем «тяжелой» валентной зоны, определены критические значения концентрации олова и температуры, а также оптимальные составы и температурные интервалы использования легированных сплавов на основе теллуридов свинца-олова для термоэлектрических применений.

In this project, an experimental study of phase and elemental compositions, galvanomagnetic and magnetic properties of lead-tin tellurides doped with impurities from the beginning and the second half of a series of 3d-transition metals is proposed. The main objectives of these studies are the study of the electronic structure of alloys, the search for new resonant levels of impurities and the determination of their basic parameters, as well as the study of the possibility of using to improve the thermoelectric efficiency of these materials another new option of combining the advantages of the two main areas of "band engineering", while using the influence of the resonant level in the vicinity of the Fermi level and the proximity factor of extrema "light" and "heavy" valence subbands in alloys. Particular attention will be paid to the determination of the values of the composition and thermal coefficients of the movement of the resonant levels relative to the edges of the valence subbands, the establishment of the connection of magnetic properties with galvanomagnetic parameters and the electronic structure of alloys, the construction of models and diagrams of the rearrangement of the electronic structure of alloys with doping, upon increasing the content of tin and temperature. On the basis of the obtained experimental data, the possibilities of crossing the resonant levels stabilizing the Fermi level with the edge of the "heavy" valence band will be analyzed, the critical values of the tin concentration and temperature, as well as the optimal compositions and temperature ranges of the use of the doped alloys based on lead-tin tellurides for thermoelectric applications will be determined.

Выполнение настоящего проекта и решение поставленных в нем задач несомненно имеет большое значение с точки зрения фундаментальных исследований электронной структуры легированных полупроводников А4В6, энергетического спектра глубоких уровней дефектов и примесей в этих материалах, установления связи магнитных свойств разбавленных магнитных полупроводников на их основе с их гальваномагнитными свойствами и электронной структурой. Предполагается, что это позволит впервые получить информацию о фазовом и элементном составах, гальваномагнитных и магнитных свойствах сплавов Pb1-xSnxTe, легированных примесями из начала и второй половины ряда 3d-переходных металлов (Sc, Fe, Co, Ni), при вариации степени легирования, состава матрицы и температуры; определить энергетическое положение остающихся в настоящее время практически не изученными резонансных уровней этих примесей в сплавах Pb1-xSnxTe, а также композиционные и температурные коэффициенты движения резонансных уровней относительно краев энергетических зон; получить данные о движения «тяжелой» валентной подзоны при изменении состава матрицы и температуры; выделить основные вклады в намагниченность легированных сплавов и получить зависимости концентраций магнитных ионов в разных зарядовых и магнитных состояниях и степени заполнения резонансных зон от содержания примеси и состава матрицы; предложить модели и диаграммы перестройки электронной структуры сплавов при легировании, увеличении содержания олова и температуры. Наряду с ее фундаментальным значением, эта информация несомненно должна иметь и прикладное значение с точки зрения поиска новых путей повышения термоэлектрической эффективности полупроводников А4В6 и разработки новых термоэлектрических материалов на их основе. Мы надеемся, что реализация поставленных в проекте задач подтвердит возможности практического использования нового варианта «зонной инженерии», предложенного в проекте для сплавов Pb1-xSnxTe с резонансными уровнями примесей 3d-переходных металлов и объединяющего преимущества двух основных известных ее направлений. В частности, предполагается определение критических концентраций олова и температур, при которых возможно пересечение резонансных уровней с краями «легкой» и «тяжелой» валентных подзон; определение оптимальных составов матрицы, типа и концентации примеси для достижения максимальной термоэлектрической добротности в определенных диапазонах температур; выработка рекомендаций по составу сплавов Pb1-xSnxTe с резонансными примесными уровнями 3d-переходных металлов в электронном спектре для термоэлектрических применений.

На кафедре физики низких температур и сверхпроводимости последние 10 лет изучаются свойства полупроводников на основе PbTe с примесями 3d-переходных металлов. Для изменения концентраций носителей заряда используется вариация концентрации легирующей примеси, а для управления электронной структурой – вариация состава твердых растворов и гидростатическое сжатие легированных сплавов. В последние годы получен ряд новых результатов и разработаны методы их обработки и анализа, которые предполагается использовать в настоящем проекте: - Установлено, что в PbTe и сплавах Pb1-xSnxTe, легированных Cr, V, Sc и Fe, при увеличении концентрации примеси достигается предел растворимости на уровне 0.1-0.5 мол.%, однородность распределения примеси нарушается и появляются области с повышенным содержанием примеси и микровключения соединений атомов примеси с теллуром. - В Pb1-yScyTe обнаружены увеличение концентрации электронов и выход на насыщение положения уровня Ферми относительно дна зоны проводимости с ростом концентрации примеси, связанные с пиннингом уровня Ферми резонансным уровнем Sc, находящимся на 280 мэВ выше дна зоны проводимости. - В Pb1-yFeyTe обнаружены стабилизация уровня Ферми в валентной зоне при атмосферном давлении и монотонное увеличение концентрации дырок под давлением, связанные с возникновением при легировании резонансного примесного уровня Fe, расположенного на 20 мэВ ниже потолка валентной зоны. - Исследована кинетика изменения концентрации носителей заряда в сплавах, легированных Sc, Ti, V, Cr и Fe. Предложена общая модель перестройки электронной структуры при легировании, предполагающая универсальный характер зависимостей концентрации носителей заряда и положения уровня Ферми от содержания примеси.