Transport properties of the bismuth telluride thin films with different stoichiometry in the temperature range 77-300 K

Abstract

The objects of the present study are thin films with thicknesses d = 45-620 nm prepared by thermal evaporation in vacuum from a single source, using undoped p- and n-type Bi₂Te₃ polycrystals with different stoichiometry (60.0 and 62.8 at. % Te, respectively) as a charge, and subsequent condensation on glass substrates at 500 K. The temperature dependences of the Hall coefficient Rн, electrical conductivity σ, and Hall charge carrier mobility μн of thin films were obtained in the range 77-300 K. It was found that the films had the same type of conductivity as the initial polycrystals in the entire temperature range studied and, like in the initial crystals, σ and μн decreased with increasing temperature. The exponents ν in the μн(T) dependences for the bulk polycrystals were larger than those for the films and increased with increasing d. In contrast to the p-type bulk polycrystals, Rн of the p-type films decreased under increasing temperature. In the n-type Bi₂Te₃, Rн decreased with temperature for both thin films and bulk crystals, however, the character of the Rн(T) dependences for the crystals and films differed. The decrease in Rн with temperature before the range of intrinsic conductivity in all thin films is attributed to the existence of donor and acceptor defect states.

Об'єкти дослідження – тонкі плівки товщиною d = 45-620 нм, виготовлені шляхом термічного випаровування у вакуумі з одного джерела нелегованих полікристалів Bi₂Te₃ p- та n-типу, з різною стехіометрією (60.0 і 62.8 ат. % Te відповідно) і наступної конденсації на скляні підкладки при 500 К. Одержано температурні залежності коефіцієнта Холла Rн, електропровідності σ та холлівської рухливості носіїв заряду μн тонких плівок в інтервалі 77-300 К. Встановлено, що плівки мали той же тип провідності, що і вихідні кристали у всьому інтервалі температур, та, як і у вихідних кристалах, σ та μн зменшувалися із зростанням температури. Ступеневі коефіцієнти ν у залежностях μн(T) у кристалах більші, ніж у плівках, і зростають із збільшенням d. На відміну від кристалів p-типу, Rн плівок p-типу зменшувався із зростанням температури. У n-Bi₂Te₃ Rн зменшувався із температурою і для тонких плівок, і для кристалів, проте характер залежностей Rн(T) різний. Зменшення Rн із температурою до настання власної провідності, яке спостерігалося для усіх тонких плівок, пов'язувалося із існуванням донорних та акцепторних дефектних станів.