Особенности энергетического спектра Pb$_{1-x}$Sn$_{x}$Te$\langle$Tl, Na$\rangle$

С. А. Немов, Н. Г. Богатыренко, В. И. Прошин


Аннотация: Исследованы особенности энергетического спектра дырок в твердом растворе Pb$_{0.95}$Sn$_{0.05}$Te, легированном 2 ат % таллия, с помощью измерений основных кинетических коэффициентов: удельной электропроводности, Холла, термоэдс и поперечного эффекта Нернста$-$Эттингсгаузена в диапазоне температур 77$-$450 К. Изменение положения уровня Ферми в валентной зоне осуществлялось путем дополнительного легирования электроактивной примесью — Na (акцептор) или избытком металла (донор).
Полученные экспериментальные данные свидетельствуют о наличии в запрещенной зоне акцепторного уровня с энергией $\varepsilon_{A} \approx-0.04$ эВ, слабо зависящей от температуры. Уровни $\varepsilon_{A}$, по-видимому, связаны с комплексами собственных дефектов либо с комплексами типа собственный дефект$-$примесь.
На фоне спектра легких дырок обнаружен резонансный уровень $\varepsilon_{d}$, по-видимому, связанный с собственными дефектами донорного типа. При низких температурах $\varepsilon_{d} = 0.14$ эВ, уширение $\Gamma \sim 0.01$ эВ. С ростом содержания Sn в твердых растворах Pb$_{1-x}$Se$_{x}$Te уровень $\varepsilon_{d}$ смещается в глубь валентной зоны со скоростью $d\varepsilon_{d}/dx\sim 0.8$ эВ.
Ниже края зоны тяжелых дырок расположена широкая полоса резонансных состояний Tl (при 77 К $\varepsilon_{i} = 0.22$ эВ, $\Gamma$ порядка нескольких сотых долей эВ). С ростом температуры полоса Tl \glqqвсплывает» со скоростью $d\varepsilon_{i}/dT$, близкой к скорости изменения зазора между неэквивалентными экстремумами валентной зоны $d\Delta \varepsilon_{v}/dT$. При увеличении содержания Sn в Pb$_{1-x}$Sn$_{x}$Te полоса Tl \glqqопускается» в глубь валентной зоны, одновременно происходит ее уширение. Это приводит к уменьшению плотности примесных состояний Tl, сглаживанию особенностей в кинетических коэффициентах и исчезновению сверхпроводимости при $T>0.4$ K.