Vol. 50 (2014), Issue 5, p. 67-75

Semimetal-semiconductor Transitions in Bismuth-antimony Films and Nanowires Induced by Size Quantization

Nikolaeva A.A., Konopko L.A., Grabov V.M., Komarov V.A., Kablukova N., Para Gh.I., Popov I.A.

Abstract

УДК 539.261.1 

 

In this paper we present the experimental results of an investigation of the electrical transport, thermoelectrical properties, the Shubnikov de Haas oscillations of Bi1-xSbx films (0 < x < 0.04) grown by the vacuum thermal evaporation and nanowires prepared by a modified Ulitovsky – Teilor technique. The results of the X-ray diffraction indicate that the trigonal axes were perpendicular to the film plane and the single Bi-2at%Sb nanowires with the diameter 100–1000 nm were represented by single crystals in a glass capillary with (1011) orientation along the wire axis. The investigations of the Shubnikov de Haas oscillations on Bi-2at%Sb wires with d > 600 nm show that overlapping of L and T bands was twice smaller than that in pure Bi. The temperature dependences of thin semimetalic Bi-3at%Sb films and Bi-2at%Sb wires show a semiconducting behavior. The semimetal-semiconductor transition induced by the quantum confinement effect is observed in semimetal Bi1-xSbx films and nanowires at the diameters up to five times greater than those in the pure Bi. That experimental fact, on the one hand, will allow observing the display quantum confinement effect at higher temperatures on nanowires of the same diameters, and, on the other hand, will allows separating effects connected with the surface state and the quantum size effects. In addition, the thermoelectric properties and thermoelectric efficiency of bismuth-antimony wires are considered and a possibility to use them in thermoelectric converters of energy is discussed.

 

Keywords: nanowires, films, semimetal-semiconductor transition, size quantization, thermoelectricity.

 

 

В монокристаллических пленках и нитях висмута происходит переход полуметалл-полупроводник (ПМПП) благодаря эффекту размерного квантования (ЭРК), который модифицирует фононный спектр, что может представлять практический интерес. Эффект в большей степени может проявляться в нанострук-турах на основе сплавов Bi1-xSbx в полуметаллической фазе (x < 0,04), где имеет место минимальное перекрытие L и Т зон. В данной статье представлены экспериментальные результаты исследований электронного транспорта, термоэлектрических свойств, осцилляций Шубникова де Гааза (ШдГ) пленок  Bi-Sb (0 < x < 0,04) выращенных термическим напылением в вакууме и нанонитей в стеклянной оболочке, изготовленных усовершенствованным методом Улитовского-Тейлора. Результаты рентгеноструктурного анализа показали, что у монокристаллических пленок тригональная ось ориентирована перпендикулярно плоскости подложки, а одиночные нити Bi-2ат.%Sb с диаметрами 100–1000 нм представляют собой монокристаллы с ориентацией (1011) вдоль оси нити. Исследования ШдГ осцилляций нитей Bi-2ат.%Sb с диаметрами d > 600 нм показали, что перекрытие L и Т зон в 2 раза меньше, чем в чистом Bi. Температурные зависимости сопротивления R(T) тонких  полуметаллических пленок Bi-3ат.%Sb и нитей Bi-2ат.%Sb показывают полупроводниковую зависимость с уменьшением диаметра. Переход (ПМПП), индуцированный размерным квантованием наблюдался при диаметрах почти в 5 раз больших, чем в аналогичных образцах чистого висмута. Этот экспериментальных факт позволяет с одной стороны продвинуться в область более высоких температур (для наблюдения КРЭ), а с другой стороны разделить эффекты, связанные с размерным квантованием и поверхностными состояниями. В полуметаллических пленках Bi1-xSbx обнаружено сжимающее действие подложки из слюды, и растягивающее подложки из полиимида в направлении перпендикулярном плоскости пленки, что может служить дополнительным фактором управления переходом (ПМПП). Также обсуждается вопрос термоэлектрических свойств нитей для оптимизации и использования их в термоэлектричестве.

 

Ключевые слова: нанонити, пленки, переход полуметалл-полупроводник, квантовый размерный эффект, термоэлектричество.

 

 

Download full-text PDF. 1097 downloads

Web-Design Web-Development SEO - eJoom Software. All rights reserved.