Bi-Sn, Bi-Pb ve Bi1-xSbx yarımetal alaşımlarında ultrasonik ve galvanomagnetik ölçümler

Abstract

IV ÖZET Bu çalışmada Bi-Sn, Bi-Pb ve Bi-Sb sistemleri galvanomagnetik ve Ultrasonik ölçümlerle incelendi. Alaşım tek kristalleri bölgesel eritme yöntemiyle büyütüldü. Ultrasonik attenuasyon ölçümleri 10-70 MHz frekanslarında boyuna ses dalgalan kullanılarak 1.2- 4.2 K sıcaklık aralığında ve 0.05-2.3 T magnetik alan bölgesinde puls-yankı yöntemiyle yapıldı. Galvanomagnetik ölçümler oda, sıvı azot ve sıvı helyum sıcaklıklarında yapıldı. Magnetorezistansın magnetik alan şiddetine ve yönelmesine bağımlılığı incelendi. Yarıiletken ve ikinci yanmetal bölgede Bir_xSbx alaşım tek kristallerinde, kristal yapıdan ötürü ses yayılamadığı görüldü. Magnetorezistansın magnetik alan şiddeti ve yönelmesiyle değişimi, ikinci yarımetal bölgedeki alaşımların Fermi yüzeyi geometrilerinin, birinci yarımetal bölgedeki alaşımlara benzediğini gösterdi. Bi-Sn, Bi-Pb ve Bi-Sb alaşımlarında magnetorezistansın magnetik alana bağımlılığının H2 den ayrılma nedenleri tartışıldı. Sn ve Pb katkılanmış bizmut deneklerinin Fermi yüzeyi, ultrasonik kuantum osilasyonları ve Shubnikovde Haas osilasyonları yöntemiyle incelendi. Bizmuta Sn ve Pb katkılanması ile yaratılan hole fazlalığı, yüksek magnetik alanlarda Hail katsayısı ölçümleriyle saptandı. İncelenen deneklerin hole fazlalığı 2xl017cnr3 ile 1.6xl019cm-3 arasında değişmektedir. Ultrasonik kuantum osilasyonları ve Shubnikovde Haas osilasyonları periyotlarının açı ile değişiminden, taşıyıcıların Fermi yüzeyi geometrisi belirlendi ve bu geometriyi tanımlayan parametreler hesaplandı. Hole fazlalığı arttıkça Fermi yüzeyi kesitlerinin önce azaldığı sonra arttığı görüldü. Bu, Fermi düzeyinin, bizmutun Brillouin bölgesinin L noktasındaki Lc-iletkenlik bandından Ly-valans bandına kayması durumunakarşı gelmektedir. Bu kayma `rigid band modeli` ile açıklandı. Deneysel sonuçlar, Ly-valans bandının, Lc-iletkenlik bandının ayna simetrisinde olduğunu ve Lax iki band modelinin Lv-valans bandı içinde uygulanabileceğini gösterdi. Ultrasonik kuantum osilasyonlannın genliğinin magnetik alan ile değişimi incelenerek, Dingle sıcaklığı ve taşıyıcıların ortalama çarpışma süreleri elde edildi. Osilasyon genliğinin hole fazlalığı ile değişimi ve ortalama çarpışma süreleri, katkılanan Sn ve Pb'un bizmutu kirleten safsızlıklar olarak davranmadığını göstermektedir.

VI SUMMARY In this work, single crystals of bismuth doped with tin and lead (Bi-Sn and Bi-Pb) and Bii_xSbx alloys were investigated by galvanomagnetik and ultrasonic measurements. Single crystals of alloys were grown by the zone-melting method. The changes in the ultrasonic attenuation coefficient were measured using the pulse-echo method. Ultrasonic attenuation measurements were performed in a temparature range of 1.2-4.2 K and between the magnetic fields of 0.05-2.3 T by the use of longitudinal ultrasonic waves, having frequuencies from 10 to 70 MHz. Galvanomagnetic measurements were made in room, liquid nitrogen and liquid helium temparatures. The dependence of magnetoresistance on the magnetic field strength and orientation were investigated. Due to crystal structure, in the semiconductor and second semimetallic regions of the single crystals of Bii-xSbx alloys, the propagation of sound waves couldn't be observed. The variation of magnetoresistance depending on magnetic field strength and orientation has shown that the Fermi surface geometries of second semimetallic region are similar to the first semimetallic region of Bii-xSbx alloys. The reasons of deviation of the magnetic field dependence of magnetoresistance from H2 were discussed on Bi-Sn, Bi-Pb and Bi-Sb alloys. The Fermi surface of bismuth samples doped with tin and lead were studied by ultrasonic quantum oscillations and Shubnikov- de Haas oscillations methods. Created excess hole densities by doping Sn and Pb to bismuth were calculated by Hall coefficient measurements in high fields. The excess hole density of studied samples change between 2xl017cnr3 and 1.6xl019 cm-3. From the variation of ultrasonic quantum oscillations and Shubnikov-de Haas oscillations with angle, the Fermi surface geometry of carriers were determined and the parametersvıı characterizing this geometry were calculated. When the excess hole density increased, the cross sections of Fermi surface decrease firstly and than they increase. This situation originates from the shift of Fermi level in the L point of Brillouin zone in bismuth, from the Lc-conduction band to the Lc-valance band. This shift was explained by `rigid band model`. Experimental results have shown that the Lc-valance band is the mirror symmetry of Lc-conduction band and the two band model can also be applied for Lv-valance band. From the change of the amplitude of ultrasonic quantum oscillations with magnetic field, Dingle temparature and the mean collision time of the carriers were calculated. The mean collision time and the variation of the amplitude of oscillations with excess hole density show that the doped Sn and Pb don't behave as impurities in Bismuth.