Дефекты в кристаллах (0001) Bi2Te3

Article published in Vol 7, 2013
УДК 546.87/86’24:54-165

Дефекты в кристаллах (0001) Bi2Te3

Ф.К. Алескеров1, С.А. Набиева1, С.Б.Багиров2.

1- НПО «Селен» НАНА, Азербайджан, Баку
2- Институт Физики НАНА Азербайджан, Баку
e-mail: seyyare.nabiyeva@mail.ru

АСМ – изображения в Bi2Te3 выявили равновесные формы как наночастиц Se и GeTe, так и фазы вициналов GeSe2. Поскольку диффузионные процессы происходят в изолированной среде то стабильность сформированных фаз и их свойства сохраняются.
Рассмотрена морфология поверхности (0001) Bi2Te3 сформированного в результате диффузионного переноса атомов Se и Ge в пространстве Te(I)-Te(I).

Ключевые слова: направленная кристаллизация, наночастицы, нанофрагменты, базовая поверхность, межслоевое пространство, дефекты в кристалле.


Во всех реально осуществляющихся диффузионных процессах на ван-дер-ваальсовой поверхности и кристалла необходимо учитывать роль многочисленных стоков, «кинетическую» макрошероховать и эшелоны ступеней [1].
Особо следует рассматривать поверхностную диффузию вдоль базовой поверхности между слоями Te(I)-Te(I) A2VB3VI (2,3). Проблема здесь заключается в выявлении закономерностей переноса массы в несвободном пространстве (каковым является среда между квинтетами). При этом процесс миграции сопровождается формированием наночастиц и других нанобъектов различных размеров и форм. Этому аспекту проблемы посвящены настоящие исследование.
Целью настоящей работы явилось выявление дефектов в объеме и на межслоевых вициналов в Bi2Te3, сформированных в результате направленной диффузии атомов Ge вдоль поверхности (0001) Bi2Te3.

Экспериментальные результаты.
Образцы получали методом направленной кристаллизации по методике изложенным в [2,3] с последующей диффузией атомов Se и Ge вдоль направления [0001] Bi2Te3. Изображения в 2Д и 3Д- масштабах получали на Атомно-силовом микроскопе (АСМ) марки «Solver Next» и на микроскопе марки JSM5410LV. Рентгендифрактометрические (РД) исследования поверхности (0001) проводились на дифрактометре фирмы Phips Panalytical (XRD).
АСМ- изображения базовой поверхности Bi2Te3 приведены на рис.1: а) 3Д- изображение, б) 2Д- изображение, в) профилограмма вдоль линии, данного на рис.1б.
Из анализа 3Д- изображения (рис.1а) и профилограммы (рис.1 в) видно, что межслоевая наноступень имеет поперечный размер 2•103 nm и высоту ступени 12 nm. На данной поверхности видны более мелкие наноступени. В межслоевом пространстве в целом формируются наноступени в основном высотой 20 нм; наноступени меньшего размера наблюдаются и на самой ступени (рис.1 а).
РД – снимки (см.рис.2) подтвердили наличие на поверхности (0001) Bi2Te3 следов Se, следов GeTe, рефлексы от GeSe2. Более заметными оказались рефлексы от GeSe2.
Как показывают РД – изображения (рис.2) в между теллуридными квинтетами Bi2Te3 сформировались соединения GeTe и GeSe2 т.е. среда Te(I)-Te(I) оказалось наноконтейнером для модифицирования в нем соединений имеющих более высокие температуры плавления, таких как GeTe и GeSe2.
При составах Ge и Se более 1 ат. % изменяется морфология базовой поверхности Bi2Te3. Так на рис.3 (а,б) электронно-микроскопические изображения снятые на микроскопе марки JSM541410LМ выявили поверхностные структуры с определенной кристаллографической ориентацией.

Анализ экспериментальных результатов.
Самоорганизованные слои как показали РД- снимки относятся и к GeSe2, Se и GeTe. Наростание GeSe2 (выделен квадратной фигурой в центре рис.3 (а) слегка приподняты над поверхностью (0001) Bi2Te3 и очень сходны с вициналями Zn и ZnSb в Bi2Te3 [3].
Образовавшиеся кристаллы GeSe2 на поверхности (0001) имеют наноразмеры по высоте, а ширина их колеблется в области скана 10 х 10 µm. Очевидно это вицинальные наросты GeSe2 на базовой поверхности Bi2Te3 , выросшие в условиях равновесия между фазой GeSe2 и Bi2Te3.. Малые наночастицы из которых в результате коалесценции сформировались вицилы при кристаллизации отмечены на рис. 3(а) кружочком ı. Концентрация вводимых Se и Ge в Bi2Te3 не должна превышать 1 ат. %, во избежание возникновения фазы GeSe2.
Морфология поверхности (0001) Bi2Te3 влияют на термоэдс (α) и электропроводность (σ) в системах: Bi2Te3-Ge, Bi2Te3-GeSe2. Этот вопрос рассмотрен в соответствии с растворимостью Ge в Bi2Te3.
Ge не оказывает легирующего действия в теллуриде висмута, однако эта примесь снижает подвижность дырок при температурах ниже 150 К. Стабильные свойства в образцах Bi2Te3 имеют значения α= 240 µkv/k и σ= 600 om-1cм-1. Дальнейшее легирование (Bi2Te3 96 моль%- Bi2Se3 4 моль%) донорным (CdCl2) и акцепторными (Ge) примесями (CdCl2+Ge) до 0,07 вес % приводит к достижению термоэлектрической эффективности (Z) в пределах (3,0-3,2) •10-3К-1. При увеличении концентрации примесей выше 0,1 ат.% Ge α резко падает ниже 100 µkv/k , σ имеет значение ниже 1000 om-1cм-1. Можно считать , что мы имеем дело с нерегулярной дефектной структурой.
Формирование ступенчатого рельефа часто начинается вблизи неоднородной поверхности, в частности террас. В процессе роста температуры в системе Bi2Te3.- GeSe2 каждая макроступень укрупняется и создается вицинальная поверхность (см.рис.3).

ВЫВОДЫ.
Механизм формирования межслоевых нанобъектов в Bi2Te3 имеет «кинетическую» направленность и при высоких концентрациях Se и Ge снижается термоэдс объемных кристаллов от 240 до 100 µkv/k . При легировании Bi2Te3 германием и селеном необходимо получить дефектные нанобъекты малых размеров во избежание формирования вициналов типа GeSe2. Z твердого раствора достигает высоких значений 3,0 •10-3К-1 при легировании CdCl2+Ge в пределах CdCl2<0,1 вес.% и Ge (0,05-0,06) вес.%.

ЛИТЕРАТУРА:
Я.Е.Гегузин, Ю.С. Кагановский // Диффузионные процессы на поверхности кристалла. М. (1984), с.124
А.Н. Георгобияни, А.М. Пашаев, Б.Г. Тагиев, Ф.К. Алескеров, О.Б. Тагиев, К.Ш. Кахраманов. Процесс роста и самоорганизация нанфрагментов на межслоевых поверхностях слоистых кристаллов A2VB3VI// Неорганические материалы, 2011, т. 47, № 12,с.1-5.
Алескеров Ф.К., Кахраманов К.Ш., Межслоевые наноструктуры в термоэлектрических кристаллах типа Bi2Te3//Термоэлектричество, №2, 2009, с.44).

F.K. Ələsgərov, S.B. Nəbiyeva, S.B. Bağırov

(0001) Bi2Te3 kristallarında deffektlər

Bi2Te3 dan atom quvvə mikraskopunda alınan şəkillər Se və GeTe nanohissəciklərini tarazılıq formasında müsahidə olunub, bundan başqa GeSe2 visinillərinin fazaları da alınıb. Diffuziya prosesləri izolə edilmiş mühitdə alındığından formalaşmış fazaların dayanıqlığı və xüsusiyyətləri saxlanılır.

Açar sözlər: istiqamətlənmiş kristallaşma, kristallarda defektlər, laylar arsı fəza, baza səthi, nanohissəciklər, nanofraqmentlər.


F.K. Aleskerov, S.A. Nabieva, S.B. Bagirov

Defects in crystals (0001) Bi2Te3

AFM- images in Bi2Te3have revealed equilibrium forms as Se and GeTe nanoparticles as the phases of GeSe2 vicinals. As the diffusion processes occur in isolated medium the stability of formed phase and their properties are kept. There has been considered morphology of (0001) (0001) Bi2Te3 surface derived from diffusion transfer of Se and Te atoms in Te(I)-Te(I) space.

Key words: Oriented crystallization, nanoparticles, nanofragments, base surface, interlayed space, defects in crystal.
Views: 214

Share this
 Back

Back to Top ↑