1 Własności elektronowe amorficznych stopów Si/Me:H w pobliżu przejścia izolator-metal Gęste pary metali (wzrost gęstości -> I-M) niemetale poddane wysokiemu ciśnieniu -> I-M Cs-CsH (wzrost ciśnienia wodoru (T>Tc) -> M-I) Półprzewodnik+metal (wzrost zaw. metalu -> I-M)

2 Literatura [1] Dammer et al., „Effect of hydrogenation on the electronic properies of amorphous silicon-nickel alloys near the metal-insulator transition”, J.Non-Cryst.Sol. (1993) [2] Bayliss et al., „OJDOS evidence for semiconductor-to-metal transition in a-Si1-yNiy:H”, J.Phys.Cond.Mat. (1991) [3] Wright et al., J.Non-Cryst.Sol., „Magnetoresistance and Hall effect in amorphous silicon-tantalum alloys near the metal-insulator transition”, J.Non-Cryst.Sol. (1998) [4] Wright et al., „Effect of hydrogenation on optical and electrical propeties of amorpous silicon-tantalum alloys near the metal-insulator transition”, J.Phys.Cond. Mat., (1996) [5] Nishida et.al., „Transport properties of amorphous Si1-xAux: metal-insulator transition and superconductivity”, J. Non-Cryst. Sol., (1983) [6] Tanaka et al., „Electronic structure and metal-insulator transition in amorphous Pd-Si films”, J. Phys. Soc. Jap., (1995) [7] Popescu et al., „Optical properties of sputtered hydrogeated amorphous carbon”, J.Non-Cryst.Sol., (2000) [8] N.F. Mott, „Metal-Insulator Transition”, 1974

struktura pasmowa izolatora/półprzewodnika 3 struktura pasmowa izolatora/półprzewodnika Izolator (krzem) – duża przerwa energetyczna pasmo walencyjne zapełnione, pasmo przewodnictwa puste sI ~ exp(-Eg/kT) = 0 E1 E2 Półprzewodnik (domieszkowany krzem) – stany elektronowe domieszki w pobliżu wierzchołka pasma walencyjnego (s. akceptorowe, pp typu p) Eg lub dna pasma przewodnictwa (s. donorowe, typ n) E1, E2 << Eg sn,p ~ exp(-E1,2/kT) Wzrost stężenia domieszki -> -> wzrost koncentracji elektronów wzbudzonych: * z poziomu domieszki-donora do pasma przewodnictwa, lub * z pasma walencyjnego do poziomu domieszki-akceptora -> wzrost przewodnictwa elektrycznego

Zlokalizowane stany związane położone w przerwie energetycznej 4 Zlokalizowane stany związane położone w przerwie energetycznej puste zapełnione Przewodzenie prądu poprzez hopping – przeskoki elektronów pomiędzy zlokalizowanymi stanami sąsiednich atomów metalu =s0 exp[-(To/T)x] , x ~ ¼ lub x ~ ½ (w zależności od subtelności strukt. elektron.) Wzrost koncentracji domieszek: -> spadek odległości pomiędzy atomami domieszki -> łatwiejsze przeskoki -> wzrost przewodnictwa

model Mott’a [8] 5 Stan domieszki zapełniony w połowie Poszerzony zlokalizowany stan domieszki poniżej dna pasma przewodnictwa Stan domieszki zapełniony w połowie -> oddziaływanie elektronów -> rozszczepienie (stany Hubbard’a) Górny poziom nakłada się na pasmo przewodnictwa Zakreskowane stany zlokalizowane. wzrost nakładania się stanów Hubbard’a ze wzrostem stężenia domieszki - zanik lokalizacji -> Przejście izolator-metal (poziom Fermiego w obrębie stanów niezlokalizowanych)

przejście typu izolator-metal wygenerować można: 6 przejście typu izolator-metal wygenerować można: dodając dostatecznie dużo pierwiastka metalicznego do izolatora, np. Ni, Ta, Au, Pd do krzemu a także, w przypadku niektórych substancji, m.in. poddając je działaniu: ciśnienia lub jednoosiowego naprężenia pola magnetycznego

Preparatyka cienkich, amorficznych warstw Si/Me:H 7 Preparatyka cienkich, amorficznych warstw Si/Me:H bombardowanie gazem (Ar lub mieszaniną Ar+H2) warstwy krzemu z naniesionym na niej metalem (Si+52%Ni [1,2],+38%Ta [4]). odparowywanie, przy pomocy działka elektronowego, stopu Si/Me na podłoże krzemowe lub szklane w temperaturze pokojowej, w atmosferze Ar albo mieszaniny Ar (90%) i wodoru (10%) (Si+42%Au [5]). bombardowanie stopu jonami argonu, z osadzaniem atomów stopu na podłożu krzemowym (Si+91%Pd [6]). Własności/parametry warstw: Grubość – do kilku mm, Skład – analiza dyssypacji energii, EDAX [1,6]; – fluoroscencyjna spektroskopia rentgenowska XFS [2] Amorficzność – TEM [1]

Widmo rentgenowskie stopów PdxSi100-x 8 [6] Widmo rentgenowskie stopów PdxSi100-x Pd Pd2Si warstwy amorficzne Si

metodyki pomiarowe przewodnictwo elektryczne [1,4] magnetoopór [3] 9 metodyki pomiarowe przewodnictwo elektryczne [1,4] magnetoopór [3] pomiary optyczne [2,4] wspólczynnik odbicia transmisja efekt Halla [3] …

Współczynnik odbicia światła stopów SiNi:H 10 [2] Współczynnik odbicia światła stopów SiNi:H

11 Wielkość przerwy optycznej w SiTa i SiTa:H w zależności od zawartości tantalu [4] W obecności wodoru potrzeba więcej tantalu, aby przeprowadzić stop do stanu metalicznego

12 Magnetoopór stopów SiTa i SiTa:H jako funkcja pola magnetycznego, 300 K [3] Si1-yTay Ujemny, y < 0.2 Dodatni, y > 0.2 Si1-yTay:H Po przekroczeniu ~20% Ta: Zmiana znaku magnetooporu 100x wzrost koncentracji nośników (dziur) Dodatni efekt Halla – tantal akceptorem Wpływ wodoru niewielki

Temperaturowa zależność oporności elektrycznej stopów Pd-Si 13 [6] Temperaturowa zależność oporności elektrycznej stopów Pd-Si Si Pd

Przewodnictwo elektryczne 14 Stopy pallad-krzem [6] Gęstość stanów (DOS) Przewodnictwo elektryczne Pd metal przejście I-M 12% Pd półprzewodnik Si DOS: wzrostowi gęstości stanów na poziomie Fermiego towarzyszy wzrost s. Gwałtowny wzrost DOS. powyżej 12% Pd <-> M-I Auger ES: Si-Si wiązanie kowalencyjne <12% Pd, metaliczne >41% Pd Poziom Fermiego

15 [4] Temperaturowa zależność przewodnictwa elektrycznego amorficznych stopów Si1-yTay i Si1-yTay:H SiTa yc ~ 0.16 SiTa:H yc ~ 0.18 Przy obecności wodoru potrzeba więcej tantalu dla uzyskania stanu metalicznego

16 Przewodnictwo elektryczne stopów SiTa i SiTa:H w 20 K jako funkcja składu stopu [4] Obecność wodoru powoduje zmniejszenie przewodnictwa elektrycznego

stopy Si1-xAux i Si1-xAux:H [5] x > xc 17 stopy Si1-xAux i Si1-xAux:H [5] x > xc Przewodnictwo elektryczne (0 K) temperatura przejścia w stan nadprzewodzący x=0.42 x=0.141 x=0.18 (xc=0.14)

18 [1] Temperaturowa zależność przewodnictwa elektrycznego amorficznych stopów SiNi i SiNi:H r mWcm 102 1013 Wzrost przewodnictwa elektrycznego ze wzrostem temperatury o kilka rzędów wielkości, w stopach o zawartości niklu poniżej ok. 20 % - zachowanie typowe dla półprzewodników, tu z mechanizmem hopping – przeskoki elektronów pomiędzy zlokalizowanymi stanami atomów niklu, położonymi w przerwie energetycznej pomiędzy pasmem walencyjnym a pasmem przewodnictwa krzemu [1,4,6] Teoria (obszar niemetaliczny): = s0 exp[-(To/T)x] , x ~ ¼ lub x ~ ½ eksperyment: SiNi:H x ~ 0.47 SiNi x ~ 0.45-0.35

19 [1] Temperaturowa zależność przewodnictwa elektrycznego amorficznych stopów SiNi i SiNi:H r mWcm 102 1013 stopach o wyższej zawartości metalu: stosunkowo niewielkie zmiany przewodnictwa ze wzrostem temperatury zachowanie typowe dla metali

20 [1] Obszar metaliczny: s = s(0) + aTw + bTz, teoria: w ~1/2 (oddziaływanie elektron-elektron) w ~ 1/3 (w pobliżu przejścia do stanu metalicznego) z ~ 1 (niesprężyste rozpraszanie elektron-fonon) z ~ 2 (niesprężyste rozpraszanie elektron-elektron) eksperyment: SiNi50:H w=0.5 i z=2 SiNi29:H w=0.15 i z=0 SiNi31 w=0.5

Przewodnictwo elektryczne SiNi i SiNi:H w temperaturze 10 K 21 Przewodnictwo elektryczne SiNi i SiNi:H w temperaturze 10 K [1] SiNi <0 metal SiNi:H ds/dT >0 półprzewodnik W obecności wodoru potrzeba o 7% więcej niklu, aby przeprowadzić stop w stan metaliczny

Podsumowanie wyników doświadczalnych: 22 Podsumowanie wyników doświadczalnych: Przejście I-M przy klikunastu % metalu Negatywny wpływ wodoru: potrzeba więcej metalu dla osiągnięcia przejścia izolator-metal W układzie Si-Ta przewodnictwo dziurowe W układzie Si-Ni przewodnictwo elektronowe

Modelowa struktura elektronowa Si:Me [3] 23 Modelowa struktura elektronowa Si:Me dangling bond („wiszące”, nienasycone wiązanie Si) Stany Hubbard’a Si:Ni Si:Ta [3] DB <->HB - wzrasta koncentracja elektronów i DOS w górnym stanie Hubbard’a (Si:Ni) - wzrasta koncentracja dziur w dolnym stanie Hubbard’a (Si:Ta) To tłumaczy różny znak stałej Halla w tych dwóch układach: (przewodnictwo elektronowe & dziurowe) [1] SiNi:H nie ma DB. Potrzeba więcej Ni dla osiągnięcia delokalizacji i osiągnięcia przejścia I-M

Nawodorowany amorficzny węgiel (a-C:H) 24 Nawodorowany amorficzny węgiel (a-C:H) Amorficzne warstwy nawodorowanego krzemu są stosowane jako warstwy ochronne w magnetycznych twardych dyskach cH = H/(C+H) H/C=0.2 H/C=0.6 Zawartość wodoru: ERDA (elastic recoil detection analysis, promieniowanie a) Wielkość przerwy energetycznej zależy od stosunku ilości wiązań C-C typu sp2 i sp3. Obecność wodoru faworyzuje wiązanie typu sp3, -> stąd wzrost optycznej przerwy energetycznej ze wzrostem zawartości wodoru.

fot. ZK

Temperatura przejścia w stan nadprzewodzący stopów SiAu i SiAu:H [5]