Особенности концентрационных зависимостей теплопроводности в полупроводниковых твердых растворах (PbTe)₁₋ₓ (Bi₂Te₃)ₓ

Abstract

Для полупроводниковых твердых растворов (PbTe)₁₋ₓ (Bi₂Te₃)ₓ получены температурные (T = 250-670 К) и концентрационные (x = 0 – 0.07) зависимости общей λ и решеточной λp теплопроводностей. Установлено, что в исследуемом интервале составов зависимости λ(x), λp(x) и β(x) (где β – степенной коэффициент в зависимости λp ~ T-β) имеют немонотонный характер. При общей тенденции к уменьшению с увеличением x все три характеристики – λ, λp и β – обнаруживают максимумы при x = 0.005, 0.015 и x = 0.03. Осциллирующий характер этих зависимостей связывается с изменениями в процессах теплопереноса и механизмах рассеяния фононов при переходе от разбавленных к концентрированным и ассоциированным твердым растворам, с переходами, связанными с процессами пространственного упорядочения. На основе экспериментальных данных и на основе теоретических расчетов с использованием теории Клеменса произведена оценка эффективного сечения рассеяния фононов σs примесными атомами. Среднее значение σs в пределах области гомогенности PbTe (x = 0-0.05), определенное экспериментально, совпадает с теоретически рассчитанным значением. Однако в области разбавленных твердых растворов (x < 0.005), значение σs значительно превышает среднее значение σs. Показано, что длительное старение уменьшает λ на ~ 15 %.

For the semiconductor (PbTe)₁₋ₓ (Bi₂Te₃)ₓ solid solutions, the temperature (T = 250-670 K) and concentration (x = 0-0.07) dependences of the total λ and lattice λp thermal conductivities were obtained. It was established that the dependences λ(x), λp(x) and β(x) (where β is the exponent in the λp ~ T-β dependence) have a non-monotonic dependence on x in this range of x. While showing a general tendency to decrease with increasing x, the three variables λ, λp, and β exhibit maxima at x = 0.005, 0.015 and x = 0.03. The oscillatory character of these dependences is attributed to the changes in thermal transfer processes and the mechanisms of phonon scattering under transitions from the dilute to the concentrated and associated solid solutions, with the transitions due to spatial ordering processes. The effective cross-section σs for phonon scattering by impurity atoms was estimated on the basis of the experimental data and theoretical calculations in accordance with the Klemens theory. The mean σs value in the homogeneity region of PbTe (x = 0-0.05) found experimentally coincides with the theoretically calculated σs value. However in the region of the dilute solid solutions (x < 0.005), the σs value considerably exceeds the mean σs value. Also long-term aging reduces λ by ~ 15 %.