Получение и исследование электрофизических свойств объемных и пленочных материалов в тройной системе Co-Ge-Te тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.10, кандидат физико-математических наук Иман Абдель-Монем Эль-Сайед Махди

• Иман Абдель-Монем Эль-Сайед Махди
• кандидат физико-математических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Иман Абдель-Монем Эль-Сайед Махди

Введение.

Глава I- Обзор Литературы

1.1 Диаграмма состояния бинарной системы GeTe и свойстова GeTe.

1.2 Тройные соединения в системе Co-Ge-Te.

1.3 Германиды кобальта различного состава в бинарной системе Со-Ge.

1.4 Теллуриды кобальта различного состава в бинарной системе Со-Те

Глава II- Экспериментальные методы

2.1 Приготовление образцов.

2.1.1 Калибровка печи.

2.1.2 Приготовление объемных образцов.

2.1.2.1 Синтез GeTe.

2.1.2.2 Приготовление сплавов Ge-Co-Te.

2.1.2.3 Приготовление тонких пленок.

2.2 Экспериментальная техника для изучения объемных и тонкопленочных образцов.

2.3 Ренгенофазовой фнфлиз POA(XRD).

2.4 Электронная микроскопия.

2.4.1 Сканирующая электронная микроскопия (СЭМ) и энергодисперсионный рентгеновский микроанализ (EDXMA).

2.4.2 Просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ).

2.4.3 Атомно-силовая микроскопия (АСМ).

2.5 Измерение толщины тонко пленочных образцов.

2.6 Оптические измерения.

2.6.1 ИК-спектры.

2.6.2 Спектроскопия видимого диапазона для тонкопленочных образцов. „

2.7 Измерение проводимости тонких пленок на постоянном токе.

2.8 Измерения сегнетоэлектричества, идентификация гистерезисной петли.

Глава Ill-Синтез и свойства объемных материалов в двойной системе

Ge-Te и тройной системе Co-Ge-Te, полученных в форме слитков

3.1 Рентгеновский микроанализ.

3.2 Рентгеновская дифракция объёмных сплавов.

3.2.1 РФА GeTe,'синтезированного в форме слитка.

3.2.2 РФА тройных сплавов CoxGe5o-xTe5o.

3.2.3 РФА тройных сплавов CoxGe35Te65-x.

3.2.4 Рентгеноструктурные исследования тройных сплвов Соз2Ое3зТсз5 и Соз^СеззДезз.

3.3 Электронная микроскопия объемных образцов.

3.3.1 Сканирующая электронная микроскопия СЭМ.

3.3.2 Просвечивающая электронная микроскопия ПЭМ.

3.4 Инфракрасное поглощения от порошкообразных образцов, приготовленных из объемных сплавов Co-Ge-Te.

3.5 Ферроэлектрические свойства. Петля гистерезиса с использованием схемы Сойера-Тауэра.

3.6 Атомно-силовая микроскопия (АСМ)

3.6.1 Электростатическая силовая микроскопия (ЭСМ) и пьезоотклик силовой микроскопии полученных обемных и тонкопленочных образцов.

3.6.2 Магнитно-силовая микроскопия обемных образцов.

Глава IV- Получение и свойства аморфных тонких пеленок Ge-Te и

Co-Ge-Te.

4.1 Приготовление тонких пленок и измерения толщин.

4.2. Результаты рентгеновского микроанализа тонких пленок.

4.3. Дифракция рентгеновских лучей.

4.4. Оптические свойства.

4.4.1 Собственное поглощение.

4.5 Электропроводность на постоянном токе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Получение и исследование электрофизических свойств объемных и пленочных материалов в тройной системе Co-Ge-Te»

Определяющим триангуляцию в тройной системе Со-ве-Те является тройное соединение Со2Се3Тез (СоОе^Те^), которое находится в равновесии с соединениями СоОе2, СоТег и Со5Се7 (Согвез). СоОе^Те^ - это полупроводниковое соединение п-типа кубической сингонии с параметром а= 8,727 А. Известно и другое тройное соединение СовеТе орторомбической сингонии с параметрами а = 6,1892, Ь = 6,2285 и с = 6,1240 А, которое разлагается на веТе, СоТе и СоТег и предположительно обладает полупроводниковыми свойствами.

Первоочередными задачами в области технологии новых материалов Со-ве-Те с заданными сегнетоэлектрическими и магнитными свойствами является контролируемое введение в состав сплава 3(1- метала, каким является кобальт, которое и обеспечивает функциональные свойства этих материалов.

Цель работы. Поиск и создание новых объемных и пленочных полупроводниковых/ полуметаллических материалов в тройной системе Со-ве-Те, обладающих сегнетоэлектрическими и магнитными свойствами.

Установление закономерностей фазообразования в тройной системе в зависимости от относительного содержания кобальта в этой системе.

Основные задачи исследования:

- оптимизация технологических параметров синтеза для получения объемных и тонкопленочных материалов на остове тройной системы Со-Ое-Те,

- синтез объемных сплавов различного элементного и фазового состава с существенно различным содержанием кобальта;

- исследование влияния содержания кобальта на структурные свойства, сегнетоэлектрические и магнитные явления в объемных сплавах;

- исследования тонкопленочных материалов тройной системы Со-ве-Те, полученных в аморфной фазе;

- определение их электрофизических и сегнетоэлектрических свойств;

- исследования необратимых фазовых переходов между аморфным и кристаллическим устойчивыми состояниями, а также сегнетоэлектрических явлений в стеклообразном состоянии.

Объекты и методы исследования. Объектами исследования являлись материалы тройной системы Со-ве-Те, синтезированные в объемном и тонкопленочном состояниях при различных концентрациях элементов из чистых источников ве, Те и Со. Синтез объемных слитков а- ОеТе и тройных сплавов СовеТе осуществлялся на оригинальной установке автора диссертации методом сплавления компонентов в вакууме по разработанной технологии. Тонкие аморфные пленки тройных сплавов получались вакуум-термическим испарением синтезированных объемных сплавов.

- Исследование морфологии полученных материалов проводилось на растровом электронном микроскопе ЛЮЬ 18М-6380.

Кристаллографические исследования проводились на просвечивающем электронном микроскопе ЭМВ -100БР методом дифракции электронов. Размеры кристаллов оценивались с помощью электронной микроскопии. Фазовый состав полученных образцов определяли методом рентгеновской дифракции на дифрактометре ДРОН-4.

- Исследование сегнетоэлектрических и магнитных свойств кристаллических объемных материалов аморфных тонких пленок проводилось с использованием модифицированной схемы Сойера-Тауэра, атомно-силовой микроскопии (АСМ), электростатической силовой микроскопии (ЭСМ) и магнитной силовой микроскопии (МСМ).

- ИК-поглощение изучалось методом нарушенного полного отражения ATR в спектральном диапазоне от 500 до 4000 см"1 на приборе Vertex-70 (Bruker).

- Оптические спектры поглощения и пропускания аморфных тонкопленочных образцов для оценки ширины запрещенной зоны получены на двулучевом спектрофотометре Jasco 752.

- Изучение электрической проводимости в зависимости от температуры производилось на оригинальной установке.

Научная новизна определяется тем, что:

1. Установлены закономерности фазообразования в тройной системе Со-Ge-Te в зависимости от содержания кобальта, которые позволили синтезировать новое тройное соединение Соз^везг^Тезз.

2. Определены технологические режимы синтеза из расплава нового тройного соединения Соз^Оез^Тезз тетрагональной сингонии и найдены его параметры а = 6,204 ±(0,01)А, с - 11,273±(0,03)Á, и V - 433,955

1,16)А3.

3. Полученный новый материал представляет собой хорошо ограненные микрокристаллы с размерами в пределах от 4 до 11 микрон и обладает ярко выраженными сегнетоэлектрическими и магнитными свойствами.

4. Впервые в тройной системе Со-ве-Те получены и исследованы аморфные полупроводниковые пленки с сегнетоэлектрическими свойствами.

5. Обнаружено, что электропроводность тонких аморфных пленок с малым содержанием Со имеет переход между двумя стабильными состояниями из аморфной фазы (невырожденный полупроводник) в кристаллическое состояние (вырожденный полупроводник).

6. Электропроводность аморфных пленок с большим содержанием кобальта имеет другой характер переходов: из аморфного полупроводникового в стеклообразное полуметаллическое состояние.

Практическая ценность результатов работы определяется тем, что полученные в ходе исследований данные могут быть использованы при создании новых материалов на основе системы Со-Се-Те. Разработанные методики могут оказаться полезными при создании систем контроля технологических процессов получения материалов для оптоэлектронных и запоминающих устройств: компьютерных дисплеев, систем хранения изображений и оптических переключателей интегрально-оптических систем и т.д.

Научные положения, выносимые на защиту.

1. Закономерности фазообразования в тройной системе Со-Ое-Те в зависимости от содержания кобальта, позволяющие синтезировать новое тройное соединение состава Соз^везг^Тезз.

2. Технологические режимы синтеза из расплава нового тройного соединения СовеТе тетрагональной сингонии с параметрами а = 6,204 ±(0,01)А, с = 8

11,273 ± (0,03) А, и V = 433,955 (1,16)А3, в форме хорошо ограненных микрокристаллов с ярко выраженными сегнетоэлектрическими и магнитными свойствами.

3. Обнаруженные переходы электропроводности тонких аморфных пленок между двумя стабильными состояниями из аморфной фазы (невырожденный полупроводник) в кристаллическое состояние (вырожденный полупроводник), при малых содержаниях Со в результате нагревания до температур выше 400 К.

4. Затяжной нелинейный характер изменения электропроводности аморфных пленок с большим содержанием кобальта при переходах из аморфного полупроводникового состояния в стеклообразное полуметаллическое в результате нагревания до температур выше 400 К.

Личный вклад автора. Настоящая работа выполнена на кафедре Физики твердого тела и наноструктур Воронежского госуниверситета и проводилась в соответствии с планом научно-исследовательских работ кафедры. Все включенные в диссертацию данные получены лично автором или при его непосредственном участии. Автором осуществлено обоснование метода исследования и проведены экспериментальные исследования. Совместно с научным руководителем проведен анализ и интерпретация полученных результатов, сформулированы основные выводы и научные положения, выносимые на защиту. ПЭМ исследования проведены в Воронежском государственном техническом университете С.А. Солдатенко.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были представлены в виде докладов и обсуждались на:

1. VII Всероссийской конференции-школе «Нелинейные процессы и проблемы самоорганизации в современном материаловедении (индустрия наносистем и материалы)», 2009, Воронеж.

2. 12-ой научной молодежной школе по твердотельной электронике "Физика и технология микро - и наносистем", 2009, Санкт-Петербург.

3. Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых учёных, 2009, Воронеж.

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 4-х печатных работах, из которых 2 статьи в зарубежных научных журналах, входящих в перечень ВАК. Кроме того, 3 работы опубликованы в трудах конференций.

Объем и структура диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, 4-х глав и заключения с выводами, изложенных на 156 страницах машинописного текста, включая 71 рисунка, 23 таблицы и список литературы из 137 наименований.

Заключение диссертации по теме «Физика полупроводников», Иман Абдель-Монем Эль-Сайед Махди

выводы:

1. Определены условия синтеза объемных слитков ромбоэдрического теллурида германия а-ОеТе с сегнетоэлектрическими свойствами.

2. При содержании кобальта в объемных сплавах тройной системы Со <

10 ат.% основная фаза а-йеТе находится в равновесии с бинарными фазами кобальта: моноклинным моногерманидом Сове и орторомбическим дителлуридом у-СоТе2.

3. С увеличением концентрации кобальта до Со > 10 ат.% в многофазной системе появляются тройные соединения. При этом сначала превалирует кубический Со2Ое3Те3, которой затем становится основной фазой при Со = 27 ат.%, а затем новая тетрагональная фаза СовеТе, которая остается единственной при Со = 34,5 ат.%.

4. Получен новый материал Соз^Оезг^Тезз в виде хорошо ограненных микрокристаллов тетрагональной сингонии с параметрами а = 6,204 ± 0,01 А, с=11,273 ±0,03 А.

5. Все Полученные объемные материалы в тройной системе Со-ве-Те при Со<35,5 ат.% независимо от фазового состава обладают сегнетоэлектрическими свойствами.

6. Ширина запрещенной зоны (Е8) аморфных тонких пленок Со-Ое-Те и ширина хвоста зоны зависит от химического состава: Ее уменьшается, а ширина хвоста зоны увеличивается с увеличением содержания Со.Ширина запрещенной зоны в аморфных тонких пленках ОеТе и Со-Ое-Те определяется прямыми запрещенными электронным переходами.

7. Электропроводность аморфных пленок с малым содержанием Со(Со <

11 ат.%) имеет резкий переход между двумя стабильными фазами из аморфной фазы (невырожденный полупроводник) в кристаллическое состояние (вырожденный полупроводник).

145

8. Электропроводность аморфных пленок с большим содержанием кобальта (Со>11 ат.%) имеют другой характер переходов: из аморфного полупроводникового в стеклообразное полуметаллическое.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Иман Абдель-Монем Эль-Сайед Махди, 2011 год

1. Database, P.E.D., N1.T Standard References Database 31. 1994, American Ceramic Society.

2. W. Klemm and G. Frischmuth, Z. anorg. Chem., 1934. 218: p. 249-251.

3. A. Schlieper, Y. Feutelais, S. G. Fries, B. Legendre, and R. Blachnik, Thermodynamic evaluation of the Germanium-Tellurium system// Calphad, 1999. 23(1): p. 1-18.

4. J. N. Bierly, L. Muldawer, and O. Beckman, The continuous rhombohedral-cubic transformation in GeTe-SnTe alloys// Acta Metallurgies 1963.11(5): p. 447-454.

5. M. Cardona and D. L.Greenaway, Optical properties and band structure of group IV-VI and group V materials// Phys. Rev., 1964. 133(6A): p. A1685-A1697.

6. J. Goldak and C. S. Barrett, Structure of Alpha GeTe// J. Chem. Phys., 1966. 44(9): p. 3323.

7. P. J. Stiles, L. Esaki, and J. F. Schooley, Observation of the superconducting energy gap in a semiconductor (GeTe)// Physics Letters, 1966. 23(3): p. 206-207.

8. TSU R, Haward WE, and Esaki L, Optical Properties of GeTe// Solid State Communications, 1967. 5(3): p. 167-171.

9. Абрикосов H. X., Барпинский О. Г., Шелимова JI. Е., and Коржуев М. А. Физико-химическое исследование телурида гирмания в области фазовых переходов// АН СССР. Неорган. Материалы, 1977. 13(12): р. 2160-2164.

10. Е. F. Steigmeier and G. Harbeke, Soft Phonon mode and ferroelectricity in GeTe// Solid State Communications, 1970. 8(16): p. 1275-1279.

11. E. P. O'Reilly, J. Robrtson, and M. J. Kelly, The structure of amorphous GeSe and GeTe// Solid State Communications, 1981. 38(7): p. 565-568.

12. B. Yu. Vegalis and A. A. Kastal' Skii, Optical investigation of a hetrophase state of GeTe// Sov. Phys. Solid state, 1978. 20(19): p. 1588.

13. T Chattopadhyay, JX Boucherie, and H G Von Sanering, Neutron diffraction study on the structural phase transition in GeTe// J. Phys. C: Solid state Phys., 1987. 20: p. 1431-1440.

14. B. J. Vengalis and A. A. Kastalskii, A hetrophase state with nonuniform free-carrier distribution in GeTe// Solid State Communications, 1979. 30(1): p. 13-17.

15. N. Yellin and G. Gafiii, Vertical unseeded vapor growth of large a-GeTe crystals.//J. Crys. Growth, 1981. 53(2): p. 409-412.16,17,1819,20