Електро- і магнітотранспортні властивості базових сенсорних ниткоподібних кристалів Si, Ge, InSb, GaSb в околі переходу метал-діелектрик

Abstract

Проведено комплексне дослідження електро- та магнітотрансортних властивостей ниткоподібних кристалів Si, Ge, InSb та GaSb у широкому інтервалі температур 1,4 ÷ 300 К і магнітних полях з індукцією 0 ÷ 14 Тл. На основі експериментальних досліджень польових залежностей магнітоопору в області кріогенних температур виявлено осциляційний ефект у ниткоподібних кристалах Si, Ge, InSb та GaSb, який в залежності від концентрації легуючої домішки в околі ПМД пов'язаний з магнітофононними осциляціями чи осциляціями Шубнікова–де Гааза, що дозволило оцінити основні параметри носіїв заряду в кристалах. У ниткоподібних кристалах GaSb, легованих телуром, вперше виявлено поверхневу надпровідність при критичній температурі 4,2 К, що зумовлено сильною спінорбітальною обмінною взаємодією носіїв заряду в металевій фазі в околі ПМД. Вперше встановлена поява фази Беррі в польових залежностях магнітоопору при температурі 4,2 К деформованих ниткоподібних кристалів InSb та GaSb n-типу провідності, що підтверджує двовимірну природу електронного газу у кристалах. Вивчено вплив зовнішніх чинників (деформації, магнітного поля, електронного опромінення, температури) на властивості легованих ниткоподібних кристалів Si, Ge, InSb та GaSb як чутливих елементів сенсорів механічних, теплових та магнітних величин. На основі виявлених кінетичних ефектів розроблено концепцію створення надчутливих радіаційно стійких п’єзорезистивних сенсорів, дієздатних в екстремальних умовах експлуатації, зокрема при кріогенних температурах, у сильних магнітних полях, при опроміненні електронами високих енергій, які зможуть знайти застосування в різних галузях науки і техніки. Проведено комплексное исследование электро- и магнитотрансортных свойств нитевидных кристаллов Si, Ge, InSb и GaSb в широком интервале температур 1,4 ÷ 300 К и магнитных полях с индукцией 0 ÷ 14 Тл. На основе экспериментальных исследований полевых зависимостей магнитосопротивления в области криогенных температур обнаружено осциляционные эффект в нитевидных кристаллах Si, Ge, InSb и GaSb, который в зависимости от концентрации легирующей примеси в окрестности ПМД связан с магнитофононнимы осцилляциями или осцилляциями Шубникова-де Гааза, что позволило оценить основные параметры носителей заряда в кристаллах. В нитевидных кристаллах GaSb, легированных теллуром, впервые выявлено поверхностную сверхпроводимость при критической температуре 4,2 К, что обусловлено сильным спин-орбитальным обменным взаимодействием носителей заряда в металлической фазе в окрестности ПМД. Впервые обнаружено появление фазы Берри в полевых зависимостях магнетосопротивления при температуре 4,2К деформированных нитевидных кристаллов InSb и GaSb n-типа проводимости, что подтверждает двумерную природу электронного газа в кристаллах. Изучено влияние внешних факторов (деформации, магнитного поля, электронного облучения, температуры) на свойства легированных нитевидных кристаллов Si, Ge, InSb и GaSb как чувствительных элементов сенсоров механических, тепловых и магнитных величин. На основе выявленных новых кинетических эффектов разработана концепция создания сверхчувствительных радиационно стойких пьезорезистивных сенсоров, дееспособных в экстремальных условиях эксплуатации, в том числе при криогенных температурах, в сильных магнитных полях, при облучении электронами высоких энергий, которые смогут найти применение в различных областях науки и техники. The complex investigation of electro- and magnetotransport properties of Si, Ge, InSb and GaSb whiskers in the wide temperature range 1.4 ÷ 300 K and magnetic fields with induction of 0 ÷ 14 T were carried out. On the basis of experimental studies of the magnetoresistance field dependences at cryogenic temperatures, an oscillatory effect was found in Si, Ge, InSb and GaSb whiskers. The effect was associated with magnetophonon oscillations or oscillations of Shubnikov-de Haas, depending on the doping concentration in the vicinity to the metal-insulator transition. Shubnikov-de Haas oscillations were detected in the temperature interval of 4.2 ÷ 77 K and magnetic fields with induction up to 14 T as a result of the analysis of the longitudinal and transversal magnetoresistance of n-type conductivity InSb whiskers with a concentration of a dopant in the range of 4.41016 сm-3 to 7.161017 сm-3. The induced magnetic field the metal-insulator transition is established in the InSb whiskers due to strong spin-orbit interaction, which leads to the splitting of each peak of the longitudinal and transverse magnetoresistance in whole range of magnetic fields and to obtain the giant Lande g-factor g* = 46 ÷ 60. Analysis of the Shubnikov-de Haas oscillations allowed to calculate the basic parameters of InSb whiskers, such as the cyclotron effective mass of electrons mс  0.03mо ÷ 0.033mо, the Fermi level EF  0.11 eV, the Dingle temperature ТD = 3 K, which, with increasing doping concentration increases to EF  0.12 eV and up to ТD = 12 K, respectively. The Kondo effect was first detected in GaSb whiskers with tellurium concentration of 11018 сm-3. This effect arises as a result of an exchange interaction between holes localized oj doped atoms and free charge carriers. It was established that the increasing of the doping concentration causes a significant overlap of the wave functions, which leads to an increase of the value of direct exchange interaction, the change of the sign of the exchange interaction integral and as a result of the damping of the Kondo effect. A transition from the effect of weak anti-localization to the weak localization of charge carriers at temperature about 4 K was detected in heavy doped whiskers with a metallic type of conductivity in weak magnetic fields due to a change in the temperature correlation between dephasing time and electron spin relaxation time. Surface superconductivity was first observed at a critical temperature of 4.2 K in GaSb whiskers doped with tellurium due to the strong spin-orbit exchange interaction of charge carriers in the metal phase in the vicinity to the metal-insulator transition. This conclusion is confirmed by the results of the study of the magnetic susceptibility of whiskers in weak magnetic fields. This showed that the GaSb whisker is a superconductor of the second kind with critical fields (lower 50 mT and upper 1.1 T). The first appearance of the Berry phase on the magnetoresistance field dependences at temperature 4.2 K was found in the strained n-type conductivity InSb and GaSb whiskers with a doping concentration near the metal-insulator transition. That confirms the two-dimensional nature of the electron gas in whiskers and their transition into the state of the topological insulator. Extremely high values of the Gauge factor up to К-5.24×105 for Si and Ge whiskers were found in the region of the action of the "non-classical" piezoresistance that allows them to be used in highly sensitive piezoresistive mechanical sensors. The influence of external factors (strain, magnetic field, electron irradiation, temperature) on the properties of doped Si, Ge, InSb and GaSb whiskers as sensitive elements of mechanical, thermal and magnetic sensors were studied. The physical representations about the transport mechanisms of charge carriers were expanded due to the conducted studies for doped semiconductor whiskers in the vicinity to the metalinsulator transition at low temperatures in strong magnetic fields and under the influence of high-energy electron irradiation. The concept of creating supersensitive radiation-sensitive piezoresistance sensors have been developed due to the discovered new kinetic effects in the whiskers. These sensors, which could be used in various fields of science and technology, are capable of extreme operating conditions, in particular at cryogenic temperatures, in strong magnetic fields with irradiation by high-energy electrons.