The electron structure of Pb1–x–ySnxFeyTe alloys

Abstract

A study of phase and elemental compositions, galvanomagnetic properties (4.2 K ≤ T ≤ 300 K, B ≤ 0.07 T) and Shubnikov – de Haas oscillations (T = 4.2 K, B ≤ 6.5 T) in Pb1–x–ySnxFeyTe alloys with varying concentrations of tin and iron in single-crystal ingots synthesized using the Bridgman-Stockbarger method was performed. Scanning electron microscopy and X-ray fluorescence microanalysis revealed the presence of iron enriched microscopic inclusions, and the distribution of tin and iron along the ingots was determined. An increase in the concentration of holes with increasing concentrations of tin and iron, as well as anomalous temperature dependences of the Hall coefficient, which indicates a pinning of the Fermi level at the resonant level of iron, were detected. A model of electron structure rearrangement is proposed in order to explain the experimental dependences of the hole concentration and the Fermi energy relative to the valence band top as a function of tin concentration in the alloys. The model assumes that the iron level moves from the top to the depth of the valence band as the tin concentration increases. The compositional coefficient of iron level movement relative to the edges of the energy bands with increasing tin content in Pb1–x–ySnxFeyTe alloys is determined using the two-band Kane dispersion law.

Термический коэффициент движения резонансного уровня железа в сплавах Pb-=SUB=-1-x-y-=/SUB=-Sn-=SUB=-x-=/SUB=-Fe-=SUB=-y-=/SUB=-Te

“…Монокристаллические слитки Pb 1−x −y Sn x Fe y Te 1085 и 1197 с номинальным содержанием олова и железа x = 0.08, y = 0.02 и x = 0.08, y = 0.01 соответственно были синтезированы вертикальным методом Бриджмена−Стокбаргера из особо чистых компонентов с добавлением карбонильного железа в слиток 1085 и добавлением FeTe 2 в слиток 1197. Методика подготовки исходных компонентов и синтеза монокристаллов подробно описана в работе [14]. С помощью струнной резки слитки разрезались перпендикулярно оси роста, совпадающей с точностью до нескольких угловых градусов с кристаллографическим направлением 111 , на 24 шайбы толщиной ∼ 1.5 мм.…”

“…Поскольку номинальное содержание железа в ростовой шихте слитков 1085 и 1197 составляло 2 и 1 мол% и различалось в 2 раза, эти результаты указывают на превышение предела растворимости примеси в обоих слитках. Железо, не растворившееся в основной фазе, входит, по-видимому, в состав микроскопических областей с пониженным содержанием свинца и олова, обогащенных железом, или с химическим составом, близким к соединениям FeTe или FeTe 2 , обнаруженным в некоторых образцах из середины и конца слитков [14]. Для исследования температурных зависимостей удельного сопротивления ρ и коэффициента Холла R H в слабых магнитных полях (4.2 ≤ T ≤ 300 K, B ≤ 0.07 Tл) четырехзондовым методом на постоянном токе из шайб вырезались образцы в виде прямоугольных параллелепипедов с типичными размерами 4.0 × 0.7 × 0.7 мм.…”

“…При этом холловская подвижность дырок µ H = R H /ρ, поведение которой при высоких температурах в основном определяется рассеянием на акустическом деформационном потенциале, увеличивается при понижении температуры не менее чем на порядок, достигая значений на уровне 10 4 см 2 /(В · с). Только в нескольких образцах из средней части слитка 1085 на зависимостях ρ(T ) появляются дополнительные участки " полупроводникового" увеличения сопротивления, связанные, возможно, с резонансным рассеянием дырок и резким уменьшением их подвижности при понижении температуры [14].…”

“…С этой целью мы провели аппроксимацию полученных нами экспериментальных температурных зависимостей коэффициента Холла теоретическими зависимостями, построенными в рамках предложенной ранее модели перестройки электронного спектра сплавов при увеличении содержания олова и температуры [13,14]. При этом, во-первых, предполагалось, что во всех образцах уровень Ферми E F стабилизирован резонансным уровнем железа E Fe , положение которого относительно краев энергетических зон меняется по линейным законам с ростом концентрации олова в сплавах и температуры, и использовалась хорошо известная зависимость ширины запрещенной зоны E g (в мэВ) от состава сплава и температуры [31]:…”

“…Недавно было показано, что при увеличении концентрации олова в сплавах Pb 1−x −y Sn x Fe y Te резонансный уровень железа по линейному закону движется в глубь " легкой" валентной зоны L + 6 , постепенно приближаясь к экстремумам " тяжелой" валентной подзоны в точках зоны Бриллюэна [13,14]. При этом предполагалось, что пересечение резонансного уровня железа, стабилизирующего уровень Ферми, с потолком -зоны так же, как и в случае резонансного уровня индия в SnTe [15][16][17], может привести к значительному увеличению коэффициента Зеебека S и термоэлектрической добротности полупроводника ZT = σ S 2 T /κ (σ -удельная электропроводность, κ -коэффициент теплопроводности) в результате резкого увеличения плотности состояний на уровне Ферми, уширения резонансного уровня и гибридизации примесных и зонных состояний.…”