ИСТИНА

Зондирование поверхностных и примесных состояний с применением терагерцового возбуждения в сочетании с магнитным полем является непрямым, но действенным методом исследования транспортных процессов на поверхности полупроводников и взаимодействия неравновесных электронных состояний на поверхности и в объеме. Особую актуальность эти исследования приобрели после открытия топологических состояний в 3D объектах, к которым относятся твердые растворы на основе халькогенидов свинца. Исследования, проведение которых предполагается провести в рамках рассматриваемого проекта, предназначены дополнить данные, полученные прямым методом изучения топологии поверхности Ферми методом ARPES и определить особенности транспорта носителей в топологическом слое. Решение поставленной задачи осложнено тем, что в халькогенидах свинца, как правило, объемная проводимость достаточно высока из-за наличия собственных дефектов, обусловленных отклонением от стехиометрии. Мы предлагаем исследовать диффузионные процессы, возникающие при поверхностном возбуждении неравновесных носителей импульсом терагерцового лазера в условиях приложенного магнитного поля (фотоэлектромагнитный эффект в полупроводнике с несобственной проводимостью). Проведенные нами предварительные эксперименты показали, что применяемая методика позволяет регистрировать электрическое поле, возникающее в условиях диффузии поверхностно возбужденных неравновесных носителей, даже в образцах с концентрациями электронов выше 10^{18} см^{-3}. Возможный вклад носителей из топологического слоя в наблюдаемый эффект будет определяться на основе сравнительного анализа данных, полученных для твердых растворов с прямым и инверсным спектром. В качестве варьируемых параметров будут использованы температура, напряженность магнитного поля, длина волны лазерного излучения, состав образцов и концентрация свободных носителей в объеме. Определение влияния топологического слоя на характер диффузионных процессов требует отчетливого понимания механизмов, отвечающих за формирования эдс в образцах с прямым спектром. Наряду с нелегированными образцами PbSnTe и PbSnSe в качестве реперных объектов будут выбраны легированные индием и галлием твердые растворы PbSnTe. Это позволит внести большую ясность в понимание природы метастабильных состояний, отвечающих за фоточувствительность PbSnTe(In) в терагерцовой области, а также определить механизмы, отвечающие за зависимость фотоотклика от напряженности магнитного поля.

К концу 2014 года планируется провести следующие работы и исследования. Проведенные нами эксперименты показали, что фотоэлектромагнитный эффект наблюдается в образцах PbSnSe с концентрацией электронов, достигающей 10^{18} см^{-3}. Ранее мы наблюдали подобный эффект в PbSnTe(In) с монополярной проводимостью, но при меньшей степени вырождения электронного газа. Легирование In твердых растворов на основе теллурида свинца приводит к модификации энергетического спектра, стабилизации положения уровня Ферми и формированию метастабильных электронных состояний, привязанных к квазиуровню Ферми. Объяснение механизма фотоэлектромагнитного эффекта проводилось с учетом перечисленных факторов. Существенная роль при этом отводилась метастабильным состояниям, природа которых пока не вполне понятна. Тем не менее, для легированного полупроводника было логичным связывать эти состояния с присутствием примеси. Последние эксперименты с нелегированным PbSnSe показывают, что для более полного понимания наблюдаемого эффекта необходимо провести дополнительные исследования как нелегированных, так и легированных монокристаллических образцов. В PbTe(Ga) фоновая подсветка может изменять положение квазиуровня Ферми в достаточно широких пределах, что позволит определить возможное влияние на характер фотоэлектромагнитного эффекта концентрации свободных носителей заряда. Основными объектами исследования в первый год выполнения проекта будут монокристаллические образцы PbTe, PbTe(Ga), PbSe и твердые растворы PbSnSe. Варьируемыми параметрами будут тип проводимости и концентрация носителей заряда. Для образцов с составом близким к бесщелевому состоянию, будет исследована топология поверхности Ферми методом ARPES (в сотрудничестве с научной группой д.х.н. Л.В.Яшиной). Состав твердых растворов будет определен с помощью рентгенофазового анализа. Гальваномагнитные и электрофизические свойства кристаллов будут исследованы в магнитных полях до 7 Тл при температурах от 4.2 до 300 К. Методическая часть будет включать в себя применение различных технологий изготовления контактов, анализ вольтамперных характеристик, определение возможного влияния контактов на фотопроводимость исследуемых объектов.