Параметры резонансного уровня железа в сплавах Pb1-x-ySnxFeyTe / Скипетров Е.П., Ковалев Б.Б., Скипетрова Л.А., Кнотько А.В., Слынько В.Е.

Abstract

Известно, что легирование теллурида свинца и сплавов на его основе примесями 3d-переходных металлов приводит к появлению глубоких примесных уровней в окрестности запрещенной зоны этих полупроводников. Уровень железа – первый из них, расположенный в валентной зоне PbTe, находится под самым ее потолком: EFe≈Ev−16 мэВ при T=4.2 K [1,2]. Под действием давления он движется почти параллельно середине запрещенной зоны, а с ростом температуры приближается к краю валентной зоны и выходит в запрещенную зону. В настоящей работе с целью определения характера движения уровня железа при изменении состава матрицы исследованы температурные зависимости удельного сопротивления и коэффициента Холла в слабых магнитных полях (4.2T 300 K, B0.07 Тл) в образцах из двух монокристаллических слитков Pb1-x-ySnxFeyTe при вариации концентраций олова и железа. Слитки Pb1-x-ySnxFeyTe – 1085 (x=0.08, y=0.02) и 1197 (x=0.08, y=0.01), синтезированные вертикальным методом Бриджмена, разрезались на 24 шайбы, номера которых соответствуют номерам исследованных образцов. При движении от начала к концу слитков (от образца 24 к образцу 2) концентрация олова в слитках возрастает от x0.07 до x0.21 и от x0.06 до x0.15, соответственно, а содержание примеси железа довольно медленно увеличивается лишь до 0.5 мол%. Обнаружены существенное увеличение концентрации дырок при T=4.2 K с ростом концентрации олова и аномальный рост коэффициента Холла при увеличении температуры, указывающие на пиннинг уровня Ферми резонансным уровнем железа, расположенным в валентной зоне, и перераспределение электронов между валентной зоной и примесным уровнем. В рамках двухзонного закона дисперсии Кейна получены зависимости концентрации дырок p и положения уровня Ферми относительно потолка валентной зоны (Ev-EF) при T=4.2 K от концентрации олова в сплавах. Для объяснения полученных результатов предложены модели перестройки электронной структуры сплавов с ростом концентраций железа и олова, предполагающие изменение полной емкости и степени заполнения примесной полосы вдоль слитков, пиннинг уровня Ферми уровнем примеси в большей части образцов и «срыв» режима пиннинга в образцах с низкой растворимостью примеси. В рамках двухзонного закона дисперсии Кейна рассчитаны теоретические температурные зависимости коэффициента Холла, хорошо согласующиеся с экспериментальными при низких температурах. Определены композиционный и термический коэффициенты движения резонансного уровня железа относительно краев зон: d(Ev−EFe)/dx ≈ 7.3 мэВ/мол% и d(EiEFe)/dT = –(0.07±0.015) мэВ/K.