ОДЕРЖАННЯ ТА ДОСЛІДЖЕННЯ ЕЛЕКТРИЧНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ МОНОКРИСТАЛА Ag₂CdSnS₄

Основним завданням матеріалознавства є створення дешевих матеріалів електронної, оптоелектронної і нелінійної оптики з прогнозованими властивостями. До таких матеріалів відносяться трьох- та чотирьохкомпонентні халькогенідні сполуки, фізичні властивості яких варіюються разом з компонентним складом. Нецентросиметричність кристалічної структури, широкий спектральний інтервал вікон прозорості роблять їх перспективними матеріалами нелінійної оптики.

Метою нашої роботи було дослідити структурні та електричні властивості монокристалу Ag₂CdSnS₄.

На діаграмі стану Ag₂SnS₃ – CdS [1] у співвідношенні 1:1 при температурі 1068 K утворюється сполука Ag₂CdSnS₄. Ріст монокристалів здійснювали горизонтальним методом Бріджмена. Полікристалічний сплав, заздалегідь синтезований з високочистих елементів (чистотою не меншою 99,99 мол.% основного компонента), запаювався у вакуумовану кварцову ампулу, яка поміщалася у ростову піч. Після нагрівання до 1200 К розплав гомогенізували 4 години і починали переміщення ампули зі швидкістю 2 см/добу. Температурний градієнт на фронті кристалізації становив ~14 К/см. Після досягнення ізотермічної зони (800К) кристал відпалювали упродовж 250 год., і потім охолоджували до кімнатної температури зі швидкістю 100 К/добу. У результаті отримували монокристалічні блоки із розмірами ~(20х10 х6) мм³ (рис. 1).

Структурні дослідження отриманих сполук проводилися рентгенівським методом порошку на дифрактометрі ДРОН 4 – 13. Параметри кристалічної структури Ag₂CdSnS₄ представлено в таблиці.

З оптичних досліджень випливає, що дані монокристали є дефектними напівпровідниками [2].

При великій концентрації структурних дефектів, енергетичні рівні в забороненій зоні утворюють зону локалізованих дефектних станів, які закріплюють рівень Фермі у положенні між заповненими і незаповненими станами. Висока густина станів локалізованих поблизу рівня Фермі є відповідальною за більшість електричних процесів, що протікають в напівпровідниках [3].

На рис. 2 представлена температурна залежність темнової питомої електропровідності монокристалів Ag₂CdSnS₄, які, згідно знаку коефіцієнта термо.-е.р.с. є напівпровідниками n-типу провідності.

Температурна залежність темнової питомої електропровідності монокристалів Ag₂CdSnS₄ носить експоненціальний характер і визначається формулою:

σ = σ₀ exp(-E_A/kT)                                  (1),

де σ₀ - передекспоненційний множник, який в невпорядкованих напівпровідниках залежить від механізму електропровідності.

 В області низьких температур I (Т ≤ 140К) електропровідність зразків має мале значення ~10^‑11Ом^-1см^-1 і слабо залежить від температури (з енергією активації ~(0,05 ‑ 0,03) еВ, що є характерним для невпорядкованих систем для стрибкової активаційної провідності з перескоками електронів між найближчими сусідами біля рівня Фермі в зоні локалізованих дефектних станів [4].

Активаційний характер електропровідності не змінюється і в області більш високих температур II (Т > 190К), Але змінюються параметри температурної залежності σ(T) (рис. 2).

Рис. 2.Температурна залежність темнової питомої електропровідності монокристалів Ag₂CdSnS₄

Визначена із експериментальних даних, з використанням формули (1), енергія активації σ при високих температурах виявилася рівною Е_А=(0,42±0,02) еВ, при цьому розрахований нами множник σ₀ приймав значення σ₀≈5-10 Ом^-1см^-1.

Значення передекспоненціального множника σ₀, згідно критерію Мотта [4] для невпорядкованих систем, свідчить про збудження носіїв з зони локалізованих станів поблизу рівня Фермі в нелокалізовані стани зони провідності. Висока енергія активації електропровідності монокристалів Ag₂CdSnS₄ в області Т > 190 К може мати практичне використання для побудови чутливих термодатчиків, регулярторів температури і ін..

Список літератури

1. Parasyuk O. V. The Ag₂SnS₃-CdS System / O.V. Parasyuk, L.V. Piskach // Polish J. Chem. – 1998. V.72, №5. – P. 966 – 968.
2. G. E. Davydyuk Ag₂CdSnS₄ single crystals as promising materials for optoelectronic / G. E. Davydyuk, G. L. Myronchuk, I. V. Kityk, S. P. Danylchuk, V. V. Bozhko, O. V. Parasyuk // Optical Materials. – 2011. V.33. – P. 1302–1306.
3. Photoelectrical properties and the electronic structure of Tl_1–xIn_1–xSn_xSe₂ (x= 0, 0.1, 0.2, 0.25) single crystalline alloys / G. E. Davydyuk, O. Y. Khyzhun, and o. // Phys. Chem. Chem. Phys. – 2013. – V.15. – P.6965-6972.
4. Мотт Н. Электронные процессы в некристллических веществах / Мотт Н., Девис Э. – М.: Мир. – 1974. – 472с.