Yarımetal Bi1-xSbx alaşımlarında ultrasonik kuantum osilasyonları

Abstract

IV ÖZET Yarımetal Bi, Sb alaşımlarının (0^x^0,04) elektronik 1-x x v özellikleri ultrasonik kuantum osilasyonları tekniği ile incelendi. Ultrasonik attenuasyon katsayısmdaki değişim ler puls-yankı yöntemi ile ölçüldü. Deneyler, 8-270 MHz frekanslarında boyuna ses dalgaları kullanılarak, 1,2-4,2K sıcaklık aralığında, 0,05-2,3 T magnetik alan bölgesinde yapıldı. dHvA -bölgesi ile ara-bölgeye özgü kuantum osi- lasyonları, q//z-ekseni ve H//yz-düzlemi ; q//z-ekseni ve H//xz-düzlemi ; q//z-ekseni ve H//xy-düzlemi ; q//y-ekseni ve H//yz-düzlemi, koşullarında incelendi. Ultrasonik kuantum osilasyonları periyotlarının açı ile değişiminden, elektron Fermi yüzeyi kesitleri ile elekt ronların etkin kütleleri bulundu. Antimon konsantrasyonu arttıkça, elektronların Fermi yüzeyi kesitlerinin, siklot- ron kütlelerinin, Fermi enerjisinin ve taşıyıcı yoğunluğu nun azaldığı, elektron paketlerinin sayısının, şeklinin ve tilt açısının değişmediği saptandı. Bu alaşımların elektron Fermi yüzeyi, şeklini ve yönelmesini koruyarak, küçülmektedir. Band tabanındaki elektron siklotron kütle sinin antimon konsantrasyonu ile değişiminden, Brillouin bölgesinde L-noktalarındaki yasak enerji aralığının azal dığı ve x =0,04 'de L-bandl arının kesiştikleri belirlendi. Fermi düzeyinin ve taşıyıcı yoğunluğunun magnetik alanla değişimi, Lax iki-band modeli çerçevesinde, incelendi. Buradan, elektron Fermi enerjisi, taşıyıcı yoğunluğu ve elektronların kuantum limiti (H//y-ekseni için) bulundu. Antimon konsantrasyonu arttıkça, kuantum limitinin daha düşük magnetik alanlara kaydığı gözlendi. Pik yerlerinin magnetik alanın yönelmesine bağlı değişimi incelenerek, osilasyonlarm hangi taşıyıcı paketinden kaynaklandıkları, piklerin Landau ve spin kuantum sayıla rı belirlendi. Konsantrasyon arttıkça, aynı Landau sayı lı piklerin daha düşük alanlara kaydığı gözlendi. Bizmut-ta osilasyonların spin yarılmaları incelendi ve yz-düzle- minde elektronların spin yarılma faktörü yaklaşık 1,0 7 olarak ölçüldü. dHvA-tipi osilasyonların genliklerinin sıcaklık ve magne- tik alan ile değişimi incelenerek, elektronların Fermi düzeyindeki siklotron kütleleri, Dingle sıcaklığı ve ortalama ömür süreleri elde edildi. Antimon konsantrasyo nu arttıkça, Dingle sıcaklığının arttığı, ortalama ömür süresinin kısaldığı gözlendi. Antimon konsantrasyonu ve dislokasyonların, osilasyonların çizgi-şekli ile Dingle sıcaklığına etkisi tartışıldı ve alaşımların durulma mekanizmalarında başat etkenin dislokasyonlar olduğu sonucuna varıldı.

VI SUMMARY The electronic properties of semimetallic Bi. Sb alloys (0 £x £0.04) have been investigated by ultrasonic quantum oscillations technique. The changes in the ultrasonic attenuation coefficient were measured using the pulse echo method. Experiments were carried out in the tempera ture range 1.2-4.2 K using longitudinal ultrasonic waves of frequencies up to 270 MHz and magnetic fields between 0.05 and 2.3 T. Oscillations in the dHvA region and the intermediate region were studied in the following four -» -? *-» -* cases: q//z-axis, H//yz-plane; q//z-axis, H//xz-plane; -» -* -» -» q//z-axis, H//xy-plane; and q//y-axis, H//yz-plane. The Fermi surface sections and effective masses of elect rons were obtained from the angular dependence of the measured periods of ultrasonic quantum oscillations. With increasing antimony concentration the Fermi surface sections, the cyclotron masses, the Fermi energy and the density of electrons in the alloys decrease, but the shape, the number and the tilt angle of the electron ellipsoids do not change. The electron Fermi surface in the alloys contracts toward its centre, preserving its shape and orientation. By studying the concentration dependence of band edge cyclotron masses, it is found that the energy gap at the L-points of the Brillouin zone decreases with increasing antimony concentration, and at x =0.04 the bands at the L-points intersect each c other. The variation of Fermi level and carrier concentration in the alloys with magnetic field were studied in the framework of the Lax two-band model. Fermi energy, the carrier concentration and the quantum limit of electrons (in the case of H//y-axis) were obtained. With increasing antimony concentration the quantum limit shifts to the lower fields.vıı Landau and spin quantum numbers of oscillation peaks and the carrier pockets from which they originated were deter mined from the angular dependence of the peak positions. It is observed that, with increasing antimony concentration, the oscillation peaks with the same Landau numbers shift to the lower magnetic fields. The spin splitting of the oscillations in bismuth were studied. It is found that the spin splitting factor of the electrons in the yz-plane is approximately equal to 1.07. The temperature and magnetic field dependence of the amplitudes of dHvA type oscillations were studied and electron cyclotron masses at the Fermi level, the Dingle temperature and the mean life time of electrons were obtained. With increasing antimony concentration the Dingle temperature increases, but the mean life time of electrons decreases. The effects of antimony concentration and dislocations on the line shape of oscillations and Dingle temperature were discussed and it is concluded that the dislocations are the dominant effect in the relaxation mechanisms in the alloys.